CN114812424A - 一种天然冰场冰层可视化安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然冰场冰层可视化安全监测系统及方法，该系统包括天然冰场、原始冰层、光纤、分布式光纤传感解调仪、监测主机以及手持移动终端；分布式光纤传感解调仪解调得到光纤测量的应变信号，并发送到监测主机；监测主机提取监测区域内的光纤测量的应变信号；监测主机进一步将监测区域内的光纤的应变信号转换为监测区域的二维应变分布图；监测主机将二维应变分布图发送至手持移动终端，通过在手机APP实时查看二维应变分布图，实现天然冰场冰层的可视化安全监测。与现有技术相比，本发明既节省了人力成本，又实现了大范围、实时监测，可以及时地、高效地发现安全隐患；对冰层安全进行便捷、实时监测。

Description

一种天然冰场冰层可视化安全监测系统及方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感技术领域，该监测系统和方法可应用于各种天然冰场冰层的可视化安全监测，及时掌握冰层安全状态。

背景技术

天然冰场即滑天然冰场，由干冰制造或自然结冰而成，在平地或水面结成平整冰面，使用刀片状的溜冰鞋来嬉戏滑行的场所。对于天然冰场，由于冰层处于湖泊、河流之上，冰层的安全可靠至关重要，一旦出现冰面破损、断裂，后果不堪设想。此外，由于缺乏有效的预警机制，天然冰场每天还需要投入大量的人力、物力进行维护和巡视。以山西迎泽公园为例，天然冰场工作人员每天都会向冰面泼水，从而加固冰层。此外，山西迎泽公园天然冰场常驻五位安保人员，从而在危险发生时能够立即救人。北京颐和园昆明湖天然冰场在每天关闭后，还要对70万平方米的“大冰面”进行全覆盖的安全巡视，如冰面出现冰缝，则立即进行修补。

光纤传感技术以光为载体，光纤为媒介，对被测参量进行测量。光纤具有无色透明、体积小、质量轻、化学性能稳定等特点。根据传感原理的不同，光纤传感技术可分为分立式光纤传感技术和分布式光纤传感技术。

分立式光纤传感技术中，光纤本身仅作为传输信号的介质，再通过设计独立的传感单元，进而实现单点或多点测量，具有灵敏度高、测量位置准确等优点。

分布式光纤传感技术中，光纤本身既作为传输信号的介质，又作为传感敏感单元，通过监测光纤沿线不同位置下的散射信号，进而对沿光纤传输路径上的信息进行测量。以应变测量为例，其传感原理为：当光纤受到应变作用时，引起光纤材料折射率的变化，进而导致光纤中散射信号的频移和功率发生变化，通过对频移和功率进行监测，即可得到光纤沿线的应变分布。根据不同的散射原理，分布式光纤传感系统又可分为喇曼散射分布式光纤传感、布里渊散射分布式光纤传感和瑞利散射分布式光纤传感。

相比于分立式传感技术，分布式传感技术可以实现大范围、连续、多点测量，一次测量就可以获取整个光纤沿线区域内被测参量的一维分布，当光纤在一定区域内铺设足够密集时，就可将被测参量的一维分布转换的二维分布。

从国内外发表文献来看，目前尚无将光纤植入冰层，进而对冰层进行安全监测的报道。目前常用的冰层安全监测措施是通过人工对冰层厚度进行测量。以北京颐和园昆明湖为例，在天然冰场开放期间，工作人员需要在每天早中晚3个时段对昆明湖6个测冰点测量冰层厚度。冰层厚度测量方法又可分为三类。第一类方法是向冰层发射电磁波或声波,电磁波和声波在到达冰、水界面时反射，通过接收器计算反射回来的时间，进而换算出冰层厚度。第二类方法与第一类方法类似，通过发射超声波或激光，超声波和激光在冰、水界面反射，利用接收器的接收时间换算出冰层厚度。然而，由于冰的性质受外部温度的影响，因此影响了接收器的接收时间，产生较大测量误差和不确定性；第三类方法是直接测量，具体方法为在天然冰场一角，用钢钎在冰面上砸出一个小洞，将铁钩伸进去，勾住冰层底部，用手指捏住铁钩。取出铁钩后，再用卷尺直接量铁钩在冰面以下的距离。这种方法比较可靠，但测量过程本身需要对冰层进行破坏，而且无法实现多点、实时观测。

中国专利CN202011292912.2《一种适用于天然冰场的实时监控系统》公开了该系统由基础感知单元、网络通信单元、联合管控单元和功能应用单元构成，可以实时了解设备的运行状态，并对天然冰场内的异常状况进行定位排查。该专利使用安装于冰层外部的数个温度模块和摄像头了解天然冰场内状态，而本专利使用植入冰层内部的光纤对冰层自身应变进行分布式测量，进而对整个冰层的安全状态进行实时监测和预警。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，并提高天然冰场冰层的安全监测能力，本发明针对以上不足，提出了一种天然冰场冰层可视化安全监测系统及方法，通过在原始冰层中植入光纤，基于分布式光纤传感器实现了天然冰场冰层的全天候实时安全监测。

本发明的一种天然冰场冰层可视化安全监测系统，该系统包括天然冰场、原始冰层、光纤、分布式光纤传感解调仪、监测主机以及手持移动终端；其中：

所述光纤紧贴冰面铺设于原始冰层上且于光纤铺设的终点处延伸至天然冰场外，连接设置于天然冰场外的所述分布式光纤传感解调仪，所述分布式光纤传感解调仪通过对光纤中散射信号的频移和功率进行监测，得到天然冰场内光纤沿线的应变分布，所述监测主机与所述分布式光纤传感解调仪相连接，所述监测主机通过无线通讯方式与手持移动终端相连接；

所述光纤紧贴冰面铺设于原始冰层上且于光纤铺设的终点处延伸至天然冰场外，连接设置于天然冰场外的所述分布式光纤传感解调仪，所述分布式光纤传感解调仪通过对光纤中散射信号的频移和功率进行监测，得到天然冰场内光纤沿线的应变分布，所述监测主机与所述分布式光纤传感解调仪相连接，所述监测主机通过无线通讯方式与手持移动终端相连接；

所述分布式光纤传感解调仪用于解调光纤测量的应变信号，并发送到所述监测主机；所述监测主机提取监测区域内的光纤测量的应变信号，转换为监测区域的二维应变分布图，所述手持移动终端用于将实时查看二维应变分布图，实现原始冰层的可视化安全监测。

本发明的一种天然冰场冰层可视化安全监测系统的安装方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、根据监测区域确定光纤铺设路径；

步骤二、在光纤铺设路径设置有起点、第一至第十二拐点、终点；

步骤三、沿光纤铺设路径的起点方向在原始冰层上开始铺设光纤，首先在起点处对光纤进行固定，起点处的圆角立方体冰块和原始冰层之间的接触面边缘存在空隙，将光纤置于该空隙处；之后，将光纤沿该空隙围绕冰块缠绕10圈，向缠绕于冰块的光纤上滴水，直到缠绕于冰块的光纤完全湿润；静置15分钟，从而实现光纤在起点处的固定；

步骤四、在遇到第一拐点时，以拐点处的圆角立方体冰块为支点，将光纤在该冰块和原始冰层的空隙之间缠绕10圈；缠绕之前，先对光纤进行预紧，使已铺设的光纤保持预拉伸状态；之后，向缠绕于冰块的光纤上滴水，直到缠绕于冰块的光纤完全湿润；静置15分钟，从而实现光纤在第一个拐点处的固定；

步骤五、在后续第二至第十二拐点和终点处，都按照步骤四中的方法对光纤进行固定；至此，完成了光纤在原始冰层上的铺设；

步骤六、将终点处的光纤延伸至天然冰场外，并连接到天然冰场外的分布式光纤传感解调仪；

步骤七、光纤铺设完成后向天然冰场注水并进行冻结，光纤铺设完成后注入的水深度为60mm，自然冷冻48小时，注入的水经冷冻形成覆盖冰层，光纤和冰块都处于覆盖冰层内部，至此，完成了光纤27在天然冰场冰层中的植入；

步骤八、将分布式光纤传感解调仪与监测主机连接，监测主机通过无线通讯方式与手持移动终端连接，至此，完成了基于分布式光纤传感的天然冰场冰层可视化安全监测系统的安装。

本发明的一种天然冰场冰层可视化安全监测方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、分布式光纤传感解调仪解调得到光纤测量的应变信号，并发送到监测主机；

步骤二、监测主机提取监测区域内的光纤测量的应变信号；

步骤三、监测主机进一步将监测区域内的光纤的应变信号转换为监测区域的二维应变分布图；

步骤四、当出现应变数值大于100με的区域时，即需要对该区域内的原始冰层进行进一步安全检查；

步骤五、监测主机将二维应变分布图发送至手持移动终端，通过在手持移动终端APP实时查看二维应变分布图，实现天然冰场冰层的可视化安全监测。

与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：

1、相比于当前人工测量厚度或使用摄像头监控的方法，既节省了人力成本，又实现了大范围、实时监测，可以及时高效地发现安全隐患；

2、光纤无色透明，在植入冰层后不影响冰层自然外观，不会形成对冰层的破坏；

3、实现天然冰场冰层的可视化安全监测，结合无线通讯的手持终端设备，在手持端即可对冰层安全进行便捷、实时监测。

附图说明

图1是湖泊中的水及冻结形成的原始冰层示意图；

图2是天然冰场监测区域示意图；

图3是根据监测区域确定的光纤铺设路径示意图；

图4是根据光纤铺设路径确定的光纤铺设的起点、拐点、终点示意图；

图5是光纤在圆角立方体冰块下固定的示意图；

图6是本发明的一种天然冰场冰层可视化安全监测系统结构示意图；

图7是完成光纤铺设和注水后的冰层结构示意图；

图8是完成光纤植入的冰层结构示意图；

图9是测量得到的监测区域内光纤沿线的应变信号示意图；

图10是光纤沿线的应变信号转换成的天然冰场冰层应变二维分布图；

图中，1、湖泊中的水，2、原始冰层，3、天然冰场，4～10、监测区域，11、光纤铺设路径，12、起点，13～24、拐点，25、终点，26、冰块，27、光纤，28.光纤铺设完成后注入的水，29、覆盖冰层，30、分布式光纤传感解调仪，31、控制主机，32、手持移动终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，是湖泊中的水及冻结形成的原始冰层示意图。湖泊中的水1经过自然冻结，在水1上形成原始冰层2，原始冰层2厚度为120mm。

如图2所示，是天然冰场监测区域示意图。该图是在湖泊上冻结形成的天然冰场3的俯视图，形状为边长60米的正方形。在天然冰场3的原始冰层2上，确定监测区域4～10。所有监测区域为长40米、宽6米的长方形。

如图3所示，是根据监测区域确定的光纤铺设路径示意图。根据监测区域4～10，确定光纤铺设路径11，光纤在所有长方形的监测区域4～10内沿横向铺设，其中箭头方向表示光纤铺设方向。

如图4所示，是根据光纤铺设路径确定的光纤铺设的起点、拐点、终点示意图。沿光纤铺设路径11和方向，确定光纤铺设路径11的起点12、拐点13～24、终点25，并进行标记。

如图5所示，是光纤在圆角立方体冰块下固定的示意图。在光纤铺设路径11的起点12、拐点13～24、终点25处，将形状为圆角立方体的冰块26放置在原始冰层2上。圆角立方体冰块边长为40mm。

实施例1：

如图6所示，是本发明的一种天然冰场冰层可视化安全监测系统结构示意图。该系统包括天然冰场3、原始冰层2、光纤27、分布式光纤传感解调仪30、监测主机31以及手持移动终端32。其中，所述光纤27紧贴冰面铺设于原始冰层2上且于光纤铺设的终点处25延伸至天然冰场3外，连接设置于天然冰场3外的所述分布式光纤传感解调仪30，所述分布式光纤传感解调仪30通过对光纤27中散射信号的频移和功率进行监测，得到天然冰场3内光纤27沿线的应变分布，所述监测主机31与所述分布式光纤传感解调仪30相连接，所述监测主机31通过无线通讯方式与手持移动终端32相连接。

原始冰层2：天然冰场中，通过自然冷冻而形成的冰层，冰层厚度150mm以上。

光纤27：紧贴冰面铺设于原始冰层2上，通过原始冰层2上的冰块进行固定。

分布式光纤传感解调仪30：与天然冰场3内铺设的光纤27进行连接，通过对光纤27中散射信号的频移和功率进行监测，得到天然冰场3内光纤27沿线的应变分布。

监测主机31：与分布式光纤传感解调仪30连接，内部包含无线发射模块，通过无线通讯方式与手持移动终端32进行连接。

手持移动终端32：通过无线通讯方式与控制主机进行连接，内部包含无线接收模块，可通过屏幕查看天然冰场应变二维分布图。

实施例2：

本发明的一种天然冰场冰层可视化安全监测系统的安装方法，包括如下步骤：

步骤一、根据监测区域确定光纤铺设路径11；

步骤二、在光纤铺设路径11设置有起点12、第一至第十二拐点13～24、终点25；

步骤三、沿光纤铺设路径11的起点12方向在原始冰层2上开始铺设光纤27，首先在起点12处对光纤27进行固定，起点12处的圆角立方体冰块26和原始冰层2之间的接触面边缘存在空隙，将光纤27置于该空隙处；之后，将光纤27沿该空隙围绕冰块26缠绕10圈，向缠绕于冰块26的光纤27上滴水，直到缠绕于冰块26的光纤27完全湿润；静置15分钟，从而实现光纤27在起点12处的固定；

步骤四、在遇到第一拐点13时，以拐点处的圆角立方体冰块26为支点，将光纤27在该冰块26和原始冰层2的空隙之间缠绕10圈；缠绕之前，先对光纤27进行预紧，使已铺设的光纤27(即起点12至第一拐点13之间的光纤27)保持预拉伸状态；之后，向缠绕于冰块26的光纤27上滴水，直到缠绕于冰块26的光纤27完全湿润；静置15分钟，从而实现光纤27在第一个拐点13处的固定；

步骤五、在后续第二至第十二拐点14～24和终点25处，都按照步骤四中的方法对光纤27进行固定；至此，完成了光纤27在原始冰层2上的铺设；

步骤六、将终点25处的光纤27延伸至天然冰场3外，并连接到天然冰场3外的分布式光纤传感解调仪30；

步骤七、光纤铺设完成后向天然冰场注水并进行冻结，光纤铺设完成后注入的水28深度为60mm，自然冷冻48小时，注入的水经冷冻形成覆盖冰层29，光纤27和冰块26都处于覆盖冰层29内部，至此，完成了光纤27在天然冰场冰层中的植入；如图7所示，是完成光纤铺设和注水后的冰层结构示意图；如图8所示，是完成光纤植入的冰层结构示意图；冰块26冻结在原始冰层上方，用来固定光纤。冰块26形状为圆角立方体，长10mm至30mm，宽10mm至30mm，高10mm至50mm。覆盖冰层29由注入的水冷冻而成，用来覆盖铺设的光纤和冰块，厚度为50mm至100mm。

步骤八、将分布式光纤传感解调仪30与监测主机31连接。监测主机31通过无线通讯方式与手持移动终端32(例如手机等)连接。至此，完成了基于分布式光纤传感的天然冰场冰层可视化安全监测系统的安装。

实施例3：

基于分布式光纤传感的天然冰场冰层可视化安全监测方法，包括如下步骤：

步骤一、分布式光纤传感解调仪30解调得到光纤27测量的应变信号，并发送到监测主机31；

步骤二、监测主机31提取监测区域4-10内的光纤27测量的应变信号，如图9所示；

步骤三、监测主机31进一步将监测区域4-10内的光纤27的应变信号转换为监测区域4-10的二维应变分布图，如图10所示，其中不同颜色深度对应该区域内不同的应变数值。应变数值越大，冰层存在破损和断裂安全隐患的风险越高；

步骤四、当出现应变数值大于100με的区域时，即需要对该区域内的冰层进行进一步安全检查；

步骤五、监测主机31将二维应变分布图发送至手机32，通过在手机APP实时查看二维应变分布图，即可实现天然冰场冰层的可视化安全监测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种天然冰场冰层可视化安全监测系统，其特征在于，该系统包括天然冰场、原始冰层、光纤、分布式光纤传感解调仪、监测主机以及手持移动终端；其中：

所述光纤紧贴冰面铺设于原始冰层上且于光纤铺设的终点处延伸至天然冰场外，连接设置于天然冰场外的所述分布式光纤传感解调仪，所述分布式光纤传感解调仪通过对光纤中散射信号的频移和功率进行监测，得到天然冰场内光纤沿线的应变分布，所述监测主机与所述分布式光纤传感解调仪相连接，所述监测主机通过无线通讯方式与手持移动终端相连接；

所述分布式光纤传感解调仪用于解调光纤测量的应变信号，并发送到所述监测主机；所述监测主机提取监测区域内的光纤测量的应变信号，转换为监测区域的二维应变分布图，所述手持移动终端用于将实时查看二维应变分布图，实现原始冰层的可视化安全监测。

2.如权利要求1所述的一种天然冰场冰层可视化安全监测系统的安装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、根据监测区域确定光纤铺设路径；

步骤二、在光纤铺设路径设置有起点、第一至第十二拐点、终点；

步骤三、沿光纤铺设路径的起点方向在原始冰层上开始铺设光纤，首先在起点处对光纤进行固定，起点处的圆角立方体冰块和原始冰层之间的接触面边缘存在空隙，将光纤置于该空隙处；之后，将光纤沿该空隙围绕冰块缠绕10圈，向缠绕于冰块的光纤上滴水，直到缠绕于冰块的光纤完全湿润；静置15分钟，从而实现光纤在起点处的固定；

步骤四、在遇到第一拐点时，以拐点处的圆角立方体冰块为支点，将光纤在该冰块和原始冰层的空隙之间缠绕10圈；缠绕之前，先对光纤进行预紧，使已铺设的光纤保持预拉伸状态；之后，向缠绕于冰块的光纤上滴水，直到缠绕于冰块的光纤完全湿润；静置15分钟，从而实现光纤在第一个拐点处的固定；

步骤五、在后续第二至第十二拐点和终点处，都按照步骤四中的方法对光纤进行固定；至此，完成了光纤在原始冰层上的铺设；

步骤六、将终点处的光纤延伸至天然冰场外，并连接到天然冰场外的分布式光纤传感解调仪；

步骤七、光纤铺设完成后向天然冰场注水并进行冻结，光纤铺设完成后注入的水深度为60mm，自然冷冻48小时，注入的水经冷冻形成覆盖冰层，光纤和冰块都处于覆盖冰层内部，至此，完成了光纤27在天然冰场冰层中的植入；

步骤八、将分布式光纤传感解调仪与监测主机连接，监测主机通过无线通讯方式与手持移动终端连接，至此，完成了基于分布式光纤传感的原始冰层可视化安全监测系统的安装。

3.一种天然冰场冰层可视化安全监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、分布式光纤传感解调仪解调得到光纤测量的应变信号，并发送到监测主机；

步骤二、监测主机提取监测区域内的光纤测量的应变信号；

步骤三、监测主机进一步将监测区域内的光纤的应变信号转换为监测区域的二维应变分布图；

步骤四、当出现应变数值大于100με的区域时，即需要对该区域内的原始冰层进行进一步安全检查；

步骤五、监测主机将二维应变分布图发送至手持移动终端，通过在手持移动终端APP实时查看二维应变分布图，实现原始冰层的可视化安全监测。

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