慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心

梁越 張宏杰  夏日風  馬士謙  張斌  陳禹 張鑫強

 

一、航道整治建筑物內部結構三維層析成像理論研究

（一）層析掃描參數識別在堤壩滲漏中的應用

在實際工程中，使用物探得到參數（電壓、水位、溫度等）來對反映壩體結構的物理參數（滲透系數、孔隙率、電阻率）進行參數的估計與識別，下面給出具體的應用方式：當我們通過電源刺激得到大壩的刺激-響應數據后，在穩定的直流電場條件下用電壓值估計電阻率的情況，連續線性估計具有如下形式：

              （式5）

式中：為點處第r次迭代的估計值，上標r為迭代次數；表示在點處的觀測電壓；為計算電壓值，由當前估計值計算得出；為根據無條件平均值計算得到的計算電壓平均值，為電阻率；分別為觀測電壓和計算電壓的擾動量；為點處觀測值與估計值之間的差值對第r次迭代過程中點處估計值的權重。

該線性估計必須滿足最小均方差準則，即

                                                                            （式6）

將式（6）代入式（5）并展開：

                                        （式7）

式中，為點處的有條件協方差；為點處的有條件協方差；為處的有條件互協方差。他們的定義如下：

                                                          （式8）

令式2-31得到最小權重，將式（7）對求導并令其為零，簡化得：

                                                                    （式9）

隨后，新的x場可以通過條件平均方程計算得到：

                                                                                                    （式9）

式中，是的逆對數；下標c 代表有條件；上標eff 代表有效參數。對式（5）到式（9）進行重復運算直到滿足以下兩個條件：

1）對于j取任意值均小于給定誤差或趨于穩定；

2）x場的方差趨于穩定。

二、航道整治建筑物三維層析掃描成像裝備研發

（一）航道整治建筑物三維層析掃描成像裝備組成

自主研發了一套遠程自動監測電壓的系統。自動監測系統主要由供電模塊、變壓模塊、測量模塊、控制模塊、網絡模塊這五個部分組成。

（1）供電模塊

供電模塊主要由太陽能電池板、膠體蓄電池和太陽能控制器三部分組成，太陽能電池板功率為70W。膠體蓄電池為12V120Ah，太陽能控制器將兩塊70W的太陽能電池板與太陽能控制器相連，然后將太陽能控制器與膠體蓄電池連接，太陽能可為膠體蓄電池充電，膠體蓄電池為用電設備供電。

（2）變壓模塊

變壓模塊為12V轉5V直流USB接口變壓器，下面簡稱5V變壓器。5V變壓器是以12V直流電為供電電源，然后輸出一個5V的穩定電壓，該電壓以USB的接口的形式輸出，在整個系統中主要為供網設備和樹莓派提供電源。5V模塊共有安裝3個，多出一個可為調試屏幕設備供電。整個變壓模塊主要的作用就是為不同的設備提供各自需要的電壓，保障整個設備的電源供應。

（3）測量模塊

測量模塊由三維層析掃描探測系統和自制電極兩部分組成，其中三維層析掃描探測系統如圖1中a所示，其中最上面的為接收模塊，下面四塊測量板為放電模塊，最下面兩側為接線端子，與圖1中b自制電極相連。三維層析掃描探測系統放電-接收共128個端口，可連接128個電極。

圖1  傳感器模塊

（4）控制模塊

控制模塊主要由樹莓派和USB轉RS485信號接口兩部分組成，其中樹莓派簡寫為RPI，樹莓派有屬于自己的系統，該系統是基于Linux開發的，并且預裝了python、c語言的程序運行環境，非常便于各種程序的開發。樹莓派同時也具有豐富的硬件接口，如4個USB接口，其中兩個為USB3.0，兩個微HDMI端口支持4K分辨率雙顯示屏，以及千兆以太網接口，40個擴展引腳等。USB轉RS485接口轉換器，左邊為設備正面，右邊為設備的反面。該設備從左到右共有5個接線端子，分別是VCC（5V），GND，GND2，A，B，前兩個是可以為其他設備提供一個5V的電源的接口，后三個接口為通信接口，其中A、B為主要的通信接口分別對應RS485+和RS485-，當有真實的地線接地時，可以接入到GND2接口使數據傳輸效果更好，如果沒有地線可以將此端口空著。該轉換器主要起到將樹莓派的串口信息轉化并傳輸給傳感器，并接收來自傳感器傳回的數據，并傳輸給樹莓派。

（5）網絡模塊

網絡模塊共有兩個部分組成，分別是系統供網裝置和云端服務器。其中供網裝置采用內部插入物聯網網卡的方式給設備提供網絡。設備有兩種狀態需要提供網絡，分別是運行狀態和調試狀態，在運行狀態時僅僅為樹莓派提供網絡，樹莓派可以通過網絡將接收到的數據實時上傳至云端服務器；在調試狀態下可以同時為外部調試設備如個人電腦和樹莓派提供網絡。云端服務器采用阿里云提供的云端服務器產品，并在該系統中進行數據庫運行環境搭建和端口的配置，數據庫軟件采用mysql，并打開服務器上mysql的3306端口，就可以在服務器上接收來自設備傳回的實時數據。

以上五個模塊相互配合組成了整個自動傳輸設備，整個裝置的連接如圖2。值得注意的是，整套系統雖然結構復雜、模塊眾多，但是總成本較低，并且可以做到無維護的長期運行，具有相當良好的兼容性，如各種擴展串口接口，為后面的深層次的開發提供了一個良好基礎。

圖2 自動監測設備連接圖

從上圖的設備連接圖可以看出該設備具有一定復雜度，在運行的要保證每一個接線端子的正常連接，整套設備才能正常的運行，如果其中的連接中斷，那么該設備中間的樹莓派中的程序就會出現錯誤，致使整套設備的停止工作。尤其是一些USB熱插拔接口極易因為外部原因脫落，所以需要用一些膠帶或者細線將USB接口直接粘到連接處。還有一些插頭的連接也需要進行相應的處理才能使設備穩定的運行。

（二）航道整治建筑物自動監測程序流程

本系統的程序的編寫使用的是python語言，python作為最近幾年新興的程序語言，以其語言的簡潔性、易讀性以及可擴展性的特點成為最受歡迎的程序設計語言之一，基于python的豐富的模塊引用也讓該語言成為本系統編寫的最佳的語言，只需現有的庫下載并進行安裝就可以是實現功能強大的程序。程序主要用到了python3中的4個模塊：serial模塊[52]、time模塊、pymysql模塊以及binascii模塊，它們的作用分別是：serial模塊對串口進行控制，time模塊對程序運行時間進行調整，pymysql模塊用來將讀取的信息上傳至云端的數據中，binascii模塊是對串口的傳回的信息進行進制的轉化。數據采用串口進行讀取，通過time模塊設置每5分鐘讀取并上傳一個數據。程序設定為一個whlie true的無限循環程序，自動監測的程序流程圖如圖3所示。圖3展示了整個程序的框架，不難看出該程序是一個無限循環的程序，所以在長時間的運行過程中，難免會出現程序卡死或者停電等意外情況致使設備停止運作，遇到這種情況，就需要維護人員對設備進行手動的調試和重啟。為了降低后期調試人員的工作量并且使得設備能夠長期的平穩運行，設計讓程序具有開機自動啟動上述程序的功能，并且在一天之內重啟一次或者兩次，以此來消除程序緩存帶來的數據堆積以及意外宕機。

在程序的無限循環中還嵌入的數據判斷語句，將一些錯誤的讀取數據屏蔽并記錄，也可以提高程序長期穩定的能力。同時在程序的外部還設置了錯誤記錄保存的功能，程序一旦出錯，錯誤信息就會以文本的形式保存在本地特定的txt文件中，通過這些錯誤記錄可以很明確地知道代碼中存在的漏洞或者不完善的地方。對代碼后期優化起到了至關重要的作用。

圖3 自動監測程序流程圖

三、航道整治建筑物內部侵蝕的三維層析成像試驗研究

（一）室內模型研究

開展了壩體內部侵蝕的室內物理模型試驗，制作了內含侵蝕的拋石壩模型，應用三維電阻率層析成像探測系統對蓄水條件下的拋石壩進行探測，采用連續線性估計算法進行反演分析侵蝕隱患在拋石壩蓄水條件的成像特點。

（1）模型設計

試驗在混凝土槽內進行，模型槽內部凈空尺寸為4m（長）×1m（寬）× 0.8m（高）。拋石壩模型以長江上游神背嘴灘段小罐口堵壩為原型，按1:10比例設計，如圖7所示，其壩頂長1m，寬0.3m，壩底長1m，寬2.4m，壩高0.6m。壩體采用卵石填筑，迎水坡1:1.5，背水坡1:2。在壩體內部預設一條沿壩身水平分布的模型的侵蝕通道布置見圖4，模擬拋石壩體由于長期受水流沖刷的侵蝕問題，采用鏤空的鋼管模擬，管長0.4m，直徑15cm，置于壩體中心處，鋼管中心距壩頂、壩底均為30cm，且管的中心與壩體中心一致。壩體內部沿壩軸線方向布置4個電極斷面見圖5，每個斷面間隔20cm，1、4斷面10個電極，2、3斷面20個電極，共60個電極。電極斷面布置見圖9。每個電極在模型堆建時預埋在壩體內，使其與壩體接觸良好。

圖4  拋石壩模型圖

圖5 電極斷面布置圖（單位：cm）

（3）試驗結果

將處理好的數據應用專業的軟件以槽內一角點作為原點建立三維坐標系并建立模型，采用連續線性估計算法進行反演計算。將反演數據導入專業圖像處理軟件，設置相應的參數并調整色階，制作成三維電導率圖像，處理結果見圖6。

圖6  拋石壩三維電導率分布圖

圖7a是垂直壩軸線取y=50cm的剖面。在圖11中，剖面中心以（y=105.5cm，z=31.5cm）為圓心，8.5cm為半徑的圓內的電導率在10.2mS/m以上，與預設的侵蝕隱患（以（x=105cm，z=30cm）為圓心，7.5cm為半徑的圓相比，其位置向右偏移了0.5cm向上偏移了1.5cm，其尺寸直徑擴大了2cm。表明三維層析成像對拋石壩內部侵蝕的垂直方向上尺寸識別精度可達到10cm之內。圖11b是沿壩軸線方向取x=105cm的剖面。圖7中在y取28.3cm至73.3cm，z取23cm至40cm之間出現高電導率異常，高電導率區域的長度0.45m與預設的侵蝕通道長度0.4m相差5cm，表明三維層析成像對拋石壩內部侵蝕的水平方向尺寸識別精度可達到20cm之內。其位置與預設的侵蝕通道位置相比略向有偏移了1cm，表明三維層析成像對拋石壩內部侵蝕的位置識別精度可達到10cm之內。

圖7  電導率剖面分布圖

由此可得，當壩體內部存在侵蝕空洞時，可由基于連續線估計算法的三維層析掃描成像方法探測。

（二）現場應用研究

本文在四川省瀘州市的神背嘴灘段航道整治工程小罐口堵壩上進行了應用。

（1）工程應用實施步驟

1）鉆孔：在選取的預計勘測位置壩頂通過鉆機打了8個直徑50mm的鉆孔，平均深度4.5米

2）層析掃描設備布設

為防止孔洞垮塌，在每一個鉆孔完成之后，立刻將電極放入鉆孔中，測線使用PVC管內置，并由導電效果良好的螺桿、螺母間隔一米進行固定，電極通過電夾與集成接口連接，集成接口通過導線與測量主機以及電源相連。布設完電極后開始各孔連接線的布置，為保證遠程監測裝置避免汛期漲水時被水淹沒，將測量連接線設置長為350m通向高處，每個接口對應測量電極，每根測量大線上有10個接頭用于電極的連接。將測線置于PVC管中，將PVC管固定在壩體及道路表面。將監測裝置置于高處的配電箱內，采用太陽能為其供電。完成全部電極及連接線的安裝布設后，開始進行儀器的連接工作，通過太陽能控制器將太陽能電池板、膠體電池、三維層析掃描探測系統、遠程控制設備（Raspberrypi），同時連接供網設備。