[發(fā)明專利]一種海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站及監(jiān)測預警方法

在審

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• 申請日: 2022-09-08
• 公開（公告）號: CN115588276A
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈永剛;陳天;權(quán)永崢;孫中強;魯?shù)氯?/a>;李凱;李曉萌;徐超
• 申請（專利權(quán)）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G08B21/10
• 分類號: G08B21/10;G08B31/00;H04B13/02;H04B11/00;H04Q9/00;H04B7/185;H04B7/15
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 劉慶蘭

1.一種海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，包括框架，其特征在于：框架內(nèi)設(shè)置有數(shù)據(jù)采集控制艙、由數(shù)據(jù)采集控制艙控制在框架內(nèi)豎向移動的壓載式貫入機構(gòu)，以及由數(shù)據(jù)采集控制艙控制的孔隙壓力探桿，還包括用于供電的海底鋰電池艙；其中：

數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)置總控系統(tǒng)，并與海底鋰電池艙的供電線纜電連接，總控系統(tǒng)通過分壓模塊控制供電線纜向外供電；

壓載式貫入機構(gòu)包括升降座和貫入齒條，升降座上分別安裝有兩個貫入電機，每個貫入電機連接一貫入齒輪，貫入齒條豎向固定在框架內(nèi)并分別與貫入齒輪嚙合，升降座上還安裝有用于控制貫入電機的電機控制艙，電機控制艙內(nèi)置控制模塊MCU，控制模塊MCU與數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部的總控系統(tǒng)通過水密接插件和水密線纜電連接；

孔隙壓力探桿可拆卸的連接在升降座的底面中心下方。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：框架包括上框架和下框架，上框架為環(huán)形框架，包括豎向連接在下框架上的至少兩個立柱，立柱的端部通過大環(huán)形板連接，貫入齒條設(shè)置在大環(huán)形板內(nèi)，貫入齒條的下端與下框架連接，貫入齒條的上端通過小環(huán)形板連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：上框架和下框架內(nèi)分別安裝有容置觀測多普勒流速剖面儀的ADCP儀器艙和容置多普勒單點流速計的ADV儀器艙，多普勒流速剖面儀的采集器和多普勒單點流速計的采集器均與數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部的總控系統(tǒng)通過水密接插件和水密線纜電連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：上框架和下框架內(nèi)分別安裝有深海攝像機，深海攝像機的數(shù)據(jù)采集儀密封于數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部，深海攝像機的數(shù)據(jù)采集儀通過RS232線纜與數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部的總控系統(tǒng)電連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：小環(huán)形板的下方與下框架之間還豎向連接有貫入導軌，升降座上安裝有貫入滑輪，貫入滑輪與貫入導軌滑動連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：升降座呈三角形，貫入滑輪轉(zhuǎn)動安裝在三角形的三個頂角處。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：下框架為棱臺形框架，棱臺形框架的上底面與環(huán)形框架連接；棱臺形框架的下底面在四角分別安裝有連接配重的支撐腿；棱臺形框架的側(cè)棱上安裝有緊固吊環(huán)；棱臺形框架內(nèi)通過夾具安裝有與數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)置總控系統(tǒng)電連接的多參數(shù)傳感器艙。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：棱臺形框架的下底面中心固定有限位擋板，限位擋板中心開設(shè)有供孔隙壓力探桿穿過的貫入孔。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站，其特征在于：還包括水下通訊滑翔機，以及可與水下通訊滑翔機數(shù)據(jù)通訊的高頻水聲換能器，高頻水聲換能器安裝在框架內(nèi)，高頻水聲換能器的數(shù)據(jù)采集儀密封于數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部，水聲換能器的數(shù)據(jù)采集儀通過RS232線纜與數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部的總控系統(tǒng)連接。

10.一種海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站的監(jiān)測預警方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1、使用一分二數(shù)據(jù)通訊線纜一端連接數(shù)據(jù)采集控制艙的水密接插件，另一端分別連接外部電腦上位機和外部電源，通過外部電腦上位機喚醒總控系統(tǒng)，查看系統(tǒng)狀態(tài)信息，調(diào)試各觀測儀器工作狀態(tài)，設(shè)置各觀測儀器的工作參數(shù)和采集頻率，設(shè)置壓載式貫入機構(gòu)的海底貫入時間和海底貫入深度；

S2、海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站的吊環(huán)連接水聲釋放器，水聲釋放器的吊環(huán)連接工作船的地質(zhì)纜繩的掛鉤，通過地質(zhì)纜繩絞車起吊入水，直至監(jiān)測預警站抵達海底，布放過程中，通過水面水聲通訊機與水下監(jiān)測預警站的水聲換能器實現(xiàn)雙向通訊，輔助判斷監(jiān)測預警站水下狀態(tài)；待監(jiān)測預警站坐底后，通過發(fā)送聲學釋放命令控制水聲釋放器釋放監(jiān)測預警站；

S3、在到達壓載式貫入機構(gòu)預設(shè)的海底貫入時間后，啟動貫入電機帶動貫入齒輪轉(zhuǎn)動，壓載式貫入機構(gòu)沿貫入齒條和貫入導軌向下帶動孔隙壓力探桿到達指定的貫入深度并停止貫入電機；

S4、多個監(jiān)測預警站選用環(huán)形的布放方式并對海底布放監(jiān)測點位置依據(jù)監(jiān)測區(qū)的范圍和地質(zhì)災害監(jiān)測類型進行確定，監(jiān)測區(qū)的環(huán)形中心布放海底鋰電池艙，海底鋰電池艙集成有多個供電線纜接口，各個供電線纜接口通過水下機器人的機械手配合，完成各供電線纜與各海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站的數(shù)據(jù)采集控制艙的連接，由海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站的數(shù)據(jù)采集控制艙內(nèi)部的總控系統(tǒng)通過控制分壓模塊，來控制供電線纜向各用電設(shè)備的電量輸送；

S5、海底監(jiān)測預警站觀測網(wǎng)布放完成后，布放水下通訊滑翔機，水下通訊滑翔機浮在海面時，可以依靠自身攜帶的衛(wèi)星天線通過通訊衛(wèi)星與路基衛(wèi)星天線或船載衛(wèi)星天線建立雙向通訊連接，水下通訊滑翔機在深海滑翔時，進入海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站水聲換能器的水聲信號有效傳播區(qū)，水下通訊滑翔機可依靠自身攜帶的水聲換能器通過水聲通訊信號與海洋地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預警站的水聲換能器建立雙向通訊連接；

S6、孔隙壓力探桿可以觀測到海底沉積物的超孔隙壓力Δμ的動態(tài)變化，基于這一參數(shù)，反演得到以下可用來評估沉積物的物理力學性質(zhì)變化和海床強度變化指標：

i.海底沉積物的不排水抗剪強度C_u：用于評估沉積物的物理力學性質(zhì)，計算公式為：

C_u＝Δμ_max/6

其中：Δμ_max為孔隙壓力探桿在貫入過程中產(chǎn)生的最大超孔隙壓力Δμ；

ii.海底沉積物的水平固結(jié)系數(shù)C_h：用于評估沉積物的物理力學性質(zhì)，計算公式為：

C_h＝r²T_r50/t₅₀

其中：r為孔隙壓力探桿的貫入直徑；t₅₀為孔隙壓力探桿在貫入過程中產(chǎn)生的最大超孔隙壓力Δμ衰減至50％所需要的時間；T_r50為無量綱的時間因子，約等于1；

iii.海底沉積物的滲透率k：用于評估沉積物的物理力學性質(zhì)，計算公式為：

k＝C_hγ_w/D

其中：C_h為海底沉積物的水平固結(jié)系數(shù)；γ_w為海水的重度，根據(jù)γ_w＝ρ×9.8，ρ為底層海水的密度；D為海底沉積物的壓縮模量，是海底沉積物在側(cè)向完全不能變形的情況下受到的豎向壓應力與豎向總應變的比值，通過試驗獲得；

iv.海底沉積物的有效應力σ′：可以用于評估海床的強度變化，計算公式為：

σ＝σ′+μ

其中：σ為海底沉積物的總應力，可以根據(jù)孔隙壓力探桿傳感器的測量位置的深度確定；μ為孔隙壓力，根據(jù)μ＝Δμ+μ₀，Δμ為超孔隙壓力；μ₀為靜孔隙壓力，μ₀根據(jù)孔隙壓力探桿傳感器的測量位置的深度確定；

S7、當監(jiān)測預警站完成海底監(jiān)測任務之后，到達預定設(shè)備回收時間，貫入電機啟動，貫入齒輪反向轉(zhuǎn)動，壓載式貫入機構(gòu)沿貫入齒條和貫入導軌向上運動，完成孔隙壓力探桿從海底回收，通過ROV水下機器人下潛輔助掛鉤的方式將監(jiān)測預警站與船載地質(zhì)纜繩連接，通過船載地質(zhì)纜起拔回收。