CN115576243B - 海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统及方法，该系统包括立体监测系统、监测数据管理系统、监测数据分析系统和界面展示系统；所述立体监测系统包括供能模块、监测仪器和数据传输与控制模块；所述界面展示系统包括仪器状态监测显示模块、数据监测显示模块和数据管理模块；所述监测数据管理系统用于存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据；所述监测数据分析系统用于统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；实现对海上风电场场址内以及海缆路由区水动力环境的远程监测，为海上风电场运维的安全提供保障，提升海上风电场运维期海洋环境监测系统的自动化和智能化水平。

Description

海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统及方法

技术领域

本发明涉及海上风电场数据监测与管理技术领域，特别是涉及一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统及方法。

背景技术

目前，随着海上风电场建设的快速发展，复杂的海洋环境会影响海上风电场安全稳定运行。一个是复杂水动力和水下结构物的相互作用，对结构安全具有较大的威胁。另外一个是海上风电场运维的限制，大波高大流速条件均不利于海上运维船的航行和靠泊。因而，实时在线监测海上风电场的海洋冲淤环境要素，分析海上风电场冲淤动力条件，对制定运维计划和保障运维人、船、机安全有重要意义。

在海上风电场运维期间，主要关注波浪、海流、海床等海洋冲淤环境。针对不同的冲淤要素，其观测手段和观测设备各有区别。波浪观测一般采用重力式测波仪器、声学式测波仪器、压力式测波仪器等设备进行波浪要素监测。重力式测波仪器放置在海面，通过锚系系统固定实现定点观测。声学多普勒流速剖面仪需要配合一定的承载体使用，一般采用坐底、抱箍等方式固定进行观测。压力式测波仪安装在水下或海底，需要配合一定的承载体使用，一般采用坐底、抱箍等方式固定进行观测。海流一般观测方法有船只锚碇测流、锚碇潜标测流、锚碇明标测流、走航测流等。常用海流观测仪器有直读海流计、安德拉海流计以及声学多普勒测流仪等。除此之外，考虑“海上风电场+融合”的大趋势，还需要配置海洋水质、生态等要素的监测仪器。总结来说，海上风电场海洋环境监测呈现多要素、多方法的特点，当前的实施手段是针对一种或者一类要素进行独立观测，这种方式使得海洋环境监测设备布置分散，设备维护和管理的难度和成本均提高了，海上监测困难、多要素集成困难、维护困难，通过依托海上风电场布设设备，增强设备和数据的安全性；其次提升海上监测的无人值守和自动化程度；减少维护风险。

因此，现有技术还有待进一步提升和改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：海洋环境监测设备布置分散，海上监测困难、多要素集成困难、设备维护和管理的难度和成本高，亟需一种适用于海上风电场的多要素、多方法综合监测系统，提升海上风电场运维期海洋环境监测的自动化和智能化水平，降低监测设备维护成本。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其中，所述系统包括立体监测系统、监测数据管理系统、监测数据分析系统和界面展示系统；

所述立体监测系统包括监测仪器和一体化安装机构，所述监测仪器安装在所述一体化安装机构上，所述监测仪器用于采集海上风电场海洋冲淤动力环境的监测数据；

所述监测数据管理系统，用于存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据；

所述监测数据分析系统，用于统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；

所述界面展示系统，用于显示所述立体监测系统采集的监测数据，以及管理和显示监测仪器的信息。

进一步地，所述一体化安装机构包括第一抱箍构件、第二抱箍构件、紧拴构件、第一横向外伸杆、第二横向外伸杆、第三横向外伸杆和外伸仪器安装构件；

所述第一抱箍构件和第二抱箍构件通过所述紧拴构件固定在桩基础上；

所述第一横向外伸杆和第二横向外伸杆固定所述第二抱箍构件；

所述第三横向外伸杆固定所述第一抱箍构件；

所述外伸仪器安装构件固定所述第一横向外伸杆、第二横向外伸杆和第三横向外伸杆。

进一步地，所述一体化安装机构还包括竖向安装杆、竖向安装杆紧固件、第一监测仪器和第二监测仪器；

所述竖向安装杆连接所述第一抱箍构件和第二抱箍构件；

在所述竖向安装杆的末端安装所述第一监测仪器；

所述第一抱箍构件、第二抱箍构件和竖向安装杆通过所述竖向安装杆紧固件固定在一起，并与所述立体监测系统的桩基础相连接；

在所述外伸仪器安装构件上安装所述第二监测仪器。

进一步地，所述第二抱箍构件在桩基础上的安装位置由所述第一监测仪器的运行水深确定；

所述第一抱箍构件安装在所述第二抱箍构件上。

进一步地，所述界面展示系统包括仪器状态监测显示模块、数据监测显示模块和数据管理模块；

所述仪器状态监测显示模块，用于显示海域内所有仪器设备的实时运行状态，包括倾斜、横摇、压力和温度状态；

所述数据监测显示模块，用于实时显示所述监测仪器投放海域的波浪、海流、潮位、海水温度、盐度和海床冲淤信息，以对海缆路由区域的海域状况进行监控；

所述数据管理模块，用于实时管理所述监测仪器采集的数据向数据库的自动导入，并在前端反馈数据文件的更新情况。

进一步地，所述立体监测系统还包括供能模块，所述供能模块包括数块太阳能板。

进一步地，所述立体监测系统还包括数据传输与控制模块，所述数据传输与控制模块包括两自由度运动控制面板。

进一步地，所述监测数据包括波浪要素、海流要素、潮位要素、海水温度要素、盐度要素和海床冲淤要素。

本发明第二方面提供了一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理方法，其中，所述方法包括，在风电场桩基础上将监测仪器安装在一体化安装机构上；

所述监测仪器采集海上风电场海洋冲淤动力环境的监测数据；

存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据；

统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；

显示所述立体监测系统采集的监测数据，以及管理和显示监测仪器的信息。

本发明实施例一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统及方法，所述系统包括立体监测系统、监测数据管理系统、监测数据分析系统和界面展示系统，与现有技术相比，其有益效果在于：增强海上风电场设备和数据传输与控制的安全性；提高监测设备工作效率，提升海上风电场运维期海洋环境监测系统的自动化和智能化水平，减少维护风险，降低监测设备维护成本。

附图说明

图1是本发明实施例一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统的系统框图；

图2是本发明实施例立体监测系统布置示意图；

图3是本发明实施例立体监测系统可替换布置示意图；

图4是本发明实施例界面展示系统的系统框图；

图5是本发明实施例数据管理模块流程图；

图6是本发明实施例一体化安装机构的结构图；

图7是本发明实施例一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理方法的系统框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，显然，以下所描述的实施例是本发明实施例的一部分，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在一个实施例中，如图1和2所示，提供了一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其中，所述系统包括立体监测系统1、监测数据管理系统2、监测数据分析系统3和界面展示系统4；

将立体监测系统1按照海上风电场的特点及监测需求，在海上风电场内进行布设安装，实现对海上风电场海洋冲淤环境的数据采集，其中，风机和海上升压站均可以作为冲淤环境立体监测系统1的承载体，所述立体监测系统1，包括监测仪器12和一体化安装机构5，所述监测仪器12安装在所述一体化安装机构5上，所述监测仪器12用于采集海上风电场海洋冲淤动力环境的监测数据；所述监测数据包括波浪要素、海流要素、潮位要素、海水温度要素、盐度要素和海床冲淤要素。所述立体监测系统还包括供能模块11和数据传输与控制模块13，所述监测仪器12通过密封电缆6与所述供能模块11和数据传输与控制模块13连接，其中，密封电缆6贴着海床和承载体桩基础固定，供电模块11包括数块太阳能板和蓄电池，太阳能板数量是根据监测仪器数量以及能耗确定，所述数据传输与控制模块13包括两自由度运动控制面板、数据解析、存储面板和数据传输面板，可以实现对一体化监测设备的自动控制和数据采集与解析。

如图3所示，波浪、海流、潮位、温盐和潮位等监测仪器或者监测传感器还可以安装在仪器安装基座上，仪器安装基座可以放置于海床上，不安装在桩基础上，仪器安装基座由混凝土底座和不锈钢支架组成，不锈钢支架安装在混凝土底座的凹槽内，监测仪器和备用电池安装在不锈钢支架上，为了使承载体不影响监测海洋要素，仪器安装基座与承载体的距离达到30m以上。监测仪器通过密封电缆与上部供能模块和数据传输与控制模块连接，密封电缆贴着海床和承载体桩基础固定；供能模块包括数块太阳能板，太阳能板数量是根据监测仪器数量以及能耗确定。

所述监测数据管理系统2，用于存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据，采用PostgreSQL数据库通过项目名称表、加载历史记录表、项目与仪器关联表、加载文件与仪器关联表分仪器对监测数据进行管理；该数据库用于对不同监测仪器进行管理，记录不同监测仪器绑定的传输文件，并对文件的加载历史信息管理保存，另外，还对多个监测仪器采集的数据进行保存和管理，易方便用户对不同类别的监测信息进行查看；数据库中，在公共模式中记录加载历史、仪器、仪器数据文件的列表以及其关联关系，而后对于每一台监测仪器建立一个模式来储存该监测仪器的数据信息。

所述监测数据分析系统3，用于统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；以波浪、海流要素为例，其中特征值主要包括统计波浪、海流等海洋要素的最大值、最小值、平均值；标记台风期间的海洋环境要素时间序列，进行统计汇总；统计波浪的波高/周期联合分布，计算波高与周期关系；统计波浪能谱的平均值，拟合得到该海上风电场适用的经验谱。

所述界面展示系统4，用于显示所述立体监测系统采集的监测数据，以及管理和显示监测仪器的信息，采用Interactive Data Display软件包实现对仪器信息和采集数据的导入、导出、分类、查找和展示功能。

采用一种海上风电场的海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统可以实现对海上风电场场址内以及海缆路由区水动力环境的远程监测，为海上风电场运维的安全提供保障。

在一个实施例中，如图4所示，所述界面展示系统4包括仪器状态监测显示模块41、数据监测显示模块42和数据管理模块43；

所述仪器状态监测显示模块41，用于显示海域内所有仪器设备的实时运行状态，包括倾斜、横摇、压力和温度状态，可以选取一段时间内的监测仪器的监测状态以图像的形式直观显示监测仪器的运行状态。

所述数据监测显示模块42，用于实时显示所述监测仪器投放海域的波浪、海流、潮位、海水温度、盐度和海床冲淤信息，以对海缆路由区域的海域状况进行监控；在本实施例中，以波浪和海流为例，该模块可展示包括波浪的平均波高、1/3波高、1/10波高、最大波高、平均周期、谱峰周期、跨零周期和主波向等多种波浪特征值，还可选取一段时间内的波浪参数监测数据以图像的形式直观显示海域的波浪状况；该模块还可以展示海流包括各层流速和流向、各层最大(平均)流速和流向、垂向平均流速特征，可选取一段时间内的流速参数监测数据以图像的形式直观显示海域的流速状况。

所述数据管理模块43，用于实时管理所述监测仪器采集的数据向数据库的自动导入，并在前端反馈数据文件的更新情况，还可以汇总导入文件的数据缺失或者错误条目，同时按照固定格式导入各风电场对应的历史观测数据，支持新建和导入其他要素历史或者实时监测数据，如图5所示，针对监测数据是否有改动，若有改动则需要先判断是否有历史数据读取，若有读取则从上一次读取的位置继续读取数据，进对比然后存入数据库，显示更新的信息；若没有读取历史数据则直接从头开始读取数据，之后再进行比对存入数据库，最终显示更新的信息。

在一个实施例中，如图6所示所述一体化安装机构5包括第一抱箍构件51、第二抱箍构件52、紧拴构件53、竖向安装杆54、竖向安装杆紧固件55、第一横向外伸杆56、第二横向外伸杆57、第三横向外伸杆58、外伸仪器安装构件59、第一监测仪器121、第二监测仪器122和仪器自动清理构件；所述第一监测仪器121为海床监测仪器，所述第二监测仪器122为波浪、海流、潮位、海水温度和盐度监测仪器。

所述第一抱箍构件51和第二抱箍构件52通过所述紧拴构件53固定在桩基础上；

所述第二抱箍构件51在桩基础上的安装位置由所述第一监测仪器121的运行水深确定；

所述第一抱箍构件51安装在所述第二抱箍构件52上

所述第一横向外伸杆56和第二横向外伸杆57固定所述第二抱箍构件52；

所述第三横向外伸杆58固定所述第一抱箍构件51；

所述外伸仪器安装构件59固定所述第一横向外伸杆56、第二横向外伸杆57和第三横向外伸杆58；

所述竖向安装杆54连接所述第一抱箍构件51和第二抱箍构件52；

在所述竖向安装杆54的末端安装所述第一监测仪器121；

所述第一抱箍构件51、第二抱箍构件52和竖向安装杆通过所述竖向安装杆55紧固件固定在一起，并与所述立体监测系统1的桩基础相连接；

在所述外伸仪器安装构件59上安装所述第二监测仪器122；

所述仪器自动清理构件分别固定于竖向安装杆54末端和外伸仪器安装构件59上，可以实现定期刷扫监测仪器探头表面的海生物，减少海生物附着，提高监测仪器的使用时限，提升监测准确度。

立体监测系统采用一体化监测安装构件的优势在于：一体化安装机构能够适用于大桩径单桩基础、小桩径多桩导管架基础和海上升压站基础安装，同时可以适用于已建结构物基础或者在建结构物基础；能够进行多种冲淤动力要素的同步监测，有利于海洋冲淤动力环境的数据获取和综合分析；安装和拆除维护便易，减少水下机构运动，降低海生物附着对监测系统运行的影响；一体化安装机构安装后，运维期无需再次拆卸一体化安装机构主体，维护设备只需水下拆除竖向安装杆末端和外伸仪器安装构件上的监测仪器，运行和维护均不影响桩基础本体状态。

一体化安装机构在桩基础上的安装方式具体地如图6所示，首先根据海床监测设备的运行水深，确定第一抱箍构件和第二抱箍构件的安装位置，第一抱箍构件在上，二层抱箍构件在下，两层抱箍构件相隔一段距离，能够更好地将竖向安装杆固定；采用浮带将第二抱箍构件环绕桩基础，潜水员或者ROV配合第二抱箍构件移动到安装水深；采用水下气动收紧设备通过紧拴构件将抱箍两端拉紧，实现将第二抱箍安装在桩基础上；第一抱箍构件采用相同方法安装于第二抱箍上方。然后通过螺栓将竖向安装杆安装在第一和第二抱箍构件的螺栓预留口上，将第一和第二抱箍连接成整体，增强一体化监测安装构件的稳固程度。

若单桩基础上有套笼的，可以采用竖向安装杆紧固件将竖向安装杆与桩基础本身套笼结构固定在一起，进一步增强监测安装构件的稳固程度。第一、第二和第三横向外伸杆以及外伸仪器安装构件在船上安装连接，整体下水安装于一层和二层抱箍上。最后，将水密供电电缆和通讯电缆沿着预留线槽连上基础平台，与数据传输与控制模块进行连接。对于已建结构物基础，第一和第二抱箍构件可以采用钛材料制作，钛材料具有质量轻、强度高和柔软性强等特点，可以采用水下气动收紧设备通过抱箍的紧拴构件紧固抱箍，将一层和二层抱箍构件固定在桩基础上。实现，第一和第二抱箍构件在已建结构物基础上的后安装；对于在建结构物基础可以采用采用钛材料或者不锈钢材料制作，由于可以与结构物上部结构一起进行吊装施工，可以不设置紧拴构件，制作时根据桩基础直径一体成型，一体化安装机构同样采用竖向安装杆与上部结构物进行连接。

在一个实施例中，如图7所示，在一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统的基础上，提供一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理方法，包括：

S11、在风电场桩基础上将监测仪器安装在一体化安装机构上；

S12、所述监测仪器采集海上风电场海洋冲淤动力环境的监测数据；

S13、存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据；

S14、统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；

S15、显示所述立体监测系统采集的监测数据，以及管理和显示监测仪器的信息。

综上，本发明实施例提供一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统及方法，实现对海上风电场场址内以及海缆路由区水动力环境的远程监测，为海上风电场运维的安全提供保障；提高监测设备工作效率，提升海上风电场运维期海洋环境监测系统的自动化和智能化水平，减少维护风险，降低监测设备维护成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通计数人员来说，在不脱离本发明计数原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其特征在于，所述系统包括立体监测系统、监测数据管理系统、监测数据分析系统和界面展示系统；

所述立体监测系统包括监测仪器和一体化安装机构，所述监测仪器安装在所述一体化安装机构上，所述监测仪器用于采集海上风电场海洋冲淤动力环境的监测数据；

所述监测数据管理系统，用于存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据；

所述监测数据分析系统，用于统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；

所述界面展示系统，用于显示所述立体监测系统采集的监测数据，以及管理和显示监测仪器的信息；

其中，所述一体化安装机构包括第一抱箍构件、第二抱箍构件、紧拴构件、第一横向外伸杆、第二横向外伸杆、第三横向外伸杆和外伸仪器安装构件；

所述第一抱箍构件和第二抱箍构件通过所述紧拴构件固定在桩基础上；

所述第一横向外伸杆和第二横向外伸杆固定所述第二抱箍构件；

所述第三横向外伸杆固定所述第一抱箍构件；

所述外伸仪器安装构件固定所述第一横向外伸杆、第二横向外伸杆和第三横向外伸杆；

所述一体化安装机构还包括竖向安装杆、竖向安装杆紧固件、第一监测仪器和第二监测仪器；

所述竖向安装杆连接所述第一抱箍构件和第二抱箍构件；

在所述竖向安装杆的末端安装所述第一监测仪器；

所述第一抱箍构件、第二抱箍构件和竖向安装杆通过所述竖向安装杆紧固件固定在一起，并与所述立体监测系统的桩基础相连接；

在所述外伸仪器安装构件上安装所述第二监测仪器；

所述第二抱箍构件在桩基础上的安装位置由所述第一监测仪器的运行水深确定；

所述第一抱箍构件安装在所述第二抱箍构件上；

所述一体化安装机构还包括仪器自动清理构件，所述仪器自动清理构件分别固定于竖向安装杆末端和外伸仪器安装构件上。

2.如权利要求1所述一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其特征在于，所述界面展示系统包括仪器状态监测显示模块、数据监测显示模块和数据管理模块；

所述仪器状态监测显示模块，用于显示海域内所有仪器设备的实时运行状态，包括倾斜、横摇、压力和温度状态；

所述数据监测显示模块，用于实时显示所述监测仪器投放海域的波浪、海流、潮位、海水温度、盐度和海床冲淤信息，以对海缆路由区域的海域状况进行监控；

所述数据管理模块，用于实时管理所述监测仪器采集的数据向数据库的自动导入，并在前端反馈数据文件的更新情况。

3.如权利要求1所述一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其特征在于，所述立体监测系统还包括供能模块，所述供能模块包括数块太阳能板。

4.如权利要求1所述一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其特征在于，所述立体监测系统还包括数据传输与控制模块，所述数据传输与控制模块包括两自由度运动控制面板。

5.如权利要求1所述一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理系统，其特征在于，所述监测数据包括波浪要素、海流要素、潮位要素、海水温度要素、盐度要素和海床冲淤要素。

6.一种海洋冲淤动力环境立体监测多数据融合管理方法，其特征在于，所述方法包括，在风电场桩基础上将监测仪器安装在一体化安装机构上；

所述监测仪器采集海上风电场海洋冲淤动力环境的监测数据；

存储和管理采集的所述监测数据以及海洋冲淤动力环境的历史数据；

统计和分析各时间段内所述海洋冲淤动力环境监测数据中各要素的特征值；

显示立体监测系统采集的监测数据，以及管理和显示监测仪器的信息；

其中，所述一体化安装机构包括第一抱箍构件、第二抱箍构件、紧拴构件、第一横向外伸杆、第二横向外伸杆、第三横向外伸杆和外伸仪器安装构件；

所述第一抱箍构件和第二抱箍构件通过所述紧拴构件固定在桩基础上；

所述第一横向外伸杆和第二横向外伸杆固定所述第二抱箍构件；

所述第三横向外伸杆固定所述第一抱箍构件；

所述外伸仪器安装构件固定所述第一横向外伸杆、第二横向外伸杆和第三横向外伸杆；

所述一体化安装机构还包括竖向安装杆、竖向安装杆紧固件、第一监测仪器和第二监测仪器；

所述竖向安装杆连接所述第一抱箍构件和第二抱箍构件；

在所述竖向安装杆的末端安装所述第一监测仪器；

所述第一抱箍构件、第二抱箍构件和竖向安装杆通过所述竖向安装杆紧固件固定在一起，并与所述立体监测系统的桩基础相连接；

在所述外伸仪器安装构件上安装所述第二监测仪器；

所述第二抱箍构件在桩基础上的安装位置由所述第一监测仪器的运行水深确定；

所述第一抱箍构件安装在所述第二抱箍构件上；

所述一体化安装机构还包括仪器自动清理构件，所述仪器自动清理构件分别固定于竖向安装杆末端和外伸仪器安装构件上。