潜水监控系统的应用研究

段 宇，王志广，薛延华

（海军潜艇学院防险救生系，山东 青岛 266042）

潜水监控系统的应用研究

段 宇，王志广，薛延华

（海军潜艇学院防险救生系，山东 青岛 266042）

通过研究和分析潜水过程中出现的问题，设计了一套针对空气潜水的监控系统。系统利用计算机、视频监控、传感器技术，对潜水员的气源压力、供气压力、潜水深度、潜水时间及潜水过程中拍摄图像声音进行采集和记录。整个系统分为气源压力监测、潜水员深度监测和水下图像声音采集3个模块，可同时对4名潜水员进行实时监控，使水面人员可以准确地掌握气源压力状态、潜水员下潜和上升速度、潜水员出水减压方案等多个指标，保障潜水作业的安全，提高工作效率。

潜水；潜水作业；监控

随着海洋石油、天然气工业，远洋运输业以及由此带动的海洋工程的快速发展，潜水技术得到了越来越广泛的应用，并在水下工程领域发挥出巨大的作用。目前，绝大多数工程潜水的深度在60 m以浅，并且主要以空气潜水为主。

潜水作业是在水下特殊环境中进行一项特殊作业，水面人员不仅要对水面气源情况实时监测，还要对潜水员水下状态进行实时跟踪，否则很容易造成严重的潜水事故。因此，为了确保潜水员水下作业的安全，根据潜水作业的实际情况设计一套应用于空气潜水作业的潜水监控系统，水面保障人员可以随时对潜水作业中的主要参数进行实时的监测，保证潜水作业的安全。

图1 潜水监控系统设计方案图

1 潜水监控系统的组成

潜水监控系统的硬件主要由气源压力监测模块、潜水员深度监测模块和水下图像采集模块三大部分组成，其系统设计方案如图1所示。

1.1 气源压力监测模块

一般空气潜水作业中，水面供气的压力应保持稳定和充足。对于气源突然中断的情况水面保障人员一般可以马上反应，命令潜水员打开应急气源并出水。但在一些情况下，气源压力并不是突然变化（减小或增大），而是缓慢变化，这就容易麻痹水面保障人员和潜水员，不能及时发现问题并做出反应。因此，系统应对气源压力值进行严格的限定，并设定最低压力值和最高压力值，当气源压力超出此压力界限时应及时报警，提醒水面保障人员和潜水员做出反应。

气源压力监测模块显示为图1中的左半部分，主要利用压力传感器将气源压力和潜水员供气压力实时采集到集控计算机上。气源压力监测模块设有主气源和备用气源接口，输入气源通过主阀和备用阀通向压力表，在此气路上设置有气源压力传感器，用以监测气源压力状态。气体经过压力表后，通过减压阀进行减压后可供给4名潜水员使用，每个潜水员的供气管路上均设有减压器、压力表、压力传感器和潜水员供气阀，以调节和监测潜水员呼吸的气体压力。如果气源压力和各潜水员的呼吸气体压力有异常，集控计算机可以根据设定值发生报警，以提醒水面保障人员采取应急措施。

1.2 潜水员深度监测模块

潜水员的深度是潜水员减压出水的基本依据，水面保障人员可以根据潜水员的深度设计出准确的出水减压程序。同时，潜水员在上升和下潜中速度掌握不好，容易造成气压伤，通过监测潜水员单位时间的深度变化，可以很好地监控潜水员的上升和下潜速度。

潜水员深度监测模块主要通过装在潜水头盔上的压力传感器实时采集潜水员所处的深度，并通过数据线将深度数据传输回集控计算机上（如图1中的右半部分左侧），显示为时间-深度图，以动态的方式对潜水员深度进行监控。

1.3 水下图像声音采集模块

水下图像声音采集模块主要是利用潜水头盔上安装的微型摄像头和头盔内的电话对潜水过程和潜水员通话进行记录（如图1中的右半部分右侧）。水面保障人员可利用头盔上的摄像头对潜水员周围的情况进行观察，对潜水员水下工作进行指导。摄像头和水下灯在安装时应注意分别安装在潜水员头盔的两侧，以避免背向散射的影响，提高图像的质量。

2 系统的硬件设计与实现

系统采用基于板卡的构成形式，硬件主要包括传感器、信号调理器、电缆、数据采集卡、集控计算机、声光报警装置及其它外围设备，其原理框图如图2所示。

传感器采用MPM4700型智能液位传感器，该产品选用高稳定、高可靠性压力传感器及高精度的信号调理电路，整个变送器采用全不锈钢、全密封设计，具备RS485通讯接口，两线制电流输出，输出规范化标准信号4～20 mA DC电流，基本量程70 m。

图2 潜水监控系统硬件原理框图

数据采集卡采用华研公司的PCI-1710HG多功能板卡，此多功能数据采集卡具有16路模拟信号输入，2路模拟信号输出、12位A/D转换器等功能,可以将传感器采集的模拟信号转换为计算机识别的数字信号，送往系统监控软件。当压力变化超出限定阈值时，程序将向数据采集卡的输出端输出模拟信号，从而触发声光报警装置。

集控计算机是整个系统的核心设备，它负责对全部采集数据和图像进行处理，并将整个过程和结果显示到显示屏上，并通过打印机等外围设备进行输出。

3 系统的软件设计与实现

潜水监控系统的软件部分主要对整个潜水过程的所采集的数据进行实时采取、监测、整合和记录。主要作用是通过实时监测情况保证潜水员的安全，并记录每一次潜水的信息。软件设计的流程图如图3。

程序运行后，对程序、传感器和采集卡进行初始化，并对每个潜水员的信息进行读取和记录，接着程序将读取每个传感器的数据。开始实施潜水后，系统将分为气源压力监测、潜水员深度监测和水下图像采集三个模块分别实时显示和记录信息。在气源压力监测模块中，系统将分别记录主气源压力和4名潜水员各自的供气压力，水面保障人员可以根据所使用潜水装具的不同，设置各个潜水员供气压力的最大和最小阈值，严格保证供气压力符合标准。如果各监测气体压力出现异常，系统将触发声光报警装置。

图3 软件设计流程图

图4 程序主要代码

在潜水员深度监测模块中，系统将实时显示并记录潜水员所处深度，并绘制出潜水员下潜时间-深度图。同时，系统可根据实际情况设置合理的采样时间间隔，程序将根据时间间隔可自动计算潜水员在此时间间隔内的上升和下潜速度，以保证潜水员不会因此上升和下潜速度过快或过慢造成伤害。当潜水员准备上升出水时，水面保障人员可以调出潜水减压表，控制潜水员上升速度和在各停留站停留时间，保证潜水员安全顺利出水。如果潜水员下潜和上升速度超出安全范围，程序将进行报警以提醒潜水员注意上升或下潜速度。

在水下图像声音采集模块中，系统可以实时显示和记录潜水员头盔摄像头所观察到的图像，并将潜水员与水面人员通话声音记录下来，以便于日后评估。

程序的主要代码如图4所示。

4 结论

潜水监控系统主要针对60 m以浅空气潜水作业中日常出现的不安全因素设计而成，系统充分利用计算机、传感器技术对潜水过程进行比较精确的监控。整个系统可以同时保证4名潜水员进行潜水作业，并对整个潜水过程进行完全地记录。如果在潜水员过程中，某项参数出现异常，系统可以马上报警，提高了整个潜水过程的安全性，减轻了水面保障人员的劳动强度，提高了潜水员水下作业的效果和效率。

[1]范逸之，陈立元.Visual Basic与RS-232串行通信控制［M］.北京：中国青年出版社，2002：230.

[2]李江全.计算机测控系统设计与编程实现［M］.北京：电子工业出版社，2008：189.

[3]Mock，et al.Underwater Monitoring And Communication System：United States，5392771[P].1995-2-28.

[4]Hales.Field of View Underwater Diving Computer Monitoring And Display System:United States，5301668[P].1994-4-12.

Application Research of Diving Monitor System

DUAN Yu,WANG Zhi-guang,XUE Yan-hua
(Department of Rescue and Salvage,Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266042,China)

A diving monitor system is designed according to research and analysis of problems for the air diving.Using computer,video monitoring and sensor technology,the system collect and record the data of air supply pressure,breathing gas pressure,diving depth,diving time,video and audio that took in diving process.The system includes air supply monitoring,diving depth monitoring and underwater video/audio collection,which could realize the real-time monitoring for four divers at the same time,so surface support personnel can control multi-parameter of diving process,such as the air supply pressure,velocity of ascending and descending,decompressing plan for diver,and so on.The system can assured diver’s safety and promote diving efficiency.

diving;diving operation;monitor

P715.5

B

1003-2029（2011）03-0029-04

2011-03-01

段宇（1974-），男，讲师，硕士，主要从事水下作业技术。