CN105423935A - 系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋监测技术领域，尤其涉及一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法及测量装置，包括在系泊基础安装缆绳上安装多个光纤光栅应变传感器；令系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土；采集多个光纤光栅应变传感器在不同测量点位测得的应变值；根据应变值，获得测量点位的曲率值；根据曲率值以及多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，递推获得相邻的两个所述测量点位的第一坐标值以及相邻的两个测量点位之间的插值点的第二坐标值；根据第一坐标值和第二坐标值通过拟合获得系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。本发明能够实时动态地观测到嵌入缆绳的形态变化，测量精确度高，还能够应用于现场测量。

Description

系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及海洋工程监测技术领域，尤其涉及一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法及测量装置。

背景技术

随着海洋油气资源逐渐向深水、超深水方向开发，大型浮式生产系统如半潜式平台、浮式生产储油卸油装置(FPSO)、单柱式(SPAR)平台等逐渐增多，相对应的对浮式系泊基础的研究也日益受到重视。合成纤维材料绷紧式系泊系统也越来越成为深海开发平台一种主要的系泊方式。新型拖曳锚是与绷紧式系泊系统相配合的系泊基础，有着优异的承载力性能和综合优势，在绷紧式系泊系统中占有重要的位置。

桩锚、筒锚、吸力锚、重力贯入锚和拖曳锚等系泊基础在安装过程中安装缆绳由于切割土体受到向上的土抗力作用，在土体中呈向上凸的形态，与水中由于自重作用形成的向下凹的悬链线形态形成对比。安装缆嵌入到在海床土中的部分称为嵌入缆，嵌入缆和锚基础之间存在着复杂的相互耦合关系，研究其形态特性对于提高锚的嵌入性能、运动特性和精确定位问题有着十分重要的意义，并且由于其嵌入到海床土中，其构形是复杂不可见的，因此对系泊基础安装缆绳在海床土中的形态特征研究具有非常重要的意义。

现有技术中，对系泊基础安装缆绳在海床土中的形态特征研究主要以数值方法为主，比如其几何方程和嵌入缆长方程等理论方程的推导，对其形态测量的物理研究相对甚少，处于比较匮乏的阶段，部分研究者采用手工剖砂、拉绳、静态的试验方式进行测量，不够精确，并且不能达到动态、实时的效果，更无法应用于现场测量。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法及测量装置。

本发明实施例提供了一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法，所述方法包括：

在所述系泊基础安装缆绳上安装多个光纤光栅应变传感器；

令所述系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土；

在所述系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土的过程中，采集所述多个光纤光栅应变传感器在不同测量点位测得的应变值；

根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值；

根据所述曲率值，以及所述多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，递推获得相邻的两个所述测量点位的第一坐标值，以及所述相邻的两个所述测量点位之间的插值点的第二坐标值；

根据所述第一坐标值和所述第二坐标值，通过拟合获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

可选的，所述系泊基础安装缆绳最先跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳前段，所述系泊基础安装缆绳最后跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳后段；

其中，所述光纤光栅应变传感器的安装密度由所述缆绳前段至所述缆绳后段依次由密到稀。

可选的，在所述获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线之后，所述方法还包括：

以各个所述光纤光栅应变传感器所在位置处的所述系泊基础安装缆绳的长度占所述系泊基础安装缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重，对所述实时形态曲线进行修正。

可选的，所述根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，具体为：

根据如下公式获得所述测量点位的曲率值：

$k=\frac{\mathrm{\ϵ}}{r}$

其中，k为曲率值，ε为应变值，r为所述系泊基础安装缆绳的半径。

基于同一发明构思，本发明另一实施例提供一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量装置，包括：

多个光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器安装在所述系泊基础安装缆绳上，用于测量不同测量点位的所述系泊基础安装缆绳的应变值；

数据采集模块，所述数据采集模块分别与所述多个光纤光栅应变传感器中的每个光纤光栅应变传感器连接，用于接收所述应变值；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述数据采集模块连接，用于根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，并，根据所述曲率值，以及所述多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，递推获得相邻的两个所述测量点位的第一坐标值，以及所述相邻的两个所述测量点位之间的插值点的第二坐标值；

数据拟合模块，所述数据拟合模块与所述数据处理模块连接，用于根据所述第一坐标值和所述第二坐标值，通过拟合获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

可选的，所述系泊基础安装缆绳最先跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳前段，所述系泊基础安装缆绳最后跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳后段；

其中，所述光纤光栅应变传感器的安装密度由所述缆绳前段至所述缆绳后段依次由密到稀。

可选的，还包括：

修正模块，用于以各个所述光纤光栅应变传感器所在位置处的所述系泊基础安装缆绳的长度占所述系泊基础安装缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重，对所述实时形态曲线进行修正。

可选的，所述根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，具体为：

根据如下公式获得所述测量点位的曲率值：

$k=\frac{\mathrm{\ϵ}}{r}$

其中，k为曲率值，ε为应变值，r为所述系泊基础安装缆绳的半径。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明通过在系泊基础安装缆绳上安装光纤光栅应变传感器，通过光纤光栅应变传感器能够采集测量点位的应变值，根据平面弯曲梁理论和曲线拟合原理，拟合出嵌入到海床土中的系泊基础安装缆绳的实时形态曲线，不仅能够实时、动态地观测到嵌入缆绳的形态变化，而且测量精确度高，还能够应用于现场测量，保证系泊基础的安装作业质量，为系泊基础的在位状态监测提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法的流程图；

图2为本发明实施例中模拟在系泊基础安装缆绳上放置光纤光栅应变传感器的示意图；

图3为本发明实施例中应变值转换为曲率值的原理图；

图4为本发明实施例中第i小段圆弧首尾两点的坐标递推原理图；

图5为本发明实施例中一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量装置的示意图。

其中，1为锚板，2为缆绳前段，3为缆绳后段。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明实施例提供一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：在所述系泊基础安装缆绳上安装多个光纤光栅应变传感器。

步骤102：令所述系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土。

步骤103：在所述系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土的过程中，采集所述多个光纤光栅应变传感器在不同测量点位测得的应变值。

步骤104：根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值。

步骤105：根据所述曲率值，以及所述多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，获得相邻的两个所述测量点位的第一坐标值，以及所述相邻的两个所述测量点位之间的插值点的第二坐标值。

步骤106：根据所述第一坐标值和所述第二坐标值，通过拟合获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

具体来讲，先做好光纤光栅应变传感器的密封保护工作，再将光纤光栅应变传感器安装在系泊基础安装缆绳的上侧，记录相邻传感器之间的缆绳长度。系泊基础安装缆绳最先跟随系泊基础入土的部分为缆绳前段2，系泊基础安装缆绳最后跟随系泊基础入土的部分为缆绳后段3，由于缆绳前段2最先随系泊基础入土，其最终的形态变化最为明显，因此，为提高测量精确度，光纤光栅应变传感器的安装密度由缆绳前段2至缆绳后段3依次由密到稀。

例如，在系泊基础安装缆绳上侧安装八个光纤光栅应变传感器，分别记为P_i，其中，i＝1～8。系泊基础安装缆绳为抗扭钢丝绳，该抗扭钢丝绳的总长为5m，直径为6mm，其最终嵌入缆的长度约为4m，其中，第一光纤光栅应变传感器P₁和第二光纤光栅应变传感器P₂之间的距离S₁为315mm，第二光纤光栅应变传感器P₂和第三光纤光栅应变传感器P₃之间的距离S₂为385mm，第三光纤光栅应变传感器P₃和第四光纤光栅应变传感器P₄之间的距离S₃为455mm，第四光纤光栅应变传感器P₄和第五光纤光栅应变传感器P₅之间的距离S₄为525mm，第五光纤光栅应变传感器P₅和第六光纤光栅应变传感器P₆之间的距离S₅为595mm，第六光纤光栅应变传感器P₆和第七光纤光栅应变传感器P₇之间的距离S₆为665mm，第七光纤光栅应变传感器P₇和第八光纤光栅应变传感器P₈之间的距离S₇为735mm，第一光纤光栅应变传感器P₁位于缆绳前段2，第八光纤光栅应变传感器P₈位于缆绳后段3。具体的，安装有八个光纤光栅应变传感器的缆绳随锚板1入土，锚板1在缆绳前段2与系泊基础安装缆绳相连，靠近拖拽力的位置是缆绳后段3，拖拽力对系泊基础安装缆绳和锚板1进行拖拽，参见图2。

在步骤103中，实时采集多个光纤光栅应变传感器在不同测量点位测得的应变值。例如，实时采集8个光纤光栅应变传感器的应变值。根据采集得到的应变值，依据平面弯曲梁理论，计算测量点位的曲率值，并利用曲线拟合原理得到系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

具体的，首先建立微段缆绳应变值ε与曲率值k的关系，参见图3，根据平面弯曲梁理论列出方程组：

$\left\{\begin{array}{c}l+{\mathrm{\Δl}}_1=(\mathrm{\ρ}+r)\mathrm{\θ}\\ l+{\mathrm{\Δl}}_2=(\mathrm{\ρ}-r)\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，l为所述系泊基础安装缆绳中微段缆绳的长度，Δl₁为考察部位凸起部分的线应变，Δl₂为考察部位凹进部分的线应变，r为所述系泊基础安装缆绳的半径，θ是弯曲部分对应的张角(弧度)，ρ是弯曲部分的曲率半径。通过求解方程组得到曲率值k为：

$k=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{{\mathrm{\Δl}}_1-{\mathrm{\Δl}}_2}{r(2l+{\mathrm{\Δl}}_1+{\mathrm{\Δl}}_2)}$

假设微段缆绳在海床土中的弯曲为平面弯曲，按照平面弯曲梁理论存在长度不变的中性层，即，Δl₁＝-Δl₂＝Δl，得到应变值ε与曲率值k的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\left|\mathrm{\Δ}l\right|}{l}=rk$

也即：此处规定：Δl＞0为拉应变，Δl＜0为压应变，图3所示的曲线呈向上凸起的形态，位于缆绳上侧的光纤光栅应变传感器测得的是拉应变，若曲线呈向下凸的形态，位于缆绳上侧的光纤光栅应变传感器测得的是压应变。

实际采集数据后计算得到的仅仅是测量点位的曲率数据，为了拟合出整条曲线的形状，必须得到整条曲线上的曲率数据，在两点曲率之间进行线性插值，确保拟合后的曲线的采样点处连续且光滑。具体的，假定通过光纤光栅应变传感器测得的两个相邻测量点位P_i与P_i+1的曲率分别为k_i与k_i+1，两点之间的弧长为S_i，S_i即为相邻两个传感器之间的缆绳长度。在上述两点曲率之间进行线性插值，关系如下公式一：

k＝m×S+n

公式一中m和n均为系数，通过将两个相邻测量点位的曲率k_i与k_i+1带入到公式一中，可得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{i+1}=m\×S_{i+1}+n\\ k_i=m\×S_i+n\end{array}\right.$

求解上述方程组可以得m和n，如下式：

$\left\{\begin{array}{c}m=\frac{k_{i+1}-k_i}{S_{i+1}-S_i}\\ n=\frac{k_i\×S_{i+1}-k_{i+1}\×S_i}{S_{i+1}-S_i}\end{array}\right.$

根据微分几何，令是曲线某点处切向量与x轴正向的夹角，可定义为曲线的曲率，通过积分得到：

积分常数c可以由边界条件求出，缆绳末端为直线，从而k＝0，

对于两个相邻测量点位之间的曲线，可以将此段曲线再等分为多个小的圆弧段，如图4所示，对于第i小段圆弧，即A_i与A_i+1之间的弧，其是测量点位P_i与P_i+1之间的某小段圆弧，具有如下关系式：

进一步，以下公式成立：

其中，ρ_i是A_i处的曲率半径，对应的曲率为k_i，S_i是A_i与A_i+1之间的弧长，dS_i是对应的弦长，θ_i是对应的圆心角，是P_i处的切线与水平x轴的夹角。

由第i小段圆弧的起点A_i的坐标值(x_i,y_i)可以递推得到终点A_i+1的坐标值(x_i+1,y_i+1)如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{i+1}=x_i+{\mathrm{\Δx}}_i\\ y_{i+1}=y_i+{\mathrm{\Δy}}_i\end{array}\right.$

在此规定θ取值正负判断方法：光纤光栅应变传感器测得的是拉应变时，θ＜0，光纤光栅应变传感器测得的是压应变时，θ＞0。

由于简化的存在，递推得到的曲线坐标与缆绳真实坐标间存在误差，且存在迭代误差的积累性，从而会出现传感器的坐标值高出土体表面的现象，与实际情况不符，因此，在获得系泊基础安装缆绳的实时形态曲线之后，所述方法还包括：

以各个光纤光栅应变传感器所在位置处的系泊基础安装缆绳的长度占系泊基础安装缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重，对实时形态曲线进行修正。

具体来讲，当最末点P_n的真实坐标已知时，利用递推值与真实值间的误差，以光纤光栅应变传感器所在位置的缆绳长度占缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重对递推曲线进行修正，具体如下：

$x_i^{\′}=x_i-\frac{l_i}{l^{\′}}\mathrm{\Δ}x$

$y_i^{\′}=y_i-\frac{l_i}{l^{\′}}\mathrm{\Δ}y$

其中，x′_i和y′_i分别表示修正后的横坐标值和纵坐标值，x_i和y_i分别表示递推得到的横坐标值和纵坐标值，Δx和Δy分别表示最末点的横坐标值的绝对误差和纵坐标值的绝对误差，l_i表示测量点位处的缆绳长度，l′表示拖曳完毕后嵌入土体的总缆长。本申请根据修正得到的坐标值，拟合得到准确的实时形态曲线。

在本申请中，对于形态变化复杂的缆绳形态，可通过加密布置光纤光栅应变传感器进行实现。本申请适于装载饱和密实海砂的水槽、拖曳板锚和拖曳系统，在拖拽系统中包括拖曳电机、拖曳缆绳和拖曳水平滑臂等。

本申请应用时，采用3组不同工况进行试验，每次试验均重复3次，预先在锚板1的轴线上埋置一个双轴倾角传感器，测量在拖曳过程中锚板1的方位角和侧向翻转角，将侧向翻转角控制在3°以内，以保证拖曳过程的稳定性。本申请可有效应用于针对桩锚、筒锚、吸力锚、重力贯入锚和拖曳板锚等系泊基础的安装缆绳在海床土中的形态开展的科学研究，包括实验室模型试验和现场测量。

基于同一发明构思，本发明另一实施例提供一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量装置，如图5所示，包括：数据采集模块、数据处理模块、数据拟合模块和多个光纤光栅应变传感器，多个光纤光栅应变传感器可以包括第一光纤光栅应变传感器、第二光纤光栅应变传感器和第N光纤光栅应变传感器，N大于等于零。多个光纤光栅应变传感器安装在系泊基础安装缆绳上，数据采集模块分别与多个光纤光栅应变传感器中的每个光纤光栅应变传感器连接，数据处理模块与数据采集模块连接，数据拟合模块与数据处理模块连接。

具体来讲，光纤光栅应变传感器用于测量不同测量点位的所述系泊基础安装缆绳的应变值，数据采集模块用于接收所述应变值，数据处理模块用于根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，并，根据曲率值，以及多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，递推获得相邻的两个测量点位的第一坐标值，以及相邻的两个所述测量点位之间的插值点的第二坐标值，数据拟合模块用于根据所述第一坐标值和所述第二坐标值，通过拟合获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

可选的，所述系泊基础安装缆绳最先跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳前段，所述系泊基础安装缆绳最后跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳后段；

其中，所述光纤光栅应变传感器的安装密度由所述缆绳前段至所述缆绳后段依次由密到稀。

可选的，还包括：

修正模块，用于以各个所述光纤光栅应变传感器所在位置处的所述系泊基础安装缆绳的长度占所述系泊基础安装缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重，对所述实时形态曲线进行修正。

可选的，所述根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，具体为：

根据如下公式获得所述测量点位的曲率值：

$k=\frac{\mathrm{\ϵ}}{r}$

其中，k为曲率值，ε为应变值，r为所述系泊基础安装缆绳的半径。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明通过在系泊基础安装缆绳上安装光纤光栅应变传感器，通过光纤光栅应变传感器能够采集测量点位的应变值，根据平面弯曲梁理论和曲线拟合原理，拟合出嵌入到海床土中的系泊基础安装缆绳的实时形态曲线，不仅能够实时、动态地观测到嵌入缆绳的形态变化，而且测量精确度高，还能够应用于现场测量，保证系泊基础的安装作业质量，为系泊基础的在位状态监测提供依据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量方法，其特征在于，所述方法包括：

在所述系泊基础安装缆绳上安装多个光纤光栅应变传感器；

令所述系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土；

在所述系泊基础安装缆绳拖动系泊基础入土的过程中，采集所述多个光纤光栅应变传感器在不同测量点位测得的应变值；

根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值；

根据所述曲率值，以及所述多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，递推获得相邻的两个所述测量点位的第一坐标值，以及所述相邻的两个所述测量点位之间的插值点的第二坐标值；

根据所述第一坐标值和所述第二坐标值，通过拟合获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

2.如权利要求1所述的形态测量方法，其特征在于，所述系泊基础安装缆绳最先跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳前段，所述系泊基础安装缆绳最后跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳后段；

其中，所述光纤光栅应变传感器的安装密度由所述缆绳前段至所述缆绳后段依次由密到稀。

3.如权利要求1所述的形态测量方法，其特征在于，在所述获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线之后，所述方法还包括：

以各个所述光纤光栅应变传感器所在位置处的所述系泊基础安装缆绳的长度占所述系泊基础安装缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重，对所述实时形态曲线进行修正。

4.如权利要求1所述的形态测量方法，其特征在于，所述根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，具体为：

根据如下公式获得所述测量点位的曲率值：

$k=\frac{\mathrm{\ϵ}}{r}$

其中，k为曲率值，ε为应变值，r为所述系泊基础安装缆绳的半径。

5.一种系泊基础安装缆绳在海床土中的形态测量装置，其特征在于，包括：

多个光纤光栅应变传感器，所述光纤光栅应变传感器安装在所述系泊基础安装缆绳上，用于测量不同测量点位的所述系泊基础安装缆绳的应变值；

数据采集模块，所述数据采集模块分别与所述多个光纤光栅应变传感器中的每个光纤光栅应变传感器连接，用于接收所述应变值；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述数据采集模块连接，用于根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，并，根据所述曲率值，以及所述多个光纤光栅应变传感器中相邻的两个光纤光栅应变传感器之间的缆绳的长度，递推获得相邻的两个所述测量点位的第一坐标值，以及所述相邻的两个所述测量点位之间的插值点的第二坐标值；

数据拟合模块，所述数据拟合模块与所述数据处理模块连接，用于根据所述第一坐标值和所述第二坐标值，通过拟合获得所述系泊基础安装缆绳的实时形态曲线。

6.如权利要求5所述的形态测量装置，其特征在于，所述系泊基础安装缆绳最先跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳前段，所述系泊基础安装缆绳最后跟随所述系泊基础入土的部分为缆绳后段；

其中，所述光纤光栅应变传感器的安装密度由所述缆绳前段至所述缆绳后段依次由密到稀。

7.如权利要求5所述的形态测量装置，其特征在于，还包括：

修正模块，用于以各个所述光纤光栅应变传感器所在位置处的所述系泊基础安装缆绳的长度占所述系泊基础安装缆绳嵌入土体的总长度的百分比为权重，对所述实时形态曲线进行修正。

8.如权利要求5所述的形态测量装置，其特征在于，所述根据所述应变值，获得所述测量点位的曲率值，具体为：

根据如下公式获得所述测量点位的曲率值：

$k=\frac{\mathrm{\ϵ}}{r}$

其中，k为曲率值，ε为应变值，r为所述系泊基础安装缆绳的半径。