庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心
梁越 张宏杰 夏日风 马士谦 张斌 陈禹 张鑫强
一、航道整治建筑物内部结构三维层析成像理论研究
（一）层析扫描参数识别在堤坝渗漏中的应用
在实际工程中，使用物探得到参数（电压、水位、温度等）来对反映坝体结构的物理参数（渗透系数、孔隙率、电阻率）进行参数的估计与识别，下面给出具体的应用方式：当我们通过电源刺激得到大坝的刺激-响应数据后，在稳定的直流电场条件下用电压值估计电阻率的情况，连续线性估计具有如下形式：
（式5）
式中：
为点
处第r次迭代的估计值，上标r为迭代次数；
表示在点
处的观测电压；
为计算电压值，由当前估计值计算得出；
为根据无条件平均值
计算得到的计算电压平均值，为电阻率；
分别为观测电压和计算电压的扰动量；
为点处观测值与估计值之间的差值对第r次迭代过程中点处
估计值的权重。
该线性估计必须满足最小均方差准则，即
（式6）
将式（6）代入式（5）并展开：
（式7）
式中，
为点处的有条件协方差；
为点处的有条件协方差；
为
处的有条件互协方差。他们的定义如下：
（式8）
令式2-31得到最小权重，将式（7）对求导并令其为零，简化得：
（式9）
随后，新的x场可以通过条件平均方程计算得到：
（式9）
式中，
是
的逆对数；下标c 代表有条件；上标eff 代表有效参数。对式（5）到式（9）进行重复运算直到满足以下两个条件：
1）
对于j取任意值均小于给定误差或趋于稳定；
2）x场的方差趋于稳定。
二、航道整治建筑物三维层析扫描成像装备研发
（一）航道整治建筑物三维层析扫描成像装备组成
自主研发了一套远程自动监测电压的系统。自动监测系统主要由供电模块、变压模块、测量模块、控制模块、网络模块这五个部分组成。
（1）供电模块
供电模块主要由太阳能电池板、胶体蓄电池和太阳能控制器三部分组成，太阳能电池板功率为70W。胶体蓄电池为12V120Ah，太阳能控制器将两块70W的太阳能电池板与太阳能控制器相连，然后将太阳能控制器与胶体蓄电池连接，太阳能可为胶体蓄电池充电，胶体蓄电池为用电设备供电。
（2）变压模块
变压模块为12V转5V直流USB接口变压器，下面简称5V变压器。5V变压器是以12V直流电为供电电源，然后输出一个5V的稳定电压，该电压以USB的接口的形式输出，在整个系统中主要为供网设备和树莓派提供电源。5V模块共有安装3个，多出一个可为调试屏幕设备供电。整个变压模块主要的作用就是为不同的设备提供各自需要的电压，保障整个设备的电源供应。
（3）测量模块
测量模块由三维层析扫描探测系统和自制电极两部分组成，其中三维层析扫描探测系统如图1中a所示，其中最上面的为接收模块，下面四块测量板为放电模块，最下面两侧为接线端子，与图1中b自制电极相连。三维层析扫描探测系统放电-接收共128个端口，可连接128个电极。
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图1 传感器模块
（4）控制模块
控制模块主要由树莓派和USB转RS485信号接口两部分组成，其中树莓派简写为RPI，树莓派有属于自己的系统，该系统是基于Linux开发的，并且预装了python、c语言的程序运行环境，非常便于各种程序的开发。树莓派同时也具有丰富的硬件接口，如4个USB接口，其中两个为USB3.0，两个微HDMI端口支持4K分辨率双显示屏，以及千兆以太网接口，40个扩展引脚等。USB转RS485接口转换器，左边为设备正面，右边为设备的反面。该设备从左到右共有5个接线端子，分别是VCC（5V），GND，GND2，A，B，前两个是可以为其他设备提供一个5V的电源的接口，后三个接口为通信接口，其中A、B为主要的通信接口分别对应RS485+和RS485-，当有真实的地线接地时，可以接入到GND2接口使数据传输效果更好，如果没有地线可以将此端口空着。该转换器主要起到将树莓派的串口信息转化并传输给传感器，并接收来自传感器传回的数据，并传输给树莓派。
（5）网络模块
网络模块共有两个部分组成，分别是系统供网装置和云端服务器。其中供网装置采用内部插入物联网网卡的方式给设备提供网络。设备有两种状态需要提供网络，分别是运行状态和调试状态，在运行状态时仅仅为树莓派提供网络，树莓派可以通过网络将接收到的数据实时上传至云端服务器；在调试状态下可以同时为外部调试设备如个人电脑和树莓派提供网络。云端服务器采用阿里云提供的云端服务器产品，并在该系统中进行数据库运行环境搭建和端口的配置，数据库软件采用mysql，并打开服务器上mysql的3306端口，就可以在服务器上接收来自设备传回的实时数据。
以上五个模块相互配合组成了整个自动传输设备，整个装置的连接如图2。值得注意的是，整套系统虽然结构复杂、模块众多，但是总成本较低，并且可以做到无维护的长期运行，具有相当良好的兼容性，如各种扩展串口接口，为后面的深层次的开发提供了一个良好基础。
从上图的设备连接图可以看出该设备具有一定复杂度，在运行的要保证每一个接线端子的正常连接，整套设备才能正常的运行，如果其中的连接中断，那么该设备中间的树莓派中的程序就会出现错误，致使整套设备的停止工作。尤其是一些USB热插拔接口极易因为外部原因脱落，所以需要用一些胶带或者细线将USB接口直接粘到连接处。还有一些插头的连接也需要进行相应的处理才能使设备稳定的运行。
（二）航道整治建筑物自动监测程序流程
本系统的程序的编写使用的是python语言，python作为最近几年新兴的程序语言，以其语言的简洁性、易读性以及可扩展性的特点成为最受欢迎的程序设计语言之一，基于python的丰富的模块引用也让该语言成为本系统编写的最佳的语言，只需现有的库下载并进行安装就可以是实现功能强大的程序。程序主要用到了python3中的4个模块：serial模块[52]、time模块、pymysql模块以及binascii模块，它们的作用分别是：serial模块对串口进行控制，time模块对程序运行时间进行调整，pymysql模块用来将读取的信息上传至云端的数据中，binascii模块是对串口的传回的信息进行进制的转化。数据采用串口进行读取，通过time模块设置每5分钟读取并上传一个数据。程序设定为一个whlie true的无限循环程序，自动监测的程序流程图如图3所示。图3展示了整个程序的框架，不难看出该程序是一个无限循环的程序，所以在长时间的运行过程中，难免会出现程序卡死或者停电等意外情况致使设备停止运作，遇到这种情况，就需要维护人员对设备进行手动的调试和重启。为了降低后期调试人员的工作量并且使得设备能够长期的平稳运行，设计让程序具有开机自动启动上述程序的功能，并且在一天之内重启一次或者两次，以此来消除程序缓存带来的数据堆积以及意外宕机。
在程序的无限循环中还嵌入的数据判断语句，将一些错误的读取数据屏蔽并记录，也可以提高程序长期稳定的能力。同时在程序的外部还设置了错误记录保存的功能，程序一旦出错，错误信息就会以文本的形式保存在本地特定的txt文件中，通过这些错误记录可以很明确地知道代码中存在的漏洞或者不完善的地方。对代码后期优化起到了至关重要的作用。
图3 自动监测程序流程图
三、航道整治建筑物内部侵蚀的三维层析成像试验研究
（一）室内模型研究
开展了坝体内部侵蚀的室内物理模型试验，制作了内含侵蚀的抛石坝模型，应用三维电阻率层析成像探测系统对蓄水条件下的抛石坝进行探测，采用连续线性估计算法进行反演分析侵蚀隐患在抛石坝蓄水条件的成像特点。
（1）模型设计
试验在混凝土槽内进行，模型槽内部净空尺寸为4m（长）×1m（宽）× 0.8m（高）。抛石坝模型以长江上游神背嘴滩段小罐口堵坝为原型，按1:10比例设计，如图7所示，其坝顶长1m，宽0.3m，坝底长1m，宽2.4m，坝高0.6m。坝体采用卵石填筑，迎水坡1:1.5，背水坡1:2。在坝体内部预设一条沿坝身水平分布的模型的侵蚀通道布置见图4，模拟抛石坝体由于长期受水流冲刷的侵蚀问题，采用镂空的钢管模拟，管长0.4m，直径15cm，置于坝体中心处，钢管中心距坝顶、坝底均为30cm，且管的中心与坝体中心一致。坝体内部沿坝轴线方向布置4个电极断面见图5，每个断面间隔20cm，1、4断面10个电极，2、3断面20个电极，共60个电极。电极断面布置见图9。每个电极在模型堆建时预埋在坝体内，使其与坝体接触良好。
图4 抛石坝模型图
图5 电极断面布置图（单位：cm）
（3）试验结果
将处理好的数据应用专业的软件以槽内一角点作为原点建立三维坐标系并建立模型，采用连续线性估计算法进行反演计算。将反演数据导入专业图像处理软件，设置相应的参数并调整色阶，制作成三维电导率图像，处理结果见图6。
图7a是垂直坝轴线取y=50cm的剖面。在图11中，剖面中心以（y=105.5cm，z=31.5cm）为圆心，8.5cm为半径的圆内的电导率在10.2mS/m以上，与预设的侵蚀隐患（以（x=105cm，z=30cm）为圆心，7.5cm为半径的圆相比，其位置向右偏移了0.5cm向上偏移了1.5cm，其尺寸直径扩大了2cm。表明三维层析成像对抛石坝内部侵蚀的垂直方向上尺寸识别精度可达到10cm之内。图11b是沿坝轴线方向取x=105cm的剖面。图7中在y取28.3cm至73.3cm，z取23cm至40cm之间出现高电导率异常，高电导率区域的长度0.45m与预设的侵蚀通道长度0.4m相差5cm，表明三维层析成像对抛石坝内部侵蚀的水平方向尺寸识别精度可达到20cm之内。其位置与预设的侵蚀通道位置相比略向有偏移了1cm，表明三维层析成像对抛石坝内部侵蚀的位置识别精度可达到10cm之内。
图7 电导率剖面分布图
由此可得，当坝体内部存在侵蚀空洞时，可由基于连续线估计算法的三维层析扫描成像方法探测。
（二）现场应用研究
本文在四川省泸州市的神背嘴滩段航道整治工程小罐口堵坝上进行了应用。
（1）工程应用实施步骤
1）钻孔：在选取的预计勘测位置坝顶通过钻机打了8个直径50mm的钻孔，平均深度4.5米
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2）层析扫描设备布设
为防止孔洞垮塌，在每一个钻孔完成之后，立刻将电极放入钻孔中，测线使用PVC管内置，并由导电效果良好的螺杆、螺母间隔一米进行固定，电极通过电夹与集成接口连接，集成接口通过导线与测量主机以及电源相连。布设完电极后开始各孔连接线的布置，为保证远程监测装置避免汛期涨水时被水淹没，将测量连接线设置长为350m通向高处，每个接口对应测量电极，每根测量大线上有10个接头用于电极的连接。将测线置于PVC管中，将PVC管固定在坝体及道路表面。将监测装置置于高处的配电箱内，采用太阳能为其供电。完成全部电极及连接线的安装布设后，开始进行仪器的连接工作，通过太阳能控制器将太阳能电池板、胶体电池、三维层析扫描探测系统、远程控制设备（Raspberrypi），同时连接供网设备。
图10 层析扫描装备布设
3）层析扫描测量过程
井内放电井内接收试验。首先按照规定的顺序连接各组电极，打开Raspberrypi，Raspberrypi将会自动连接网络；Raspberrypi启动后将会自动运行三维层析扫描测量程序，该程序可控制电极放电和接收并将测量数据上传到云端数据库。
（2）探测结果分析
将处理好的数据应用专业的软件以背水面一角点作为原点建立三维坐标系并建立模型，进行反演计算，制作成三维电导率分布图，处理结果见图15。
图11 小罐口堵坝三维电导率剖视示意图
如图12反演结果所示，坝体内部存在非均质性，但电导率均在1 mS/m以下，并未有一个数量级之间的差距，说明坝体不存在侵蚀通道。断面位于沿坝轴线y=1350cm处，从图12反演结果分析，坝体内部存在非均质性，但电导率均在1 mS/m以下，说明坝体不存在侵蚀通道。综上所述，小罐口堵坝内部结构存在非均质性，但并未发现异常，内部结构完好。
图12 剖面电导率分布
四、结论
本文针对内河航道基础设施普遍存在服役状态监测能力弱、安全预警防控能力差等突出问题，基于连续线性估计算法，开发了吸收先验资料和电势刺激-响应数据的融合算法，完善了基于连续线性估计理论的三维层析扫描成像模型，提出了基于内部结构三维层析成像的航道整治建筑物内部侵蚀监测技术，并研发了相关监测装备，考虑参数间的非线性关系，进一步提高了反演精度，实现了内部侵蚀尺寸识别精度小于20cm，侵蚀位置识别精度小于10cm，并在神背嘴滩段航道整治工程小罐口堵坝中开展了应用研究，为内河航道整治建筑物服役状态监测工作提供了一种新的技术方法。
