CN106338310A - 一种船闸反弧门安全状态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反弧门安全状态的远程监测系统及其监测方法，所述的系统包括振动检测子系统、位置检测子系统、嵌入式处理器、信号解调子系统、多路并行数据传输子系统、云端数据库、数据分析与安全评估子系统；所述的振动检测子系统和位置检测子系统的输出端分别连接嵌入式处理器的输入端，嵌入式处理器的输出端依次与信号解调子系统、多路并行数据传输子系统、云端数据库、数据分析与安全评估子系统串联。本发明通过布设传感器来监测反弧门是否抵达全关位，一是用倾角传感器阵列，标定全关位为零度，通过角度来判断；二是压电振动传感器阵列，如果止水不严，振动会出现异常，用来辅助判断门体是否抵达全关位。

Description

一种船闸反弧门安全状态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，特别涉及一种船闸反弧门安全状态在线监测系统及其监测方法。

背景技术

船闸反弧门长期工作于深水环境，其底止水板靠重力、水压作用与底坎埋件形成橡胶止水密封。受其本身重力及高水头水压作用，反弧门长期的频繁启闭，会导致反弧门传动链磨损严重，导致控制系统对反弧门下落的位置控制误差变大。而当反弧门下落没有到位，将导致反弧门止水不严，发生漏水现象。当反弧门止水损坏或反弧门密封不严发生漏水，在高水头水压作用下，反弧门会发生振动加剧异常，长此以往就可能发生反弧门枢轴处断裂，引发事故，这不但影响通航安全，还将带来严重的社会影响和经济损失。因此，对船闸反弧门启闭过程中全开及全关位的准确位置判定，以及门体振动信息的同步采样及处理，对实现反弧门升降的精确控制，具有重要现实意义。

而现有技术中，申请人曾提出了《一种船闸人字门安全状况的远程监测系统及其监测方法》(专利申请号CN201610574787.1)，该发明的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。该发明选用光学振动传感器来实时监测门体振动信息量，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。通过该发明，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。

但人字门的安全监测主要涉及三个方面：应变、裂纹和振动；其中振动的监测采用的是光学振动传感器；而反弧门并不需要监测应变和裂纹，反弧门的工作原理是：在船闸冲放水的过程中，当反弧门处于全关位时，起到止水的作用，反弧门门体内侧挡住闸室向下游泄水，此时闸室充水，使得船闸内的水位与上游水位持平；当反弧门处于全开位时，船闸内水经由闸室流向下游，使船闸内水位与下游水位持平；而监测其安全状态的主要目的是监测反弧门是否刚好抵达全关位，反弧门是通过其上端固定的传动链拉动门体沿枢轴做弧形运动，当反弧门下落没有到位，将导致反弧门止水不严，发生漏水现象，在高压水的作用下振动会异常剧烈，长此以往，反弧门枢轴处容易断裂；如果下落过甚，将挤压底层钢板结构(门体本身比较重)。由于人字门和反弧门的监测原理内容不相同，所以，该发明不能用于船闸反弧门安全状态的远程监测。

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现实时监测反弧门是否刚好抵达全关位并排除安全隐患的船闸反弧门安全状态的远程监测系统及其监测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种船闸反弧门安全状态的远程监测系统，包括振动检测子系统、位置检测子系统、嵌入式处理器、信号解调子系统、多路并行数据传输子系统、云端数据库、数据分析与安全评估子系统；所述的振动检测子系统和位置检测子系统的输出端分别连接嵌入式处理器的输入端，嵌入式处理器的输出端依次与信号解调子系统、多路并行数据传输子系统、云端数据库、数据分析与安全评估子系统串联；

所述的振动检测子系统和位置检测子系统分别由压电振动传感器阵列和倾角传感器阵列组成；

所述的振动检测子系统通过监测反弧门门体振动信息来判定反弧门是否抵达全关位；

所述的位置检测子系统用于监测反弧门在开启闭运行过程中的旋转角度，从而确定反弧门的运行位置信息；

所述的嵌入式处理器将监测到的振动信息和角度信息进行隔离、放大、补偿、变换，送至信号解调子系统；

所述的信号解调子系统包括振动解调仪，将处理后的模拟信号实时解调成数字信号；

所述的多路并行数据传输子系统将解调出的数字信号以并行的方式高效、快速的上传到云端数据库中；

所述的云端数据库实现数据的实时存储、刷新；

所述的数据分析与安全评估子系统通过访问云端数据库，获取反弧门门体的振动信息和位置信息，并与历史数据和安全运行规范标准进行比对分析，从而综合判断反弧门安全状态。

一种船闸反弧门安全状态的远程监测系统的监测方法，包括以下步骤：

A、布置传感器

在反弧门运行过程中振动比较明显的枢轴和侧板两侧布置压电振动传感器阵列，在枢轴和门体吊耳轴位置布置倾角传感器阵列；

B、数据采集

安装在反弧门门体上的压电振动传感器阵列和倾角传感器阵列实时采集门体在运行过程中的振动信息和角度信息，对采集到振动信息和角度信息通过线缆经多路数据转换装置送至嵌入式处理器；

C、实时解调

信号解调子系统实时解调出反弧门门体的振动信息和位置信息；

为得到反弧门门体的振动加速度、速度和振动位移量，通过信号解调子系统将反弧门门体的振动信息和位置信息的电学量转换为相应的运动学量，其中振动加速度的转换公式如下：

$a=\frac{v}{gain*s}$

式中：a为振动加速度，v为输出电压，gain为振动解调仪增益系数，s为压电振动传感器灵敏度；

根据振动加速度求取速度与振动位移量的转换公式如下：

$v=\underset{t}{\overset{T}{\∫}}ad\mathrm{\ξ}$

$s=\∫\underset{t}{\overset{T}{\∫}}{\mathrm{ad\ξ}}^2$

式中：v为速度，s为位移，t为起始时间，T为结束时间，dξ为时间的微分量；

反弧门所处位置的角度值由下式确定：

$\mathrm{\θ}=arcsin\frac{F}{mg}$

式中：F为倾角传感器受力大小，m为反弧门门体质量，g为重力加速度，θ为反弧门门体与标定的零度基准面的夹角；

D、数据呈现

云端数据库将振动信息和位置信息进行汇总、存储、备份，保存为电子文档的形式，同时根据需要对保存的振动信息进行模态仿真，在示波器上显示出来；

E、安全评估与远程监管

数据分析与安全评估子系统从云端数据库中读取汇总后的数据，通过振动波形和振动位移量与反弧门处于全关位的情况进行比对，如果波形振动异常、波峰过高、振动位移量超过设定阈值的10％，则判断反弧门止水不严，根据反弧门所处位置的角度θ与良好运行工况下标定的全关位零度的差值来确定反弧门的位置，若θ>0.001°，门体位于零度基准面之上，则认为门体下落没有到位；若θ<0.001°，门体位于零度基准面之下，则认为门体下落过甚；同时结合门体自身设计要求、规范，综合分析，对于异常情况，则给予预警提示，及时通知巡检人员，从而实现对反弧门安全状态的远程监管。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过布设传感器来监测反弧门是否抵达全关位，一是用倾角传感器阵列，标定全关位为零度，通过角度来判断；二是压电振动传感器阵列，如果止水不严，振动会出现异常，用来辅助判断门体是否抵达全关位。

2、本发明通过振动传感器和倾角传感器远程实时监测反弧门运行时的振动和角度信息，结合数据处理、分析及专家系统，实现了对反弧门启闭过程中的全线、全天候感知与监控。

3、通过本发明，工作人员可以实时了解和掌握船闸反弧门在运行过程中的位置状态及止水状况，为反弧门机械/金属结构的故障诊断及事故成因提供关键信息，便于及时排除安全隐患，保障反弧门的高效、稳定、可靠运行。

附图说明

本发明共有附图2幅，其中：

图1为船闸反弧门远程安全状态监测系统的流程图。

图2为船闸反弧门门体结构示意图。

图中：1、振动检测子系统，2、位置检测子系统，3、嵌入式处理器，4、信号解调子系统，5、多路并行数据传输子系统，6、云端数据库，7、数据分析与安全评估子系统，8、枢轴，9、门体吊耳轴，10、侧板。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种船闸反弧门安全状态的远程监测系统，包括振动检测子系统1、位置检测子系统2、嵌入式处理器3、信号解调子系统4、多路并行数据传输子系统5、云端数据库6、数据分析与安全评估子系统7；所述的振动检测子系统1和位置检测子系统2的输出端分别连接嵌入式处理器3的输入端，嵌入式处理器3的输出端依次与信号解调子系统4、多路并行数据传输子系统5、云端数据库6、数据分析与安全评估子系统7串联；

所述的振动检测子系统1和位置检测子系统2分别由压电振动传感器阵列和倾角传感器阵列组成；

所述的振动检测子系统1通过监测反弧门门体振动信息来判定反弧门是否抵达全关位；

所述的位置检测子系统2用于监测反弧门在开启闭运行过程中的旋转角度，从而确定反弧门的运行位置信息；

所述的嵌入式处理器3将监测到的振动信息和角度信息进行隔离、放大、补偿、变换，送至信号解调子系统4；

所述的信号解调子系统4包括振动解调仪，将处理后的模拟信号实时解调成数字信号；

所述的多路并行数据传输子系统5将解调出的数字信号以并行的方式高效、快速的上传到云端数据库6中；

所述的云端数据库6实现数据的实时存储、刷新；

所述的数据分析与安全评估子系统7通过访问云端数据库6，获取反弧门门体的振动信息和位置信息，并与历史数据和安全运行规范标准进行比对分析，从而综合判断反弧门安全状态。

如图1-2所示，一种船闸反弧门安全状态的远程监测系统的监测方法，包括以下步骤：

A、布置传感器

在反弧门运行过程中振动比较明显的枢轴8和侧板10两侧布置压电振动传感器阵列，在枢轴8和门体吊耳轴9位置布置倾角传感器阵列；

B、数据采集

安装在反弧门门体上的压电振动传感器阵列和倾角传感器阵列实时采集门体在运行过程中的振动信息和角度信息，对采集到振动信息和角度信息通过线缆经多路数据转换装置送至嵌入式处理器3；

C、实时解调

信号解调子系统4实时解调出反弧门门体的振动信息和位置信息；

为得到反弧门门体的振动加速度、速度和振动位移量，通过信号解调子系统4将反弧门门体的振动信息和位置信息的电学量转换为相应的运动学量，其中振动加速度的转换公式如下：

$a=\frac{v}{gain*s}$

式中：a为振动加速度，v为输出电压，gain为振动解调仪增益系数，s为压电振动传感器灵敏度；

根据振动加速度求取速度与振动位移量的转换公式如下：

$v=\underset{t}{\overset{T}{\&Integral;}}ad\mathrm{\&xi;}$

$s=\&Integral;\underset{t}{\overset{T}{\&Integral;}}{\mathrm{ad\&xi;}}^2$

式中：v为速度，s为位移，t为起始时间，T为结束时间，dξ为时间的微分量；

反弧门所处位置的角度值由下式确定：

$\mathrm{\&theta;}=arcsin\frac{F}{mg}$

式中：F为倾角传感器受力大小，m为反弧门门体质量，g为重力加速度，θ为反弧门门体与标定的零度基准面的夹角；

D、数据呈现

云端数据库6将振动信息和位置信息进行汇总、存储、备份，保存为电子文档的形式，同时根据需要对保存的振动信息进行模态仿真，在示波器上显示出来；

E、安全评估与远程监管

数据分析与安全评估子系统7从云端数据库6中读取汇总后的数据，通过振动波形和振动位移量与反弧门处于全关位的情况进行比对，如果波形振动异常、波峰过高、振动位移量超过设定阈值的10％，则判断反弧门止水不严，根据反弧门所处位置的角度θ与良好运行工况下标定的全关位零度的差值来确定反弧门的位置，若θ>0.001°，门体位于零度基准面之上，则认为门体下落没有到位；若θ<0.001°，门体位于零度基准面之下，则认为门体下落过甚；同时结合门体自身设计要求、规范，综合分析，对于异常情况，则给予预警提示，及时通知巡检人员，从而实现对反弧门安全状态的远程监管。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，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，倘若对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 (2)

1.一种船闸反弧门安全状态的远程监测系统，其特征在于：包括振动检测子系统(1)、位置检测子系统(2)、嵌入式处理器(3)、信号解调子系统(4)、多路并行数据传输子系统(5)、云端数据库(6)、数据分析与安全评估子系统(7)；所述的振动检测子系统(1)和位置检测子系统(2)的输出端分别连接嵌入式处理器(3)的输入端，嵌入式处理器(3)的输出端依次与信号解调子系统(4)、多路并行数据传输子系统(5)、云端数据库(6)、数据分析与安全评估子系统(7)串联；

所述的振动检测子系统(1)和位置检测子系统(2)分别由压电振动传感器阵列和倾角传感器阵列组成；

所述的振动检测子系统(1)通过监测反弧门门体振动信息来判定反弧门是否抵达全关位；

所述的位置检测子系统(2)用于监测反弧门在开启闭运行过程中的旋转角度，从而确定反弧门的运行位置信息；

所述的嵌入式处理器(3)将监测到的振动信息和角度信息进行隔离、放大、补偿、变换，送至信号解调子系统(4)；

所述的信号解调子系统(4)包括振动解调仪，将处理后的模拟信号实时解调成数字信号；

所述的多路并行数据传输子系统(5)将解调出的数字信号以并行的方式高效、快速的上传到云端数据库(6)中；

所述的云端数据库(6)实现数据的实时存储、刷新；

所述的数据分析与安全评估子系统(7)通过访问云端数据库(6)，获取反弧门门体的振动信息和位置信息，并与历史数据和安全运行规范标准进行比对分析，从而综合判断反弧门安全状态。

2.一种船闸反弧门安全状态的远程监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、布置传感器

在反弧门运行过程中振动比较明显的枢轴(8)和侧板(10)两侧布置压电振动传感器阵列，在枢轴(8)和门体吊耳轴(9)位置布置倾角传感器阵列；

B、数据采集

安装在反弧门门体上的压电振动传感器阵列和倾角传感器阵列实时采集门体在运行过程中的振动信息和角度信息，对采集到振动信息和角度信息通过线缆经多路数据转换装置送至嵌入式处理器(3)；

C、实时解调

信号解调子系统(4)实时解调出反弧门门体的振动信息和位置信息；

为得到反弧门门体的振动加速度、速度和振动位移量，通过信号解调子系统(4)将反弧门门体的振动信息和位置信息的电学量转换为相应的运动学量，其中振动加速度的转换公式如下：

$a=\frac{v}{gain*s}$

式中：a为振动加速度，v为输出电压，gain为振动解调仪增益系数，s为压电振动传感器灵敏度；

根据振动加速度求取速度与振动位移量的转换公式如下：

$v=\underset{t}{\overset{T}{\&Integral;}}ad\mathrm{\&xi;}$

$s=\&Integral;\underset{t}{\overset{T}{\&Integral;}}{\mathrm{ad\&xi;}}^2$

式中：v为速度，s为位移，t为起始时间，T为结束时间，dξ为时间的微分量；

反弧门所处位置的角度值由下式确定：

$\mathrm{\&theta;}=arcsin\frac{F}{mg}$

式中：F为倾角传感器受力大小，m为反弧门门体质量，g为重力加速度，θ为反弧门门体与标定的零度基准面的夹角；

D、数据呈现

云端数据库(6)将振动信息和位置信息进行汇总、存储、备份，保存为电子文档的形式，同时根据需要对保存的振动信息进行模态仿真，在示波器上显示出来；

E、安全评估与远程监管

数据分析与安全评估子系统(7)从云端数据库(6)中读取汇总后的数据，通过振动波形和振动位移量与反弧门处于全关位的情况进行比对，如果波形振动异常、波峰过高、振动位移量超过设定阈值的10％，则判断反弧门止水不严，根据反弧门所处位置的角度θ与良好运行工况下标定的全关位零度的差值来确定反弧门的位置，若θ>0.001°，门体位于零度基准面之上，则认为门体下落没有到位；若θ<0.001°，门体位于零度基准面之下，则认为门体下落过甚；同时结合门体自身设计要求、规范，综合分析，对于异常情况，则给予预警提示，及时通知巡检人员，从而实现对反弧门安全状态的远程监管。