CN114216500A - 一种海底电缆高精度智能健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底电缆检测技术领域，旨在提供一种海底电缆高精度智能健康监测系统。该系统包括：沿电缆长度方向布置的两组传感阵列，两者平行地相间贴合于海底电缆的外侧，且保持间隔的圆弧度数大致为90°，用于实时监测海底电缆的运行状态；每组传感阵列中均包括一条MEMS传感阵列和一条光纤光栅传感阵列；数据采集与控制单元与传感阵列连接，远程实时传输单元用于接收并传送信号数据和控制指令，智能监控及预警中心通过有线或无线的方式连接至远程实时传输单元，对海底电缆健康状态进行实时智能监控并提供安全预警。本发明可监测参数包括海底电缆的振动、空间扭转和弯曲变形、温度、应力和应变等。并能根据不同监测单元的数据实现准确的故障定位。

Description

一种海底电缆高精度智能健康监测系统

技术领域

本发明属于海底电缆检测技术领域，特别涉及一种海底电缆高精度智能健康监测系统。

背景技术

对于常规的地下电缆，一般都会采用铺设沟槽、管道的方式提供电缆保护。由于安装环境独立且不会受到外界影响，因此地下电缆通常不会出现受外力影响的振动、弯曲、扭转等问题，运行安全能够得到很好的保障。

但运行在海底的电缆由于应用场景区别，与常规的地面铺设条件差别巨大。往往会受到波浪、海流、潮汐影响，甚至可能面临船锚、平台或船舶掉落物撞击、渔网拖挂等外来作用，导致海底电缆出现振动、位移、形变等异常情况。如果不能及时获得相关运行状态的信息，很容易发生电缆失效等重大事故。

本发明拟针对海底电缆提供一种高精度的智能监测及预警预报系统，对海底电缆健康状态进行实时监控和安全预警预报。目前尚无公开文献对此类技术进行记载。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种海底电缆高精度智能健康监测系统。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种海底电缆高精度智能健康监测系统，包括：

沿电缆长度方向布置的两组传感阵列，两者平行地相间贴合于海底电缆的外侧，且保持间隔的圆弧度数大致为90°，用于实时监测海底电缆的运行状态；每组传感阵列中均包括一条MEMS传感阵列和一条光纤光栅传感阵列；所述MEMS传感阵列中包括若干个间隔设置并由线缆连接的MEMS传感节点，光纤光栅传感阵列中包括若干个间隔设于光纤上的光栅节点；

数据采集与控制单元，与所述传感阵列连接，用于同步采集传感阵列的信号并控制采集时间及频率；远程实时传输单元，用于接收并传送：来自数据采集与控制单元的信号数据，以及来自智能监控及预警中心的控制指令；智能监控及预警中心，通过有线或无线的方式连接至远程实时传输单元，对海底电缆健康状态进行实时智能监控并提供安全预警。

作为本发明的优选方案，所述传感阵列通过塑料扎带固定安装在于海底电缆的外侧。

作为本发明的优选方案，在所述传感阵列中，MEMS传感节点和光纤光栅节点均为等间距布置，相邻的MEMS传感节点和光纤光栅节点组成一个监测单元。

作为本发明的优选方案，所述MEMS传感节点由MEMS六轴姿态传感器构成，各MEMS传感节点通过RS485总线级联成串。

作为本发明的优选方案，所述光纤光栅节点由布拉格光栅构成，是以雕刻方式等间距布设于通信光纤上的。

作为本发明的优选方案，所述数据采集与控制单元中包括：微控制器、继电器、采集电路模块、宽谱激光光源、环形器和光谱分析仪；其中，所述微控制器支持实时操作系统，集成了USART、I2C、SPI、RS485通讯接口，并利用RS485总线建立多站通信网络；采用主从式多级总线的采集与通信控制方式，实现多点长距离光信号与电信号的同步采集控制；所述继电器与微控制器电连接，用于同步控制多组传感阵列中采集电路模块的启停，实现多组传感阵列中的光电信号的同步采集；所述激光光源用于提供可调的光源，光环形器用于控制光传播的方向；光谱分析仪用于解调获得光纤布拉格光栅的中心波长变化情况。

作为本发明的优选方案，所述数据采集与控制单元中包括独立电源和太阳能电池板，用于长期稳定供电。

作为本发明的优选方案，所述远程实时传输单元中包括基于4G模块的远程数据实时传输单元；4G模块采用SSL连接方式连接TCP，采用多路连接和透传数据方式实现数据收发。

作为本发明的优选方案，所述远程实时传输单元利用4G模块将采集数据实时传输至云端；智能监控及预警中心通过计算机和4G模块，利用虚拟串口从云端下载采集数据后进行实时分析。

作为本发明的优选方案，所述智能监控及预警中心以图像或文字的可视化方式进行预警预报。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的上述海底电缆高精度智能健康监测系统，可以实现对海底电缆健康状态的长期原位高精度监测，监测参数包括海底电缆的振动、空间扭转和弯曲变形、温度、应力和应变等。并能够根据不同监测单元的数据实现准确的故障定位。

2、本发明可以实现海底电缆健康状态多源数据的同步采集与实时传输，由智能监控及预警中心对海底电缆状态进行实时监控，对多源数据进行实时处理与分析，及时发现可能的风险以做出应对决策，并以可视化的方式进行人机交互。

3、本发明的智能监控及预警中心能够控制数据采集频率，默认采用低频采集以节省功耗；当监测到异常数据时可提高数据采集频率，从而实现高精度的智能监测。

4、本发明能为海底电缆的常规巡检及保护提供指导意见，降低海底电缆风险，保证海底电缆的正常运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于海底电缆高精度智能健康监测系统的一种具体应用环境的示意图；

图2为本发明实施例提供的数据采集与控制单元示意图；

图3为本发明实施例提供的海底电缆高精度智能健康监测系统的示意框图。

图中附图标记：传感阵列1；数据采集与控制单元2；远程实时传输单元3；智能监控及预警中心4；MEMS传感阵列11；光纤光栅传感阵列12；微控制器13；采集电路模块14。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1、2所示，本发明中的海底电缆高精度智能健康监测系统，包括：数据采集与控制单元2、远程实时传输单元3、智能监控及预警中心4和两组传感阵列1，用于实时监测海底电缆的运行状态。两组传感阵列1沿电缆长度方向布置，平行地相间贴合于海底电缆的外侧并通过塑料扎带实现安装，两者保持间隔的圆弧度数大致为90°。数据采集与控制单元2与两组传感阵列1连接，用于同步采集传感阵列1的检测信号并控制采集时间及频率；远程实时传输单元3用于接收并传送：来自数据采集与控制单元2的信号数据，以及来自智能监控及预警中心3的控制指令；智能监控及预警中心4通过有线或无线的方式连接至远程实时传输单元3，对海底电缆健康状态进行实时智能监控并提供安全预警。

当海底电缆同时有多路时，传感阵列1可以按电缆数量布置多组并同时运行。各路电缆上配套设置的传感阵列1均与数据采集与控制单元2相接，由其统一进行数据收发，可同时实现多路海底电缆的健康监测。

如图3所示，在每根海底电缆上沿其长度方向平行地相间布置两组传感阵列1，贴合于海底电缆的外侧，且保持间隔的圆弧度数大致为90°。如图1中所示，在电缆的横截面上，两组传感阵列1是位于两条相互垂直的半径与电缆圆周相交点上的。每组传感阵列1中均包括一条MEMS传感阵列11和一条光纤光栅传感阵列12。前者主要用于获得海缆的弯曲和扭转信息，后者主要用于获得海缆的温度、应力应变信息，两者共同实现对海缆单元健康状态的实时监控。

这样布置的技术原理是：利用MEMS传感阵列11和光纤光栅传感阵列12在对海底电缆的变形形状和空间位置进行重构的时候，由于其中一个传感阵列重构时只能获得空间一个方向(垂直或水平方向)的变形量，要获取海底电缆在空间的位置坐标以及变形形状，需要通过两个传感阵列分别监测两个方向(比如，垂直方向及水平方向)的位移变形量，才能同时计算得到海缆监测单元在空间中的水平变形量和垂直变形量，然后得到海缆单元的空间变形形状和位置坐标。这里描述的水平方向和垂直方向并不一定是绝对水平和绝对垂直，只要能知道两组传感阵列安装时在海缆截面圆周上的弧度差，根据空间向量分解与合成投影公式，即可获得监测单元处海缆的垂直变形量和水平变形量。因此，从技术实现原理和实际安装操作来看，并不需要精准控制两个传感阵列的间隔距离，两者间隔的弧度数大致为90°即可。

如图3所示，MEMS传感阵列11中包括若干个由线缆连接的MEMS传感节点，光纤光栅传感阵列12中包括若干个设于光纤上的光栅节点。各节点均为等间距布置，相邻的MEMS传感节点和光纤光栅节点组成一个监测单元。

在每组传感阵列1中，MEMS传感阵列11和光纤光栅传感阵列12是分开封装的。其中，MEMS传感阵列11由若干个MEMS传感节点通过线缆串接而成，封装的形式比较简单，只需考虑水密即可。但是为保证监测精度，要求封装材料和海底电缆尽量贴合，耦合性好才能高精度的重构出海缆的空间位移和变形量。光纤光栅传感阵列12是一整条的光纤，在光纤的相应位置上雕刻光栅节点用于检测，所以光纤光栅阵列的水密封装是整条一起用软材料进行水密封装。由于光纤本身比较柔软容易断，所以封装时还应包括使用保护封装。具体的封装由外到内可以为：塑封层-耐腐蚀、钢铠装层-防撞击、PE层(聚乙烯材料)-保护套、橡胶层-消除应力、PE层(聚乙烯材料)-固定光纤位置、光纤光栅串-检测。

所述MEMS传感节点由MEMS六轴姿态传感器构成，各MEMS传感节点通过RS485总线级联成串，用于采集海缆单元不同时刻的静态三轴加速度值，提供海底电缆的扭转和弯曲信息。所述光纤光栅节点由光纤布拉格光栅构成，各光纤光栅节点以雕刻方式在通信光纤上形成并级联成串。在外界横向压力或温度改变时，布拉格波长由于光栅周期的伸缩和弹光效应，实现电缆的振动、温度、应力和应变监测。

数据采集与控制单元2中包括：微控制器、继电器、采集电路模块、宽谱激光光源、环形器和光谱分析仪；其中，微控制器支持实时操作系统，集成了USART、I2C、SPI、RS485通讯接口，并利用RS485总线建立多站通信网络；采用主从式多级总线的采集与通信控制方式，实现多点长距离光信号与电信号的同步采集控制；继电器与微控制器电连接，用于同步控制多组传感阵列中采集电路模块的启停，实现多组传感阵列中的光电信号的同步采集；激光光源用于提供可调的光源，光环形器用于控制光传播的方向；光谱分析仪用于解调获得光纤布拉格光栅的中心波长变化情况。数据采集与控制单元2中还可以包括独立电源和太阳能电池板，用于长期稳定供电。

远程实时传输单元3中包括基于4G模块的远程数据实时传输单元；4G模块采用SSL连接方式连接TCP，采用多路连接和透传数据方式实现收发。远程实时传输单元3利用4G模块将采集数据实时传输至云端；智能监控及预警中心4通过计算机和4G模块，利用虚拟串口从云端下载采集数据后进行实时分析，并以图像或文字的可视化方式进行预警预报。当然，远程实时传输单元3与智能监控及预警中心4之间也可以通过有线连接方式(如通信光纤)实现直连。

更为具体的示例如下所述：

参阅图1和图2所示，本实施例的数据采集与控制单元2设于岸基，可同步采集由随海底电缆布置的传感阵列1获取的原位数据，并通过远程实时传输单元3实时传输至智能监控及预警中心4，智能监控及预警中心4对以上数据进行实时分析。在监测到异常数据后，进一步通过远程实时传输单元3与数据采集与控制单元2发布提高传感阵列数据采集频率的控制指令，并根据二次采集数据对潜在故障及时提供预警。

具体而言，MEMS传感阵列11可获得海底电缆在空间重力场内三轴加速度的大小，进而计算海底电缆的运动轨迹和空间变形曲线。光纤光栅传感器阵列12通过检测布拉格光栅反射的光波长，即可获得海底电缆的温度变化、应力变化和振动曲线。各传感器节点在海底电缆上等间距布放，相邻传感器间的形状可采用圆弧近似模拟，结合两组传感阵列检测到的位移变形量，从而对海底电缆的弯曲变形进行三维重构。通过检测各个传感节点之间的角度差是否超过预设阈值，可以判断受弯力或扭力的电缆能否正常工作。通过获得的弯曲扭转信息，结合实际海底电缆的状态信息提取特征点，可以获得位置信息，实现故障定位。

数据采集与控制单元2是总线的主机，传感网络各条监测阵列为从机设备。采用主从多级总线的采集与通信控制方式，实现多点长距离信号同步采集与传输。系统同步通过主控制器以“喇叭”的方式对从机设备先行对时，再与某一特定时间发送采集指令实现同步数据采集。可选地采用阻抗匹配的RS485专用缆，能实现信号的远距离和高速传输。数据采集与控制单元2中的微控制器采用的实时操作系统为FreeRTOS，实现多源数据实时同步采集。

数据采集与控制单元2还同时集成了宽谱激光光源、环形器光谱分析仪，宽谱光源发出激光并经过环形器传输至光纤光栅传感阵列12，当海底电缆发生应变或温度变化时，光纤布拉格光栅的中心波长也会随之变化，上述波长可以被光谱分析仪解调得到，将得到的解调数据通过远程实时传输单元3发送至智能监控及预警中心4进行处理。

远程实时传输单元3采用基于4G模块的远程数据实时传输方式，将海底电缆健康状态数据通过4G模块从基站传输到云端备份，也可以通过客户端下载与后处理。

智能监控及预警中心4是基于物联网的实时监测和安全预警集成系统，找出相同时间段海底电缆振动、位移变形、温度以及应力应变变化之间的相互关系，将传感阵列1得到的长期不同类型的数据进行融合处理。通过远程实时传输单元3中的4G模块连接TCP向数据采集与控制单元2发送控制信号，智能监控及预警中心4能够控制数据采集频率，默认采用低频采集以节省功耗，当监测到异常数据时提高数据采集频率，并对二次高速采集的数据进行实时处理，避免干扰信号导致误报警。

智能监控及预警中心4是以可视化方式进行预警预报。当传感阵列1中各个监测点数值达到或超过预先设定的阈值时，预警单元会发出可视化预警预报信息。优选地，异常时发出黄色警报，超标时发出红色警报，预警单元会将相关警报信息以闪烁和文字的方式在页面上进行提醒。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

Claims (10)

1.一种海底电缆高精度智能健康监测系统，其特征在于，包括：

沿电缆长度方向布置的两组传感阵列，两者平行地相间贴合于海底电缆的外侧，且保持间隔的圆弧度数大致为90°，用于实时监测海底电缆的运行状态；每组传感阵列中均包括一条MEMS传感阵列和一条光纤光栅传感阵列；所述MEMS传感阵列中包括若干个间隔设置并由线缆连接的MEMS传感节点，光纤光栅传感阵列中包括若干个间隔设于光纤上的光栅节点；

数据采集与控制单元，与所述传感阵列连接，用于同步采集传感阵列的信号并控制采集时间及频率；

远程实时传输单元，用于接收并传送：来自数据采集与控制单元的信号数据，以及来自智能监控及预警中心的控制指令；

智能监控及预警中心，通过有线或无线的方式连接至远程实时传输单元，对海底电缆健康状态进行实时智能监控并提供安全预警。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感阵列通过塑料扎带固定安装在于海底电缆的外侧。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述传感阵列中，MEMS传感节点和光纤光栅节点均为等间距布置，相邻的MEMS传感节点和光纤光栅节点组成一个监测单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MEMS传感节点由MEMS六轴姿态传感器构成，各MEMS传感节点通过RS485总线级联成串。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅节点由布拉格光栅构成，是以雕刻方式等间距布设于通信光纤上的。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集与控制单元中包括：微控制器、继电器、采集电路模块、宽谱激光光源、环形器和光谱分析仪；其中，

所述微控制器支持实时操作系统，集成了USART、I2C、SPI、RS485通讯接口，并利用RS485总线建立多站通信网络；采用主从式多级总线的采集与通信控制方式，实现多点长距离光信号与电信号的同步采集控制；

所述继电器与微控制器电连接，用于同步控制多组传感阵列中采集电路模块的启停，实现多组传感阵列中的光电信号的同步采集；

所述激光光源用于提供可调的光源，光环形器用于控制光传播的方向；光谱分析仪用于解调获得光纤布拉格光栅的中心波长变化情况。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集与控制单元中包括独立电源和太阳能电池板，用于长期稳定供电。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程实时传输单元中包括基于4G模块的远程数据实时传输单元；4G模块采用SSL连接方式连接TCP，采用多路连接和透传数据方式实现数据收发。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程实时传输单元利用4G模块将采集数据实时传输至云端；智能监控及预警中心通过计算机和4G模块，利用虚拟串口从云端下载采集数据后进行实时分析。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述智能监控及预警中心以图像或文字的可视化方式进行预警预报。

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