走航式剖面測量系統設計研究

姜海雨

（上海勞雷儀器系統有限公司，上海 200120）

由于季節變化及24h 內日照的變化，海洋數據參數隨著時間和海域的不同也相應變化的。但是在一定的海區，海洋數據參數的變化具有一定的規律。為了摸清溫、鹽、深的變化規律，水文工作者需要經常出海進行水文測量。以往的測量方法是測量船在海上定點拋錨，停船狀態下投放測量儀進行剖面測量。為了提高測量效率，本文提出了一種走航式剖面測量系統的設計，包括收放系統的結構設計、絞車裝置液壓系統設計、自動控制設計等，該系統在測量船行進過程中重復拋投、回收探測拖體，進行連續的垂直剖面測量，不需要停航拋投，而且全部作業都是自動進行，并進行了相關的航行試驗。

1 走航式剖面測量的系統設計及特點

走航式剖面測量系統允許通訊電纜連接的拖體進行自由下墜，下墜過程中采集水體垂直剖面原始數據，并將數據調制后生成的遠傳數據經通訊電纜發送回測量船，遠傳數據解調為原始數據后，上位機可獲得拋投點的綜合水體垂直剖面圖。采用上位機控制收放系統執行拖體布放，通過判斷拖體下墜深度終止布放，并回收拖體到海面的拖曳位置，拖曳位置設定為海面下3 ～5m。系統通過執行布放條件，在測量船航行狀態下可實現拖體的連續布放。走航式剖面測量系統隨著船速的增加測量深度減小，本系統可實現12 節航速時測量水深可達300m；停航時測量水深可達4000m。

走航式剖面測量系統由測量拖體、高強度通訊電纜、收放系統、上位機系統等組成。投放的測量拖體內含傳感器及遠程數傳系統，可根據需求配用多種參數傳感器，標準配置為測量CTD 數據；投放通訊纜連接測量拖體與收放系統，能滿足承受設定載荷和通訊需求；收放系統能實現測量拖體的

自由下墜投放、一般控速投放、控速回收，具有緩沖制動功能，配置回轉伸縮臂用于將測量拖體自甲板運送至舷外投放及自舷外回收后送回甲板。上位機系統收集各項收放系統狀態參數并對收放系統下達各項動作執行指令，采集從測量拖體傳來的傳感器數據并綜合母船狀態數據、水體數據和其它相關數據留作科學分析之用。

1.1 收放系統的結構及功能

收放系統是由外導向輪、投放臂、內導向輪、回轉機構、排纜機構、卷楊系統、盤式制動器、液壓單元、電控柜等組成，可實現測量拖體的自由投放及控速下放和回收。

外導向輪用于最外端的出纜導向，安裝機械式感應開關，用于布放過程中的拖體位置控制判斷。投放臂由液壓油缸驅動，可將投放臂從舷內伸到舷外，投放臂可承受額定載荷垂向和橫向的彎矩。內導向輪用于排纜機構到投放臂的出纜導向，安裝機械式感應開關，用于收纜防沖頂及放纜余纜保護判斷；安裝測力銷，用于纜繩張力測量功能；安裝編碼器，可實現計米、計速功能。回轉機構由液壓馬達驅動使投放臂旋轉，旋轉角度350°，回轉機構可承受額定載荷的彎矩和扭矩。排纜機構由導桿、絲桿、排纜框組成，根據卷筒的轉速移動排纜框，使卷筒上排纜整齊。絲桿由液壓馬達驅動，絲桿上安裝旋轉編碼器，用于排纜位置計算。卷揚系統由液壓自由輪馬達驅動，可執行拖體的自由下墜及控速下放和回收。卷筒安裝編碼器，用于測量卷筒的轉速。卷筒法蘭側安裝盤式制動裝置，可實現自由下放時的緩沖制動，盤式剎車由制動盤和制動頭組成，制動頭為碟簧松閘，液壓上閘，可實現自由下放時的緩沖制動。液壓單元為收放系統提供動力，配置不銹鋼油箱及液壓附件。電控柜可實現收放系統的本地控制功能，并執行上位機的控制指令。

1.2 絞車裝置液壓原理設計

絞車裝置的基本液壓原理如圖1 所示。閉式電比例液壓泵2 是用于向收放系統的卷筒提供動力的單元。閉式電比例液壓泵2 驅動帶自由輪功能的馬達1 旋轉，閉式液壓泵2 和自由輪馬達1 構成了閉式回路液壓系統，卷筒的正反轉可通過液壓泵的電比例換向閥實現。通過自由輪先導閥5 可控制自由輪閥3 的閥芯工作位置。當自由輪先導閥5 失電時，自由輪馬達1 處于正常回轉工況，液壓泵2 驅動自由輪馬達的回轉；當自由輪閥5 得電時，自由輪馬達1 處于自由輪工況。自由輪馬達1 的柱塞依靠內部的彈簧結構縮回，使自由輪馬達1 的柱塞工作行程為零，馬達輸出軸在拖體的作用下處于自由回轉狀態。

圖1 收放系統液壓原理圖

1.3 自動控制設計

自動控制系統完成整個走航式剖面測量系統的通訊與控制，主要包括收放系統電控柜、工控機、上位機。收放系統電控柜與工控機通過一根多芯電纜經分線盒進行通訊，包括收放系統的控制、拖體傳感器的數據信號通訊、緊停控制、接地。控制方案如圖2 所示。

圖2 控制方案圖

上位機既控制軟件系統，該軟件利用C#實現走航式剖面測量系統的人機交互界面，人機交互界面如圖3 所示。軟件利用硬件平臺提供的接口，實現對拖體傳感器的多通道數據采集、數據顯示，并可記錄原始數據；實現對收放系統進行自動控制、監測收放系統的數據狀態，控制收放系統進入自由輪工作模式后，通過判斷測量拖體的入水深度、放纜長度、測量拖體距海底的深度進行盤式緩沖制動，制動后開始收纜，將通訊電纜收到測量拖體的拖曳位置。通過系統配置界面設定投放間隔時間、投放次數、投放深度，可實現對拖體進行連續多次投放。

圖3 人機交互界面

2 航行試驗

在水深大于300m 的海區、停航狀態下，掛上配置CTD傳感器的托體，操作控制柜上的本地控制面板，將拖體投放至水面以下5m 的投放起始位置。

將控制權切換至上位機，在上位機控制下，進入定深投放模式，設定投放深度160m，時間間隔1min，循環自由投放3 次，船速4 節，記錄實際投放深度、放纜長度，投放時間；設定投放深度75m，時間間隔1min，循環自由投放3 次，船速8 節，記錄實際投放深度、放纜長度，投放時間；設定投放深度30m，時間間隔1min，循環自由投放3 次，船速12節，記錄實際投放深度、放纜長度，投放循環時間。

3 結語

（1）走航式剖面測量系統可采集多種水體垂直剖面信息，滿足科學家對水體調查的日益增長的需求。

（2）測量船不同的航速，拖體的工作深度也是不一樣的。低航速時，拖體的投放深度可以到達較大的深度；而高航速時，受水阻力增大、通訊電纜強度、收放系統功率等因素限制，拖體投放深度也相應減小。因此需要預置不同航速下的相應投放深度值，上位機根據測量船GPS 裝置的船速來調整拖體的最大投放深度。

（3）進行航行試驗驗證，結果表明該走航式剖面測量系統滿足設計使用要求，驗證了該系統設計的可行性，可為后續設備的研制提供較高的參考價值。