CN117450992A - 一种姿态与磨损监测预警方法和*** - Google Patents

一种姿态与磨损监测预警方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种姿态与磨损监测预警方法和***，所述方法包括：利用安装在被测件的多个监测节点处的多个光电复合传感单元，实时采集被测件的传感信息并转换为光信号，通过通信光纤输出光信号；探测和接收光信号并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息；根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算每个监测节点的三维空间姿态，利用所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态；根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量；当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。本发明能够为海上生产平台的悬垂海缆、立管等提供三维空间姿态与磨损量的实时监测与预警。

Description

一种姿态与磨损监测预警方法和***
技术领域
本发明属于缆线、管道等构件的安全监测技术领域，特别是涉及一种姿态与磨损监测预警方法和***。
背景技术
海上经济高速发展，各类海上生产平台放量增长，但海上环境复杂多变，对海上平台设施安全提供必要的安全监测手段不容忽视。
如海上风电平台一般存在从平台入海的悬垂海缆、海上油气开采平台存在从平台入海的立管等。受风力、潮汐浪涌的外力影响，悬垂海缆、立管的三维空间姿态将发生改变，同时悬垂海缆、立管与导管架发生摩擦，产生磨损。当姿态扭曲角度、磨损量超过设计阈值，悬垂海缆、立管会发生损坏，致使生产平台无法正常安全运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种姿态与磨损监测预警方法和***、计算机设备、计算机可读存储介质，能够为海上生产平台的悬垂海缆、立管等提供三维空间姿态与磨损量的实时监测与预警。
本发明的一个方面提供一种姿态与磨损监测预警方法，包括：
传感信息采集步骤：利用安装在被测件的多个监测节点处的多个光电复合传感单元，实时采集被测件的传感信息并将传感信息转换为光信号，通过通信光纤输出光信号，所述传感信息包括加速度信息、角速度信息和光信号强度信息；
光信号探测接收与转换步骤：探测和接收光信号并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息；
三维空间姿态重构步骤，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算被测件的每个监测节点的三维空间姿态，利用被测件的所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态；
磨损量计算步骤，根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量；
预警步骤，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。
优选地，在三维空间姿态重构步骤中，第n个监测节点在i时刻的三维空间姿态n_Qi为：
n_Qi＝[θxi，θyi，θzi，γi]
其中，n＝1、2……N，N为监测节点的个数，θxi、θyi、θzi分别表示x、y、z三个方向的角度，γi表示弯曲变形量，
如下重构被测件在i时刻的三维空间姿态Qi：
Qi＝{1_Qi，2_Qi......N_Qi}。
优选地，如下计算得到x、y、z三个方向的角度θxi、θyi、θzi：
θxi＝aθx0+ωθxi
θyi＝aθy0+ωθyi
θzi＝ωzi*Δt*Kθz
其中，aθx0、aθy0分别是绕x方向和y方向的初始角度，ωθxi、ωθyi分别是i时刻绕x方向和绕y方向的角度，ωxi，ωyi，ωzi分别是i时刻绕x、y、z三个方向的角速度，Δt为单次采集时长，Kθx、Kθy、Kθz分别为绕x、y、z方向的角度误差校准系数，
aθx0＝arctan(ay0/(ax0 2+ay0 2)1/2)*180/π
aθy0＝arctan(ax0/(ay0 2+az0 2)1/2)*180/π
ωθxi＝ωxi*Δt*Kθx
ωθyi＝ωyi*Δt*Kθy
其中，ax0、ay0、az0分别为x、y、z三个方向的初始加速度。
优选地，如下计算得到第n个监测节点在i时刻的弯曲变形量γi：
γi＝-β*L/{ln[Gi+∑(G0-GS)]-ln(G0)}(S＝1、2、...、N-1)
Gi为第n个监测节点的光信号强度，GS为第n个监测节点之前的监测节点的光信号强度，G0为初始光信号强度，-β为弯曲损耗系数，L为第n个监测节点与第n-1个监测节点之间的长度。
优选地，在磨损量计算步骤中，如下计算累计磨损量：
将被测件单次摩擦造成的磨损量表示为：
Uj＝0.5*a2*t2*KP*KU/H
其中，a为被测件单次摩擦时x、y、z三个方向的合加速度，t为运动时长，KP为单位加速度条件下被测件载荷，KU为试验工况下被测件材料磨损系数、H为被测件材料的硬度，
则多次摩擦的累计磨损量为：
U＝∑Uj(j＝1、2、3...m)
其中，m为摩擦次数。
本发明的另一个方面提供一种姿态与磨损监测预警***，包括：
多个光电复合传感单元，安装在被测件的多个监测节点处，实时采集被测件的传感信息并将传感信息转换为光信号，通过通信光纤输出光信号，所述传感信息包括加速度信息、角速度信息和光信号强度信息；
光信号探测接收与转换单元，探测和接收光信号并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息；
三维空间姿态重构单元，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算被测件的每个监测节点的三维空间姿态，利用被测件的所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态；
累计磨损量计算单元，根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量；
预警单元，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。
优选地，所述光电复合传感单元包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、DSP数字信号处理器、电光转换模块、光电复合缆线与接头、马鞍状夹具，
所述三轴加速度传感器测量被测件x、y、z三个方向上的加速度，所述三轴陀螺仪测量被测件绕x、y、z三个方向的角速度；
所述DSP数字信号处理器将所述三轴加速度传感器测量的加速度和所述三轴陀螺仪测量的角速度转换为数字信号，将数字信号滤波并调制成脉冲信号，所述电光转换模块将调制好的脉冲信号转换成光信号输出；
所述光电复合缆线与接头用于监测被测件的弯曲变形量，并用于所述光信号探测接收与转换单元与所述光电复合传感单元的连接以及光电复合传感单元之间的串连，所述马鞍状夹具安装在被测件上，用于承载所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、DSP数字信号处理器、电光转换模块、光电复合缆线与接头。
本发明的又一个方面提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。
本发明的另一个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
根据本发明上述方面的姿态与磨损监测预警方法和***、计算机设备、计算机可读存储介质，能够为海上生产平台的悬垂海缆、立管等提供三维空间姿态与磨损量的实时监测与预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是本发明一种实施方式的姿态与磨损监测预警方法的流程图。
图2是本发明一种实施方式的安装在被测件上的光电复合传感单元的结构示意图。
图3是本发明一种实施方式的姿态与磨损监测预警***的结构示意图。
图4是本发明一种实施方式的计算机设备的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施方式提供一种姿态与磨损监测预警方法，可以实现对海上风电平台悬垂海缆、立管等被测件进行实时三维姿态监测与磨损监测，还可应用于陆上架空输变电线缆、架空通信光缆、架空管道等被测件的姿态与磨损监测与预警。图1是本发明一种实施方式的姿态与磨损监测预警方法的流程图。如图1所示，本发明实施方式的姿态与磨损监测预警方法包括步骤S1-S5。
步骤S1为传感信息采集步骤，在该步骤中，利用安装在被测件的多个监测节点处的多个光电复合传感单元，实时采集被测件的传感信息并将传感信息转换为光信号，通过通信光纤输出光信号，所述传感信息包括加速度信息、角速度信息和光信号强度信息。
海上生产平台的悬垂海缆、立管等长度较大，在海水中电磁信号不能进行远距离的有效传输。基于通信光纤的光信号传输，具有传输带宽大、传输速率高、传输距离远、抗电磁干扰的优点。光电复合传感单元可在准确采集传感信息的同时将传感信息转换为光信息，通过通信光纤进行高速有效的传输。
在一个实施例中，将N个光电复合传感单元沿被测件轴向安装，形成被测件的N个监测节点。图2是本发明一种实施方式的安装在被测件上的光电复合传感单元的结构示意图。如图2所示，光电复合传感单元包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、DSP数字信号处理器、电光转换模块、光电复合缆线与接头、马鞍状夹具。
三轴加速度传感器测量被测件x、y、z三个方向上的加速度，三轴陀螺仪测量被测件绕x、y、z三个方向的角速度。DSP数字信号处理器将三轴加速度传感器测量的加速度和三轴陀螺仪测量的角速度转换为数字信号，将数字信号滤波并调制成脉冲信号，电光转换模块将调制好的脉冲信号转换成光信号输出。光电复合缆线与接头由电源导线、通信光纤、水密光电复合接头组成，用于监测被测件的弯曲变形量，并用于光电复合传感单元与后述的光信号探测接收与转换单元的连接以及光电复合传感单元之间的串连，形成光信号的传输链路。马鞍状夹具是光电复合传感单元的其它组成部分的承载体，安装在被测件上。
光电复合传感单元中的电光转换模块输出光中心波长可调制，用于区分不同光电复合传感单元输出的监测数据。
步骤S2为光信号探测接收与转换步骤，在该步骤中，探测和接收光电复合传感单元通过通信光纤输出的光信号，并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息。
步骤S3为三维空间姿态重构步骤，在该步骤中，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算被测件的每个监测节点的三维空间姿态，利用被测件的所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态。具体地，如下计算每个监测节点处的三维空间姿态。
所有监测节点使用同一坐标系(xyz三维坐标系)，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，第n个监测节点在i时刻的x、y、z三个方向的加速度分别为axi、ayi、azi，绕x、y、z三个方向的角速度分别为ωxi、ωyi、ωzi，光信号强度为Gi，其中，n＝1、2……N，N为监测节点的个数。
当某一监测节点所有方向的加速度绝对值小于等于设定的静止阈值时，该节点视为静止状态，通过加速度信息可以计算得知绕x方向初始角度为aθx0，绕y方向初始角度aθy0，
aθx0＝arctan(ay0/(ax0 2+ay0 2)1/2)*180/π
aθy0＝arctan(ax0/(ay0 2+az0 2)1/2)*180/π
其中，ax0、ay0、az0分别为x、y、z三个方向的初始加速度，可以从加速度信息获得。
当该监测节点某一方向上加速度绝对值大于设定的静止阈值时，视为监测节点开始运动，通过角速度信息计算得到绕x方向角度ωθxi、绕y方向角度ωθyi，
ωθxi＝ωxi*Δt*Kθx
ωθyi＝ωyi*Δt*Kθy
其中，Kθx、Kθy、Kθz分别为绕x、y、z方向的角度误差校准系数，Δt为单次采集时长，在传感信息采集步骤S1中每采集一次传感信息就更新一次角度数据。
第n个监测节点至上一监测节点(第n-1个监测节点)之间的被测件构成一个监测段，当此监测段发生弯曲变形时，光电复合传感单元传输光信号的强度会发生衰减，因此根据传感信息中的光信号强度信息，可以得到相应监测节点的弯曲变形量。
第n个监测节点在i时刻的弯曲变形量γi表示为：
γi＝-β*L/{ln[Gi+∑(G0-GS)]-ln(G0)}(S＝1、2、...、N-1)
其中，Gi为第n个监测节点的光信号强度，GS为第n个监测节点之前的监测节点的光信号强度，G0为初始光信号强度，-β为弯曲损耗系数，L为第n个监测节点与第n-1个监测节点之间的长度。其中，Gi、GS、G0都可以从传感信息中的光信号强度信息获得。
从而，被测件第n个监测节点的三维空间姿态n_Qi表示为：
n_Qi＝[θxi，θyi，θzi，γi]
其中，
θxi＝aθx0+ωθxi
θyi＝aθy0+ωθyi
θzi＝ωzi*Δt*Kθz
通过被测件上所有监测节点的三维空间姿态，可以重构出被测件的三维空间姿态Qi，
Qi＝{1_Qi，2_Qi......N_Qi}
三维空间姿态更新时，被测件第n个监测节点的实时三维空间姿态n_Qi+1为：
n_Qi+1＝[θxi+1，θyi+1，θzi+1，γi+1]
θxi+1＝θxi+ωθxi+1
θyi+1＝θyi+ωθyi+1
θzi+1＝ωzi+1*Δt*Kθz
所有监测节点共同构建出被测件的实时三维空间姿态为：
Qi+1＝{1_Qi+1，2_Qi+1......N_Qi+1}
步骤S4为磨损量计算步骤，在该步骤中，根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量。该步骤的目的是量化被测件在不同载荷条件下与其它构件(例如导管架)之间相对摩擦产生的磨损，可通过设置在摩擦位置的监测节点测得的数据进行解析计算。
当该监测节点的某一方向上加速度绝对值大于设定的静止阈值时，视为摩擦开始。当该节点所有方向的加速度绝对值小于等于静止阈值时，视为摩擦结束，记为一次摩擦，j＝1。
被测件单次摩擦造成磨损量Uj可表示为：
Uj＝0.5*a2*t2*KP*KU/H
式中0.5为常数，a为被测件单次摩擦时测得三个方向的合加速度，t为运动时长，KP为单位加速度条件下被测件载荷，KU为试验工况下测得的被测材料磨损系数、H为被测材料的硬度。
则多次摩擦的累计磨损量U＝∑Uj(j＝1、2、3...m)，其中m为摩擦次数。
步骤S5为预警步骤，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。在该步骤中，可以针对三维空间姿态设定姿态阈值，针对累计磨损量设定磨损阈值，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警，
综上所述，本发明上述实施方式的姿态与磨损监测预警方法对被测件在不同空间姿态、不同载荷条件下由于摩擦产生的磨损进行量化，当三维空间姿态或磨损量超出设计阈值时发出预警信息，及时提醒运维中心对可能发生的风险做出处置，从而能够实现对悬垂海缆、立管等的实时三维姿态监测与磨损监测，保障海上生产平台安全稳定运行。
本发明的实施方式还提供一种姿态与磨损监测预警***。图3是本发明一种实施方式的姿态与磨损监测预警***的结构示意图。如图3所示，本实施方式的姿态与磨损监测预警***包括：
多个光电复合传感单元101，安装在被测件的多个监测节点处，实时采集被测件的传感信息并将传感信息转换为光信号，通过通信光纤输出光信号，所述传感信息包括加速度信息、角速度信息和光信号强度信息；
光信号探测接收与转换单元102，探测和接收光信号并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息；
三维空间姿态重构单元103，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算被测件的每个监测节点的三维空间姿态，利用被测件的所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态；
累计磨损量计算单元104，根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量；
预警单元105，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。
本实施方式的姿态与磨损监测预警***的具体实施例可以参见上文中对于姿态与磨损监测预警方法的限定，在此不再赘述。上述姿态与磨损监测预警***中的各个单元可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各单元可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个单元对应的操作。
本发明的实施方式还提供一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储各个框架的运行参数数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现本实施方式的姿态与磨损监测预警方法的步骤。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本发明的实施方式还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施方式的姿态与磨损监测预警方法的步骤。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种姿态与磨损监测预警方法，其特征在于，包括：
传感信息采集步骤：利用安装在被测件的多个监测节点处的多个光电复合传感单元，实时采集被测件的传感信息并将传感信息转换为光信号，通过通信光纤输出光信号，所述传感信息包括加速度信息、角速度信息和光信号强度信息；
光信号探测接收与转换步骤：探测和接收光信号并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息；
三维空间姿态重构步骤，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算被测件的每个监测节点的三维空间姿态，利用被测件的所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态；
磨损量计算步骤，根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量；
预警步骤，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在三维空间姿态重构步骤中，第n个监测节点在i时刻的三维空间姿态n_Qi为：
n_Qi＝[θxi，θyi，θzi，γi]
其中，n＝1、2……N，N为监测节点的个数，θxi、θyi、θzi分别表示x、y、z三个方向的角度，γi表示弯曲变形量，
如下重构被测件在i时刻的三维空间姿态Qi：
Qi＝{1_Qi，2_Qi......N_Qi}。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，如下计算得到x、y、z三个方向的角度θxi、θyi、θzi：
θxi＝aθx0+ωθxi
θyi＝aθy0+ωθyi
θzi＝ωzi*Δt*Kθz
其中，aθx0、aθy0分别是绕x方向和y方向的初始角度，ωθxi、ωθyi分别是i时刻绕x方向和绕y方向的角度，ωxi，ωyi，ωzi分别是i时刻绕x、y、z三个方向的角速度，Δt为单次采集时长，Kθx、Kθy、Kθz分别为绕x、y、z方向的角度误差校准系数，
aθx0＝arctan(ay0/(ax0 2+ay0 2)1/2)*180/π
aθy0＝arctan(ax0/(ay0 2+az0 2)1/2)*180/π
ωθxi＝ωxi*Δt*Kθx
ωθyi＝ωyi*Δt*Kθy
其中，ax0、ay0、az0分别为x、y、z三个方向的初始加速度。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，如下计算得到第n个监测节点在i时刻的弯曲变形量γi：
γi＝-β*L/{ln[Gi+∑(G0-GS)]-ln(G0)}(S＝1、2、...、N-1)
Gi为第n个监测节点的光信号强度，GS为第n个监测节点之前的监测节点的光信号强度，G0为初始光信号强度，-β为弯曲损耗系数，L为第n个监测节点与第n-1个监测节点之间的长度。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在磨损量计算步骤中，如下计算累计磨损量：
将被测件单次摩擦造成的磨损量表示为：
Uj＝0.5*a2*t2*KP*KU/H
其中，a为被测件单次摩擦时x、y、z三个方向的合加速度，t为运动时长，KP为单位加速度条件下被测件载荷，KU为试验工况下被测件材料磨损系数、H为被测件材料的硬度，
则多次摩擦的累计磨损量为：
U＝ΣUj(j＝1、2、3...m)
其中，m为摩擦次数。
6.一种姿态与磨损监测预警***，其特征在于，包括：
多个光电复合传感单元，安装在被测件的多个监测节点处，实时采集被测件的传感信息并将传感信息转换为光信号，通过通信光纤输出光信号，所述传感信息包括加速度信息、角速度信息和光信号强度信息；
光信号探测接收与转换单元，探测和接收光信号并将光信号转换为数字信号，得到被测件的传感信息；
三维空间姿态重构单元，根据传感信息中的加速度信息、角速度信息和光信号强度信息，计算被测件的每个监测节点的三维空间姿态，利用被测件的所有监测节点的三维空间姿态重构被测件的三维空间姿态；
累计磨损量计算单元，根据传感信息中的加速度信息，计算被测件由于摩擦造成的累计磨损量；
预警单元，当三维空间姿态超出姿态阈值或累计磨损量超出磨损阈值时发出预警。
7.如权利要求6所述的姿态与磨损监测预警***，其特征在于，所述光电复合传感单元包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、DSP数字信号处理器、电光转换模块、光电复合缆线与接头、马鞍状夹具，
所述三轴加速度传感器测量被测件x、y、z三个方向上的加速度，所述三轴陀螺仪测量被测件绕x、y、z三个方向的角速度；
所述DSP数字信号处理器将所述三轴加速度传感器测量的加速度和所述三轴陀螺仪测量的角速度转换为数字信号，将数字信号滤波并调制成脉冲信号，所述电光转换模块将调制好的脉冲信号转换成光信号输出；
所述光电复合缆线与接头用于监测被测件的弯曲变形量，并用于所述光信号探测接收与转换单元与所述光电复合传感单元的连接以及光电复合传感单元之间的串连，所述马鞍状夹具安装在被测件上，用于承载所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、DSP数字信号处理器、电光转换模块、光电复合缆线与接头。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述的方法的步骤。
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