CN112188321A - 一种水下生产立管加速度监测系统与监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种水下生产立管加速度监测系统与监测方法，属于海洋浮式平台水下结构的监测技术领域。该方法中数据压缩模块采用固定的观测矩阵对于加速度传感器采集数据进行压缩处理，得到远低于原始采样频率的压缩数据，经由水声传输模块转化为水声信号传递给平台监测基站的水声接收系统后，对压缩信号进行重构，得到高保真率的重构信号，并由工控机进行存储、显示及数据分析，实现对于水下生产立管加速度及水深数据的在线监测与实时分析。该方法有效解决水声传输带宽窄、数据易丢失的问题，降低对于硬件的要求，减轻水下监测系统的工作负担，同时减轻水声传输的传输压力，可广泛应用于海洋浮式平台水下结构的监测技术领域中。
Description
技术领域
本发明是一种水下生产立管加速度监测系统与监测方法，属于海洋浮式平台水下结构的监测技术领域。
背景技术
生产立管是海洋浮式平台生产系统的主要部分，是海底井口与平台的传输管线。在波浪力、海流力等环境外力的综合作用下，引起立管的结构出现涡激振动等行为运动。从而导致立管拖曳力过大发生变形以及疲劳损伤。此外，平台在海流作用下慢漂，导致立管受力而破坏失效。因此，为了对生产立管的设计提供信息，从而确保立管的正常工作，生产中急需要对立管进行现场监测。
对生产立管的监测需要在立管上布置相应的传感器。目前，对于生产立管的监测，许多生产平台采用通过监测立管顶部张力的形式来直接获得立管的顶张力。然而，这种方法只能获得立管端部的受力情况，而无法测量由海流力和波浪力作用下立管各节点的所引起的运动情况。
因此，研究人员通过监测生产立管的运动姿态结合水深等信息计算得立管的运动响应。目前，水下测量装置主要采用在线式和自容式，在线式监测装置通过电缆给设备供电，同时将水下传感器所测得的数据以电信号的方式通过电缆传输至水上的终端进行处理。然而，线缆需要根据立管与平台的相对运动进行收放，对线缆的布置带来影响。同时，线缆长时间暴露于海洋环境中，为长期监测带来了限制。现有的自容式水下监测装置无法实现实时数据传输信号，也无法获知传感的结构状态和运行状态。
水声传输技术作为无线传输技术中的一种，在水下结构监测中的应用前景十分宽广。但由于传输介质复杂及传感器限制，水声传输技术仍然存在着带宽窄、传输数据易丢失的问题。
压缩感知技术作为一个新的采样理论，通过开发信号的系数特性，在远小于奈奎斯特采样率的条件下，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法进行信号重建。压缩感知理论基于信号的可压缩性，通过低维空间、低分辨率、欠奈奎斯特采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知，丰富了关于信号的优化策略，促进了数学理论与工程实际的结合。
基于压缩感知技术的水下生产立管姿态监测系统可以实时监测水下生产立管姿态水声信息并传输到平台基站，相比于线缆方式大大节约了成本、提高了效率。
发明内容
针对上述问题，本发明专利的目的是提供一种水下生产立管加速度监测系统与监测方法。该监测系统与监测方法有效解决水声传输带宽窄、数据易丢失的问题，降低对于硬件的要求，减轻水下监测系统的工作负担，同时减轻水声传输的传输压力，可广泛应用于海洋浮式平台水下结构的监测。
本发明采用的技术方案是：一种水下生产立管加速度监测系统，该监测系统包括水下监测系统和平台监测基站，所述水下监测系统采用监测系统微处理器与水声传输模块、时钟同步模块、电源管理模块、数据存储模块、数据压缩模块电连接，数据压缩模块与加速度传感器、水深传感器电连接；所述平台监测基站采用监测基站微处理器与水声接收模块、工控机电连接；所述水声传输模块与水声接收模块之间采用水声信息的无线传输；所述水深传感器和加速度传感器的预设参数包括采集时间、采样时长、休眠时间和采样频率；所述时钟同步模块为监测系统微处理器提供当前时间以及当监测系统微处理器休眠时，采用报警模式定时产生中断信号以唤醒监测系统微处理器；所述电源管理模块通过充电电池为各用电部件进行供电；当水下监测系统预设参数需要调整时，所述水声传输模块接收平台监测基站发送的调节指令；所述监测系统微处理器控制加速度传感器和水深传感器的启动或停止，传递参数调节指令。
所述的一种水下生产立管加速度监测方法，该监测方法包括以下步骤：
A、将水下监测系统安装到水下生产立管指定位置，各部件根据预设参数开始工作；
B、加速度传感器与水深传感器采集到原始信号X，
原始信号X为RN空间内N×1维的列向量，其中原始信号X被正交基矩阵Ψ稀疏表示为：X＝Ψα；
Ψ-1＝ΨT；
C、加速度传感器与水深传感器将采集的原始信号X传递到数据压缩模块，数据压缩模块利用预设的观测矩阵Φ对原始信号X进行压缩处理，得到远小于原始信号维度的压缩信号Y，
其中Y＝ΦX＝ΦΨα＝Θα，
M＜N；Θ为压缩矩阵，M为压缩信号数据长度，N为原始信号数据长度，观测矩阵Φ选用高斯随机矩阵或部分哈德玛矩阵；
D、数据压缩模块将压缩信号Y和原始信号X传递给监测系统微处理器，监测系统微处理器将原始信号X传递到数据存储模块进行数据存储，压缩信号Y被传递到水声传输模块；
E、水声传输模块将压缩信号Y转化为水声信号，通过水声无线通讯的方式传递给平台监测基站的水声接收模块；
F、水声接收模块接收到接收信号
为Y部分丢失的信号；若丢失数据个数为N1，则此时
为(M-N1)维的列向量，其中N1为丢失信号数据长度；
G、水声接收模块将接收信号
传递给监测基站微处理器，监测基站微处理器将接收信号
进行重构，根据得到的接收信号
的数据个数，确定部分丢失观测矩阵
的大小；
为观测矩阵Φ丢失对应行向量后所得矩阵；通过求解L1范数最优解问题来重构稀疏向量α：
重构得到重构信号
所述监测基站微处理器将接收信号
重构的算法采用CVX算法或特征正交匹配追踪算法；
H、监测基站微处理器将重构得到的重构信号
传递给平台监测基站的工控机，并由工控机进行数据存储、显示及数据分析。
所述监测基站微处理器将接收信号
重构的算法采用CVX算法或特征正交匹配追踪算法。
本发明具有以下优点：
1、本发明由于设置有加速度传感器、数据压缩模块、微处理器和水声传输模块，利用数据压缩模块对采集到的加速度信息进行压缩处理，在减少数据传输量的同时，可以保证原始信息得到完整保留。
2、该监测系统利用水声通讯对测量点的水深和加速度数据进行实时传输，可自由设定水位计和加速度传感器的采样时间和采样频率等参数，可自主设置压缩率及更改观测矩阵，起到加密效果。
3、水下监测系统整体密封在防水监测系统外壳中，方便于水下安装，监测系统外壳采用钛合金或不锈钢金属密封筒，具有防水耐压的优点。
4、该监测系统采用水声传输模式进行信号传递，可以直接在平台监测基站接收、处理及保存信息，省去了打捞传感器、拷贝数据的过程。
5、该监测系统采用水声传输模式进行信号传递，可以根据分析所得的数据对水下监测系统进行实时监控，从而了解水下设备的工作状态。若传感器发生故障，可以及时发现并反馈给工作人员进行维修、更换。该系统有效解决了水声传输带宽窄、数据易丢失的缺点，降低了对于硬件的要求，大大减轻了水下监测系统的工作负担，同时减轻了水声传输的传输压力。
附图说明
图1是一种水下生产立管加速度监测系统与监测方法的结构示意图。
图2是一种水下生产立管加速度监测系统与监测方法的信号传输示意图。
图3是加速度传感器监测原始信号X。
图4是压缩信号Y。
图5是水声传输过程中未发生数据丢失的重构信号
图6是水声传输过程中未发生数据丢失的重构信号
与原始信号X对比图。
图7是接收信号
图8是水声传输过程中数据存在丢失行为的重构信号
图9是水声传输过程中数据存在丢失行为的重构信号
与原始信号X对比图。
图中：1、监测系统外壳，2、监测系统微处理器，3、数据压缩模块，4、加速度传感器，5、水深传感器，6、数据存储模块，7、电源管理模块，8、时钟同步模块，9、水声传输模块，10、水下监测系统，11、平台监测基站，12、水声接收模块，13、监测基站微处理器，14、工控机。
符号说明：X、原始信号，Ψ、正交基矩阵，N、原始信号数据长度，M、压缩信号数据长度，N1、丢失信号数据长度，α、稀疏向量，Y、压缩信号，Φ、观测矩阵，Θ、压缩矩阵，
接收信号，
部分丢失观测矩阵，
重构信号。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的用于水下生产立管加速度监测系统，由水下监测系统10和平台监测基站11两部分组成。其中水下监测系统10包括监测系统外壳1，监测系统外壳1内插设电路板，在电路板上从上到下依次设置有水声传输模块9、监测系统微处理器2、数据存储模块6、数据压缩模块3、加速度传感器4、时钟同步模块8、水深传感器5和电源管理模块7，其中，水深传感器5的探头设置在监测系统外壳1的底部。数据压缩模块3、数据存储模块6、电源管理模块7、时钟同步模块8和水声传输模块9分别连接监测系统微处理器2，加速度传感器4和水深传感器5分别连接到数据压缩模块3；平台监测基站11包括水声接收模块12，监测基站微处理器13，工控机14，水声接收模块12连接到微处理器13，微处理器13连接到工控机14。
加速度传感器4用于实时采集当前测量点的加速度数据。水深传感器5用于实时采集当前测量点的水深数据。监测系统微处理器2用于根据预先设定的参数，控制加速度传感器4和水深传感器5的启动或停止，并用于将数据压缩模块3传递的压缩数据传递给水声传输模块9，原始信号X传递给数据存储模块6进行数据存储。数据压缩模块3用于将当前测量点的水深数据和加速度数据进行压缩并经由监测系统微处理器2发送至水声传输模块9。水声传输模块9用于将压缩后加速度数据和水深数据分别转化为声信号后，传输至位于水面上的水声接收模块12。时钟同步模块8用于为监测系统微处理器2提供当前时间，以及当监测系统微处理器2休眠时，采用报警模式定时产生中断信号，以唤醒监测系统微处理器2，防止监测系统微处理器2死机。数据存储模块6用于存储当前测量点的水深数据和加速度数据等。电源管理模块7用于通过可充电电池为该监测装置的各用电部件进行供电。
水声接收模块12用于接收水下监测系统10中水声传输模块9传输的压缩信号，并将接收到的压缩信号传输给监测基站微处理器13。监测基站微处理器13将接收到的压缩信号进行重构，并将重构得到的信号传递给工控机14。此外，若水下监测系统10出现故障时，监测基站微处理器13负责将平台监测基站工控机14的指令传递给水声接收模块12，由水声接收模块12发送给水下监测系统10中的水声传输模块9进行控制。工控机14负责接收到的信号存储、显示并进行数据分析。
监测系统外壳1内还设置有电池架，电池架设置在电路板上，用于放置电池，电池架通过排线与电源管理模块7连接。电池均可以采用串联连接的可充电锂电池。
监测系统外壳1可以采用钛合金或不锈钢金属密封筒，数据存储模块6可以采用SD卡。
如图2所示，显示的是本发明中的信号传输示意图，其中左侧为水下采集端数据压缩过程。数据压缩过程主要涉及加速度传感器、数据压缩模块，微处理器，水声传输模块。其包括监测信息采样，稀疏变换、测量矩阵变换等过程。加速度传感器采集到的原始信号在时域上一般不具有稀疏性，但在某些特殊域内表现出比较明显的稀疏性。因此该信号先经过数据压缩模块进行数据压缩后传递给微处理器，微处理器将压缩后信号连接到水声传输模块进行数据传输；右侧为平台基站重构过程，数据重构过程主要涉及水声接收模块、微处理器、工控机。水声接收模块接收到水下监测系统中水声传输模块发送的压缩信号后，经微处理器进行重构处理传递到工控机，进行存储和进一步的数据分析。
压缩感知分两个步骤进行第一步为压缩过程，首先对于加速度传感器采集到的原始信号X,
求出变换系数α＝ΨTX，压缩矩阵Θ是X在该变换域的等价或者近似的稀疏表示，设计一个与正交基矩阵Ψ不相关的压缩矩阵Θ，
M＜N，令Y＝Θα＝ΘΨTX，得到压缩信号Y,
该过程也可以看作是原始信号X通过观测矩阵Φ，
进行的非自适应观测：Y＝ΦX，Φ＝ΘΨT。观测矩阵可以选取高斯随机矩阵。
第二步为重构过程，考虑到Y在传输过程中存在数据丢失的可能性，假设基站水声接收模块接收到的数据向量记为
显然，若丢失的数据个数记为N1，则接收信号
向量为一个包含(M-N1)个元素的向量。此时，
其中，
是矩阵Φ丢失对应行向量所得的观测矩阵。通过求解L1范数最优解来计算重构稀疏向量α：
此时便可高概率地重构得到原始信号X。该结论已得到约束等距(RIP)性质、相干性判别理论的证明。本发明通过少量的压缩信号就能恢复原始监测信号，不仅降低对硬件要求，而且提高了压缩效率，减轻数据传输、数据处理的压力。同时本发明有效解决了传输过程中数据丢失的问题。
下面通过具体实施例详细说明本发明基于压缩感知技术的水下生产立管加速度监测系统的使用方法：
A、在水下立管上按照布点位置安装水下监测系统。
B、预先设置监测系统微处理器2的参数，包括采样间隔、采样时间等，设置数据压缩模块3的观测矩阵等参数；加速度传感器4根据预设的参数自动启动，采集监测点处加速度数据，水深传感器5根据预设的参数自动启动，采集监测点处水深数据。
C、数据压缩模块3根据预设观测矩阵将采集到的原始信号X进行压缩，转化为压缩信号Y，使得压缩信号Y的数据个数少于原始信号X的数据个数。数据压缩模块3将压缩信号Y和原始信号X传递给监测系统微处理器2。
D、监测系统微处理器2将压缩信号Y传递给水声传输模块9，另将原始信号X传递给数据存储模块6以进行数据存储。
E、水声传输模块9利用水声传输技术将得到的压缩信号Y转化为水声信号传递给平台监测基站的水声接收模块12。
F、水声接收模块12接收到接收信号
由于传输介质的影响，
为压缩信号Y部分丢失后的信号。
G、水声接收模块12将接收信号
转换为电信号后传递给监测基站微处理器13，监测基站微处理器13对接收到的接收信号
进行处理。分析
以确定部分丢失观测矩阵
的行数，即从原来的观测矩阵Φ中删除Y中丢失数据所对应的行向量。
并利用重构算法求解最优系数
最终重构得到重构信号
H、监测基站微处理器13将重构信号
传递给工控机14，工控机14对得到的重构信号
进行存储、显示及数据分析。
采用上述技术方案时，以水下生产立管加速度监测系统实测数据为例，采样频率为1Hz，采样时间模式为工作10分钟，休息30秒。加速度传感器实测数据原始信号X如图3所示，数据量为600
数据压缩模块得到传感器监测原始信号后，选用固定的观测矩阵对原始信号进行压缩，压缩率为50％，得到压缩信号Y如图4所示，此时数据量为300，远小于原始原始信号量600。
监测系统微处理器2将压缩信号Y传递给水声传输模块9，另将原始信号X传递给数据存储模块6以进行数据存储。
水声传输模块9将压缩信号Y以水声传输的方式传递给水声接收模块12。
情况1：水声传输过程中未发生数据丢失时，水声接收模块12接收到接收信号
与压缩信号Y相同(如图4所示。)
水声接受模块12将接收到的信号传递给监测基站微处理器13进行数据重构，重构得到重构信号
如图5所示。
监测基站微处理器13将重构得到的
传递给工控机14，工控机14对得到的重构信号
进行存储、显示及数据分析。如图6所示，重构得到的信号
与加速度传感器监测原始信号X基本一致，重构结果极为准确。
情况2：当水声传输过程中数据存在丢失行为，假设丢失数据量为20％，此时水声接收模块12接收到的接收信号
如图7所示，其数据量为240。
水声接收模块12将接收信号
传递给监测基站微处理器13，微处理器13对接收信号
进行重构，得到重构信号
如图8所示。
监测基站微处理器13将重构得到的
传递给工控机14，工控机14对得到的重构信号
进行存储、显示及数据分析。如图9所示，重构得到的信号
与加速度传感器监测原始信号X基本一致，重构结果极为准确，说明该监测系统不仅可以极大的减小数据传输量，解决水声通信带宽窄的问题，同时可以解决水声信号数据丢失的问题。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (2)
1.一种基于水下生产立管加速度监测系统，该监测系统包括水下监测系统(10)和平台监测基站(11)，其特征在于：所述水下监测系统(10)采用监测系统微处理器(2)与水声传输模块(9)、时钟同步模块(8)、电源管理模块(7)、数据存储模块(6)、数据压缩模块(3)电连接，数据压缩模块(3)与加速度传感器(4)、水深传感器(5)电连接；
所述平台监测基站(11)采用监测基站微处理器(13)与水声接收模块(12)、工控机(14)电连接；
所述水声传输模块(9)与水声接收模块(12)之间采用水声信息的无线传输；
所述水深传感器(5)和加速度传感器(4)的预设参数包括采集时间、采样时长、休眠时间和采样频率；
所述时钟同步模块(8)为监测系统微处理器(2)提供当前时间以及当监测系统微处理器(2)休眠时，采用报警模式定时产生中断信号以唤醒监测系统微处理器(2)；
所述电源管理模块(7)通过充电电池为各用电部件进行供电；
当水下监测系统(10)预设参数需要调整时，所述水声传输模块(9)接收平台监测基站(11)发送的调节指令；
所述监测系统微处理器(2)控制加速度传感器(4)和水深传感器(5)的启动或停止，传递参数调节指令。
2.根据权利要求1所述的一种水下生产立管加速度监测方法，其特征在于：该监测方法包括以下步骤：
A、将水下监测系统(10)安装到水下生产立管指定位置，各部件根据预设参数开始工作；
B、加速度传感器(4)与水深传感器(5)采集到原始信号X，
原始信号X为RN空间内N×1维的列向量，其中原始信号X被正交基矩阵Ψ稀疏表示为：X＝Ψα；
C、加速度传感器(4)与水深传感器(5)将采集的原始信号X传递到数据压缩模块(3)，数据压缩模块(3)利用预设的观测矩阵Φ对原始信号X进行压缩处理，得到远小于原始信号维度的压缩信号Y，
其中Y＝ΦX＝ΦΨα＝Θα，
Θ为压缩矩阵，M为压缩信号数据长度，N为原始信号数据长度，观测矩阵Φ选用高斯随机矩阵或部分哈德玛矩阵；
D、数据压缩模块(3)将压缩信号Y和原始信号X传递给监测系统微处理器(2)，监测系统微处理器(2)将原始信号X传递到数据存储模块(6)进行数据存储，压缩信号Y被传递到水声传输模块(9)；
E、水声传输模块(9)将压缩信号Y转化为水声信号，通过水声无线通讯的方式传递给平台监测基站(11)的水声接收模块(12)；
F、水声接收模块(12)接收到接收信号
为Y部分丢失的信号；若丢失数据个数为N1，则此时
为(M-N1)维的列向量，其中N1为丢失信号数据长度；
G、水声接收模块(12)将接收信号
传递给监测基站微处理器(13)，监测基站微处理器(13)将接收信号
进行重构，根据得到的接收信号
的数据个数，确定部分丢失观测矩阵
的大小；
为观测矩阵Φ丢失对应行向量后所得矩阵；通过求解L1范数最优解问题来重构稀疏向量α：
重构得到重构信号
所述监测基站微处理器(13)将接收信号
重构的算法采用CVX算法或特征正交匹配追踪算法；
H、监测基站微处理器(13)将重构得到的重构信号
传递给平台监测基站(11)的工控机(14)，并由工控机(14)进行数据存储、显示及数据分析。
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