一种基于海上工程的平台震动监测系统及其监测方法与流程

本发明涉及一种震动监测系统及其监测方法，尤其是一种基于海上工程的平台震动监测系统及其监测方法。

背景技术：

1、海上工程一般是建设在近岸的海床上，用于为海上资源开发提供实施平台。海上工程的平台震动监测是保证海上工程的工程安全性以及运行可靠性的依据，能够保证海上工程长期安全可靠的运行。现有的海上工程的平台震动监测方式是在靠近主体支撑柱的操作平台上划定一定的范围来安装相应的监测设备，但是这种监测方式不仅会占用操作平台本身的空间，而且在操作平台上常常需要开展一些施工操作，会产生较多的且较为直接的人为震动影响，对监测数据产生了较多的干扰。此外，现有的监测设备需要定期由监测人员去现场维护，由于监测设备设置在海上工程的平台上，因此每次维护都比较麻烦。因此有必要设计出一种基于海上工程的平台震动监测系统及其监测方法，能够实现海上工程的平台震动的无人值守式监测，确保海上工程的工程安全性和运行可靠性。

技术实现思路

1、发明目的在于：提供一种基于海上工程的平台震动监测系统及其监测方法，能够实现海上工程的平台震动的无人值守式监测，确保海上工程的工程安全性和运行可靠性。

2、技术方案：本发明所述的基于海上工程的平台震动监测系统，包括基站控制柜以及各个监测子系统；监测子系统包括环抱安装机构、位姿调节机构以及单元监测箱；各个监测单元的环抱安装机构分别可拆卸式安装在各个监测点处的主体立柱上；位姿调节机构固定在环抱安装机构上，单元监测箱安装在位姿调节机构上，由环抱安装机构对位姿调节机构进行稳定支撑，由位姿调节机构对单元监测箱进行位姿调节；在单元监测箱内设置有单元控制盒、宽频带地震计、加速度计、温度传感器、温度调节单元以及指北复位机构；在单元控制盒内设置有从控制器、从存储器以及从无线通信模块；宽频带地震计以及加速度计均位于指北复位机构上，由指北复位机构对宽频带地震计以及加速度计进行指北轴线复位调节；从控制器通过从无线通信模块与基站控制柜无线通信连接；宽频带地震计、加速度计、温度传感器、温度调节单元、从存储器以及从无线通信模块均与从控制器电连接，由温度调节单元对单元监测箱内的温度进行调节控制；指北复位机构以及位姿调节机构均由从控制器控制。

3、作为平台震动监测系统的进一步限定方案，指北复位机构包括平台圆盘、寻北仪、u形支架、角度对准单元、平台调节单元、旋转调节单元以及居中调节单元；在单元监测箱的内部下侧设置有支撑平台，在支撑平台的下方设置有设备仓；平台圆盘旋转式安装在支撑平台的中心处；u形支架立式固定安装在平台圆盘的上侧面上，寻北仪固定安装在u形支架的顶部横梁中部；加速度计嵌入安装在平台圆盘的上侧面中心处，宽频带地震计放置在平台圆盘的上侧面上；角度对准单元安装在u形支架以及宽频带地震计上，用于对宽频带地震计进行指北对准检测；平台调节单元位于设备仓内，用于对平台圆盘进行旋转调节；居中调节单元安装在平台圆盘上，用于对宽频带地震计的圆周外壁进行居中夹持；旋转调节单元安装在居中调节单元上，用于对居中夹持的宽频带地震计进行旋转调节；寻北仪与从控制器电连接；角度对准单元、平台调节单元、旋转调节单元以及居中调节单元均由从控制器控制。

4、作为平台震动监测系统的进一步限定方案，居中调节单元包括同步驱动组件以及四个居中调节组件；同步驱动组件包括夹持驱动电机以及u形吊架；居中调节组件包括驱动管轴、l形驱动杆、旋转套管以及柔性套管；四个居中调节组件的驱动管轴均竖向贯穿式旋转安装在平台圆盘上，且位于同一圆周的四个等分点处；l形驱动杆的一端固定在驱动管轴的上端上，旋转套管旋转式安装在l形驱动杆的竖向杆上；柔性套管套设在旋转套管外壁上，用于按压到宽频带地震计的圆周外壁上；u形吊架立式固定在平台圆盘的下侧面上，夹持驱动电机固定在u形吊架的横梁中部，在四根旋转套管的下端上均固定设置有从动齿轮，在夹持驱动电机的输出轴端部上设置有同时与四个从动齿轮相啮合的主动齿轮，用于同步驱动四根驱动管轴旋转；从控制器通过夹持驱动电路对夹持驱动电机进行驱动控制。

5、作为平台震动监测系统的进一步限定方案，角度对准单元包括镭射灯、光线传感器、导光柱、u形导光管以及两个对拉锁定组件；镭射灯以及导光柱均竖向贯穿式可拆卸安装在u形支架上，在导光柱的中心处竖向设置有导光孔；光线传感器安装在导光柱的上端上，且朝向导光孔的上端孔口；在导光柱的下端上设置有环形吸光垫片；u形导光管通过两个对拉锁定组件对拉式可拆卸安装在宽频带地震计的顶部上，且u形导光管的两端竖向管的管口朝上，水平管的中心偏离宽频带地震计的顶部中心；在u形导光管的管内两个弯折处均设置有一个反光镜片，用于将镭射灯从一个竖向管的管口中心射入激光线，从另一个竖向管的管口中心射出进入导光柱的导光孔中，再由光线传感器采集；在u形导光管的内壁上设置有吸光涂层；从控制器通过第三电控开关对镭射灯的供电进行开关控制；光线传感器与从控制器电连接。

6、作为平台震动监测系统的进一步限定方案，环抱安装机构包括第一弧形弯折板、第二弧形弯折板以及对拉螺栓，第一弧形弯折板以及第二弧形弯折板的两端均设置有对拉支撑板，相对的两块对拉支撑板通过对拉螺栓对拉固定实现将第一弧形弯折板、第二弧形弯折板抱箍在主体立柱上；在第二弧形弯折板两侧长度边缘的中部均延伸设置有贴合于主体立柱外壁的延伸支撑板；位姿调节机构包括滚转驱动电机、俯仰驱动电机、倾角传感器、悬挑支撑杆、滚转驱动丝杆、俯仰驱动丝杆、俯仰驱动轴以及两块悬吊条形侧板；倾角传感器安装在支撑平台上，并与从控制器电连接；在第二弧形弯折板的中部设置有圆筒形支座，在圆筒形支座上旋转式安装有滚转支撑轴；在圆筒形支座上设置有第一侧边座，在滚转支撑轴上设置有第二侧边座；在第一侧边座上旋转式安装有第一侧边短轴，在第二侧边座上旋转式安装有第二侧边短轴；滚转驱动丝杆的一端旋转式安装在第一侧边短轴上，另一端贯穿式螺纹旋合安装在第二侧边短轴上，滚转驱动电机安装在第一侧边短轴上，用于对滚转驱动丝杆进行旋转驱动；悬挑支撑杆的一端同轴式固定在滚转支撑轴上，并在悬挑支撑杆的另一端上旋转式安装有端部支撑短轴；两块悬吊条形侧板的下部分别竖向固定在单元监测箱的前后侧面上，俯仰驱动轴的前后两端分别旋转式安装在两块悬吊条形侧板的上端上；两块悬吊条形侧板的中部之间安装有与俯仰驱动轴相平行的侧板支撑轴，且侧板支撑轴的中部旋转式安装在悬挑支撑杆上；俯仰驱动丝杆的一端旋转式安装在俯仰驱动轴上，另一端贯穿式螺纹旋合安装在支撑短轴上；俯仰驱动电机安装在俯仰驱动轴，用于对俯仰驱动丝杆进行旋转驱动；滚转驱动电机以及俯仰驱动电机均由从控制器驱动控制。

7、本发明还提供了一种用于基于海上工程的平台震动监测系统的监测方法，包括如下步骤：

8、步骤1，对海上工程的各个平台设备进行抗震能力分级，按照抗震能力强弱依次分为一级抗震设备、二级抗震设备以及三级抗震设备；

9、步骤2，由各个监测单元的单元控制盒将采集到的加速度数据、温度数据以及地震观测数据无线发送至基站控制柜的主控制器；

10、步骤3，由主控制器对接收的各个监测单元的加速度数据、温度数据、实时环境数据以及地震观测数据进行预处理，获得精准的加速度数据以及地震观测数据；

11、步骤4，由主控制器根据精准的加速度数据以及地震观测数据计算出平台震动数据，再根据平台震动数据的大小进行数据分类获得数据分类结果，数据分类结果包括一级紧急类数据、二级紧急类数据以及三级紧急类数据；

12、步骤5，由主控制器按照设定的发送优先级对数据分类结果进行分级发送并发出相应的平台检修指令，平台检修指令包括一级抗震设备检修指令、二级抗震设备检修指令和/或三级抗震设备检修指令；

13、步骤6，根据设定的自检周期以及各个监测单元的分类结果，由主控制器向各个监测单元发送相应的姿态调节指令，由位姿调节机构对单元监测箱的位姿进行初始化恢复调节。

14、作为本发明监测方法的进一步限定方案，步骤3中，进行预处理的具体步骤为：

15、步骤3.1，由主控制器收集实时环境数据，再利用环境数据影响算法计算出实时环境数据的环境影响值：

16、首先获取海上工程位置处的实时环境数据，实时环境数据包括风向数据以及风力数据；

17、然后根据设定的滤波取值时间范围从实时环境数据中向前获取对应时间范围内的风向数据以及风力数据，再对时间范围内的风向数据以及风力数据进行均值滤波，获得当前时刻的风向数据以及风力数据；

18、最后将当前时刻的风向数据以及风力数据输入环境因素震动影响模型中进行计算，获得当前时刻的环境影响值；

19、步骤3.2，根据温度数据对接收的加速度数据以及地震观测数据进行温漂校准，消除温度对加速度数据以及地震观测数据的影响；

20、步骤3.3，利用环境影响值对温漂校准后的加速度数据以及地震观测数据进行影响消除计算，获得精准的加速度数据以及地震观测数据。

21、作为本发明监测方法的进一步限定方案，步骤3.1中，环境因素震动影响模型根据历史监测数据构建而成，具体步骤为：

22、首先获取历史监测数据，历史监测数据包括风向历史数据、风力历史数据、加速度历史数据、地震观测历史数据以及实际地震历史数据；

23、然后根据实际地震历史数据确定出未发生地震的各个时间区间，再根据未发生地震的各个时间区间从历史监测数据中筛选出对应时间区间内的风向历史数据、风力历史数据、加速度历史数据以及地震观测历史数据作为参考历史数据；

24、然后根据各项参考历史数据中的时间信息将风向历史数据、风力历史数据、加速度历史数据以及地震观测历史数据进行采集时刻对齐，并根据采集时刻先后顺序按照设定的时间分组区间对各项历史数据进行分组，将位于同一时间分组区间内的风向历史数据、风力历史数据、加速度历史数据以及地震观测历史数据作为一组待确认历史数据；

25、然后对各组待确认历史数据中的加速度历史数据以及地震观测历史数据进行分析：若某一组待确认历史数据中加速度历史数据的三分量历史数据中有一个以上的分量历史数据大于对应的加速度分量阈值，则将该组待确认历史数据作为待计算历史数据；若某一组待确认历史数据中地震观测历史数据的三分量历史数据中有一个以上的分量历史数据大于对应的地震分量阈值，则将该组待确认历史数据作为待计算历史数据；

26、然后利用各组待计算历史数据中各采集时刻下加速度历史数据、风力历史数据以及风向历史数据分别计算出各组加速度三分量转换系数，计算公式分别为：

27、，式中， s ns、 s ew和 s ud为当前采集时刻下加速度历史数据的三分量历史数据， h1为当前采集时刻下加速度第一分量转换系数， h2为当前采集时刻下加速度第二分量转换系数， h3为当前采集时刻下加速度第三分量转换系数， f为当前采集时刻下风力历史数据的风力大小值， θ为当前采集时刻下风向历史数据的风向相对于正北方向的顺时针方向夹角大小；

28、再对求出的各个 h1、 h2以及 h3分别求平均得到影响模型的加速度三分量转换系数分别为 h1、 h2以及 h3，再建立加速度影响模型为：

29、，式中，δ s nsi、δ s ewi和δ s udi为当前时刻的加速度三分量影响值， f i为当前时刻的风力大小值，为当前时刻的风向相对于正北方向的顺时针方向夹角大小；

30、然后利用各组待计算历史数据中各采集时刻下地震观测历史数据、风力历史数据以及风向历史数据分别计算出各组加速度三分量转换系数，计算公式分别为：

31、，式中， z ns、 z ew和 z ud为当前采集时刻下地震观测历史数据的三分量历史数据， y1为当前采集时刻下加速度第一分量转换系数， y2为当前采集时刻下加速度第二分量转换系数， y3为当前采集时刻下加速度第三分量转换系数， f为当前采集时刻下风力历史数据的风力大小值， θ为当前采集时刻下风向历史数据的风向相对于正北方向的顺时针方向夹角大小；

32、再对求出的各个 y1、 y2以及 y3分别求平均得到影响模型的地震三分量转换系数分别为 y1、 y2以及 y3，再建立地震观测影响模型为：

33、，式中，δ z nsi、δ z ewi和δ z udi为当前时刻的地震三分量影响值， f i为当前时刻的风力大小值，为当前时刻的风向相对于正北方向的顺时针方向夹角大小；

34、最后由加速度影响模型和地震观测影响模型共同作为环境因素震动影响模型，将加速度三分量影响值以及地震三分量影响值共同作为环境影响值。

35、作为本发明监测方法的进一步限定方案，步骤4中，由主控制器根据精准的加速度数据以及地震观测数据计算出平台震动数据的具体步骤为：

36、步骤4.1，将加速度数据与地震观测数据的时间线对应，获取对应时刻的加速度数据的三分量波形数据 s udi、 s ewi和 s nsi以及地震观测数据的三分量波形数据 z udi、 z ewi和 z nsi，三分量波形数据 s udi、 s ewi、 s nsi、 z udi、 z ewi以及 z nsi均包含数据采集的时刻以及幅值；

37、步骤4.2，利用构建的震动数据结合算法计算出对应时刻的平台震动数据的三分量波形数据分别为：

38、，式中， g udi、 g ewi和 g nsi分别为平台震动数据的三分量波形数据，a1和b1分别为加速度数据和地震观测数据在小幅度震动下的融合权重，且a1+b1=1，a1＞b1，a2和b2分别为加速度数据和地震观测数据在大幅度震动下的融合权重，且a2+b2=1，a2＜b2，k1、k2和k3分别为三分量的数据切换阈值。

39、作为本发明监测方法的进一步限定方案，步骤5中，主控制器按照设定的发送优先级对数据分类结果进行分级发送并发出相应的平台检修指令的具体步骤为：

40、步骤5.1，获取各个数据发送通道近期发送数据时的通信速率以及各自待发送序列中的待发送数据量，数据发送通道包括至少一个有线数据发送通道以及至少一个无线数据发送通道，待发送序列由优先发送子队列、次级发送子队列以及顺序发送子队列依次构成，且优先发送子队列位于待发送序列的队首处，数据发送通道在发送数据时，优先发送位于优先发送子队列中的数据，在优先发送子队列中无数据后再发送次级发送子队列中的数据，在次级发送子队列中无数据后再发送顺序发送子队列中的数据；

41、步骤5.2，根据发送优先级选择最优的数据发送通道进行数据发送：

42、若数据分类获得的为一级紧急类数据，则分别计算出各个数据发送通道各自待发送序列的优先发送子队列中全部一级紧急类数据的发送完成总时长，选择发送完成总时长较小的数据发送通道作为当前待发送的一级紧急类数据的数据发送通道，若各个发送完成总时均相等，则任选一个数据发送通道作为当前待发送的一级紧急类数据的数据发送通道，再将当前待发送的一级紧急类数据排列在选定的数据发送通道的待发送序列的优先发送子队列中已有的各个一级紧急类数据之后，若选定的数据发送通道的待发送序列的优先发送子队列中没有一级紧急类数据，则将当前待发送的一级紧急类数据排列在待发送序列的优先发送子队列的最前端；再将待发送的一级紧急类数据排列到除选定的数据发送通道外的其他数据发送通道的待发送序列的顺序发送子队列的队尾处；

43、若数据分类获得的为二级紧急类数据，则分别计算出各个数据发送通道各自待发送序列的次级发送子队列中全部二级紧急类数据的发送完成总时长，选择发送完成总时长较小的数据发送通道作为当前待发送的二级紧急类数据的数据发送通道，若各个发送完成总时均相等，则任选一个数据发送通道作为当前待发送的二级紧急类数据的数据发送通道，再将当前待发送的二级紧急类数据排列在选定的数据发送通道的待发送序列的次级发送子队列中已有的各个二级紧急类数据之后，若选定的数据发送通道的待发送序列的次级发送子队列中没有二级紧急类数据，则将当前待发送的二级紧急类数据排列在待发送序列的次级发送子队列的最前端；再将待发送的二级紧急类数据排列到除选定的数据发送通道外的其他数据发送通道的待发送序列的顺序发送子队列的队尾处；

44、若数据分类获得的为三级紧急类数据，则将当前待发送的三级紧急类数据排列到各个数据发送通道的待发送序列的顺序发送子队列的队尾处；

45、步骤5.3，根据数据分类结果发出相应的平台检修指令：

46、若数据分类获得的为一级紧急类数据，则根据预设的通信方式发送一级抗震设备检修指令、二级抗震设备检修指令和三级抗震设备检修指令；

47、若数据分类获得的为二级紧急类数据，则根据预设的通信方式发送二级抗震设备检修指令和三级抗震设备检修指令；

48、若数据分类获得的为三级紧急类数据，则根据预设的通信方式发送三级抗震设备检修指令。

49、本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用各个监测子系统能够实现基于海上工程的多点位震动监测，保证震动监测的可靠性和全面性，从而为实现海上工程的工程安全性和运行可靠性提供保障；利用位姿调节机构能够对单元监测箱进行位姿调节，从而在长期监测后或者发生过较大震动后，能够自主地对单元监测箱进行位姿调节，无需维护人员定期赶赴现场进行调节确认，保证各个监测子系统能够实现无人值守可靠长期运行；温度传感器与温度调节单元的配合，能够实现单元监测箱内的温度反馈控制，保证宽频带地震计和加速度计工作在设定的温度范围内，增强监测数据的准确性和可靠性；利用指北复位机构能够对宽频带地震计以及加速度计进行指北轴线复位调节。