全海深沉積物力學特性智能施測系統設計

遲書凱,韓濤,葛憲威

(中國海洋大學 工程學院,山東 青島,266061)

0 引言

隨著近年海洋開發領域從淺海到深海的不斷推進,深淵研究已經成為最新的海洋研究前沿領域[1]。通過掃描電子顯微鏡對馬里亞納海溝海底表層沉積物的取樣和AS1726 規范,深海沉積物土壤根據土體不排水抗剪切強度的數值大致分為超軟黏土(0～12 kPa),軟黏土(12～18 kPa)和包含中硬黏土、粉砂或者砂土的硬土(大于18 kPa)[2],土層結構復雜,單一測試手段無法滿足試驗目的[3]。對于海底沉積物土力學性質的綜合調查和測試,需要通過包括靜力觸探測試、十字板剪切測試和全流動貫入測試在內的多種測試手段,以獲得貫入阻力、側摩阻力、孔隙水壓力、十字板剪切強度等重要的土力學參數,同時也不可避免地涉及多種傳感器的通信、控制和計算[3-4],在數據處理及實時作業的角度都具有不小的挑戰。同時全海深環境下水壓巨大,最直接的影響是耐壓艙壁厚度大,艙內體積減小,要求系統集成度要求高;且由于萬米水聲通信技術不成熟,通信帶寬有限,可靠性低[5],進行原位測試的系統需要具有較強自主工作能力。

國內外目前現有的研究和技術集中于保障著陸器在萬米進行著陸、取樣和回收環節,主要采用常規的取樣帶回實驗室研究的方式,不具備針對海底沉積物的較為全面的力學特性的原位測試功能[6],更難以保證獲取原位測試數據的有效與精確。不同土層力學特性的獲取對于測試方式及傳感器精度有不同的需求,而當前在中等深度海域廣泛應用的原位探測系統普遍采用通過水聲系統與人員操作或定時方式完成固定的探測流程,這類緩慢且低效的測試難以針對具體土層情況開展最適合的探測來獲取準確原位數據[6]。

文中提出一種全海深沉積物力學特性智能施測系統,通過系統自主在水下依據高度計、深海壓力計等多種傳感器判斷開展土力學測試,并借助測試獲得的數據實時計算與分析,決策出當前土層條件下最適合的施測方式組合,獲取海底原位土層信息以及各土層的精確土力學特性。結合海洋科學與技術的相關研究,從課題研發計劃的工程要求和海洋研究開發的實際需求出發,智能施測系統集成了靜力觸探測試、十字板剪切測試、全流動貫入測試和原位取樣的功能模塊,特別針對全海深環境的高含水量、高靈敏度、低容量特點的土體,采用包含錐形探桿(適宜軟黏土、超軟黏土的測試)、球型探桿(適宜超軟黏土的測試)、十字板探桿(適宜海底幾乎所有常見土層的測試)等多種力學傳感器組合[7-8],并在軟件功能上具備粗略計算和精確數據存儲的功能,前者用于幫助實時快速決策,后者用于幫助后期全面掌握特性。

1 智能施測系統設計

為更充分地得到深海沉積物的力學特性全貌,結合海洋土力學的通用規范[9-11],搭建基于力學特性區分的海底沉積物土層組合模型,并通過對模型的分析,智能施測系統分為位于底層的土力學試驗模塊和位于頂層的智能決策模塊。

前者以土力學試驗的傳感器與動力裝置為主,具體分為錐形探桿測試組件、球形探桿測試組件、十字板探桿測試組件和原位取樣組件,其中錐形探桿測試組件實現土層的靜力觸探測試和全流動貫入測試,球形探桿測試組件針對強度較低的土層進行更高精度的靜力觸探測試和全流動貫入測試,十字板探桿實現十字板剪切測試[12];智能決策部分主要由軟件及為保障軟件穩定運行的硬件電路組成,核心功能為分析傳感器數據以及依據數據進行之后系統動作的決策。

1.1 土力學試驗模塊設計

由于當前對全海深環境的沉積物土力學的研究并不成熟,為了保證全部測試可以可靠運行,系統首先在海底通過錐形探桿測試組件進行全流動貫入測試。錐形探桿在土力學試驗中廣泛應用于多種復雜的土層結構,組件包含錐形探桿本體、光纖傳感器和驅動探桿的液壓系統。前兩者集成為一體,錐尖的光纖形變傳感器測量貫入阻力,錐側部的環狀傳感器測量貫入過程的側摩阻力,錐尾的墊片形狀傳感器測量孔隙水壓力。控制系統通過控制液壓系統直流電機的啟停和電磁閥的上下電實現探桿貫入回收動作:當直流電機開啟且電磁閥上電時,電磁閥導通組件的液壓閥,直流電機為液壓系統提供動力,探桿以20±5 mm/s 的速度貫入土層;當直流電機開啟而電磁閥未上電時,探桿回收;直流電機未開啟,探桿保持原位置。錐形探桿測試組件測試范圍為0～240 N,分辨率為1×10-3N,貫入橫截面積為0.001 m2。

球形探桿測試組件功能同樣為進行靜力觸探試驗和全流動貫入試驗,但不同點在于球形探桿橫截面積大,貫入難度大,專為分布最廣的超軟黏土層測試而設計。球形探桿測試組件由球形探桿本體、光纖傳感器和液壓系統構成。相較于錐形,球形探桿測試組件測量范圍擴大為0～1600 N,分辨率也提升為1×10-6N,貫入橫截面積為0.01 m2,能夠實現從另一種角度綜合分析待測土體土力學性質。但也因貫入橫截面積較大,較硬的土層會對球形探桿本體產生較大的反作用力,接近甚至超越組件最大測量范圍,故而只適合土體不排水抗剪切強度較低的黏土[13]。

十字板探桿測試組件負責進行土力學十字板剪切測試,由鈦制十字板探桿本體、高精度力學傳感器和直流伺服電機構成[12]。電機帶動十字板探桿扭轉,力學傳感器將力矩轉化為電流值,通過軟硬件濾波和解調得到實時的力矩數據。球形探桿與十字板探桿的貫入與回收動作的控制方式與錐形探桿相同。

1.2 中間數據處理模塊

在測試過程中,上述土力學試驗模塊獲得的所有數據都會通過中間數據處理模塊進行計算與匯總,具體分為數據采集、數據維護與數據存儲。土力學試驗模塊通過傳感器實現使用激光的波長數據代替實際物理參量數值,數據采集通過收集該模塊下各個正在工作組件測得的波長數據,使用高精度浮點計算重新還原為物理量的數值。數據維護完全由軟件實現,更新變量為對應的實時數據采集得到的物理量數值,同時數據維護結束的標志作為運行數據存儲代碼與智能決策模塊代碼的信號。數據存儲硬件上包括閃存(Flash)與安全數碼卡(secure digital memory card,SD),前者存儲最核心的程序運行狀態數據,以防系統意外重啟后恢復工作現場,后者存儲全過程的數據以備后期處理與回收后數據分析。上述的數據傳輸過程如圖1 所示。

圖1 智能施測系統組成模塊與數據傳輸示意圖Fig.1 Composition module and data transmission diagram of intelligent measurement system

1.3 智能決策模塊設計

根據土力學試驗模塊中各個組件的不同功能,智能決策模塊的核心工作內容為在錐形探桿測試組件工作時獲取貫入阻力-深度曲線,分析得出土層組合,以及決策球形探桿組件、十字板探桿測試組件、原位取樣組件是否進入工作狀態以及進入工作狀態的工作方式。

獲取貫入阻力-深度曲線首先需要中間數據處理階段提供實時的貫入阻力,然后將錐形探桿的貫入阻力轉變為描述土體土力學性質的物理量,即土體不排水抗剪切強度,而兩者的關系為

式中:qcone為錐尖的貫入阻力;su為土體不排水抗剪切強度;Nkt為貫入阻力系數;γ為土體總重度;d為錐尖的貫入深度。

參考國際規范[9],深海海底的Nkt取值11.7,γ取值15.8 kN/m3。通過式(1)可以確定:若貫入過程中一直保持貫入阻力qcone≤240 kPa,則證明當前土層適宜,錐形探桿使電磁閥上電,并開啟直流電機,貫入至液壓系統支持的最大深度,并根據實時的貫入阻力判斷當前所處深度位置為超軟黏土(0≤qcone≤ 159 kPa)或軟黏土(159 kPa≤qcone≤240 kPa);若任意過程中存在qcone≥240 kPa,則表明土層強度達到較大程度,不適宜繼續測試,應關閉直流電機停止貫入錐形探桿,并標記此貫入深度以下土層可能為中硬黏土、粉砂或砂土剖面。最終可以獲取整個貫入過程的貫入阻力-深度曲線。

獲取貫入過程的貫入阻力-深度曲線并且錐形探桿測試組件停止貫入動作后,即可分析得出土層強度組合,便于十字板剪切測試的進行。

根據國內外規范[9],十字板探桿測試組件要求最小貫入深度不低于0.25 m,且為避免土層邊界效應,需要確定超軟黏土、軟黏土層厚度最小值為0.3 m。根據獲取貫入阻力-深度曲線,將測試深度位置滿足軟黏土的部分劃分為一層軟黏土,并將兩層間距低于0.3 m 的軟黏土層歸并為同一層,間距高于0.3 m 的視為不同的軟黏土層,從而實現軟黏土層與超軟黏土層的分層。前0.3 m 的判斷考慮為任一貫入深度數據體現為軟黏土則判定為軟黏土層,任一貫入深度數據體現為硬土則判定為硬土層,否則為超軟黏土層。貫入深度底部土層可能為中硬黏土、粉砂或砂土層時,底部土層將直接作為硬土層,不進行厚度判斷。將超軟黏土、軟黏土、硬土層分別概化為超軟層、軟層和硬層,根據現有的研究資料,得出海底沉積物可能出現的典型組合為:3 種單層土土層強度組合模式(超軟、軟和硬)、4 種雙層土強度組合模式(超軟-軟、超軟-硬、軟-硬和軟-超軟)和4 種多層土強度組合模式(超軟-軟-硬、超軟-軟-超軟、軟-超軟-硬和軟-超軟-軟),共計11 種土層強度組合模式。將11 種土層強度組合模式分別用序號標記(如圖2 所示)。

圖2 11 種海底可能土層強度組合模式Fig.2 11 possible strength combination models of seabed soil layer

根據土層強度組合模式,智能施測系統決策出球形探桿測試組件的工作策略。模式1,4,5,8 和9(超軟、超軟-軟、超軟-硬、超軟-軟-硬和超軟-軟-超軟)存在足夠空間的超軟黏土層,球形探桿測試組件電磁閥上電,直流電機開啟,以(20±5) mm/s的貫入速度進行靜力觸探測試和全流動貫入測試,貫入深度為錐形探桿測試組件最后抵達的深度,十字板探桿測試組件采用和球形探桿測試組件同樣的策略。模式3(硬)初始位置包含硬土層,球形探桿與十字板探桿測試組件無需再進行測試。球形探桿貫入時不回收錐形探桿,且后續組件的貫入均不回收先前貫入的探桿。4 個組件的相對貫入位置相連為邊長1.5 m 的正方形,每個測試組件的橫截面均為半徑小于0.05 m 的圓,故先前貫入的探桿對后續探桿的施測結果沒有影響。

模式2,6,7,10 和11(軟、軟-硬、軟-超軟、軟-超軟-硬和軟-超軟-軟)初始0.3 m缺乏足夠范圍的超軟土層,不適宜球形探桿測試組件工作,但可以支持十字板探桿測試組件工作,但策略上有所不同,主要體現在模塊的十字板轉速、單次測試時長和測試深度。根據國內外相關規范,當十字板在強度較高的土層中進行剪切測試時,要降低十字板扭轉角速度。為滿足施測效率和精準性要求,十字板扭轉速度與3 種土層的對應如下:超軟層,十字板扭轉速度為12 (°)/min;軟層,十字板扭轉速度為9 (°)/min;硬層,十字板扭轉速度為6 (°)/min。至于模塊的單次測試時長,當工作過程中測得土體強度出現穩定值后,停止電機工作,否則等待十字板進行360°旋轉后停止。測試深度與土層強度組合模式有關:若土層強度組合模式為單層土即強度組合模式1 和2,模塊每隔0.3 m 在固定點進行測試,直至與土層底部距離不足0.3 m;若土層強度組合模式為雙層或多層土,即組合模式4,5,6,7,8,9,10 和11 時,模塊會在同土層內間隔0.2 m 開展一次測試,然后到下一層的起點下0.25 m 處開始下一波測試。上述智能決策部分的整體工作流程如圖3 所示。

圖3 智能施測及智能決策部分的工作流程Fig.3 Workflow of intelligent measurement and intelligent decision-making part

最后完成原位取樣組件的工作,結束施測,下電所有組件的電磁閥,開啟直流電機,回收探頭。

2 智能施測系統實現

智能施測系統的實現包含硬件設計和軟件設計,前者主要涉及穩壓供電、通信和過流過壓保護方面的硬件設計;后者主要是實現智能決策部分的軟件機體和運行維護。

由于全海深環境復雜以及短時間需要執行大量動作,且可達萬米的玻璃密閉艙容量小,對硬件電路的體積和功能提出了不小的要求,因此核心計算芯片選擇32 位ARM Cortex?-M3 架構的Stm32f207 芯片,其具有高集成的嵌入式系統,可以大大簡化系統結構,提高系統可靠性和穩定性。同時搭配高性能現場可編程邏輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片作為通信擴展模塊,適配多種不同的通信接口。通過ARM(advanced RISC machine)和FPGA 的組合,最大限度地在有限的空間里提升系統計算性能,同時2 片芯片各有保護措施,任一芯片出現異常都不影響系統安全返回水面。ARM+FPGA 的架構兼具ARM穩定高效和FPGA 可擴展性強的特點,兩者分管的各個外設及通信模式如圖4 所示。

圖4 ARM 與FPGA 分管外設劃分Fig.4 Division of peripherals in charge of ARM and FPGA

在智能施測系統穩壓供電方面,硬件上艙內安裝24 V 大容量鋰電池和板載穩壓模塊,采用降電壓芯片TPS54541 和LTC3621 將電壓降為12,5,3.3 V,保障各個子模塊的不同供電。利用各種隔離模塊,ARM 與FPGA 控制各個獨立模塊供電,實現對外接系統如液壓系統、高度計、伺服電機組(包括負責十字板剪切測試和拋載的直流伺服電機)、水聲通信裝置等的穩定供電。在通信方面,ARM 與FPGA 分別與各個模塊各有獨自設計的連接方式,如圖5 所示,對于實時性要求高的探桿行程解碼板采用多主機模式的控制器局域網絡(controller area network,CAN)總線,對于通信速率要求高的存儲卡采用高速短程通信的串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)總線,對于綜合多方面要求的模塊采用性能均衡且低功耗的通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)總線。系統的過壓過流保護由FPGA 在硬件上實現,通過電壓電流傳感器實時進行電壓和電流的監測,獨立于ARM 運行。

圖5 狀態機軟件設計Fig.5 Software design details of state machine

在軟件設計方面,采用狀態機的設計模式,將整體測試流程設計為多種不同的狀態,根據測試設計為狀態間跳轉條件與狀態內工作功能,從而實現智能施測。狀態機設計模式在每個具體狀態動作明確,狀態跳轉條件鮮明,易于維護和更新。各個狀態機的軟件設計細則如圖5 所示。

為了防止耐壓艙水下意外破裂等極端情況,系統還包含機械定時組件,獨立于系統的軟硬件設計。組件在水下自動使用機械方式進行總計時,當總計時超過最大可接受水下工作時長后,保護模塊獨立進行拋載動作,為系統水下最后挽救措施。依據國家深海基地的打壓試驗結果,系統接觸水體的部件均具有至少120 MPa 的耐壓能力;依據連續工作試驗結果,系統具備不充電連續48 h作業(包含至少6 次水下智能施測)的能力。

3 智能施測系統功能測試

功能測試的主要目的是驗證系統對于真實海底不同土層環境能夠按照環境進行智能施測過程,測試分為實驗室模擬階段和近海測試階段。

3.1 實驗室模擬階段

實驗室模擬階段,系統的試驗對象為按照土力學規范進行制備的樣品土,制備了5 種典型的試驗樣品:a) 探桿下15 cm 處放置木板,模擬堅硬巖石;b) 少量河沙混水,模擬全超軟土結構;c) 大量河沙混合后靜置分層,模擬上層超軟,下層軟土結構;d) 砂土混水,模擬上次超軟,下層硬土結構;e) 有機物和河沙混合水形成膠狀,模擬全軟土結構。

測試過程中,智能施測系統的錐形探桿測試組件分別對5 桶試驗樣品土進行靜力觸探測試和全流動貫入測試,測試得到土層劃分結果以及土層分層深度,如表1 所示,測試結果均與實際情況符合。

表1 智能施測系統對實驗樣品土的土層劃分與分層深度Table 1 Results of soil layer division and stratification depth of experimental sample soil by intelligent measurement system

表2 展示了系統完成土層劃分與分層深度測試后,土力學測試模塊各個組件的實際動作邏輯。序號1 模擬全硬土層,系統未開展施測動作;序號2 的樣品土為單層超軟土,系統將探桿貫入至最大深度(各個組件的實際可貫入最大物理深度均為1.24 m)處,且十字板探桿測試組件可以達到最大測試深度(可貫入最大物理深度上移0.3 m,實際測量數值為0.84 m)進行剪切強度測試。圖6 展示的即為智能施測系統原位取樣組件對于序號2 的樣品土進行的測試動作。序號3、4 為雙層土且成功被智能施測系統劃分并確定分層深度(見表1),序號3 底層測試出軟土,球形探桿測試組件的最大深度即為超軟土與軟土分層深度;序號4 底層測試出硬土,全部組件的最大深度均為超軟土與硬土分層深度,且十字板探桿測試組件的最大測試深度為距最大測試深度0.30 m 處;序號5 為全軟土結構,系統的球形探桿測試組件未開展貫入,其余組件不受影響。上述測試實際動作邏輯均與智能決策模塊的設計符合。

表2 智能施測系統實際動作邏輯Table 2 Actual action logic of intelligent measurement system

圖6 原位取樣組件對樣品土的實際貫入動作Fig.6 Actual penetration action of in-situ sampling component to sample soil

在序號2 的測試中,根據中間數據處理模塊的數據存儲部分的數據,得到智能施測系統的錐形與球形探桿測試組件獲取的貫入阻力-深度曲線,如圖7 所示,根據此曲線,可以驗證系統智能施測過程。同時2 個曲線獲得的貫入阻力走勢一致,多角度反應了b)樣品土的土力學特性。

圖7 錐形探桿測試模塊與球形探桿測試模塊獲得的貫入阻力-深度曲線Fig.7 Penetration resistance depth curves obtained by cone-shape probe rod module and ball-shape probe rod module

實驗室模擬階段的結果,驗證了智能施測系統可以對于不同土體強度的土體進行有效的探測與土層劃分,綜合驗證整體系統具備智能施測設計時提出的探測與決策功能。

3.2 近海測試階段

近海測試階段中,海試地點位于黃海某海域,通過對海試過程遇到的硬土、單層超軟土、超軟-硬雙層土等的測試,驗證了智能施測系統對于不確定的海底環境,針對真實的海底沉積物的土力學特性,具有智能施測的能力,如圖8 所示即為測試時智能施測系統的控制界面,實時顯示中間數據處理模塊數據維護的結果。近海沉積物由于海水較淺,海洋環境易受陸地、洋流等因素影響,多為較淺層的超軟黏土組成,表3 展示了海試全過程共7 次測試中探測出的海底沉積物的探測情況。

圖8 近海測試階段智能施測系統控制界面Fig.8 Control interface of intelligent measurement system in offshore test stage

近海測試中除了序號3、6 外,其余測試均為單層超軟土結構,所有測試組件都可以貫入至最大深度。序號3 錐形探桿測試組件貫入至0.13 m處測試出硬土,從而后面組件均未開展貫入;序號6 測試出雙層土,系統僅對上層的超軟土開展測試,分層深度即為最大測試深度。表3 中系統的動作邏輯符合智能決策模塊的設計。驗證智能施測系統具備在真實海況下,對于海底沉積物的土力學特性進行智能施測的能力。根據長期在此處海域觀測專家的對比,智能施測系統獲取的結果與之前此海域取樣測試的結果相符合。

表3 近海試驗測試結果Table 3 Test results in offshore test

近海測試階段還驗證了智能施測系統在不同深度條件下的工作能力,包括自主工作能力、水密性及意外情況處理能力。在近海測試的測試序號1,2,3,6,7 中,系統無纜下水,并保持甲板端水聲靜默,船體自由隨波飄動,保證系統無法有效接收外界通信時可完全自主開展施測動作,模擬全海深通信難度大的工況,驗證系統在此情況下的自主工作能力。

智能施測系統硬件分布封存在如圖9 所示的玻璃浮球中,在岸上對浮球進行打壓試驗,在近海測試中使用纜繩進行若干次拖曳試驗,且在測試序號4 完成測試后重置相關參數,靜置4 h 后自動開展測試序號5。通過上述水密性測試及連續不間斷工作測試,綜合驗證系統在全海深復雜環境下抵抗高壓、持續工作的能力。

圖9 部分智能施測系統硬件及封存的玻璃浮球Fig.9 Some intelligent measurement system hardware and sealed glass floating ball

對于全海深環境不確定因素多的情況,在測試序號7 中,拆卸高度計、干擾姿態傳感器、增大液壓系統啟動延遲,模擬系統在一部分設備受損或毀壞的情況下,智能施測系統正常工作并成功記錄異常代碼。最后人為設置拋載電機抱死并再次入水,測試系統的機械定時組件最后挽救措施的工作能力。通過上述試驗,綜合驗證智能施測系統對于海底沉積物力學特性施測能力達到全海深的測試要求。

4 結束語

針對全海深海底沉積物力學特性測試的工況和作業方式,分析了全海深力學智能施測系統在設計時需要考慮和解決的問題,包含且不限于穩定性、準確性和無人智能化,并以這些問題為導向,提出了從硬件到軟件的智能施測方案,最后根據方案設計實現了智能施測系統,并從水池港池到近海逐步開展測試,通過水池港池測試驗證智能施測系統基本功能正常,并通過相關海域的實地測試驗證智能施測系統進行全海深靜力觸探測試、十字板剪切測試和全流動貫入測試等海底沉積物力學特性的原位測試試驗的相關功能以及數據的采集存儲功能。