海洋技术▏可回收式水下声学网络监测节点的设计与实现
随着现在社会的高速发展和各个领域科学技术的不断革新，人类把目光逐渐从陆地转移到了海洋，而开发海洋资源的前提是准确而高效地获取当地海洋环境的各种状态参数。近几年来随着我国综合国力的增长和国家发展战略的需要，不同形式的水下环境监测和信息采集装置也不断涌现，其中水下声学传感器网络系统是在一定范围的水域内通过预先布放的诸多传感器节点来获取一段时间内的水文信息，并进行声学通信和组网，最终通过特定节点以无线电或有线的方式来将信息传输到岸上的终端系统。目前国内对于水下网络监测节点的整套设计比较少，很多研究机构或院校自主研究的水下传感器网络监测节点还主要停留在实验室阶段。水下网络监测节点目前面临的主要问题是：①现有的海洋环境监测系统以及单个节点的环境适应能力较差；②传统的大型海洋监测节点的布放方式主要是借助于A型架和水下机器人相配合，导致节点的布放、回收和锚固系统结构复杂且可靠性不高；③监测节点在水下工作时没有电缆连接到外部供电设备，需要一种能够满足水下长时间工作的节点供电方案。
针对以上问题本文研制了一种采用自由投放和自主上浮回收方式的水下声学网络监测节点，并结合节点的功能要求和实际供电模式对单个节点进行结构优化设计。其中核心控制监测系统所在的可回收耐压舱体可实现重复循环利用，可控分离装置选用了导弹分离装置中的电爆螺栓插头来作为分离器。上述设计在满足实际功能需求的同时，保证了单个节点的分离回收可靠性、环境适应性和经济性，为后续水下环境监测综合系统的研究提供了一个较理想的试验搭载平台。
一、水下声学网络监测系统总体设计方案
可回收式水下网络监测项目的研究重点在于研制1套可靠性高、功耗低、结构尽量紧凑并且环境适应能力较强的多节点海洋环境监测网络系统。首先单个节点除了能在各种复杂恶劣的海底工作环境下都能稳定可靠地工作外，节点还必须可以实现水面自由投放和水下自主供电，并能够实现自主分离回收。总的来说，海洋环境的区域性、多变性以及实时性等特点需要发展具有宽覆盖、快变跟踪能力的新型监测技术平台。
⒈单个水声监测节点工作流程
进行海洋环境数据监测时，声学网络内的单个监测节点主要依靠母船搭载相应数量的水声监测节点来到达目标海域，然后进行声学通讯组网和其他调试准备工作。对单个监测节点来说整个工作过程主要由自由投放、组网通迅、海域环境监测、释放可回收舱体和搜救回收等部分组成。其中各个步骤的工作过程中，要求每一个功能模块相对独立，部分失效不影响全局，相互之间依靠数字通信接口来传递信息。节点综合了传感、通信、定位、信号处理于一体，能够在时间上实现高精度的自同步，保证流速估算的精确性。
图1 节点工作流程图
⒉单个水声监测节点结构组成
针对水下声学网络监测节点在通信、传感、数据等方面所需的各种设备，以及水下长时间工作的供电需求，对节点的整体机械结构进行初步设计。其空间布置形式如图2和图3所示。
图2 节点架构图
图3 节点整体结构示意图
整体结构形式主要为了满足实际使用需求中的自由投放、平稳下落和具有可回收性等要求，自上而下单个监测节点主要包括了可回收舱体、脱开弹射机构、底部支撑支架以及最底部的电源和配重。其中节点底部的电源模块因为考虑到其所占体积较大且实际使用过程中回收困难，因此电池在短时间内不回收并对电池采用混凝土配重包覆的设计方案，使得电池可以在较长时间内与海水完全隔开，防止其被海水侵蚀污染环境。单个节点各组成部分的主要功能任务与控制模块组件如表1所示。
表1 各组成部分功能模块组件表
模块名称 | 主要功能任务 | 控制模块组件 |
声学组件 | 建立水下声学通信网络 | 换能器及其功放板、声学控制板 |
主控模块 | 存储各个模块的工作状态、对节点工作流程进行节拍控制 | 主控制板、422串口扩展板 |
电池及管理器 | 为各个模块的供电进行统一的分配管理 | 一次性高能量密度锂电池、电源模块及其控制板 |
释放回收装置 | 拉紧和释放回收球体 | 电爆螺栓及其控制电路 |
无线搜救模块 | 提供定位搜救信息 | 搜救模块控制板、北斗定位模块与天线 |
水深测量模块 | 确定节点的深度位置 | 水深传感器、串口输出模块 |
二、水下网络监测节点核心部件设计
对单个水声监测节点而言，在海底达到预定位置从开始海洋环境状态监测到工作结束，控制模块和通信模块等电子设备均位于可回收舱体内部，考虑到海底工作环境是高压且其主要供电方式是利用三角支撑架底部的电源舱，释放回收过程中必须跟电源舱接口快速可靠地脱离。本文对节点的电源管理模块、耐压舱体和分离回收机构进行了分析研究和优化设计，为后续水池实验验证打下基础。
⒈可回收耐压球体
首先需要对可回收舱体进行材料选型，考虑到海底工作环境为高压且舱体回收需要其形成的密闭空间能提供较大的正浮力，因此选择强度高、密度小的增强型复合材料——玻璃钢制品较为合适。其中上下法兰需要考虑到其长时间的海底工作环境，因此选用耐腐蚀性能较好的316L不锈钢，且整个回收球体涂刷防海生物油漆，一方面防止海蛎子等生物附接在舱体表面影响其工作，另一方面方便其上浮后搜寻人员对其查找。可回收球体设计图和加工成品如图4所示。
图4 可回收球体结构图
对于玻璃钢球体厚度的分析计算，本文采用无力矩理论进行分析。由于壳体壁厚与直径的比值很小，壁厚像薄膜一样，即壳体外径与内径之比≤1.2。其计算公式如下：
σ＝PR/2t
式中：P为外压；R为薄壳球体的中径；t为薄壳的厚度；σ为增强型玻璃钢材料的极限强度，并根据节点所处的可能最大水深200m进行强度校核。根据工程规定一般选取安全系数ns=2，那么可得计算许用应力σ=167.5MPa，进而初步得到球壳厚度t=3.125mm。
除此之外对于薄膜结构而言失稳现象也是必须考虑的，而且一般情况下稳定性条件比材料强度失稳条件更容易达到。本文主要利用经典理论中耐压壳体的失稳临界载荷来判定。计算薄膜球壳所能承受的最大外压，其计算公式如下：
根据壳体所承受的外压值为P=2MPa，代入其他参数值并取2mm余量，从而可以计算得到壳体的厚度应为8mm。
⒉电控分离装置
水下网络监测节点在完成长时间的数据采集过程之后，搭载有数据存储模块的可回收舱体部分需要被回收。在回收之前要求可回收舱体与三角支架的连接必须可靠稳定；而回收时又要求其动作快速同时不能与支架部件有任何干涉。本文选用导弹分离装置中的电爆螺栓作为分离器，由于电爆螺栓的连接是单点固定，结构上不太稳定，故设计了3个定位球在球体的下法兰和三脚架安装法兰面之间。进而保证在电爆螺栓的螺纹预紧力作用下，3个接触点可以使得两者的连接更加稳固，中间连接机构布置方式如图5所示。
图5 中间连接机构布置图
在回收过程中当电爆螺栓上电被引爆之后，位于中心的电爆螺栓拉紧力消失，压缩的弹簧储存的势能被释放，整个可回收密封浮球在弹簧推力的作用下和自我的浮力作用下上浮，上浮过程中，由于整个浮球的中心集中在原固定位置的上部（副电池安装位置），故浮球会顺着弹簧使其翻转的趋势，在水中进行180°翻转，并伴随着上浮。整个过程的示意图如图6和图7所示。
图6 分离前可回收舱体翻转示意图
图7 分离后浮球上浮姿态示意图
⒊可脱开插头
由于电池舱位于底部且起到配重平衡的作用，但是整个监测节点的核心工作模块都放置在可回收球体内部。因此节点在水下正常工作的时候，电池需要连接到可回收舱体内部进行供电；但是到达预定工作时间后又需要将连接的插头快速分开，实现主电池和副电池的供电切换。可脱开插头就是实现上述功能的执行机构，其主体由上安装体、下安装体和中间的铜芯组成，铜柱和铜帽之间的可靠接触依靠上顶弹簧来保证。整个机构在分离的时候需要克服径向的密封圈的摩擦阻力和插头所形成的压差阻力，具体的可脱开插头装配组成如图8所示。
图8 可脱开插头装配图
三、水下网络监测节点海试实验验证
本项目的主要任务是通过搭建单个节点的监测平台，并在一定海域范围内建立起水声通讯拓扑网，最终由8个节点组成的水下传感网络分布式测流系统可以使得科研人员对复杂海底环境的情况进行全方位探测和数据收集。本文主要研究重点在于对节点的结构和功能部件进行优化设计，所以在进行最后的组网通讯实验之前，需要在已确定深度的目标海域对单个监测节点的整体结构进行耐压性、密封性实验验证，保证结构的安全性和可靠性。由于本次海试实验不涉及节点的分离回收模块且实验时间初步确定为3天，所以并未对3 个电池舱进行表面钢筋混凝土包覆处理，布放和回收方案也采用常用的缆绳浮球吊装布放方式，其余各主要功能模块机构已经全部安装到位，海试实验区域为舟山市六横岛附近海域，图9和图10分别为单个监测节点的内部控制模块和实际总装实物图。
图9 内部控制系统布置图
图10 节点总装实物图
在进行吊放之前需要对每个监测节点进行系统同步性驯服，到达目标试验海域后3个节点均按预定实验方案被成功下放到海域的指定位置，3个节点布置方式约为等边三角形，节点与节点之间相距1km。在为期3天的实验验证中，整个3节点网络监测系统运行良好，水声换能器的响应、收发情况一切正常，未出现任何漏水等密封性问题。该海试实验初步验证了水下网络监测节点的结构可靠性以及通讯控制方面的技术可行性，后续实验的重点就在于利用水下监控测量设备对节点布放和分离回收功能进行进一步验证。
四、结语
海洋环境监测是进行海洋环境保护的重要手段，关系到我国海洋环境保护事业的平稳发展。本文提出的水下声学网络监测系统可在很大范围内收集和储存目标海域的各种海洋环境参数，具有很强的实用性，也是国际海洋环境监测领域的发展方向和研究趋势。
可回收式水下网络监测节点是针对我国区域海洋环境监测的特点和要求来设计研制的，是集声学发送、接收和机械释放装置于一体的方案。该水下节点能实现自动稳定沉底、具有分离释放功能和水面北斗定位与无线通信功能，并详细介绍单个监测节点的工作方式、结构形式和核心功能部件设计，并最终完成总装和海试实验验证，为节点小型化提供了设计依据和参考。
【作者简介】文/罗亮 彭晨 冷建兴，分别来自中国船舶重工集团公司第七一三研究所、河南省水下智能装备重点实验室和浙江大学海洋学院；第一作者罗亮，男，1993出生，中国船舶重工集团公司第七一三研究所，助理工程师，研究方向为机械设计；文章来自《舰船科学技术》（2019年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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