可回收式水下聲學網絡監測節點的設計與實現

羅 亮，彭 晨，冷建興

(1. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015；3. 浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著現在社會的高速發展和各個領域科學技術的不斷革新，人類把目光逐漸從陸地轉移到了海洋，而開發海洋資源的前提是準確而高效地獲取當地海洋環境的各種狀態參數。近幾年來隨著我國綜合國力的增長和國家發展戰略的需要，不同形式的水下環境監測和信息采集裝置也不斷涌現，其中水下聲學傳感器網絡系統是在一定范圍的水域內通過預先布放的諸多傳感器節點來獲取一段時間內的水文信息，并進行聲學通信和組網，最終通過特定節點以無線電或有線的方式來將信息傳輸到岸上的終端系統。目前國內對于水下網絡監測節點的整套設計比較少，很多研究機構或院校自主研究的水下傳感器網絡監測節點還主要停留在實驗室階段。水下網絡監測節點目前面臨的主要問題是：1）現有的海洋環境監測系統以及單個節點的環境適應能力較差；2）傳統的大型海洋監測節點的布放方式主要是借助于A型架和水下機器人相配合，導致節點的布放、回收和錨固系統結構復雜且可靠性不高；3）監測節點在水下工作時沒有電纜連接到外部供電設備，需要一種能夠滿足水下長時間工作的節點供電方案。

針對以上問題本文研制了一種采用自由投放和自主上浮回收方式的水下聲學網絡監測節點，并結合節點的功能要求和實際供電模式對單個節點進行結構優化設計。其中核心控制監測系統所在的可回收耐壓艙體可實現重復循環利用，可控分離裝置選用了導彈分離裝置中的電爆螺栓插頭來作為分離器。上述設計在滿足實際功能需求的同時，保證了單個節點的分離回收可靠性、環境適應性和經濟性，為后續水下環境監測綜合系統的研究提供了一個較理想的試驗搭載平臺。

1 水下聲學網絡監測系統總體設計方案

可回收式水下網絡監測項目的研究重點在于研制1套可靠性高、功耗低、結構盡量緊湊并且環境適應能力較強的多節點海洋環境監測網絡系統。首先單個節點除了能在各種復雜惡劣的海底工作環境下都能穩定可靠地工作外，節點還必須可以實現水面自由投放和水下自主供電，并能夠實現自主分離回收。總的來說，海洋環境的區域性、多變性以及實時性等特點需要發展具有寬覆蓋、快變跟蹤能力的新型監測技術平臺。

1.1 單個水聲監測節點工作流程

進行海洋環境數據監測時，聲學網絡內的單個監測節點主要依靠母船搭載相應數量的水聲監測節點來到達目標海域，然后進行聲學通訊組網和其他調試準備工作。對單個監測節點來說整個工作過程主要由自由投放、組網通迅、海域環境監測、釋放可回收艙體和搜救回收等部分組成。其中各個步驟的工作過程中，要求每一個功能模塊相對獨立，部分失效不影響全局，相互之間依靠數字通信接口來傳遞信息。節點綜合了傳感、通信、定位、信號處理于一體，能夠在時間上實現高精度的自同步，保證流速估算的精確性。

1.2 單個水聲監測節點結構組成

針對水下聲學網絡監測節點在通信、傳感、數據等方面所需的各種設備，以及水下長時間工作的供電需求，對節點的整體機械結構進行初步設計。其空間布置形式如圖2和圖3所示。

圖1 節點工作流程圖Fig. 1 Flow chart of node

圖2 節點架構圖Fig. 2 Diagram of node architecture

整體結構形式主要為了滿足實際使用需求中的自由投放、平穩下落和具有可回收性等要求，自上而下單個監測節點主要包括了可回收艙體、脫開彈射機構、底部支撐支架以及最底部的電源和配重。其中節點底部的電源模塊因為考慮到其所占體積較大且實際使用過程中回收困難，因此電池在短時間內不回收并對電池采用混凝土配重包覆的設計方案，使得電池可以在較長時間內與海水完全隔開，防止其被海水侵蝕污染環境。單個節點各組成部分的主要功能任務與控制模塊組件如表1所示。

2 水下網絡監測節點核心部件設計

圖3 節點整體結構示意圖Fig. 3 Whole structure diagram of node

表1 各組成部分功能模塊組件表Tab. 1 Functional module components table of each component

對單個水聲監測節點而言，在海底達到預定位置從開始海洋環境狀態監測到工作結束，控制模塊和通信模塊等電子設備均位于可回收艙體內部，考慮到海底工作環境是高壓且其主要供電方式是利用三角支撐架底部的電源艙，釋放回收過程中必須跟電源艙接口快速可靠地脫離。本文對節點的電源管理模塊、耐壓艙體和分離回收機構進行了分析研究和優化設計，為后續水池實驗驗證打下基礎。

2.1 可回收耐壓球體

首先需要對可回收艙體進行材料選型，考慮到海底工作環境為高壓且艙體回收需要其形成的密閉空間能提供較大的正浮力，因此選擇強度高、密度小的增強型復合材料——玻璃鋼制品較為合適。其中上下法蘭需要考慮到其長時間的海底工作環境，因此選用耐腐蝕性能較好的316L不銹鋼，且整個回收球體涂刷防海生物油漆，一方面防止海蠣子等生物附接在艙體表面影響其工作，另一方面方便其上浮后搜尋人員對其查找。可回收球體設計圖和加工成品如圖4所示。

對于玻璃鋼球體厚度的分析計算，本文采用無力矩理論進行分析。由于殼體壁厚與直徑的比值很小，壁厚像薄膜一樣，即殼體外徑與內徑之比≤1.2。其計算公式如下：

圖4 可回收球體結構圖Fig. 4 Diagram of recoverable sphere structure

式中：P為外壓；R為薄殼球體的中徑；t為薄殼的厚度；σ為增強型玻璃鋼材料的極限強度，并根據節點所處的可能最大水深200 m進行強度校核。根據工程規定一般選取安全系數ns=2，那么可得計算許用應力σ=167.5 MPa，進而初步得到球殼厚度t=3.125 mm。

除此之外對于薄膜結構而言失穩現象也是必須考慮的，而且一般情況下穩定性條件比材料強度失穩條件更容易達到。本文主要利用經典理論中耐壓殼體的失穩臨界載荷來判定。計算薄膜球殼所能承受的最大外壓，其計算公式如下：

根據殼體所承受的外壓值為P=2 MPa，代入其他參數值并取2 mm余量，從而可以計算得到殼體的厚度應為8 mm。

2.2 電控分離裝置

水下網絡監測節點在完成長時間的數據采集過程之后，搭載有數據存儲模塊的可回收艙體部分需要被回收。在回收之前要求可回收艙體與三角支架的連接必須可靠穩定；而回收時又要求其動作快速同時不能與支架部件有任何干涉。本文選用導彈分離裝置中的電爆螺栓作為分離器，由于電爆螺栓的連接是單點固定，結構上不太穩定，故設計了3個定位球在球體的下法蘭和三腳架安裝法蘭面之間。進而保證在電爆螺栓的螺紋預緊力作用下，3個接觸點可以使得兩者的連接更加穩固，中間連接機構布置方式如圖5所示。

在回收過程中當電爆螺栓上電被引爆之后，位于中心的電爆螺栓拉緊力消失，壓縮的彈簧儲存的勢能被釋放，整個可回收密封浮球在彈簧推力的作用下和自我的浮力作用下上浮，上浮過程中，由于整個浮球的中心集中在原固定位置的上部（副電池安裝位置），故浮球會順著彈簧使其翻轉的趨勢，在水中進行180°翻轉，并伴隨著上浮。整個過程的示意圖如圖6和圖7所示。

圖5 中間連接機構布置圖Fig. 5 Arrangement diagram of intermediate connection mechanism

圖6 分離前可回收艙體翻轉示意圖Fig. 6 Diagram of recovery capsule before separation

圖7 分離后浮球上浮姿態示意圖Fig. 7 Diagram of floating ball floating after separation

2.3 可脫開插頭

由于電池艙位于底部且起到配重平衡的作用，但是整個監測節點的核心工作模塊都放置在可回收球體內部。因此節點在水下正常工作的時候，電池需要連接到可回收艙體內部進行供電；但是到達預定工作時間后又需要將連接的插頭快速分開，實現主電池和副電池的供電切換。可脫開插頭就是實現上述功能的執行機構，其主體由上安裝體、下安裝體和中間的銅芯組成，銅柱和銅帽之間的可靠接觸依靠上頂彈簧來保證。整個機構在分離的時候需要克服徑向的密封圈的摩擦阻力和插頭所形成的壓差阻力，具體的可脫開插頭裝配組成如圖8所示。

圖8 可脫開插頭裝配圖Fig. 8 Assembly diagram of releasable plug

3 水下網絡監測節點海試實驗驗證

本項目的主要任務是通過搭建單個節點的監測平臺，并在一定海域范圍內建立起水聲通訊拓撲網，最終由8個節點組成的水下傳感網絡分布式測流系統可以使得科研人員對復雜海底環境的情況進行全方位探測和數據收集。本文主要研究重點在于對節點的結構和功能部件進行優化設計，所以在進行最后的組網通訊實驗之前，需要在已確定深度的目標海域對單個監測節點的整體結構進行耐壓性、密封性實驗驗證，保證結構的安全性和可靠性。由于本次海試實驗不涉及節點的分離回收模塊且實驗時間初步確定為3天，所以并未對3個電池艙進行表面鋼筋混凝土包覆處理，布放和回收方案也采用常用的纜繩浮球吊裝布放方式，其余各主要功能模塊機構已經全部安裝到位，海試實驗區域為舟山市六橫島附近海域，圖9和圖10分別為單個監測節點的內部控制模塊和實際總裝實物圖。

圖9 內部控制系統布置圖Fig. 9 Layout of internal control system

圖10 節點總裝實物圖Fig. 10 Total assembly drawing of node

在進行吊放之前需要對每個監測節點進行系統同步性馴服，到達目標試驗海域后3個節點均按預定實驗方案被成功下放到海域的指定位置，3個節點布置方式約為等邊三角形，節點與節點之間相距1 km。在為期3天的實驗驗證中，整個3節點網絡監測系統運行良好，水聲換能器的響應、收發情況一切正常，未出現任何漏水等密封性問題。該海試實驗初步驗證了水下網絡監測節點的結構可靠性以及通訊控制方面的技術可行性，后續實驗的重點就在于利用水下監控測量設備對節點布放和分離回收功能進行進一步驗證。

4 結 語

海洋環境監測是進行海洋環境保護的重要手段，關系到我國海洋環境保護事業的平穩發展。本文提出的水下聲學網絡監測系統可在很大范圍內收集和儲存目標海域的各種海洋環境參數，具有很強的實用性，也是國際海洋環境監測領域的發展方向和研究趨勢。

可回收式水下網絡監測節點是針對我國區域海洋環境監測的特點和要求來設計研制的，是集聲學發送、接收和機械釋放裝置于一體的方案。該水下節點能實現自動穩定沉底、具有分離釋放功能和水面北斗定位與無線通信功能，并詳細介紹單個監測節點的工作方式、結構形式和核心功能部件設計，并最終完成總裝和海試實驗驗證，為節點小型化提供了設計依據和參考。