CN106289500A - 一种船闸人字门安全状况的远程监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船闸人字门安全状况远程监测系统及其监测方法，所述的系统包括光学振动检测子系统、光学信号解调子系统、数据处理与显示子系统、加速度与位移转换子系统、数据分析和安全评估子系统。本发明选用光学振动传感器来实时监测门体振动信息量，相比于传统的压电传感器，具有无源、灵敏度高和稳定性强的突出优点，并且便于安装、维护和调试。通过本发明，工作人员可以对船闸人字门安全状态进行实时监测，避免了船闸人字门排空检修带来的经济损失，并且可以快速应对由船闸老化而出现的安全隐患，同时也为以后船闸人字门门体结构设计和材料选取提供了技术支持。

Description

一种船闸人字门安全状况的远程监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及水工金属结构健康监测技术领域，特别涉及一种监测船闸人字门安全状况的监测系统。

背景技术

在船闸运行的时候，人字门受水压以及水流冲击的共同影响将受到巨大的力的作用，并产生大幅的振动。所以人字门在长期过程中受冲击力的作用可能会出现老化和损伤，这都会对船闸的安全性产生巨大的威胁，严重的可能导致人字门的结构性损伤，出现裂纹以及形变。为了消除人字门的安全隐患，必须对人字门的振动数据进行分析，得出人字门的振动规律并进行安全评估，进而采取必要的维护或加强措施。

为了保证船闸的安全，目前的解决方法是运行一定的时间后将船闸排空进行船闸检修，这种方法费时费力，对船闸航运产生巨大的影响，使得过往船只无法通航，造成不必要的经济损失，而且无法从根本上解决船闸出现的安全问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以实时监测并排除安全隐患的基于振动信息量的船闸人字门安全状况监测系统及其监测方法。

有鉴于此，本发明采用在船闸人字门门体上安装光学振动传感器的方法，对门体的振动情况进行实时检测，通过检测到的数据推断船闸受力情况，进而从结构力学的角度分析出船闸是否处于安全运行的状态，以达到实时监测船闸人字门安全状况的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船闸人字门安全状况远程监测系统，包括光学振动检测子系统、光学信号解调子系统、数据处理与显示子系统、加速度与位移转换子系统、数据分析和安全评估子系统；

所述的光学振动检测子系统由光学振动传感器阵列组成，通过光纤进行远程数据传输，将采集到的光信号送入光学信号解调子系统；所述的光学振动传 感器阵列由多个光学振动传感器组成；

所述的光学信号解调子系统将光学信号解调成振动加速度信号；

所述的数据处理与显示子系统将得到的振动加速度信号以波形的形式直观地显示在示波器上；

所述的加速度与位移转换子系统将加速度信号转换成振动位移量；

所述的数据分析和安全评估子系统将得到的振动位移量和水位及人字门门体开合角度信息进行整合，综合分析并判断人字门安全状态。

一种船闸人字门安全状况的远程监测系统的监测方法，包括以下步骤：

A、安装光学振动传感器；

由于船闸人字门门体是由金属钢材制成的，首先需要将选定的光学振动传感器的安装位置用打磨机打磨光滑平整，露出导电层，然后将光学振动传感器的固定端设置焊点，通过点焊的方式将光学振动传感器安装在人字门不同高度处的门轴和门中缝位置，同时采用环氧类封胶技术对光学振动传感器进行防水防腐蚀处理；

B、采集人字门光学振动信息；

在船闸开启和关闭运行过程中，人字门各部位会产生不同频率的振动，通过布设在人字门关键位置的光学振动传感器实时采集门体的光学振动信息；

C、实时解调；

通过光纤作为远程传输介质，将光学振动传感器采集到的门体光学振动信息传输到光学信号解调子系统中，同步实时解调出门体的振动加速度信息；

D、数据处理与显示；

数据处理与显示子系统将解调出来的振动加速度信息进行AD转换并整合时间信息保存在数据文件中，同时根据需要对保存的数据进行模态仿真，在示波器上显示出来；

E、振动加速度转换为振动位移量；

加速度与位移转换子系统读取数据文件中保存的振动加速度信息，经过频域转换为振动位移量，具体变换步骤如下：

将人字门振动加速度做离散傅里叶变换，在频域进行展开，变换公式如下：

$X\left(k\right)=DFT\[x\left(n\right)\]={\mathrm{\Σ}}_0^{N-1}x\left(n\right)e^{-\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)nk}$

式中：n和k为数字量，取值为0、1、2、…、(N-1)，N为离散傅里叶变换 的采样点数，取值为自然数；DFT表示离散傅里叶变换；x(n)经离散傅里叶变换后得到的X(k)是一个长度为N的复数序列，即为x(n)的频谱序列；同时X(k)表示为：

X(k)＝DFT[x(n)]＝[(a₀,jb₀),(a₁,jb₁),...,(a_N-1,jb_N-1)]

其中：a_i、b_i分别表示各谐波成分的实部和虚部，i＝1、2……、N-1；

x(n)中各谐波分量的幅值、圆频率及初相角由下式求出：

$A_K=\sqrt{a_k^2+b_k^2}$

${\mathrm{\ω}}_k=2\Π\frac{k}{T}$

由于任何周期信号都是若干简谐信号的叠加，加速度信号和位移信号分别用如下两式表示：

根据上式求得振动位移的表达式d，并整合水位和人字门开合角的表达式组成人字门振动方程组如下所示：

θ(t)＝λt(人字门处于开闭状态)

H(t)＝mt(人字门处于冲放水状态)

其中：t为时间，λ为人字门门体开合角度变化速度，m为充放水的水位变化速度，θ为当前的门体开合角度，H为当前的水位值；

F、数据分析与安全评估；

数据分析与安全评估子系统对振动数据进行处理，并与历史数据进行比对分析，根据人字门自身设计要求设定振动幅度报警阈值，通过算法程序将监测到的振动数据逐一与阈值进行比较，生成船闸安全状况报表并实时反馈给巡检人员，以达到实时监测船闸安全状况的目的。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明选用光学振动传感器来实时监测门体振动信息量，相比于传统的压电传感器，具有无源、灵敏度高和稳定性强的突出优点，并且便于安装、维护和调试。

2、通过本发明，工作人员可以对船闸人字门安全状态进行实时监测，避免了船闸人字门排空检修带来的经济损失，并且可以快速应对由船闸老化而出现的安全隐患，同时也为以后船闸人字门门体结构设计和材料选取提供了技术支持。

附图说明

本发明共有附图1幅，其中：

图1为船闸人字门安全状态远程监测系统的流程图。

图中：1、光学振动检测子系统，2、光学信号解调子系统，3、数据处理与显示子系统，4、加速度与位移转换子系统，5、数据分析和安全评估子系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明：如图1所示，一种船闸人字门安全状况远程监测系统，包括光学振动检测子系统1、光学信号解调子系统2、数据处理与显示子系统3、加速度与位移转换子系统4、数据分析和安全评估子系统5；

所述的光学振动检测子系统1由光学振动传感器阵列组成，通过光纤进行远程数据传输，将采集到的光信号送入光学信号解调子系统2；所述的光学振动传感器阵列由多个光学振动传感器组成；

所述的光学信号解调子系统2将光学信号解调成振动加速度信号；

所述的数据处理与显示子系统3将得到的振动加速度信号以波形的形式直观地显示在示波器上；

所述的加速度与位移转换子系统4将加速度信号转换成振动位移量；

所述的数据分析和安全评估子系统5将得到的振动位移量和水位及人字门门体开合角度信息进行整合，综合分析并判断人字门安全状态。

一种船闸人字门安全状况的远程监测系统的监测方法，包括以下步骤：

A、安装光学振动传感器；

由于船闸人字门门体是由金属钢材制成的，首先需要将选定的光学振动传感器的安装位置用打磨机打磨光滑平整，露出导电层，然后将光学振动传感器 的固定端设置焊点，通过点焊的方式将光学振动传感器安装在人字门不同高度处的门轴和门中缝位置，同时采用环氧类封胶技术对光学振动传感器进行防水防腐蚀处理；

B、采集人字门光学振动信息；

在船闸开启和关闭运行过程中，人字门各部位会产生不同频率的振动，通过布设在人字门关键位置的光学振动传感器实时采集门体的光学振动信息；

C、实时解调；

通过光纤作为远程传输介质，将光学振动传感器采集到的门体光学振动信息传输到光学信号解调子系统2中，同步实时解调出门体的振动加速度信息；

D、数据处理与显示；

数据处理与显示子系统3将解调出来的振动加速度信息进行AD转换并整合时间信息保存在数据文件中，同时根据需要对保存的数据进行模态仿真，在示波器上显示出来；

E、振动加速度转换为振动位移量；

加速度与位移转换子系统4读取数据文件中保存的振动加速度信息，经过频域转换为振动位移量，具体变换步骤如下：

将人字门振动加速度做离散傅里叶变换，在频域进行展开，变换公式如下：

$X\left(k\right)=DFT\[x\left(n\right)\]={\mathrm{\Σ}}_0^{N-1}x\left(n\right)e^{-\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)nk}$

式中：n和k为数字量，取值为0、1、2、…、(N-1)，N为离散傅里叶变换的采样点数，取值为自然数；DFT表示离散傅里叶变换；x(n)经离散傅里叶变换后得到的X(k)是一个长度为N的复数序列，即为x(n)的频谱序列；同时X(k)表示为：

X(k)＝DFT[x(n)]＝[(a₀,jb₀),(a₁,jb₁),...,(a_N-1,jb_N-1)]

其中：a_i、b_i分别表示各谐波成分的实部和虚部，i＝1、2……、N-1；

x(n)中各谐波分量的幅值、圆频率及初相角由下式求出：

$A_K=\sqrt{a_k^2+b_k^2}$

${\mathrm{\ω}}_k=2\Π\frac{k}{T}$

由于任何周期信号都是若干简谐信号的叠加，加速度信号和位移信号分别用如下两式表示：

根据上式求得振动位移的表达式d，并整合水位和人字门开合角的表达式组成人字门振动方程组如下所示：

θ(t)＝λt(人字门处于开闭状态)

H(t)＝mt(人字门处于冲放水状态)

其中：t为时间，λ为人字门门体开合角度变化速度，m为充放水的水位变化速度，θ为当前的门体开合角度，H为当前的水位值；

F、数据分析与安全评估；

数据分析与安全评估子系统5对振动数据进行处理，并与历史数据进行比对分析，根据人字门自身设计要求设定振动幅度报警阈值，通过算法程序将监测到的振动数据逐一与阈值进行比较，生成船闸安全状况报表并实时反馈给巡检人员，以达到实时监测船闸安全状况的目的。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种船闸人字门安全状况远程监测系统，其特征在于：包括光学振动检测子系统(1)、光学信号解调子系统(2)、数据处理与显示子系统(3)、加速度与位移转换子系统(4)、数据分析和安全评估子系统(5)；

所述的光学振动检测子系统(1)由光学振动传感器阵列组成，通过光纤进行远程数据传输，将采集到的光信号送入光学信号解调子系统(2)；所述的光学振动传感器阵列由多个光学振动传感器组成；

所述的光学信号解调子系统(2)将光学信号解调成振动加速度信号；

所述的数据处理与显示子系统(3)将得到的振动加速度信号以波形的形式直观地显示在示波器上；

所述的加速度与位移转换子系统(4)将加速度信号转换成振动位移量；

所述的数据分析和安全评估子系统(5)将得到的振动位移量和水位及人字门门体开合角度信息进行整合，综合分析并判断人字门安全状态。

2.一种船闸人字门安全状况的远程监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、安装光学振动传感器；

由于船闸人字门门体是由金属钢材制成的，首先需要将选定的光学振动传感器的安装位置用打磨机打磨光滑平整，露出导电层，然后将光学振动传感器的固定端设置焊点，通过点焊的方式将光学振动传感器安装在人字门不同高度处的门轴和门中缝位置，同时采用环氧类封胶技术对光学振动传感器进行防水防腐蚀处理；

B、采集人字门光学振动信息；

在船闸开启和关闭运行过程中，人字门各部位会产生不同频率的振动，通过布设在人字门关键位置的光学振动传感器实时采集门体的光学振动信息；

C、实时解调；

通过光纤作为远程传输介质，将光学振动传感器采集到的门体光学振动信息传输到光学信号解调子系统(2)中，同步实时解调出门体的振动加速度信息；

D、数据处理与显示；

数据处理与显示子系统(3)将解调出来的振动加速度信息进行AD转换并 整合时间信息保存在数据文件中，同时根据需要对保存的数据进行模态仿真，在示波器上显示出来；

E、振动加速度转换为振动位移量；

加速度与位移转换子系统(4)读取数据文件中保存的振动加速度信息，经过频域转换为振动位移量，具体变换步骤如下：

将人字门振动加速度做离散傅里叶变换，在频域进行展开，变换公式如下：

式中：n和k为数字量，取值为0、1、2、…、(N-1)，N为离散傅里叶变换的采样点数，取值为自然数；DFT表示离散傅里叶变换；x(n)经离散傅里叶变换后得到的X(k)是一个长度为N的复数序列，即为x(n)的频谱序列；同时X(k)表示为：

X(k)＝DFT[x(n)]＝[(a₀,jb₀),(a₁,jb₁),...,(a_N-1,jb_N-1)]

其中：a_i、b_i分别表示各谐波成分的实部和虚部，i＝1、2……、N-1；

x(n)中各谐波分量的幅值、圆频率及初相角由下式求出：

由于任何周期信号都是若干简谐信号的叠加，加速度信号和位移信号分别用如下两式表示：

根据上式求得振动位移的表达式d，并整合水位和人字门开合角的表达式组成人字门振动方程组如下所示：

θ(t)＝λt，人字门处于开闭状态；

H(t)＝mt，人字门处于冲放水状态；

其中：t为时间，λ为人字门门体开合角度变化速度，m为充放水的水位变化速度，θ为当前的门体开合角度，H为当前的水位值；

F、数据分析与安全评估；

数据分析与安全评估子系统(5)对振动数据进行处理，并与历史数据进行比对分析，根据人字门自身设计要求设定振动幅度报警阈值，通过算法程序将监测到的振动数据逐一与阈值进行比较，生成船闸安全状况报表并实时反馈给巡检人员，以达到实时监测船闸安全状况的目的。