CN116074361A - 半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统和方法 - Google Patents
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Abstract
半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，包括：传感网络模块，通过搭建传感器网络测量平台相关参数；数据采集传输模块，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件传入监测终端；数据分析处理模块，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；实时监测预警模块，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。本发明的有益效果是实现了对半潜式生产平台结构健康实时监测和预警，具备传感器标定、波长分析、数据处理存储、可视化显示与危险警报等功能，并且可以实现对旁通中部、旁通与立柱连接处等关键部位的拱垂及结构应力监测，为运行安全提供技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及海洋油气生产平台的数据处理领域，更具体地说涉及一种半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统和方法。
背景技术
随着世界经济迅猛发展，石油天然气的需求量猛增，陆地油气供给能力有限，我国南海是重要的深水油气资源富集地区，油气资源总储量估计在230－300亿吨，占到我国资源总量的1/3，其中70％处于深水地区，因此，对南海深水油气资源的开发是解决我国能源问题的重要手段。海洋半潜式生产平台在海洋油气勘探的过程中发挥着至关重要的作用，其船体结构强度是决定平台安全性能的重要因素之一。
海洋半潜式生产平台在海洋油气勘探的过程中发挥着至关重要的作用，其船体结构强度是决定平台安全性能的重要因素之一。船级社在深水浮式平台设计与建造过程中制定了相关规范及标准，对建造工艺以及船舶的维修保养提出了相关要求和计划，从而保证船体结构的强度能承受环境载荷的破坏。然而，平台运营在复杂的海洋环境中，其结构承受的外载荷具有很强的随机性，并且在设计和建造过程中很难对这些随机因素进行准确的预报。因此，研究人员通过船体结构应力采集系统来保障海洋平台在深海作业过程中的安全，通过布置在船体关键位置的传感器采集结构特征数据，使用计算机对采集的数据进行分析处理，进而实现海洋平台结构安全状态的实时预警，确保海洋平台在服役过程中安全稳定运行。目前基于光纤光栅传感器的海洋油气生产平台结构健康监测系统的研究，在国内还处于发展阶段，半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统和方法，无论是在工程实际需要方面，还是发展建设方面，都有重大意义。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统和方法。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，包括：
传感网络模块，通过搭建传感器网络测量平台相关参数；
数据采集传输模块，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件传入监测终端；
数据分析处理模块，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；
实时监测预警模块，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。
所述传感网络模块包括测点应变传感器、测点温度传感器和传感器网络，测点数据通过测点应变传感器和测点温度传感器传输进入传感器网络；
所述数据采集传输模块包括传输总线、解调仪和监测终端，传感器网络输出的数据经由传输总线后通过解调仪的解调和集成后进入到监测终端；
所述数据分析处理模块由数据通讯接口获取监测终端的数据信息，在数据分析处理模块内进行数据预处理和数据反演；
所述实时监测预警模块包括实时监测模块、安全预警模块和数据库模块，数据经所述数据分析处理模块处理后依次通过实时监测模块和安全预警模块后录入数据库模块。
所述测点应变传感器和所述测点温度传感器采用FBGS单向应变敏感传感器，所述测点应变传感器采用FBGS应变传感器，所述测点温度传感器采用FBGS温度传感器。
采用单向FGBG实现对弯矩信息的采集，采用FBGS直角应变花实现对平面应力信息的采集。
所述数据采集传输模块的数据处理流程包括步骤如下：
步骤1、利用杂波去除算法将波长数据中的杂波去除，保留有效波长；
步骤2、将测点有效波长数据转换为测点应变，转换公式如下，
式中，ws1和wt1分别表示应变、温度监测波长，ws0和wt0分别表示应变、温度初始中心波长；
步骤3、当测点传感器布置形式为单向应变传感器，采用应力计算公式如下，
σ＝Eε
当测点传感器布置形式为直角应变花，采用应力计算公式如下，
式中，E表示测点材料的弹性模量,ε表示测点应变，ε0、ε45和ε90分别表示0°、45°和90°方向的应变，σx和σy分别表示测点x和y方向的应力分量，τxy表示测点的剪切应力，E表示材料弹性模量，ν表示材料的泊松比，σeq表示测点米塞斯应力；
步骤4、基于智能预测算法和机理模型，由测点应力预测加强筋应力和浮筒拱垂值。
杂波去除算法包括步骤如下：
S1、i通道具有m个波长；
S2、i通道对应n个传感器；
S3、判断m是否等于n，当m等于n时则判断为无杂波，当m不等于n时则进入步骤S4；
S4、比较波长数据与传感器基础中心波长；
S5、选取最接近基础中心波长的为有效波长。
所述适用于半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统的菜单系统包括基础数据库、在线监测预警、数据分析模块和系统管理，
基础数据库的子模块包括平台基本信息模块、测点基本信息模块、传感器基本信息模块和解调仪基本信息模块，平台基本信息模块用于实现平台信息的增删改查，测点基础信息模块用于实现测点信息查询以及测点初始应力标定，传感器基础信息模块用于实现传感器信息查询、传感器初始中心波长标定，解调仪通道基本信息模块用于实现解调仪通道信息查询以及传感器通道替换；
在线监测预警的子模块包括数据通讯设置模块、测点应力监测模块、危险点应力监测预警模块和拱垂监测预警模块，数据通讯设置模块用于实现数据采集、传输以及监测数据处理，测点应力监测模块用于实现测点应力可视化显示、存储、实时监测预警以及组态监测预警，危险点应力监测预警模块用于实现旁通与立柱连接处应力监测、可视化显示、存储、危险警报，拱垂监测预警模块用于实现旁通中部浮筒拱垂监测、可视化显示、存储、危险警报；
数据分析模块的子模块包括传感器测量中心波长数据模块、传感器测量应力数据模块、测点应力数据模块、危险点应力数据模块、危险点应力预警数据模块、拱垂预警数据模块和浮筒拱垂数据模块，传感器测量中心波长数据模块用于实现波长分析以及波长历史数据趋势分析、查询、导出，传感器测量应力数据模块用于实现传感器测量应力历史数据趋势分析、查询、导出，测点应力数据模块用于实现测点应力历史数据趋势分析、查询、导出，危险点应力数据模块用于实现危险点应力历史数据趋势分析、查询、导出，危险点应力预警数据模块用于实现危险点应力预警数据趋势分析、查询、导出，拱垂预警数据模块用于实现浮筒拱垂预警数据趋势分析、查询、导出，浮筒拱垂数据模块用于实现浮筒拱垂历史数据趋势分析、查询、导出；
系统管理的子模块包括修改密码模块、软件使用说明模块、关于系统模块和退出系统模块，修改密码模块用于实现修改密码的操作，软件使用说明模块用于查看软件使用说明，关于系统模块用于查看系统相关信息，退出系统模块用于实现退出程序。
半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集的方法，
构建系统的感知层，通过搭建传感器网络测量平台结构应力等参数；
构建传输层，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件并传入监测终端；
构建服务层，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；
构建应用层，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。
本发明的有益效果为：实现了对半潜式生产平台结构健康实时监测和预警，具备传感器标定、波长分析、数据处理存储、可视化显示与危险警报等功能，并且可以实现对旁通中部、旁通与立柱连接处等关键部位的拱垂及结构应力监测，为其运行安全提供技术保障。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是杂波去除流程的示意图；
图3是系统菜单整体框架图；
图4是单向传感器的结构示意图；
图5是单向传感器直角式应变花的结构示意图；
图6是本实施例的硬件系统集成架构图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例
如图1所示，半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，包括：
传感网络模块，通过搭建传感器网络测量平台相关参数；
数据采集传输模块，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件传入监测终端；
数据分析处理模块，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；
实时监测预警模块，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。
传感网络模块包括测点应变传感器、测点温度传感器和传感器网络，测点数据通过测点应变传感器和测点温度传感器传输进入传感器网络；
数据采集传输模块包括传输总线、解调仪和监测终端，传感器网络输出的数据经由传输总线后通过解调仪的解调和集成后进入到监测终端；
数据分析处理模块由数据通讯接口获取监测终端的数据信息，在数据分析处理模块内进行数据预处理和数据反演；
实时监测预警模块包括实时监测模块、安全预警模块和数据库模块，数据经数据分析处理模块处理后依次通过实时监测模块和安全预警模块后录入数据库模块。
测点应变传感器和测点温度传感器采用FBGS单向应变敏感传感器，测点应变传感器采用FBGS应变传感器，测点温度传感器采用FBGS温度传感器。
如图4所示，FBGS是单向应变敏感传感器，只能监测轴向应变，对于只沿拉压应力或弯矩的部件，由于其受力方向比较单一，仅沿其轴向布置单一传感器即可。
和图5所示，STR1，STR2，STR3表示光栅光纤应变传感器，TEM表示温度补偿传感器。表示的应变花结构实现了每根光栅在光纤上的独立连接，实现了独立式的测量，直角式应变花的缺点在于需要占用大量的解调仪接口，但是由于其良好的稳定性和易更换型，是大型工程长期监测的优选方案。
采用单向FGBG实现对弯矩信息的采集，采用FBGS直角应变花实现对平面应力信息的采集。
数据采集传输模块的数据处理流程包括步骤如下：
步骤1、利用杂波去除算法将波长数据中的杂波去除，保留有效波长；
步骤2、将测点有效波长数据转换为测点应变，转换公式如下，
式中，ws1和wt1分别表示应变、温度监测波长，ws0和wt0分别表示应变、温度初始中心波长；
步骤3、当测点传感器布置形式为单向应变传感器，采用应力计算公式如下，
σ＝Eε
当测点传感器布置形式为直角应变花，采用应力计算公式如下，
式中，E表示测点材料的弹性模量,ε表示测点应变，ε0、ε45和ε90分别表示0°、45°和90°方向的应变，σx和σy分别表示测点x和y方向的应力分量，τxy表示测点的剪切应力，E表示材料弹性模量，ν表示材料的泊松比，σeq表示测点米塞斯应力；
步骤2、基于智能预测算法和机理模型，由测点应力预测加强筋应力和浮筒拱垂值。
如图2所示，杂波去除算法包括步骤如下：
S1、i通道具有m个波长；
S2、i通道对应n个传感器；
S3、判断m是否等于n，当m等于n时则判断为无杂波，当m不等于n时则进入步骤S4；
S4、比较波长数据与传感器基础中心波长；
S5、选取最接近基础中心波长的为有效波长。
如图3所示，适用于半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统的菜单系统包括基础数据库、在线监测预警、数据分析模块和系统管理，
基础数据库的子模块包括平台基本信息模块、测点基本信息模块、传感器基本信息模块和解调仪基本信息模块，平台基本信息模块用于实现平台信息的增删改查，测点基础信息模块用于实现测点信息查询以及测点初始应力标定，传感器基础信息模块用于实现传感器信息查询、传感器初始中心波长标定，解调仪通道基本信息模块用于实现解调仪通道信息查询以及传感器通道替换；
在线监测预警的子模块包括数据通讯设置模块、测点应力监测模块、危险点应力监测预警模块和拱垂监测预警模块，数据通讯设置模块用于实现数据采集、传输以及监测数据处理，测点应力监测模块用于实现测点应力可视化显示、存储、实时监测预警以及组态监测预警，危险点应力监测预警模块用于实现旁通与立柱连接处应力监测、可视化显示、存储、危险警报，拱垂监测预警模块用于实现旁通中部浮筒拱垂监测、可视化显示、存储、危险警报；
数据分析模块的子模块包括传感器测量中心波长数据模块、传感器测量应力数据模块、测点应力数据模块、危险点应力数据模块、危险点应力预警数据模块、拱垂预警数据模块和浮筒拱垂数据模块，传感器测量中心波长数据模块用于实现波长分析以及波长历史数据趋势分析、查询、导出，传感器测量应力数据模块用于实现传感器测量应力历史数据趋势分析、查询、导出，测点应力数据模块用于实现测点应力历史数据趋势分析、查询、导出，危险点应力数据模块用于实现危险点应力历史数据趋势分析、查询、导出，危险点应力预警数据模块用于实现危险点应力预警数据趋势分析、查询、导出，拱垂预警数据模块用于实现浮筒拱垂预警数据趋势分析、查询、导出，浮筒拱垂数据模块用于实现浮筒拱垂历史数据趋势分析、查询、导出；
系统管理的子模块包括修改密码模块、软件使用说明模块、关于系统模块和退出系统模块，修改密码模块用于实现修改密码的操作，软件使用说明模块用于查看软件使用说明，关于系统模块用于查看系统相关信息，退出系统模块用于实现退出程序。
半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集的方法，
构建系统的感知层，通过搭建传感器网络测量平台结构应力等参数；
构建传输层，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件并传入监测终端；
构建服务层，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；
构建应用层，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。
本发明的原理如下，由于半潜式平台长期在海洋中工作，工作环境相对恶劣，因此要求监测传感器具有良好的适应性和耐腐蚀性；平台整体由钢结构搭建而成，且平台上电子仪器设备众多，很容易对信号造成屏蔽或干扰，传感器需要有较好的抗干扰能力；平台往往长期处于海洋工作状态，因此需要保证传感器的长期稳定性和可靠性。综合半潜式平台的工作特点以及监测要求，在对半潜式生产储卸油平台的结构应力监测中宜选用光纤光栅传感器作为结构应力采集的传感器。
如图6所示，船体结构应力采集系统硬件集成架构共分为四层，本实施例中，第一层是各个监测区域的传感器层，该层是船体结构应力采集系统的感知基础；第二层为各传感器群的传输总线，各监测区域的传感器群经过光缆盘纤盒将光纤进行集成，集成后由传输总线向第三层传输；第三层为三台光栅光纤解调仪，根据布线路径规划，设计西北立柱空舱传感器群、南侧浮筒空舱传感器群、北侧浮筒空舱传感器群共用一个解调仪，东南立柱空舱传感器群、东侧浮筒空舱传感器群、南侧浮筒空舱传感器群共用一个解调仪，备用一台；数据经光纤光栅解调仪的解调和集成后，经过通讯总线传向第四层，即监测终端中央服务器，采集的数据集中到中央服务器进行储存和计算，并在中央服务器的软件界面对监测信息进行实时显示。基于UDP协议设计数据通讯接口，实现了监测终端通过UDP协议对接口设备数据进行实时采集。
进一步，本实施例中温度传感器选用中科传感FS4100光纤光栅温度传感器，该传感器测温精度为0.5℃，工作温度为-40-120℃。应变传感器选用中科传感FS1000光纤光栅应变传感器，该传感器应变测量精度为1‰，应变测量范围为+/-2500微应变，符合船体结构应力采集系统测量需求。光栅光纤解调仪采用工业级光栅传感解调仪-FT1601-52×21。该解调仪抗长期振动，数据接口耐高压，耐温范围广，通讯接口灵活便捷。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于包括：
传感网络模块，通过搭建传感器网络测量平台相关参数；
数据采集传输模块，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件传入监测终端；
数据分析处理模块，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；
实时监测预警模块，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于：
所述传感网络模块包括测点应变传感器、测点温度传感器和传感器网络，测点数据通过测点应变传感器和测点温度传感器传输进入传感器网络；
所述数据采集传输模块包括传输总线、解调仪和监测终端，传感器网络输出的数据经由传输总线后通过解调仪的解调和集成后进入到监测终端；
所述数据分析处理模块由数据通讯接口获取监测终端的数据信息，在数据分析处理模块内进行数据预处理和数据反演；
所述实时监测预警模块包括实时监测模块、安全预警模块和数据库模块，数据经所述数据分析处理模块处理后依次通过实时监测模块和安全预警模块后录入数据库模块。
3.根据权利要求2所述的半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于：所述测点应变传感器和所述测点温度传感器采用FBGS单向应变敏感传感器，所述测点应变传感器采用FBGS应变传感器，所述测点温度传感器采用FBGS温度传感器。
4.根据权利要求3所述的半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于：采用单向FGBG实现对弯矩信息的采集，采用FBGS直角应变花实现对平面应力信息的采集。
5.根据权利要求2所述的半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于，所述数据采集传输模块的数据处理流程包括步骤如下：
步骤1、利用杂波去除算法将波长数据中的杂波去除，保留有效波长；
步骤2、将测点有效波长数据转换为测点应变，转换公式如下，
式中，ws1和wt1分别表示应变、温度监测波长，ws0和wt0分别表示应变、温度初始中心波长；
步骤3、当测点传感器布置形式为单向应变传感器，采用应力计算公式如下，
σ＝Eε
当测点传感器布置形式为直角应变花，采用应力计算公式如下，
式中，E表示测点材料的弹性模量,ε表示测点应变，ε0、ε45和ε90分别表示0°、45°和90°方向的应变，σx和σy分别表示测点x和y方向的应力分量，τxy表示测点的剪切应力，E表示材料弹性模量，ν表示材料的泊松比，σeq表示测点米塞斯应力；
步骤4、基于智能预测算法和机理模型，由测点应力预测加强筋应力和浮筒拱垂值。
6.根据权利要求5所述的半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于，杂波去除算法包括步骤如下：
S1、i通道具有m个波长；
S2、i通道对应n个传感器；
S3、判断m是否等于n，当m等于n时则判断为无杂波，当m不等于n时则进入步骤S4；
S4、比较波长数据与传感器基础中心波长；
S5、选取最接近基础中心波长的为有效波长。
7.根据权利要求2所述的半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统，其特征在于：所述适用于半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统的菜单系统包括基础数据库、在线监测预警、数据分析模块和系统管理，
基础数据库的子模块包括平台基本信息模块、测点基本信息模块、传感器基本信息模块和解调仪基本信息模块，平台基本信息模块用于实现平台信息的增删改查，测点基础信息模块用于实现测点信息查询以及测点初始应力标定，传感器基础信息模块用于实现传感器信息查询、传感器初始中心波长标定，解调仪通道基本信息模块用于实现解调仪通道信息查询以及传感器通道替换；
在线监测预警的子模块包括数据通讯设置模块、测点应力监测模块、危险点应力监测预警模块和拱垂监测预警模块，数据通讯设置模块用于实现数据采集、传输以及监测数据处理，测点应力监测模块用于实现测点应力可视化显示、存储、实时监测预警以及组态监测预警，危险点应力监测预警模块用于实现旁通与立柱连接处应力监测、可视化显示、存储、危险警报，拱垂监测预警模块用于实现旁通中部浮筒拱垂监测、可视化显示、存储、危险警报；
数据分析模块的子模块包括传感器测量中心波长数据模块、传感器测量应力数据模块、测点应力数据模块、危险点应力数据模块、危险点应力预警数据模块、拱垂预警数据模块和浮筒拱垂数据模块，传感器测量中心波长数据模块用于实现波长分析以及波长历史数据趋势分析、查询、导出，传感器测量应力数据模块用于实现传感器测量应力历史数据趋势分析、查询、导出，测点应力数据模块用于实现测点应力历史数据趋势分析、查询、导出，危险点应力数据模块用于实现危险点应力历史数据趋势分析、查询、导出，危险点应力预警数据模块用于实现危险点应力预警数据趋势分析、查询、导出，拱垂预警数据模块用于实现浮筒拱垂预警数据趋势分析、查询、导出，浮筒拱垂数据模块用于实现浮筒拱垂历史数据趋势分析、查询、导出；
系统管理的子模块包括修改密码模块、软件使用说明模块、关于系统模块和退出系统模块，修改密码模块用于实现修改密码的操作，软件使用说明模块用于查看软件使用说明，关于系统模块用于查看系统相关信息，退出系统模块用于实现退出程序。
8.半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集的方法，其特征在于：
构建系统的感知层，通过搭建传感器网络测量平台结构应力等参数；
构建传输层，测量信号经数据采集传输模块滤波、采样、转换、同步处理后形成数据文件并传入监测终端；
构建服务层，通过数据通讯接口实时接收监测终端数据，基于已完成训练的智能预测算法对平台健康状态进行分析；
构建应用层，对结构安全状况进行实时评估和预警，进行可视化展示。
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| CN202211619563.XA CN116074361A (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 半潜式海洋油气生产平台的实时应力采集系统和方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118275007A (zh) * | 2024-05-31 | 2024-07-02 | 中国矿业大学 | 基于有限传感器的矿用电铲动臂应力状态监测系统及方法 |
-
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Cited By (2)
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| CN118275007A (zh) * | 2024-05-31 | 2024-07-02 | 中国矿业大学 | 基于有限传感器的矿用电铲动臂应力状态监测系统及方法 |
| CN118275007B (zh) * | 2024-05-31 | 2024-08-20 | 中国矿业大学 | 基于有限传感器的矿用电铲动臂应力状态监测系统及方法 |
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