CN110440707A - 一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统和方法，在软体排服役期间，分布式光纤传感器实时采集并向光纤解调仪输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；光纤解调仪接收并处理采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号并进行发送；无线传输模块将电信号传输至终端计算机；终端计算机接收并处理电信号，得到软体排的变形信息；终端计算机基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议。本发明可填补目前软体排服役状态实时监测与评价的技术短板，方便管理人员实时掌握软体排运行状态，对于内河智能航道建设具有促进作用，并可为内河航道整治建筑物服役状态智能感知及多源信息融合的发展提供参考。

Description

一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统 和方法

技术领域

本发明属于航道整治建筑物健康监测及状态评价技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统和方法。

背景技术

软体排是航道整治工程中边滩、岸坡的防护应用较为广泛的一种柔性防护措施，在实际工程应用中，排体守护下的边滩、岸坡的坡脚由于受到水流的侵蚀，发生坡脚的淘刷，容易造成排体的变形、破坏。

基于上述原因，若能及早发现软体排的变形和初期破坏，便可采取有效措施进行修复，保障软体排的服役状态，大幅度延长其服役寿命。

目前长江航道高边滩排体护滩带服役状态实时监测与稳定性评价存在的短板，如排体变形监测技术不成熟及稳定性评价方法不完善等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种可以远程、实时、动态地监测及评价软体排的变形、变位情况的基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统和方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，包括若干组分布式光纤传感器、光纤解调仪、开关控制模块、终端计算机、无线传输模块和太阳能供电模块；

所述分布式光纤传感器固定于软体排上，用于实时采集并向光纤解调仪输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；

所述光纤解调仪通过开关控制模块与分布式光纤传感器连接，用于接收并处理所述分布式光纤传感器采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号；

所述开关控制模块，用于控制光纤通路的开关；

所述终端计算机，用于向开关控制模块发送光纤通路的开关控制信号，接收并处理光纤解调仪发送的电信号，得到软体排的变形信息，并基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议；

所述无线传输模块，用于终端计算机与开关控制模块和光纤解调仪之间信号的无线传输；

所述太阳能供电模块，用于为分布式光纤传感器、光纤解调仪、无线传输模块和开关控制模块供电。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的所述分布式光纤传感器包括两股并行光纤，分别为应变传感光纤和温度补偿光纤；

所述应变传感光纤，用于生成并传递软体排形变信号；

所述温度补偿光纤，用于生成并传递环境温度信号。

上述的所述应变传感光纤和温度补偿光纤依靠软体排排面上预留的扎带进行绑扎固定，在施工过程中与软体排压载块体同步布设在软体排排布上。

上述的所述分布式光纤传感器的两股并行光纤线路各自独立。

上述的所述分布式光纤传感器分四组布设于软体排排布上，其中一组沿排体边缘呈U型布设，另外三组在软体排内部沿排长方向等间距平行布设。

上述的光纤解调仪为能够基于布里渊光时域反射技术的光纤形变测量的光纤解调仪。

上述的所述太阳能供电模块的通过外设太阳能供电桩实现供电。

一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统的软体排服役状态实时监测及评价方法，包括以下步骤：

S1：在软体排服役期间，分布式光纤传感器实时采集并向光纤解调仪输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；

S2：光纤解调仪接收并处理所述分布式光纤传感器采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号并进行发送；

S3：无线传输模块将光纤解调仪发送的电信号传输至终端计算机；

S4：终端计算机接收并处理光纤解调仪发送的电信号，得到软体排的变形信息；

S5：终端计算机基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议。

上述的步骤S5，所述终端计算机基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议，具体为：

基于软体排的变形信息计算排体断面单宽水毁率与排体水毁面积比；

基于排体断面单宽水毁率与排体水毁面积比的分布范围，确定软体排的服役状态，从而给出维护建议。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出的软体排服役状态监测方法可以远程、实时、动态地监测到软体排的变形、变位情况；

2.基于排体变形的监测数据，结合本发明提出的软体排服役状态评价方法，可实时给出软体排服役状态，保障软体排的安全稳定与整治效果；

3.本发明可填补目前软体排服役状态实时监测与评价的技术短板，方便管理人员实时掌握软体排运行状态，对于内河智能航道建设具有促进作用，并可为内河航道整治建筑物服役状态智能感知及多源信息融合的发展提供参考。

附图说明

图1是本发明一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中排体水毁指标测量示意图。

其中的附图标记为：终端计算机1、无线传输模块2、光纤解调仪3、开关控制模块4、太阳能供电模块5和分布式光纤传感器6。

具体实施方式

以下结合附图，以安徽省安庆市望江县城关镇东北2.5公里长江下游东流水道玉带洲右缘软体排护岸工程为例，对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，包括若干组分布式光纤传感器6、光纤解调仪3、开关控制模块4、终端计算机1、无线传输模块2和太阳能供电模块5；

所述分布式光纤传感器6固定于软体排上，用于实时采集并向光纤解调仪3输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；

实施例中，所述分布式光纤传感器6包括两股并行光纤，分别为应变传感光纤和温度补偿光纤；

所述应变传感光纤，用于生成并传递软体排形变信号；

所述温度补偿光纤，用于生成并传递环境温度信号。

基于布里渊散射原理，两股光纤所生成的信号被传递至所述光纤解调仪3中进行处理，可得到反映软体排变形信息的数字信号，并通过无线传输模块2将数据传送至终端计算机1进行处理。

所述应变传感光纤和温度补偿光纤依靠软体排排面上预留的扎带进行绑扎固定，在施工过程中与软体排压载块体同步布设在软体排排布上。

所述分布式光纤传感器6的两股并行光纤线路各自独立。

所述分布式光纤传感器6分四组布设于软体排排布上，其中一组沿排体边缘呈U型布设，另外三组在软体排内部沿排长方向等间距平行布设，每组沿排宽方向间距为10.0m。

所述光纤解调仪3通过开关控制模块4与分布式光纤传感器6连接，用于接收并处理所述分布式光纤传感器6采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号；

实施例中，所述光纤解调仪3需选择能够基于布里渊光时域反射技术的光纤形变测量的光纤解调仪，如NZS-FGB-A02。

所述开关控制模块4，用于控制光纤通路的开关；

所述终端计算机1，用于向开关控制模块4发送光纤通路的开关控制信号，接收并处理光纤解调仪3发送的电信号，得到软体排的变形信息，并基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议；

所述无线传输模块2，用于终端计算机1与开关控制模块4和光纤解调仪3之间信号的无线传输；

所述太阳能供电模块5，用于为分布式光纤传感器6、光纤解调仪3、无线传输模块2和开关控制模块4供电。

实施例中，所述太阳能供电模块5的通过外设太阳能供电桩实现供电。

实施例中，无线传输模块2、光纤解调仪3、开关控制模块4可放置在岸坡高处的室内，太阳能供电模块5可布设于室外，为仪器设备进行全天候的供电。

本发明的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价方法，包括以下步骤：

S1：在软体排服役期间，分布式光纤传感器6实时采集并向光纤解调仪3输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；

S2：光纤解调仪3接收并处理所述分布式光纤传感器6采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号并进行发送；

S3：无线传输模块2将光纤解调仪3发送的电信号传输至终端计算机1；

S4：终端计算机1接收并处理光纤解调仪3发送的电信号，得到软体排的变形信息；

S5：终端计算机1基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议，具体为：

基于软体排的变形信息计算排体断面单宽水毁率与排体水毁面积比；

基于排体断面单宽水毁率与排体水毁面积比的分布范围，确定软体排的服役状态，从而给出维护建议。

其中，单宽水毁率是用来表征单个断面水毁程度的指标，是判别是否需要维护的主要指标，其计算公式为：

式中，d_cs为单宽水毁率；l_d为断面冲刷沉降长度，其计算方式为通过对相同监测光纤在不同时期的应变监测数据进行做差分析，应变差值具有显著变化的区域即为发生冲刷、沉降的区域，确定该段长度即为断面冲刷长度；L为监测断面总长。

对于沉降冲刷发生显著变化的区域可将测量差值以图形进行表述，应变差值沿光缆变化曲线上明显的拐点即为断面发生冲刷沉降的起止点。

水毁面积比是用来表征排体整体水毁程度的指标，其计算公式为：

式中，d_a为水毁面积比，A_d为发生冲刷沉降的排体面积，是沿排体断面监测光纤断面沉降起止点的连线形成沉降区域的面积；A为全部监测的总面积。

具体的测量如2图所示；

基于单宽水毁率指标的分布范围，提出“安全-中介-失效”的三种服役状态，三种状态及对应的单宽水毁率如下表所示。

表1服役状态与评价指标对应

结合上述评价体系，基于原型排体的监测数据，计算其评价指数，并对其评价指数的发展趋势进行评估与预警，提出维护建议，及时维修处于中介状态的排体，保障软体排的处于安全服役状态。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

包括若干组分布式光纤传感器(6)、光纤解调仪(3)、开关控制模块(4)、终端计算机(1)、无线传输模块(2)和太阳能供电模块(5)；

所述分布式光纤传感器(6)固定于软体排上，用于实时采集并向光纤解调仪(3)输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；

所述光纤解调仪(3)通过开关控制模块(4)与分布式光纤传感器(6)连接，用于接收并处理所述分布式光纤传感器(6)采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号；

所述开关控制模块(4)，用于控制光纤通路的开关；

所述终端计算机(1)，用于向开关控制模块(4)发送光纤通路的开关控制信号，接收并处理光纤解调仪(3)发送的电信号，得到软体排的变形信息，并基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议；

所述无线传输模块(2)，用于终端计算机(1)与开关控制模块(4)和光纤解调仪(3)之间信号的无线传输；

所述太阳能供电模块(5)，用于为分布式光纤传感器(6)、光纤解调仪(3)、无线传输模块(2)和开关控制模块(4)供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

所述分布式光纤传感器(6)包括两股并行光纤，分别为应变传感光纤和温度补偿光纤；

所述应变传感光纤，用于生成并传递软体排形变信号；

所述温度补偿光纤，用于生成并传递环境温度信号。

3.根据权利要求2所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

所述应变传感光纤和温度补偿光纤依靠软体排排面上预留的扎带进行绑扎固定，在施工过程中与软体排压载块体同步布设在软体排排布上。

4.根据权利要求2所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

所述分布式光纤传感器(6)的两股并行光纤线路各自独立。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

所述分布式光纤传感器(6)分四组布设于软体排排布上，其中一组沿排体边缘呈U型布设，另外三组在软体排内部沿排长方向等间距平行布设。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

所述光纤解调仪(3)为能够基于布里渊光时域反射技术的光纤形变测量的光纤解调仪。

7.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统，其特征在于：

所述太阳能供电模块(5)的通过外设太阳能供电桩实现供电。

8.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统的软体排服役状态实时监测及评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在软体排服役期间，分布式光纤传感器(6)实时采集并向光纤解调仪(3)输送反映软体排形变和环境温度的物理信号；

S2：光纤解调仪(3)接收并处理所述分布式光纤传感器(6)采集到的物理信号，将物理信号转换为电信号并进行发送；

S3：无线传输模块(2)将光纤解调仪(3)发送的电信号传输至终端计算机(1)；

S4：终端计算机(1)接收并处理光纤解调仪(3)发送的电信号，得到软体排的变形信息；

S5：终端计算机(1)基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议。

9.根据权利要求8所述的一种基于分布式光纤的软体排服役状态实时监测及评价系统的软体排服役状态实时监测及评价方法，其特征在于：

步骤S5所述终端计算机(1)基于软体排的变形信息，评价软体排的服役状态，从而给出维护建议，具体为：

基于软体排的变形信息计算排体断面单宽水毁率与排体水毁面积比；

基于排体断面单宽水毁率与排体水毁面积比的分布范围，确定软体排的服役状态，从而给出维护建议。