一种水下物料的疏浚系统及其疏浚方法与流程

本发明属于河道疏浚技术领域，具体涉及一种水下物料的疏浚系统及其疏浚方法。

背景技术：

我国水库和河道的淤积问题普遍存在，据估算目前全国每年大约有50亿吨泥沙进入江河，其中淤积到水库的大约有16亿吨，大量淤积物抬高了下游水位，影响河道水流形态、泄洪能力和电站效益，存在清淤的迫切需求。而且这些淤积物级配范围广，通常包括较大比例的碎石土类淤积物，而且所处河段流速和水位变幅大，疏浚工程量大。

现有技术存在以下问题：

(1)现有的疏浚系统，仅仅依靠工作人员的经验大致寻找疏浚点，工作量大，难以准确定位河底淤泥的实际疏浚点，往往需要多次下放设备进行疏浚，导致疏浚效果差，成本投入大；

(2)现有的疏浚系统，直接将河底淤泥进行吸取，而其中的大粒径物料，无法进行分离，在吸取的过程中容易损坏管道，更大粒径物料更是无法进行吸取，容易堵塞管道，导致疏浚系统停止工作，疏浚效果差；

(3)现有的疏浚系统，水下环境无法采集，导致疏浚过程中充满未知因素，加大了疏浚难度和降低了疏浚效率，某些深水环境中，例如500m水深及以下，现有系统无法实现疏浚操作，适应性低。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种水下物料的疏浚系统及其疏浚方法，用于解决现有技术存在的难以准确定位水下物料的实际疏浚点、疏浚效果差、成本投入大、大粒径物料吸取过程中损坏管道或吸取困难、疏浚难度大以及疏浚效率低的问题。

本发明的技术方案为：一种水下物料的疏浚系统，包括：

水上控制中心、清淤系统、输渣系统以及水下机器人，清淤系统、输渣系统和水下机器人均与水上控制中心连接，清淤系统与输渣系统固定连接；

清淤系统包括均与水上控制中心连接的吸泥装置、喷水装置和监控装置，吸泥装置与输渣系统固定连接，喷水装置和监控装置均与吸泥装置连接。

本方案的有益效果为：

(1)水上控制中心准确定位并寻找实际疏浚点，减少工作量，避免多次下放设备，提高了疏浚效果，减少了成本投入；

(2)清淤系统实现大粒径物料和小粒径物料的分离，喷水装置实现小粒径物料充分吸取，使用水下机器人收集大粒径物料，避免大粒径物料损坏管道，进一步提高了疏浚效果；

(3)清淤系统的监控装置采集水下环境数据，减轻了疏浚难度，提高了疏浚效率，，水下机器人适用于清淤系统无法使用的深水环境，提高了适应性。

进一步地，水上控制中心包括水上工作平台、控制装置和卷扬机，所述水上工作平台的一侧设置有定位桩；

控制装置位于水上工作平台的顶端，且其内部设置有触摸屏、cpu、通信模块、第一gps定位仪以及电能供给模块，cpu分别与触摸屏、第一gps定位仪以及通信模块通信连接，通信模块分别与吸泥装置、喷水装置、监控装置、水下机器人以及输渣系统的控制端通信连接，电能供给模块分别与触摸屏、cpu、通信模块、第一gps定位仪、卷扬机、水下机器人、吸泥装置、喷水装置、监控装置以及输渣系统电性连接；

卷扬机位于水上工作平台的顶端，且其分别与吸泥装置和水下机器人固定连接。

上述进一步方案的有益效果为：

cpu和触摸屏实现疏浚工作的监控，通信模块实现设备之间的通讯，第一gps定位仪实现地理位置的精准定位，便于实际疏浚点的寻找和定位；卷扬机实现的设备的快速下放，提高了疏浚的效率。

进一步地，吸泥装置包括底端开口的外壳、设置于外壳底端的过滤网、与外壳顶端固定连接的吸泥管、位于水上控制中心的顶端且与吸泥管固定连接的吸泥泵、排气管以及设置于外壳外部的第一挂钩；第一挂钩与卷扬机固定连接；吸泥泵的控制端与通信模块通信连接，且其与电能供给模块电性连接；排气管设置有排气阀，排气阀与通信模块通信连接，且与电能供给模块电性连接；

喷水装置包括依次连接的高压水泵、布水器、喷水管以及旋转喷头，布水器和高压水泵两者的控制端均与通信模块通信连接；喷水管与外壳固定连接；旋转喷头位于外壳内部；喷水管的进水端设置有电磁阀，电磁阀的控制端与通信模块连接；

监控装置包括均位于外壳外部的第一水下照明灯、第一水下摄像机、第二gps定位仪以及第一水深仪，第一水下照明灯、第一水下摄像机、第二gps定位仪以及第一水深仪均与通信模块通信连接，且均与电能供给模块电性连接。

上述进一步方案的有益效果为：

喷水装置进行河底淤泥的充分搅拌，过滤网实现大粒径物料和小粒径物料的分离，排气管避免清淤系统下放过程中轨迹偏移导致无法到达实际疏浚点，监控装置便于采集水下环境数据，减轻了疏浚难度，提高了疏浚效率。

进一步地，水下机器人包括本体，位于本体内部的控制器、第三gps定位仪、第二水下照明灯、第二水下摄像机和第二水深仪，以及与本体固定连接的机械臂、收集箱和第二挂钩，第三gps定位仪、第二水下照明灯、第二水下摄像机、第二水深仪以及控制器均与通信模块通信连接；第二挂钩与卷扬机固定连接。

上述进一步方案的有益效果为：

水下机器人实现了大粒径物料的收集，提高了疏浚效果，避免了大粒径物料损坏管道，提高了实用性。

进一步地，收集箱顶端设置有控制阀门，控制阀门与控制器通信连接。

上述进一步方案的有益效果为：

防止大粒径物料掉落影响疏浚效果。

进一步地，通信模块包括设置于控制装置且与cpu通信连接的第一光电转换器，以及依次连接的光纤、光纤接口以及第二光电转换器，光纤接口位于第二光电转换器的一侧。

上述进一步方案的有益效果为：

光纤铺设简单，便于检测，且质量轻，便于设备移动，光纤传递控制信号提高了控制灵敏度以及对水下环境的适应性，节约了资金投入，避免受电磁噪声干扰。

进一步地，输渣系统的传输带上均匀设置有透水孔；

外壳为拱形，其底端设置有锯齿状突起，且其采用不锈钢材质制成，第一水下照明灯、第一水下摄像机、第二gps定位仪以及第一水深仪的表面均设置有防水层；

第三gps定位仪、第二水下照明灯、第二水下摄像机和第二水深仪的表面均设置有防水层；

过滤网采用不锈钢材质制成，且其网孔直径范围为20-50mm。

上述进一步方案的有益效果为：

透水孔对小粒径物料的河底淤泥进行透水，便于运输；外壳为拱形，减少喷水装置喷出的水流与外壳内壁的摩擦，并在外壳内腔形成漩涡，充分搅拌河底淤泥；锯齿状突起防止喷水装置在河底淤泥充分搅拌时，由于内外流压导致外壳移动，影响疏浚效果；防水层和不锈钢材质的过滤网避免设备损坏。

一种基于水下物料的疏浚系统的疏浚方法，包括如下步骤：

s1：建立水上控制中心，将电能供给模块的输入端与市电连接；

s2：根据第一gps定位仪和定位桩，确定当前水上控制中心的地理位置坐标，并根据其确定疏浚点坐标；

s3：打开排气管的排气阀，使用卷扬机下放清淤系统，通过通信模块控制监控装置的第二gps定位仪以及第一水深仪采集第一水下数据，根据疏浚点坐标，到达实际疏浚点，并关闭排气阀；

s4：使用清淤系统进行疏浚，并使用过滤网分离大粒径物料和小粒径物料，通过吸泥管将小粒径物料传输至输渣系统；

s5：使用第一水下照明灯和第一水下摄像机采集实际疏浚点视频数据，并将其传输至控制装置的触摸屏，判断是否存在大粒径物料，若是则进入步骤s6，否则进入步骤s9；

s6：使用卷扬机下放水下机器人，并通过通信模块控制第三gps定位仪以及第二水深仪采集第二水下数据，根据疏浚点坐标，到达实际疏浚点；

s7：通过第二水下照明灯和第二水下摄像机采集大粒径物料视频数据，判断大粒径物料是否存在板结，若是则使用钻头振动性捣碎，并使用第二水下摄像机对目标直径进行判断，直到小于目标直径阈值，进入步骤s8，否则直接进入步骤s8；

机械臂的抓开宽度大于第二水下摄像机的目标直径阈值和大粒径物料的直径，大粒径物料的直径小于疏浚管道的直径；

s8：打开控制阀门，并使用机械臂抓取大粒径物料，放入收集箱；

s9：关闭电磁阀或控制阀门，使用卷扬机回收使用的系统或装置，结束疏浚。

进一步地，步骤s3和s6中，使用通信模块进行通讯，包括如下步骤：

a-1：使用cpu将触摸屏采集到的命令指令转化为第一电信号，传输至第一光电转换器；

a-2：使用第一光电转换器将电信号转化为光信号，并通过光纤传输至第二光电转换器；

a-3：使用第二光电转换器将光信号转化为第二电信号，并根据第二电信号进行远程控制。

进一步地，步骤s4中，使用清淤系统进行疏浚，包括如下步骤：

b-1：根据第一水下数据，使用布水器设置水量，并打开电磁阀和高压水泵，将定量水通过喷水管传输至外壳的内腔；

b-2：使用旋转喷头进行喷水，搅动实际疏浚点水底淤泥，并使用过滤网分离大粒径物料和小粒径物料；

b-3：打开吸泥泵，并通过吸泥管将小粒径物料传输至输渣系统。

附图说明

图1所示为水下物料的疏浚系统结构框图；

图2所示为控制装置连接结构框图；

图3所示为通信模块实施例结构框图；

图4所示为水下物料的疏浚系统方式一结构示意图；

图5所示为水下物料的疏浚系统方式二结构示意图；

图6所示为疏浚方法流程图。

其中，11、水上工作平台；12、控制装置；121、触摸屏；122、第一gps定位仪；123、通信模块；124、光纤；13、卷扬机；14、定位桩；21、外壳；22、过滤网；23、吸泥管；24、吸泥泵；25、排气管；26、排气阀；27、第一挂钩；28、布水器；29、高压水泵；210、喷水管；211、旋转喷头；212、第一水下照明灯；213、第一水下摄像机；214、第二gps定位仪；215、第一水深仪；216、电磁阀；3、输渣系统；41、本体；42、第三gps定位仪；43、第二水下照明灯；44、第二水下摄像机；45、第二水深仪；46、机械臂；47、收集箱；48、第二挂钩；49、控制阀门；5、突起。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种水下物料的疏浚系统，如图1、图4和图5共同所示，包括：

水上控制中心12、清淤系统、输渣系统3以及水下机器人，用于清理河底淤泥小粒径物料的清淤系统和清理大粒径物料的水下机器人均与实现远程控制的水上控制中心12连接，清淤系统与输渣系统3固定连接，将吸取的河底淤泥小粒径物料进行运输；

清淤系统包括吸取河底淤泥小粒径物料的吸泥装置、充分搅拌淤泥的喷水装置和采集水下环境数据的监控装置，吸泥装置与输渣系统3固定连接，喷水装置和监控装置均与吸泥装置连接。

实施例中，水上控制中心12包括水上工作平台11、实现远程控制的控制装置12和和下放和回收设备的卷扬机13，水上工作平台11的一侧设置有定位桩14；

如图2所示，控制装置12位于水上工作平台11的顶端，且其内部设置有触摸屏121、cpu、通信模块123、第一gps定位仪122以及电能供给模块，cpu分别与触摸屏121、第一gps定位仪122以及通信模块123通信连接，通信模块123分别与吸泥装置、喷水装置、监控装置、水下机器人以及输渣系统3的控制端通信连接，电能供给模块分别与触摸屏121、cpu、通信模块123、第一gps定位仪122、卷扬机13、水下机器人、吸泥装置、喷水装置、监控装置以及输渣系统3电性连接，为所需设备提供对应的工作电压；

卷扬机13位于水上工作平台11的顶端，且其分别与吸泥装置和水下机器人固定连接，便于清淤系统和水下机器人的下放和回收。

实施例中，吸泥装置包括底端开口的外壳21、设置于外壳21底端的过滤网22、与外壳21顶端固定连接的吸泥管23、位于水上控制中心12且与吸泥管23固定连接的吸泥泵24、排气管25以及设置于外壳21外部的第一挂钩27；第一挂钩27与卷扬机13固定连接；吸泥泵24的控制端与通信模块123通信连接，且其与电能供给模块电性连接；排气管25设置有排气阀26，排气阀26与通信模块123通信连接，且与电能供给模块电性连接，排气管25防止清淤系统下放时轨迹偏离；

喷水装置包括依次连接的高压水泵29、布水器28、喷水管210以及旋转喷头211，布水器28和高压水泵29两者的控制端均与通信模块123通信连接；喷水管210与外壳21固定连接；旋转喷头211位于外壳21内部；喷水管210的进水端设置有电磁阀216，电磁阀216的控制端与通信模块123连接，用于根据需求计算所需水量；旋转喷头211使搅拌更加充分，提高了疏浚的效果和效率；

监控装置包括均位于外壳21外部的第一水下照明灯212、第一水下摄像机213、第二gps定位仪214以及第一水深仪215，第一水下照明灯212、第一水下摄像机213、第二gps定位仪214以及第一水深仪215均与通信模块123通信连接，且均与电能供给模块电性连接；第一水下照明灯212和第一水下摄像机213采集水下环境数据，第二gps定位仪214和第一水深仪215采集地理位置数据，便于接近疏浚点。

实施例中，水下机器人包括本体，位于本体内部的控制器、第三gps定位仪、第二水下照明灯、第二水下摄像机44和第二水深仪45，以及与本体固定连接的机械臂46、收集箱47和第二挂钩48，第三gps定位仪、第二水下照明灯、第二水下摄像机44、第二水深仪45以及控制器均与通信模块123通信连接；第二挂钩48与卷扬机13固定连接；机械臂46和收集箱47根据第二水下照明灯和第二水下摄像机44采集的大粒径物料图像数据和第三gps定位仪和第二水深仪45采集的地理位置数据，进行收集。

实施例中，收集箱47顶端设置有控制阀门49，控制阀门49与控制器通信连接，防止大粒径物料掉落影响疏浚效果。

实施例中，如图3所示，通信模块123包括设置于控制装置12且与cpu通信连接的第一光电转换器，以及依次连接的光纤124、光纤接口以及第二光电转换器，光纤接口位于第二光电转换器的一侧。

实施例中，输渣系统3的传输带上均匀设置有透水孔；

外壳21为拱形，减少喷水装置喷出的水流与外壳21内壁的摩擦，并在外壳21内腔形成漩涡，充分搅拌河底淤泥，其底端设置有锯齿状突起5，防止内外流压导致外壳21移动影响疏浚效果，且其采用不锈钢材质制成，第一水下照明灯212、第一水下摄像机213、第二gps定位仪214以及第一水深仪215的表面均设置有防水层；

第三gps定位仪、第二水下照明灯、第二水下摄像机44和第二水深仪45的表面均设置有防水层；防水层防止设备进水造成损坏；

过滤网22采用强度高的不锈钢材质制成，且其网孔直径范围为20-50mm，将水下物料有效地分离成三部分，第一部分，直径小于50mm的小物料，由吸泥装置进行吸取；第二部分，直径大于50mm且质量小易于吸附于过滤网的大粒径物料，吸附于过滤网上，随着拱形外壳21移动，便于吸泥泵24停机后堆积，等待水下机器人收集，以及第三部分，直径大于50mm且质量大的大粒径物料，停留于原处，等待水下机器人收集；该网孔直径的过滤网分离效果好。

工作原理：本实施例中，水上工作平台11为船舶，根据第一gps定位仪122采集当前船舶地理位置坐标，到达疏浚点上方水域，使用定位柱固定当前位置，连接电能供给模块，提供工作电压，使用卷扬机13下放清淤系统，同时打开排气阀26，使排气管25排出下放时吸泥装置中的空气和穿过吸泥装置的水流，避免吸泥装置偏离轨迹，下放过程中，打开第一水下照明灯212提供光源，和第一水下摄像机213采集水下环境数据，使用第二gps定位仪214和第一水深仪215采集地理位置数据，传输至控制装置12，接近实际疏浚点；当抵达实际疏浚点时，关闭排气阀26，打开布水器28和高压水泵29，并打开电池阀，通过喷水管210将水传输至旋转喷头211进行喷射，在拱形外壳21的内腔中形成水流漩涡，流压通过突起5释放，水流漩涡搅拌河底淤泥，过滤网22阻拦大粒径物料，同时打开吸泥泵24，吸泥泵24中的电机转动，提供吸力，其输入端吸泥管23，吸取水流漩涡中的河底淤泥的小粒径物料，由于水流漩涡产生，便于过滤网22阻拦直径大于50mm的大粒径物料，实现大、小粒径物料的分离，并将吸泥泵24输出口吸取的小粒径物料传输至输渣系统3的传输带上，通过透水孔进行透水，并运输出工作地点；吸泥装置在工作过程中，由于反向作用力，拱形外壳21平缓移动，吸泥泵24停止工作后进行大粒径物料的后续收集；

当控制装置12判断有大粒径物料时，通过卷扬机13下放水下机器人，下放过程中，打开第二水下照明灯提供光源，和第二水下摄像机44采集水下环境数据，使用第三gps定位仪和第二水深仪45采集地理位置数据，传输至控制装置12，接近实际疏浚点，在本实施例中，通过第一光电转换器和光纤124连接位于放水下机器人本体的光纤接口，并使用光电转换器将光纤124中传输的控制命令光信号转换为电信号，控制打开收集箱47上的控制阀门49，并控制机械臂46采集大粒径物料；水下机器人适用于高压水泵29无法使用的深水环境，提高了适应性。

结束疏浚工作后，需关闭控制阀门49，并使用第一挂钩27和第二挂钩48以及卷扬机13回收设备。

一种基于水下物料的疏浚系统的疏浚方法，如图6所示，包括如下步骤：

s1：建立水上控制中心，将电能供给模块的输入端与市电连接；

s2：根据第一gps定位仪和定位桩，确定当前水上控制中心的地理位置坐标，并根据其确定疏浚点坐标；

s3：打开排气管的排气阀，使用卷扬机下放清淤系统，通过通信模块控制监控装置的第二gps定位仪以及第一水深仪采集第一水下数据，根据疏浚点坐标，到达实际疏浚点，并关闭排气阀；

第一水下数据包括第二gps定位仪采集的当前gps坐标数据以及第一水深仪采集的当前所处水深数据；

s4：使用清淤系统进行疏浚，并使用过滤网分离大粒径物料和小粒径物料，通过吸泥管将小粒径物料传输至输渣系统；

使用清淤系统进行疏浚，包括如下步骤：

b-1：根据第一水下数据，使用布水器设置水量，并打开电磁阀和高压水泵，将定量水通过喷水管传输至外壳的内腔；

b-2：使用旋转喷头进行喷水，搅动实际疏浚点水底淤泥，并使用过滤网分离大粒径物料和小粒径物料；

b-3：打开吸泥泵，并通过吸泥管将小粒径物料传输至输渣系统；

s5：使用第一水下照明灯和第一水下摄像机采集实际疏浚点视频数据，并将其传输至控制装置的触摸屏，判断是否存在大粒径物料，若是则进入步骤s6，否则进入步骤s9；

s6：使用卷扬机下放水下机器人，并通过通信模块控制第三gps定位仪以及第二水深仪采集第二水下数据，根据疏浚点坐标，到达实际疏浚点；

s7：通过第二水下照明灯和第二水下摄像机采集大粒径物料视频数据，判断大粒径物料是否存在板结，若是则使用钻头振动性捣碎，并使用第二水下摄像机对目标直径进行判断，直到小于目标直径阈值，进入步骤s8，否则直接进入步骤s8；

该步骤配合其它设备的钻头进行振动性捣碎；

机械臂的抓开宽度大于第二水下摄像机的目标直径阈值和大粒径物料的直径，大粒径物料的直径小于疏浚管道的直径；

s8：打开控制阀门，并使用机械臂抓取大粒径物料，放入收集箱；

s9：关闭电磁阀或控制阀门，使用卷扬机回收使用的系统或装置，结束疏浚。

本实施例中，步骤s3和s6中，使用通信模块进行通讯，包括如下步骤：

a-1：使用cpu将触摸屏采集到的命令指令转化为第一电信号并进行调制，传输至第一光电转换器；

对第一电信号进行调制，即将命令指令进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，即令载波随信号而改变；

a-2：使用第一光电转换器将电信号转化为光信号，并通过光纤传输至第二光电转换器；

a-3：使用第二光电转换器将光信号转化为第二电信号并进行解调，并根据第二电信号进行远程控制；

对第二电信号进行调制，从已调的第二电信号中恢复出原调制的命令指令。

本发明提出一种水下物料的疏浚系统及其疏浚方法，解决了现有技术存在的难以准确定位水下物料的实际疏浚点、疏浚效果差、成本投入大、大粒径物料吸取过程中损坏管道或吸取困难、疏浚难度大以及疏浚效率低的问题。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。