(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210983241.7 (22)申请日 2022.08.16 (71)申请人 水利部南京水利水文自动化研究所 地址 210012 江苏省南京市铁心桥 街95号 (72)发明人 方卫华　方欣哲　杨浩东　施克鑫　 李鸿　 (74)专利代理 机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 专利代理师 董建林 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种抵近部署根石多要素可回收监测系统 及方法 (57)摘要 本发明公开了一种抵近部署根石多要素可 回收监测系统及方法， 所述系统包括岸上装置、 海参状装置、 可浮起示踪器和连接管道。 所述岸 上装置包括测控计算、 充吸气泵、 通信以及流速 测量单元； 海参状装置包括 感知变形和缓冲的气 囊和感控设备， 感控设备用于监测根石姿态、 振 动和变形等要素用于根石 稳定性判别； 可浮起示 踪器用于在浮出水面时声光提醒装置开始工作 并将自身位置发送给岸上通信装置； 管道用于将 岸上装置、 可浮起示踪器以及海参状装置连接起 来。 本发明实现了根石水下稳定状态的多要素监 测预警一体化， 解决了仪器的可回收以及避免抛 石挤压造成仪器损坏的两大难题， 同时将感知、 定位、 信息融合和边缘计算相协 同， 提高整个系 统的智能化水平。 权利要求书3页 说明书8页 附图4页 CN 115293047 A 2022.11.04 CN 115293047 A 1.一种抵 近部署根石 多要素可回收监测系统， 其特 征在于， 包括： 岸上装置， 所述岸上装置包括测控计算、 充吸气泵、 通信以及流速测量单 元； 海参状装置， 所述海参状装置采用坚固防水囊状结构， 背负密封充气气囊和内置感控 设备； 背负密封充气气囊用于缓冲块石挤压对坚固防水囊状结构内感控设备 的损伤破坏， 同时气囊内置高灵敏度气体压力传感器， 用于感知密封气囊受根石石块的挤压变形情况监 测， 所述内置感控设备用于监测根石姿态、 振动和变形情况， 数据上传到岸上装置通过边缘 计算用于分析判断根石稳定性； 可浮起示踪器， 与岸上装置通过管道及其内置通气和线缆相连， 用于在管道拉断、 根石 滑塌以及需要重新抛石条件下浮出水面， 带动海参状装置浮出水面并通过有线/无线方式 将自身位置发送给岸上装置 便于回收并通过声光 提醒； 管道， 所述管道用于保护内部线缆并将岸上装置、 海参状装置以及可浮起示踪器连接 起来。 2.根据权利要求1所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统， 其特征在于： 所述岸上 装置的流速测量单 元采用电波流速 仪或雷达流速 仪。 3.根据权利要求1所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统， 其特征在于： 所述可浮 起示踪器为带折叠可充气囊的密封装置， 与海参状装置连接侧采用不锈钢密封结构， 内置/ 携带相互连接的锂电池、 闪光灯、 蜂鸣器、 GPS/BD定位装置、 液位/液压传感器、 嵌入式控制 装置以及无线通信装置， 所述无线通信装置浮出水面后可与岸上装置实现无线通信， 最外 端侧为带预制裂缝的硬塑料薄壳体， 用于安装时候对内置折叠气囊进行保护和保形， 而在 需要浮起的时候被充气气囊涨破， 不锈钢密封结构与塑料外壳之间采用螺纹旋转连接， 用 于回收后继续旋转 新的塑料薄壳重新使用。 4.根据权利要求1所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统， 其特征在于： 所述管道 采用橡胶弹性软管， 内置电源和信号电缆束、 吸盘/气囊充吸气管道、 高强回收不锈钢丝、 拉 线位移计线体。 5.根据权利要求1所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统， 其特征在于： 所述海参 状装置的感知控制设备包括密封不锈钢体、 设置于密封不锈钢体内部的传感器、 嵌入式采 集控制器、 橡胶高弹性密封吸盘和伞状扦杆组； 所述密封不锈钢体用于对内部设备进行保 护， 所述传感器用于感知吸盘是否接触石头完整表面、 海参装置的姿态、 振动以及 海参状装 置之间的变形， 嵌入式采集控制器包括吸盘封闭继电器和伞状扦杆组， 所述伞状扦杆组用 于插入石头缝隙， 所述橡胶高弹性密封吸盘用于吸 附在根石表面， 上述两者都是用于将海 参状装置固定在根石块或体上， 保证其能监测到根石自身的稳定参数。 6.根据权利要求1所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统， 其特征在于： 所述海参 状装置不锈钢密封体内传感器包括姿态传感器、 振动传感器和变形传感器， 所述姿态传感 器采用高精度电子罗盘和3轴倾角传感器， 电子罗盘其量程为不小于90 °， 精度不小于1％ F.S； 3轴倾角传感器量程为不小于90 °， 精度不小于0.3％F.S； 所述振动传感器采用高灵敏 度三轴加速度计， 其频率范围为1～200Hz， 其量程不小于2g， 精度不小于0.1％F.S； 所述变 形传感器为拉线位移传感器， 其 量程不小于10 00mm， 精度不小于 0.05％F.S.。 7.根据权利要求5所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统， 其特征在于： 所述伞状 扦杆组包括伞状扦杆 组根部控制伸缩装置、 伞状倒刺控制推送装置、 多根支撑子杆、 可滑动权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115293047 A 2转轴、 固定转轴、 带压电传感器端部、 以及多个伞状倒刺， 所述伞状扦杆组根部控制伸缩装 置用于在海参状装置贴近根石的下方前后左右45度立体角范围内调整伞状扦杆组方向并 控制多个支撑子杆伸缩， 所述支撑子杆通过可滑动转轴与多个伞状倒刺相连接， 所述多个 伞状倒刺均转动设置于固定转轴 上， 通过伸缩支撑子杆可将多个伞状倒刺撑开或者收拢， 所述固定转轴， 固定在一个位置， 可容忍多个支撑子杆绕该点以其与中间轴线成一定夹角 转动， 所述带压电传感器端部用于寻找附近缝隙， 所述伞状倒刺采用弹性直径1毫米韧性高 弹性合金材料。 8.一种根据权利要求1 ‑7任一项所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统的实现方 法， 其特征在于， 包括： S1、 确定监测断面， 选择历史上根石不稳定的险工险段或导控段进行， 布置多条测线， 覆盖最危险区段， 在相应桩号堤 顶布置岸上装置安装底座配套土建； S2、 获取水下地形测量数据， 根据获取的水 下地形测量数据估计测线长度； S3、 安装岸上装置， 包括岸基通信系 统、 水下吹吸气及吸盘倚附情况判别系统、 表面流 速监测系统及基于表面 流速的水 下海参状装置脉动分析 软件系统； S4、 将海参状装置和可浮起示踪器通过管道与岸上装置相连， 然后沿坡向向根石坡脚 敷设海参状装置， 敷设时候 从岸边向河床中部进 行， 尽量保证海参状装置不架空， 尽量接触 根石； S5、 利用水下海参状装置进行振动信号采集， 并根据岸上装置的实测表面流速反演的 水下振动频次比较， 判别各海参状装置是直接接触根石还是在两块根石之间被小高度架 空； S6、 如果实测海参装置与计算架空的振动一致， 则其作为架空监测， 否则将其作为吸附 监测； S7、 对于判断为非架空 的海参状装置先通过吸盘进行固定， 如洗盘固定不成功， 采用多 方向扦杆寻找周边缝隙插 入锚固.从而固定海参状装置； S8、 再次通过监测吸附后的海参状装置与架空海参状装置比较， 如果没有海参状架空 装置则与岸基 基于表面 流速的水 下脉动计算结果进行比较， 判别是否吸附牢固； S9、 对于吸附或扦插固定在根石上牢固的海参状装置， 通过监测根石姿态、 振动和变形 进行根石稳定性判别， 在判别异常时启动预警； 在管道拉断、 根石滑塌以及需要重新抛石 条 件下根据设置或指令对可浮起示踪器端部气囊进行充气， 使其浮起， 同时控制海参状装置 吸盘放松、 杆子 收起并从端部开始向岸边依 次解除不同海参装置与根石的锚固， 并根据可 浮起示踪器声光 提示和定位信息进行回收。 9.根据权利要求8所述的抵近部署根石多要素可回收监测系统的实现方法， 其特征在 于， 步骤S6中， 判断实测海参装置与计算架空的振动是否一 致的方法为： 将海参状装置及联系管道简化为质量 ‑弹簧‑阻尼系统， 建立包括水流作用下动力学平 衡方程以及各种动力荷载作用的描述公式， 相关数 学模型如下： 式中： [Mfs]＝ρ0[Re]T； [Kfs]＝‑[Re]； [Re]T＝ ∫s{N}{N}T{n}ds； {N}为单元形函数； {P}为权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115293047 A 3