一种沉管的水下姿态调整自动控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种沉管的水下姿态调整自动控制系统和方法。该系统包括沉管姿态获取模块、沉管远程控制模块及沉管姿态调整模块；沉管姿态获取模块与沉管姿态调整模块分别与沉管远程控制模块通信连接；沉管姿态获取模块获取沉管的姿态信息；沉管姿态调整模块包括压载水箱单元及变频绞车单元；沉管远程控制模块接收沉管的姿态信息并根据沉管的姿态信息控制压载水箱单元中压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开以调节沉管的压载重力；同时控制变频绞车工作以使沉管匀速沉放，如此通过调节水箱内的注水量和排水量控制沉管的自重，并通过变频绞车单元配合辅助控制沉管的匀速下沉；实现了对沉管沉放、上浮姿态的精准控制，提高沉管沉放、上浮姿态调整的效率。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及管节沉放技术，尤其涉及一种沉管的水下姿态调整自动控制系统及方法。

背景技术

沉管隧道是将预先与之好的沉管浮运到海底基槽碎石垫层上，依次连接固定后进行锁固回填，再将沉管舱内压载水排出贯通的隧道形式，具有周期短、抗震能力强、水密性好、地质条件适应范围广等诸多优点。

纵观国内沉管沉放及安装技术，沉管和沉管之间的间隙和是保证水下隧道道路的平稳性和安全性的关键指标，为更好的控制沉管接头的完好性(不渗漏)，对沉管和沉管之间的对接要求精度和沉管基槽坡脚都都进行了非常严格，而更精准的水下沉管姿态控制技术是保障沉管接头精准的前提条件。如何精准的对水下沉管姿态进行自动控制是水下沉管施工技术绕不开的问题。

现有沉管技术中，在施工工艺上都是通过工程师综合计算的压载水理论值、施工水域的潮水位、沉管位置、人工测量的沉管偏移量和沉降量几方面的数据，再结合工程师们的技术经验指挥水下潜水员和沉管内的工人对水箱阀门进行操作，达到控制沉管水下姿态的目的。如此会引起沉管下沉过程中沉管姿态控制不精准、增加沉管上工程师和沉管内潜水员的劳动强度等问题。

发明内容

本发明提供一种沉管的水下姿态调整自动控制系统和方法，以实现精准控制水下沉管下沉、上浮调整、对接全过程的精度控制，提高了水下沉管压载、姿态调整和沉管安装对接的自动化水平，从而提高了水下沉管安装的调整效率和精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种沉管的水下姿态调整自动控制系统，该自动控制系统包括：沉管姿态获取模块、沉管远程控制模块及沉管姿态调整模块；

所述沉管姿态获取模块与所述沉管姿态调整模块分别与所述沉管远程控制模块通信连接；

所述沉管姿态获取模块：用于获取所述沉管的姿态信息；

所述沉管姿态调整模块包括压载水箱单元及变频绞车单元；所述压载水箱单元设置于所述沉管内部；所述压载水箱单元包括压载水泵、至少一个水阀及至少一个水箱和电磁阀；所述压载水泵通过管路与至少一个所述水箱连接；所述电磁阀、至少一个所述水阀设置于所述管路上；

所述变频绞车单元设置于所述沉管上表面的测量塔上；所述变频绞车单元包括变频绞车本体、滑轮组和钢丝绳索；所述变频绞车本体通过滑轮组和所述钢丝绳索与所述沉管的两端连接；

所述沉管远程控制模块，用于接收所述沉管的姿态信息并根据所述沉管的姿态信息控制所述压载水箱单元中所述压载水泵、所述电磁阀及至少一个所述水阀打开或关闭以调节所述沉管的压载重力；同时控制所述变频绞车单元工作以使所述沉管匀速沉放。

可选的，所述沉管姿态获取模块包括拉力传感器、压力传感器、液位传感器和位置传感器；

所述拉力传感器设置于所述变频绞车本体上，用于测量所述钢丝绳索的拉力值；

所述压力传感器设置于所述沉管端面，用于测量所述沉管所处的海水深度信息；

所述液位传感器设置于至少一个所述水箱内，用于测量至少一个所述水箱内的液位信息；

所述位置传感器设置于所述沉管面上的测量塔上；用于获取所述沉管的倾角信息；

所述沉管远程控制模块，用于接收所述钢丝绳索的拉力信息、所述沉管所处的海水深度信息、所述水箱内的液位信息及所述沉管的倾角信息，并根据所述钢丝绳索的拉力信息、所述沉管所处的海水深度信息、所述水箱内的液位信息及所述沉管的倾角信息自动生成所述沉管的姿态信息。

可选的，沉管姿态获取模块还包括位移传感器；所述沉管姿态调整模块还包括千斤顶单元；

所述位移传感器设置于所述千斤顶单元上；用于测量所述沉管之间的对接状态信息；

所述沉管远程控制模块，还用于接收所述沉管之间的对接状态信息并根据所述沉管之间的对接状态信息控制所述千斤顶单元工作。

可选的，所述沉管远程控制模块包括管节控制电路及上位机；

所述管节控制电路与所述沉管姿态获取模块通讯连接；所述管节控制电路与所述上位机通讯连接。

可选的，还包括沉管姿态视频监控模块和沉管姿态视频显示模块，

所述沉管姿态视频监控模块，用于实时监控所述沉管的姿态图像信息；

所述沉管远程控制模块，还用于接收所述沉管的姿态图像信息，并根据所述沉管的姿态图像信息控制所述沉管姿态视频显示模块显示所述沉管的姿态图像。

可选的，所述沉管姿态视频监控模块包括IP摄像头，所述IP摄像设置于所述沉管内部。

第二方面，本发明实施例还提供了一种沉管的水下姿态调整自动控制方法，该自动控制方法应用于上述第一方面所述沉管的水下姿态调整自动控制系统；所述沉管的水下姿态调整自动控制方法包括：

获取沉管的姿态信息；

根据所述沉管的姿态信息控制压载水箱单元中压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开或者关闭以调节所述沉管的压载重力；

同时控制变频绞车单元工作以使所述沉管匀速沉放。

可选的，所述沉管姿态获取模块包括拉力传感器、压力传感器、液位传感器和位置传感器；

获取沉管的姿态信息包括：

获取所述拉力传感器测量的所述钢丝绳的拉力信息、所述压力传感器测量的所述沉管所处的海水深度信息、所述液位传感器测量的所述水箱内的液位信息及所述位置传感器测量的所述沉管的倾角信息以自动生成所述沉管的姿态信息；

其中，所述拉力传感器设置于所述变频绞车本体上，所述压力传感器设置于所述沉管端面，所述液位传感器设置于至少一个所述水箱内，所述位置传感器设置于所述沉管面上的所述测量塔上。

可选的，所述沉管姿态获取模块还包括位移传感器；所述沉管姿态调整模块还包括千斤顶单元；

所述沉管水下自动压载控制方法还包括：

获取所述位移传感器测量的所述沉管之间的对接状态信息；其中，所述位移传感器设置于所述千斤顶单元上；

根据所述沉管之间的对接状态信息控制所述千斤顶单元工作。

可选的，所述沉管的水下自动压载控制系统还包括沉管姿态视频监控模块和沉管姿态视频显示模块，

所述方法还包括：

接收所述沉管姿态视频监控模块监控到的所述沉管的姿态图像信息，并根据所述沉管的姿态图像信息控制所述沉管姿态视频显示模块显示所述沉管的姿态图像。

本发明实施例沉管姿态调整模块包括压载水箱单元及变频绞车单元；沉管姿态调整模块包括压载水箱单元及变频绞车单元；压载水箱单元设置于沉管内部；压载水箱单元包括压载水泵、至少一个水阀及至少一个水箱和电磁阀；压载水泵通过管路与至少一个水箱连接；电磁阀、至少一个水阀设置于管路上；变频绞车单元设置于沉管上表面的测量塔上；变频绞车单元包括变频绞车本体、滑轮组和钢丝绳索；变频绞车本体滑轮组和所述钢丝绳索与沉管的两端连接。本技术方案通过沉管姿态获取模块获取沉管的姿态信息；然后沉管远程控制模块接收沉管的姿态信息并根据沉管的姿态信息控制压载水箱单元中压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开或关闭以调节沉管的压载重力，同时控制变频绞车工作以使沉管匀速沉放，如此通过调节水箱内的注水量和排水量控制沉管的自重，减少海水浮力对沉管沉放的影响；并通过变频绞车单元调节钢丝绳索的拉力以配合辅助控制沉管的匀速下沉，实现了对沉管沉放、上浮过程中姿态的精准控制，并提高了沉管沉放、上浮姿态调整的效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种沉管的水下姿态调整自动控制系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的另一种沉管的水下姿态调整自动控制系统的结构框图；

图3是本发明实施例提供的一种沉管的水下姿态调整自动控制方法流程图；

图4是本发明实施例提供的另一种沉管的水下姿态调整自动控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例一提供的沉管的水下姿态调整自动控制系统的结构框图，如图1所示，该控制系统包括沉管姿态获取模块10、沉管远程控制模块20及沉管姿态调整模块30；沉管姿态获取模块10与沉管姿态调整模块30分别与沉管远程控制模块20通信连接；沉管姿态获取模块10：用于获取沉管的姿态信息；沉管姿态调整模块30包括压载水箱单元31及变频绞车单元32；压载水箱单元31设置于沉管内部；压载水箱单元31包括压载水泵、至少一个水阀及至少一个水箱和电磁阀；压载水泵通过管路与至少一个水箱连接；电磁阀、至少一个水阀设置于管路上；变频绞车单元32设置于沉管上表面的测量塔上；变频绞车单元32包括变频绞车本体、滑轮组和钢丝绳索；变频绞车本体通过滑轮组和钢丝绳索与沉管的两端连接；沉管远程控制模块20，用于接收沉管的姿态信息并根据沉管的姿态信息控制压载水箱单元31中压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开以调节沉管的压载重力；同时控制变频绞车单元32工作以使沉管匀速沉放。

其中，沉管姿态获取模块10实时获取沉管的姿态信息，姿态信息可以由沉管姿态调整模块30中的压载水箱内的压载水量、沉管所处的水深、变频绞车单元中的钢丝绳索上的拉力值及沉管位置偏移量综合计算而得到；沉管远程控制模块20根据姿态信息控制压载水箱单元31中的压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开与关闭，调节各水箱内的压载重力。

示例性的，当获取到沉管的姿态信息为沉管上浮至预设海水高度时，沉管远程控制模块20通过水泵控制箱控制压载水泵打开，同时控制电磁阀打开，并控制各水箱管路上的水阀打开，海水自动灌入各水箱，如此增加各水箱的压载重力，使得沉管处于下沉状态；相反的，当获取到沉管的姿态信息为沉管下沉至预设海水高度时，沉管远程控制模块20通过水泵控制箱控制压载水泵关闭，同时控制电磁阀关闭，并控制各水箱管路上的水阀关闭，使水箱内的压载水排出，如此降低各水箱的压载重力，沉管处于上浮状态；如此通过调整各水箱内注水量和排水量控制沉管的自重，减少海水浮力对沉管沉放的影响；同时沉管远程控制模块20还通过变频绞车单元32调节钢丝绳索的拉力以配合辅助控制沉管的匀速下沉，实现了对沉管沉放、上浮过程中姿态的精准控制，实现超大型沉管控制自动化水平，提高了沉管沉放、上浮姿态调整的效率，解决了水下沉管上浮、沉放调整单纯靠人工操作、操作误差大等问题。

可选的，在上述实施例的基础上，进一步优化，图2是本发明实施例提供的另一种沉管的水下姿态调整自动控制系统的结构框图；如图2所示，沉管姿态获取模块包括拉力传感器11、压力传感器12、液位传感器13和位置传感器14；其中，拉力传感器11设置于变频绞车本体上，用于测量钢丝绳索的拉力值；其中，压力传感器12设置于沉管端面，用于测量沉管所处的海水深度；其中，液位传感器13设置于至少一个水箱内，用于测量至少一个水箱内的液位信息；通常在水箱内的高中低水位均设置有液位传感器13，以检测到水箱内的压载重力；

其中，位置传感器14设置于沉管面上的测量塔上；用于获取沉管的倾角信息；沉管远程控制模块20接收钢丝绳索的拉力信息、沉管所处的海水深度信息、水箱内的液位信息及沉管的倾角信息，并根据钢丝绳的拉力信息、沉管所处的海水深度信息、水箱内的液位信息及沉管的倾角信息自动生成沉管的姿态信息。并根据沉管的姿态信息控制水箱压载单元31和变频绞车单元32工作；示例性的，当沉管的姿态信息为沉管处于上浮或者下沉状态，调整压载水箱工作以改变压载水箱内的压载重力；当沉管的姿态信息为沉管沿轴向处于偏移状态时，调整变频绞车单元32中钢丝绳索的拉伸长度和速度。

可选的，如图2所示，沉管姿态获取模块10还包括位移传感器15；沉管姿态调整模块30还包括千斤顶单元33；位移传感器15设置于千斤顶单元33上；用于测量水下沉管之间的对接状态信息；沉管远程控制模块20，还用于接收沉管之间的对接状态信息并根据沉管之间的对接状态信息控制千斤顶单元33工作。即当沉管平稳匀速的沉放至海底基上时，位移传感器15可以检测到水下沉管之间的对接状态信息，沉管远程控制模块20根据水下沉管之间的对接位移信息调整千斤顶工作，使得水下沉管之间的对接位移处于预设位移，实现沉管和沉管之间的无缝间隙。具体的，当沉管达到水下预定深度后，沉管远程控制模块20会实时收集当前沉管的实际纵横位移信息，然后比较当前沉管的实际纵横位移信息与理想纵横位移的差值；沉管远程控制模块20根据差值大小会启动沉管的千斤顶单元33，调整沉管的纵横向实际位移，从而校正了沉管对接偏差。

可选的，参照图2，沉管远程控制模块20包括管节控制电路及上位机；管节控制电路与沉管姿态获取模块10通讯连接；管节控制电路与上位机通讯连接。其中，沉管姿态获取模块10、沉管远程控制模块20及沉管姿态调整模块30建立无线通信网络，建立数据通信线路。沉管远程控制模块20中管节控制电路接收各传感器等信息，并将沉管的姿态信息及沉管对接的状态信息通过串口服务发送至上位机，上位机根据沉管的姿态信息及沉管对接的状态信息生成控制命令并发送至沉管姿态调整模块30。

可选的，参照图2，该控制系统还包括沉管姿态视频监控模块40和沉管姿态视频显示模块50；沉管姿态视频监控模块40，用于实时监控沉管的姿态图像信息；沉管远程控制模块20，还用于通过无线光纤接收沉管姿态视频监控模块40监控到的沉管的姿态图像信息，并根据沉管的姿态图像信息控制沉管姿态视频显示模块50显示所述沉管的姿态图像。如此在压载水箱单元31、变频绞车单元32和千斤顶单元33调整沉管姿态后，沉管姿态视频监控模块40可以实时监控沉管的姿态图像信息，实时反馈沉管水下姿态，沉管远程控制模块20接收并处理沉管的姿态图像信息，并将处理后的姿态图像信息发送至沉管姿态视频显示模块50，这样使沉管水下沉放、对接姿态效果可视化，以供工作人员实时监控水下现场作业情况。可选的，沉管姿态视频监控模块40包括IP摄像头，IP摄像设置于沉管内部。

本发明实施例还提供了一种沉管的水下姿态调整自动控制方法，该控制方法应用于上述实施例所述的沉管的水下姿态调整自动控制系统；图3是本发明实施例提供的一种沉管的水下姿态调整自动控制方法流程图，如图3所示，该方法包括：

S110、获取沉管的姿态信息；

S120、根据沉管的姿态信息控制压载水箱单元中压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开以调节沉管的压载重力；

S130、同时控制变频绞车单元工作以使沉管匀速沉放。

其中，本技术方案通过调整各水箱内注水量和排水量控制沉管的自重，减少海水浮力对沉管沉放的影响；同时沉管远程控制模块还通过变频绞车单元调节钢丝绳索的拉力以配合辅助控制沉管的匀速下沉，实现了对沉管沉放、上浮过程中姿态的精准控制，实现超大型沉管控制自动化水平，提高了沉管沉放、上浮姿态调整的效率。

可选的，在上述实施例的基础上，进一步优化，图4是本发明实施例提供的另一种沉管的水下姿态调整自动控制方法流程图，如图4所示，该方法包括：

S210、获取拉力传感器测量的钢丝绳索的拉力信息、压力传感器测量的沉管所处的海水深度信息、液位传感器测量的水箱内的液位信息及位置传感器测量的沉管的倾角信息以自动生成沉管的姿态信息；

其中，参照图2，沉管姿态获取模块包括拉力传感器、压力传感器、液位传感器和位置传感器；其中，拉力传感器设置于变频绞车本体上，压力传感器设置于沉管端面，液位传感器设置于至少一个水箱内，位置传感器设置于沉管面上的测量塔上。拉力传感器测量的钢丝绳索的拉力信息、压力传感器测量的沉管所处的海水深度信息、液位传感器测量的水箱内的液位信息及位置传感器测量的沉管的倾角信息可以计算出沉管的姿态信息。

S220、根据沉管的姿态信息控制压载水箱单元中压载水泵、电磁阀及至少一个水阀打开以调节沉管的压载重力；

S230、同时控制变频绞车单元工作以使沉管匀速沉放。

S240、获取位移传感器测量的沉管之间的对接状态信息；

S250、根据沉管之间的对接状态信息控制千斤顶单元工作。

其中，沉管姿态获取模块还包括位移传感器设置于千斤顶单元上，沉管姿态获取模块还包括位移传感器；沉管姿态调整模块还包括千斤顶单元；利用位移传感器可以实现沉管和沉管之间的无缝间隙，实现沉管与沉管精准对接。

S260、接收沉管姿态视频监控模块监控到的沉管的姿态图像信息，并根据沉管的姿态图像信息控制沉管姿态视频显示模块显示沉管的姿态图像。

其中，本技术方案在实现了对沉管沉放、上浮过程中姿态的精准控制基础上，还实现了沉管与沉管精准对接，同时也通过沉管姿态视频监控模块和沉管姿态视频显示模块实现了沉管水下姿态的可视化，方便了现场工作人员的监控工作。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。