全海深沉积物力学特性智能施测系统设计

迟书凯; 韩涛; 葛宪威

doi:10.11993/j.issn.2096-3920.202112021

全海深沉积物力学特性智能施测系统设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112021

中国海洋大学工程学院, 山东青岛, 266061

基金项目: 国家重点研发计划项目资助(2018YFC0309200).

详细信息

作者简介:
迟书凯(1980-), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事海洋智能仪器研究

中图分类号: U666.16; TP274.2
计量
- 文章访问数: 159
- HTML全文浏览量: 36
- PDF下载量: 27
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2021-12-29
- 修回日期: 2022-03-05
- 录用日期: 2022-08-12
- 网络出版日期: 2022-09-05

Intelligent Measurement System Design for Mechanical Properties of Sediments in All-sea-depth

Engineering College, Ocean University of China, Qingdao 266061, China

摘要

摘要: 海洋研究开发已经进入全海深技术时代, 具备全海深能力的沉积物力学特性施测系统对于海底资源探测与研究领域至关重要。以沉积物力学特性原位测试系统为研究对象, 基于全海深沉积物土力学试验规范与惯例, 结合全海深环境的通信难度大、不确定因素多以及全海深沉积物抗剪切强度变化范围小、力学特性受海水压影响的特点, 设计了具备全海深静力触探测试、十字板剪切测试和全流动贯入测试及原位采样功能的智能施测系统。系统的实现依靠硬件上的 ARM＋FPGA 结构和软件上的状态机设计模式, 在反应能力和容错能力上达到全海深测试要求。一系列样品土和海域实验证明系统具备全海深工作和准确测试沉积物土力学特性能力。
- 全海深沉积物 /
- 原位测试 /
- 智能施测
Abstract: Ocean research and development has entered the era of all-sea-depth technology. A sediment mechanical property survey system with all-sea depth capability is very important in seabed resource exploration and research. This study used the in-situ test system of sediment mechanical properties as the object of study and designed an intelligent measurement system for all-sea-depth static touch exploration test, cross-board shear test, full-flow penetration test, and in-situ sampling function, which combines the characteristics of difficult communication, multiple uncertainties, small range of changes in shear strength of deep-sea sediments, and the influence of sea pressure on mechanical properties, according to the specifications and conventions of deep-sea sediment soil mechanical tests. The implementation of the system relies on the ARM+FPGA structure on the hardware and the state machine design mode of the software and satisfies the requirements of the all-sea-depth test on responsiveness and fault tolerance. A series of sample soils and sea experiments have demonstrated that the system can work at all-sea depths and accurately test the mechanical properties of sediments.
- all-sea-depth sediments /
- in-situ test /
- intelligent measurement

HTML全文

图 1 智能施测系统组成模块与数据传输示意图

Figure 1. Composition module and data transmission diagram of intelligent measurement system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 11种海底可能土层强度组合模式

Figure 2. 11 possible strength combination models of seabed soil layer

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 智能施测及智能决策部分的工作流程

Figure 3. Workflow of intelligent measurement and intelligent decision-making part

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 ARM与FPGA分管外设划分

Figure 4. Division of peripherals in charge of ARM and FPGA

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 状态机软件设计

Figure 5. Software design details of state machine

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 原位取样组件对样品土的实际贯入动作

Figure 6. Actual penetration action of in-situ sampling component to sample soil

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 锥形探杆测试模块与球形探杆测试模块获得的贯入阻力-深度曲线

Figure 7. Penetration resistance depth curves obtained by cone-shape probe rod module and ball-shape probe rod module

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 近海测试阶段智能施测系统控制界面

Figure 8. Control interface of intelligent measurement system in offshore test stage

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 部分智能施测系统硬件及封存的玻璃浮球

Figure 9. Some intelligent measurement system hardware and sealed glass floating ball

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 智能施测系统对实验样品土的土层划分与分层深度

Table 1. Results of soil layer division and stratification depth of experimental sample soil by intelligent measurement system

样品土序号	实际土样类型	实际分层深度/m	系统划分结果	系统测试分层深度/m
1	硬土	—	硬土	—
2	超软土	—	超软土	—
3	超软-软土	0.70	超软-软土	0.75
4	超软-硬土	1.03	超软-硬土	1.08
5	软土	—	软土	—

下载: 导出CSV

表 2 智能施测系统实际动作逻辑

Table 2. Actual action logic of intelligent measurement system

实验样品土序号	锥形探杆测试组件	球形探杆测试组件	十字板探杆测试组件	原位取样组件
1	贯入至0.13 m	未进行贯入	未进行贯入	未进行贯入
2	贯入至1.23 m	贯入至1.23 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.23 m
3	贯入至1.24 m	贯入至0.75 m	贯入, 最大测试深度0.45 m	贯入至1.23 m
4	贯入至1.08 m	贯入至1.08 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.07 m
5	贯入至1.24 m	未进行贯入	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.23 m

下载: 导出CSV

表 3 近海试验测试结果

Table 3. Test results in offshore test

测试序号	土层判断结果	锥形探杆测试组件	球形探杆测试组件	十字板探杆测试组件	原位取样组件
1	超软土	贯入至1.23 m	贯入至1.23 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.23 m
2	超软土	贯入至1.23 m	贯入至1.22 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.22 m
3	硬土	贯入至0.13 m	未进行贯入	未进行贯入	未进行贯入
4	超软土	贯入至1.24 m	贯入至1.24 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.24 m
5	超软土	贯入至1.23 m	贯入至1.24 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.23 m
6	超软-硬土	贯入至0.79 m	贯入至0.80 m	贯入, 最大测试深度0.49 m	贯入至0.78 m
7	超软土	贯入至1.24 m	贯入至1.24 m	贯入, 最大测试深度0.85 m	贯入至1.22 m

下载: 导出CSV

参考文献(13)

[1]	《地质装备》编辑部. 我国自主研发“海斗一号”全海深潜水器完成万米海试[J]. 地质装备, 2020, 21(5): 4-5.
[2]	李力, 孟艺敏. 基于颗粒流理论的深海沉积物土力学特性[J]. 船舶工程, 2020, 42(6): 119-125. doi: 10.13788/j.cnki.cbgc.2020.06.22 Li Li, Meng Yi-min. Mechanical Properties of Deep Sea Sediment Soil Based on Particle Flow Theory[J]. Ship Engineering, 2020, 42(6): 119-125. doi: 10.13788/j.cnki.cbgc.2020.06.22
[3]	彭赛锋. 海底沉积物原位土工力学测量装置测控系统设计与实现[J]. 矿冶工程, 2020, 40(6): 26-29. doi: 10.3969/j.issn.0253-6099.2020.06.007 Peng Sai-feng. Design and Implementation of Measurement and Control System of In-situ Gemechanics Measurement Device for Seabed Sediment[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2020, 40(6): 26-29. doi: 10.3969/j.issn.0253-6099.2020.06.007
[4]	魏定邦, 杨强, 夏建新. 深海沉积物抗剪强度影响因素及其变化规律[J]. 海洋地质前沿, 2021, 37(8): 1-6. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.161 Wei Ding-bang, Yang Qiang, Xia Jian-xin. Factors Influencing Shear Strength of Deep Sea Sediment and Its Variation Law[J]. Marine Geology Frontiers, 2021, 37(8): 1-6. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.161
[5]	韩东, 贺寅, 陈立军, 等. 水下通信技术及其难点[J]. 科技创新与应用, 2021(1): 155-159.
[6]	Jamieson A J, Toyonobu F. Trench Connection[J]. The Royal Society, 2011, 7(5): 641-643.
[7]	刘恒宇. 海底沉积物原位剪切力测量及贯入系统研究[D]. 济南: 山东大学, 2020.
[8]	国家市场监督管理总局. 岩土工程仪器位移计: GB/T 37367-2019[S]. 北京: 中国国家标准化管理委员会, 2019.
[9]	国家质量监督检验检疫总局. 岩土工程仪器设备的检验测试通用技术规范: GB/T 34807-2017[S]. 北京: 中国国家标准化管理委员会, 2017.
[10]	国家质量监督检验检疫总局. 岩土工程仪器基本环境试验条件及方法: GB/T 24105-2009[S]. 北京: 中国国家标准化管理委员会, 2007.
[11]	ASTM Int’l. Standard Test Methods for Laboratory Miniature Vane Shear Test for Saturated Fine-Grained Clayey Soil: ASTM D4648-2005[S]. Edinburgh: University of Edinburgh Pursuant to License Agreement, 2005.
[12]	杨岩. 球型全流触探仪的贯入机理及工程应用研究[D]. 南京: 东南大学, 2018.
[13]	解则晓, 于平, 迟书凯, 等. 全海深原位测试装置控制系统设计[J]. 海洋技术学报, 2021, 40(2): 45-53. Xie Ze-xiao, Yu Ping, Chi Shu-kai, et al. The Design of a Control System for the In-situ Measurement Device of Whole Sea Depth[J]. Journal of Ocean Technology, 2021, 40(2): 45-53.