卵砾石输移压力实时监测系统设计与实现

臧 彤，田 蜜

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

三峡水库实际运行后，与论证期间相比，水库调度方式、水沙条件发生变化，新的水沙条件下入库推移质大幅减少，水库淤积平衡时间延长[1]。初步分析三峡变动回水区原型观测数据得知：三峡水库175 m蓄水后，尽管三峡入库的卵砾石推移质少，但消落期在枯水航槽集中输移，极易出现卵砾石沙波运动碍航和航槽淤积碍航，三峡变动回水区面临着卵砾石输移导致的碍航问题[2]。为解决这一难题，重庆交通大学研发了卵砾石输移压力与音频实时观测设备(GPVS)。

MATLAB是一种高效的工程计算语言，其中设备控制箱提供对RS-232/RS-485通信标准的串口通信支持[3]，不仅具有强大的科学计算功能，还能进行数据采集以及界面的设计和开发。现将串口通信技术应用于卵砾石运动原型观测，利用MATLAB自带的图形界面开发环境GUIDE设计GUI，通过设备工具箱，实现RS485通讯完成传感器压力信号的采集，并在GUI上完成数据归一化处理[4]。

本文基于MATLAB平台GUI设计串口通讯网络，配合观测设备GPVS，开发卵砾石输移压力实时监测系统，应用于原型观测中，可实时获取水下压力数据变化，观测人员能实时了解水下卵石运动情况，大大提高推移质输移观测精度和时效性。

1 基于水下压力传感器的GPVS

1.1 观测设备GPVS结构

GPVS设备主体由上下两块钢板及钢制保护罩组成，整体高度为11 cm左右，上钢板尺寸为60 cm×60 cm，是整个测量系统的主要接触面，下钢板尺寸为60 cm×60 cm。整个设备重量约为80 kg，自重保持设备在水下稳定而不被冲走。图1为GPVS设备透视示意，设备核心部分是位于上方钢板下面的水下压力传感器，压力传感器长×宽×高为170 mm×35 mm×45 mm，传感器均采用防水技术水密处理，4个传感器传输线汇聚成1根由防护罩侧面预留孔穿出，传输线在仪器外部的部分套有金属软管保护。水下压力传感器共有4个，分布在仪器的四角为1#、2#、3#、4#，与钢板直接接触，传感器顶部用螺丝与顶板连接，压头放置于底板的凹槽内，压力传感器支撑起整个结构，1#～4#传感器的压力总和即为GPVS压力数据。钢制保护罩起防止卵石冲击设备内部的作用，其下方与下钢板用螺丝固定，上方与上钢板之间留有1～3 mm左右的缝隙，保证压力传感器能上下自由活动，缝隙四周贴有透明胶皮，胶皮可以防止细小泥沙颗粒进入设备内部影响压力数据。

图1 GPVS透视示意

1.2 水下压力传感器关键技术

1.2.1传感器通讯方式

GPVS采用的水下压力传感器为GXBDW-ADSS型号，因在水下几十米使用，传感器采用全激光焊接，有效避免水流的侵蚀。压力传感器采用RS485方式通讯，可实现长达1 000 m的有线通讯。

1.2.2协议指令及解析

GPVS仪器内部的1#～4#传感器拥有独立的地址为01～04，传感器发送协议指令采用 “帧头+主机命令+地址+内容”方式，发送数据为主机命令，即从PC机传输至传感器，需传感器执行的命令；传感器接收协议指令采用“帧头+应答命令+地址+内容”方式，接收的数据为模块应答，即传感器响应主机命令，返回给主机的指令。

GPVS实际压力数据为4个传感器之和，由于单个读取传感器重量数据步骤繁杂且不能实时得到压力数据，因此，重量读取采用同步报数的方法。同步报数指令主机发送“11+帧头(27)+主机命令+开始地址+结束地址”，传感器收到指令，首先将自身重量放入缓冲区待发，然后从开始地址的传感器开始各自发送自身重量，每个传感器会实时监测发送传感器的地址，当轮到自己发送时及时发送缓冲区重量，这样可以便捷快速的得到传感器压力数据总和，为下一步的计算提供保证。

由于在传感器计算过程中，接收的初步生成压力信号为单精度浮点数形式数据，此数据无法让用户直观了解压力变化状况，因此，本系统设置了进一步换算功能。计算遵循IEEE-754标准将单精度浮点数形式的原始数据转换为十进制的数据，最后乘以内部协议的换算系数得到单位为kg的重量数据，用户最终得到的数据单位为kg(见图2)，如此即可实现压力值实时直观显示。

图2 压力数据解析过程示意

2 卵砾石输移压力实时监测系统

2.1 系统架构

在现有卵砾石输移观测设备GPVS的基础上，提出了卵砾石输移压力实时监测系统研究方案，其系统结构见图3。以1台GPVS、1套供电系统以及PC机为例，供电系统由装有蓄电池的供电箱以及3块太阳能采集板组成，是为观测设备GPVS以及PC机提供电力输出；GPVS采集的压力数据信号通过串口网络通讯沿传输线发送到PC机缓冲区，保存在物理上分布的存储系统中，通过更换存储设备，观测人员可获得已采集的卵砾石输移压力数据。

图3 卵砾石输移压力实时监测系统结构示意

2.2 网络通讯结构

卵砾石输移压力实时监测可视化系统的网络通讯结构是基于MATLAB平台GUI串口通讯功能，如图4所示，整个系统实现通讯分为两个阶段：即系统对观测设备GPVS压力数据的初步获取阶段以及在MATLAB的GUI上实现数据的处理并实时显示阶段。GPVS内传感器数据采集原理为传感器工作的压力信号通过AD转换传送给下位机，下位机采用MSP430F247，通过RS485串口将数据发送到PC机的缓冲区[5]，GUI界面利用MATLAB的串口通讯实现压力传感器的压力信号获取。

图4 基于MATLAB平台GUI的系统网络通讯架构示意

观测人员可根据传感器地址发送相应指令获取压力数据，同时利用MATLAB GUI的绘图功能绘制高质量的曲线图，实时显示压力数据变化曲线。

3 原型观测及分析

目前重庆交通大学已在寸滩水文站投放GPVS观测设备6套，下一步将在三峡库尾变动回水区典型滩险进行GPVS设备的投放，通过现场实地考察，选取胡家滩、三角碛、朱儿碛、广阳坝，洛碛、码头碛6处典型滩险投放GPVS设备。以胡家滩现场观测数据为例，分析卵砾石输移压力监测系统的现场应用情况。

胡家滩河段碍航主要是消落期水流条件造成卵石输移变化导致的，从近几年收集的资料以及现场压力数据看，卵石输移主要发生在4月，选取4月变化有代表性的几日，通过现场获取压力数据推测其卵石输移状态(仅分析GPVS总变化值)。

3.1 现场压力数据

1) 压力平缓变化

2019年4月18日，胡家滩浅滩投放GPVS观测设备1周，卵砾石在平缓增加后堆积在GPVS表面，且在新一批卵砾石输移来的同时堆积卵石也输移离开。4月18日测图显示，5：00—7：00卵石重量由43.1 kg增加至49.8 kg，并逐渐增加，于14：00达到最大重量 52.9 kg，然后缓慢下降至48.9 kg。据压力变化可知，输移量不大，堆积量不多(见图5)。

图5 4月18日卵石输移压力变化示意

2) 压力陡增变化

2019年4月22日，胡家滩GPVS观测设备监测到新的卵石输移压力变化，卵砾石在陡然增加后堆积在GPVS表面，而后呈线性变化逐渐输移离开。对4月22日测图进行分析知，6：00—7：00卵石重量由52.5 kg陡然增加至64.5 kg，接着线性减少到53.4 kg，然后平缓增加至63.5 kg。据压力变化可知，存在卵石移动沙体迅速输移至GPVS来又逐渐离开的现象(见图6)。

图6 4月22日卵石输移压力变化示意

3) 压力线性减少

2019年4月23日，胡家滩浅滩整体压力变化不大，堆积在GPVS表面的卵砾石呈线性减少变化逐渐输移离开。对4月23日测图进行分析知，0：00—23：00卵石重量由64.7 kg线性减少至58.1 kg，据压力变化可知，卵石移动沙体输移呈现线性减少现象(见图7)。

图7 4月23日卵石输移压力变化示意

4) 压力陡降变化

2019年4月24日，胡家滩浅滩投放GPVS观测设备2周，堆积在GPVS表面卵砾石首先线性减少，而后陡然减少输移离开趋于平缓。对4月24日测图进行分析知，0：00—6：00卵石重量由56.8 kg线性减少至52.2 kg，6：00—7：00又陡然减少到38.8 kg，然后卵石重量上下浮动不大。据压力变化可知，存在堆积在GPVS表面卵砾石突然输移离开的现象(见图8)。

图8 4月24日卵石输移压力变化示意

3.2 卵砾石输移状态

根据实际调查收集的资料以及现场压力数据情况，概化出了胡家滩4月卵砾石输移状态示意(见图9)。从图9可以看出，自胡家滩浅滩投放GPVS观测设备以后，随时间的变化卵石冲淤状态不断发生改变，卵石移动沙体在GPVS表面进行多次推移。图9中所展示的仅为典型滩险观测的一小部分，要了解整个消落期各浅滩卵砾石输移状态还需进行更多的观测及分析。

图9 胡家滩卵石输移状态示意

4 结语

三峡水库175 m蓄水后，卵砾石推移质消落期在枯水航槽集中输移，极易出现卵砾石沙波运动碍航和航槽淤积碍航，但受限于卵砾石运动原型观测技术的发展，现有观测技术在对卵石运动过程以及强度的实时跟踪观测方面仍有一定困难，不能有效、实时的反映卵石运动过程。重庆交通大学研发了卵砾石输移压力与音频实时观测设备(GPVS)，本文基于MATLAB平台GUI设计串口通讯网络，配合观测设备GPVS，开发卵砾石输移压力实时监测系统：一是系统可直接应用于航道泥沙原型观测中，为航道泥沙研究的发展提供重要的技术支撑；二是能实时了解水下卵石输移状态，大大提高推移质输移观测精度和时效性；三是可实现河道横断面多点、多区域长期的同步实时显示。