CN116517783A - 一种海洋工程结构在位状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋工程结构在位状态监测方法，包括：(1)进行传感器环向布置及信号分解重构；(2)通过普朗尼信号分解重构技术计算各传感器所在法兰位置处空间位移；(3)法兰盘平面姿态拟合及倾斜度预警。本发明将多个加速度传感器环向布置在风机法兰环上，基于海上风机法兰盘的动态变化的响应信号，通过普朗尼信号分解重构技术来计算各传感器所在法兰位置处空间位移，并通过坐标拟合的法兰盘平面运动轨迹和倾斜角度来判断法兰紧和度，进而判断塔筒的在位状态是否发生改变。
Description
技术领域
本发明涉及海上风机在线监测技术领域，特别涉及一种海洋工程结构在位状态监测方法。
背景技术
在众多可再生能源发电技术中，风力发电以其社会环境经济效益方面备受瞩目。进入新世纪以来，国家不断增大对海上风电的投资力度和政策扶持，海上风电事业发展迅速。但海上风机所处环境相对恶劣，风向、波浪高度变化快，更有台风、海啸等极端工况，与陆上风电场的建设相比具有更大的安全和投资风险。同时定期的维护检修使得海上风电的运维成本居高不下，还容易受海上天气的影响。通过海上风机在线监测能够实时监测海上风机的运行在位状态，并实时分析各种仪器采集的信号，如若发现故障信号，即可触发风电机组控制保护，从而避免风机塔筒倒塌事故的发生。
由于风机所处的海上环境，使得振动位移变得难以测量。目前业界通常使用的是倾角测量方法，在海上风机塔筒的多个高程布置一定数量的倾角传感器，然后通过物理模型得到塔筒的位移曲线，但这种设备安装不便，且无法测量塔筒在较高频率下的振动位移。另外，现有的GPS监测技术精度较差，成本较高，海上基站的匮乏导致无法动态追踪风机的在位状态。此外，现有的视频测量技术测量法主要通过全景摄像头抓拍标识点，然后通过图像识别得到海上风机的振动位移，但与倾角传感器相比在测量精度上较差且在夜间无法监视。因此需要找到一种更加精确和方便的海上风机塔筒在位状态监测方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种海洋工程结构在位状态监测方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明实施例提供了一种海洋工程结构在位状态监测方法，其改进之处在于，包括：
(1)进行传感器环向布置及信号分解重构；
(2)通过普朗尼信号分解重构技术计算各传感器所在法兰位置处空间位移；
(3)法兰盘平面姿态拟合及倾斜度预警。
优选的，所述步骤(1)包括在法兰盘的关键节点环向布置传感器，确保传感器有效捕捉法兰盘的竖向振动信号。
优选的，所述步骤(2)包括运用普朗尼信号分解重构技术得到重构后加速度信号，并通过积分变换得到三个方向的振动位移，将得到位移信号具现在空间坐标系中，得到法兰盘测点的位移运动轨迹和空间平面。
进一步的，所述步骤(2)包括
2-1普朗尼信号分解重构技术对加速度信号进行实时分解：
其中，γm为对应留数，λm为极值，ξm为阻尼系数；
2-2对加速度信号中的时间项进行积分，得到速度信号：
2-3对离散的速度信号中的时间项进行积分，得到位移信号：
进一步的，根据计算所得的位移信号，将法兰测点的x、y、z三个方向的位移输入到三维空间坐标中，得到法兰测点相对于初始状态的变化及法兰盘测点的运动轨迹。
优选的，所述步骤(3)包括基于法兰平面上的测量基点，对测量所得的空间坐标进行平面拟合，得到法兰盘平面姿态所在的实时法向量；
根据空间球体线性无关的中垂面方程，得到圆心的最小二乘解，并在空间中绘制出法兰盘拟合平面的实时姿态；
根据法兰盘平面的空间法向量，计算出法兰盘拟合平面在空间里的法兰倾斜角；
将传感器位移和法兰倾斜角作为塔筒监测指标，并根据设计的指标预警阈值，对超过阈值的异常点及时进行预警。
进一步的，包括
3-1法兰盘测量点环向布置在法兰盘平面上，基于步骤(1)得出的法兰盘测点坐标，对法兰盘测点坐标进行空间平面姿态拟合，平面方程可表示为：
MA＝L1#(4)；
其中，A＝[a，b，c]T，L1＝[1，1，1]T；
3-2对于超定方程的求解，依据最小二乘法，可以求出法兰盘平面姿态的法向量A；
3-3对于法兰盘上的任意两个测量点，其向量可以表示为(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，对于过圆心N0(x0，y0，z0)与N1和N2的中点N12的向量可表示为/>此时两个空间向量垂直；
3-4基于法兰盘上的n个有效测点，得到n-1个线性无关的表达式：
BC＝L2#(5)；
其中
3-5法兰盘圆心在(4)所约束的平面内，并依此作为限制条件，即满足：
ATC＝1#(6)；
3-6通过构建(6)式约束条件下最优化问题来推导法方程，得出最小二乘法下的法兰盘圆心坐标；
方程为：
其中，λ为限制条件的拉格朗日算子，K为单位矩阵；
最小二乘解为：
3-7根据式(8)即可解出圆心坐标N0，法兰盘半径根据测点坐标到圆心的距离的平均值确定；
3-8记θn为法兰盘拟合平面相对于初始状态下的法兰面的夹角，通过两个平面的法向量确定，计Ln为加速度传感器在空间坐标下的位移；
3-9根据法兰倾斜角和位移两个监测指标，通过设定预警阈值来监测海上风机塔筒的在位状态是否发生改变；
法兰倾斜角：|θn|＜θ*；
法兰位移：|Ln|＜L*
进一步的，包括当上述条件均不满足时，认为海上风机塔筒的在位状态已经发生改变，应及时进行警告，必要时对风机进行停机。
进一步的，包括其中一个条件满足时，应对工作人员进行预警提醒，当两个条件同时满足时，风机在位状态没有改变，可以正常工作。
优选的，对法兰盘进行长期在线监测，对风机塔筒的在位状态进行实时判断。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明将多个加速度传感器环向布置在风机法兰环上，基于海上风机法兰盘的动态变化的响应信号，通过普朗尼信号分解重构技术来计算各传感器所在法兰位置处空间位移，并通过坐标拟合的法兰盘平面运动轨迹和倾斜角度来判断法兰紧和度，进而判断塔筒的在位状态是否发生改变。
本发明通过捕捉法兰盘处的四个关键节点的就加速度信号，经普朗尼信号分解重构得到的加速度信号与原始信号拟合良好，验证了信号分解重构的方法有效且准确。在法兰盘平面姿态拟合方面，数据点位于法兰盘拟合平面上，不同时间段下的法兰盘拟合平面直观的反映了法兰盘相对于初始状态的倾角变化，进而判断塔筒的在位状态是否发生改变。
本发明提出了一种新的加速度测点布置方式，相比传统的塔筒分布式测点，这种环向布置方式可以直观反映法兰盘处的动力响应特征；同时通过普朗尼信号分解重构技术，可以获得了各测点位置处的位移，继而转换出法兰盘测点在三维空间坐标系下的坐标，得到海上风机法兰盘的实时运动轨迹。
依据普朗尼信号分解重构获取的法兰盘各测点坐标，提出运用空间圆拟合方法对法兰盘的测点坐标进行在位平面拟合，通过测量体现法兰盘平面相对初始位置的倾角动态变化，实时捕捉海上风机塔筒的在位状态。同时对风机的在位状态监测设立了法兰倾斜角和法兰位移两个监测指标，实现了对海上风机塔筒在位状态的实时监测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种海洋工程结构在位状态监测方法流程示意图。
图2是根据实施例2中示出的1号传感器竖直方向加速度信号重构结果示意图。
图3是根据实施例2中示出的1号传感器竖直方向积分变换后的位移信号示意图。
图4是根据实施例2中示出的法兰盘测点在不同时间段坐标图示意图。
图5是根据实施例2中示出的法兰测点在不同时间段法兰平面姿态拟合示意图。
图6是根据实施例2中示出的法兰拟合平面姿态在不同时间段倾斜角度示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述：
本发明提供了一种海上风机塔筒在位状态监测方法，以实时监测海上风机塔筒产生的复杂信号，并转化成便于识别的图像。首次提出将多个加速度传感器环向布置在风机法兰环上，基于海上风机法兰盘的动态变化的响应信号，通过普朗尼信号分解重构技术来计算各传感器所在法兰位置处空间位移，并通过坐标拟合的法兰盘平面运动轨迹和倾斜角度来判断法兰紧和度，进而判断塔筒的在位状态是否发生改变，并设立预警阈值来避免风机倒塌事故的发生。
在风机法兰盘关键测点环向布置数个加速度传感器，并基于测量的加速度信号，运用普朗尼信号分解重构技术，得到重构后加速度信号，并通过积分变换得到三个方向的振动位移，将得到位移信号具现在空间坐标系中，得到法兰盘测点的位移运动轨迹和空间平面。
基于法兰平面上的测量基点，对测量所得的空间坐标进行平面拟合，得到法兰盘平面姿态所在的实时法向量。根据空间球体线性无关的中垂面方程，得到圆心的最小二乘解，并在空间中绘制出法兰盘拟合平面的实时姿态。根据法兰盘平面的空间法向量，计算出法兰盘拟合平面在空间里的法兰倾斜角。将“传感器位移”和“法兰倾斜角”作为塔筒监测指标，并根据设计的指标预警阈值，对超过阈值的异常点及时进行预警。
实施例1：
本发明提供了一种海上风机塔筒在位状态监测方法，以实时监测海上风机塔筒产生的复杂信号，并转化成便于识别的图像。如图1所示，具体方法如下：
1、进行传感器环向布置及信号分解重构；
根据法兰盘的振动特征，在法兰盘的关键节点环向布置传感器，确保传感器能够有效捕捉法兰盘的竖向振动信号。
2、通过普朗尼信号分解重构技术计算各传感器所在法兰位置处空间位移；
运用普朗尼信号分解重构技术得到重构后加速度信号，并通过积分变换得到三个方向的振动位移，将得到位移信号具现在空间坐标系中，得到法兰盘测点的位移运动轨迹和空间平面。
2-1)应用普朗尼信号分解重构技术对加速度信号进行实时分解：
其中，γm为对应留数，λm为极值，ξm为阻尼系数。
2-2)对加速度信号中的时间项进行积分，得到速度信号：
2-3)对离散的速度信号中的时间项进行积分，得到位移信号：
2-4)根据计算所得的位移信号，将法兰测点的x、y、z三个方向的位移输入到三维空间坐标中，可以得到法兰测点相对于初始状态的变化及法兰盘测点的运动轨迹。当法兰盘状态发生变化时，加速度传感器也会随之运动，因此加速度传感器的姿态变化也可以反映法兰盘的在位状态。
3、法兰盘平面姿态拟合及倾斜度预警；
基于法兰平面上的测量基点，对测量所得的空间坐标进行平面拟合，得到法兰盘平面姿态所在的实时法向量；根据空间球体线性无关的中垂面方程，得到圆心的最小二乘解，并在空间中绘制出法兰盘拟合平面的实时姿态；根据法兰盘平面的空间法向量，计算出法兰盘拟合平面在空间里的法兰倾斜角；将传感器位移和法兰倾斜角作为塔筒监测指标，并根据设计的指标预警阈值，对超过阈值的异常点及时进行预警。
3-1)法兰盘测量点环向布置在法兰盘平面上，基于步骤(1)得出的法兰盘测点坐标，对法兰盘测点坐标进行空间平面姿态拟合，平面方程可表示为：
MA＝L1#(4)；
其中，A＝[a，b，c]T，L1＝[1，1，1]T
3-2)对于超定方程的求解，依据最小二乘法，可以求出法兰盘平面姿态的法向量A。
3-3)对于法兰盘上的任意两个测量点，其向量可以表示为(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，对于过圆心N0(x0，y0，z0)与N1和N2的中点N12的向量可表示为/>此时两个空间向量垂直。
3-4)基于法兰盘上的n个有效测点，得到n-1个线性无关的表达式：
BC＝L2#(5)；
其中
3-5)法兰盘圆心在(4)所约束的平面内，并依此作为限制条件，即满足：
ATC＝1#(6)
3-6)通过构建(6)式约束条件下最优化问题来推导法方程，得出最小二乘法下的法兰盘圆心坐标。
法方程为：
其中，λ为限制条件的拉格朗日算子，K为单位矩阵。
最小二乘解为：
3-7)根据式(8)即可解出圆心坐标N0，法兰盘半径根据测点坐标到圆心的距离的平均值确定。
3-8)记θn为法兰盘拟合平面相对于初始状态下的法兰面的夹角，称为“法兰倾斜角”，可以通过两个平面的法向量确定。计Ln为加速度传感器在空间坐标下的位移。
3-9)根据法兰倾斜角和位移两个监测指标，通过设定预警阈值来监测海上风机塔筒的在位状态是否发生改变。
法兰倾斜角：|θn|＜θ*(例如θ*＝3°)。
法兰位移：|Ln|＜L，(例如L*＝5mm)。
当上述条件均不满足时，认为海上风机塔筒的在位状态已经发生改变，应及时进行警告，必要时对风机进行停机。当其中一个条件满足时，应对工作人员进行预警提醒，当两个条件同时满足时，风机在位状态没有改变，可以正常工作。该方法可以对法兰盘进行长期在线监测，从而可以对风机塔筒的在位状态进行实时判断。
实施例2：
采用一风机结构模型，加速度传感器环向布置在法兰盘，采样频率为200Hz，拆除法兰盘处靠近1号传感器的六颗螺栓来模拟结构损伤，模型顶部施加动力荷载，得到法兰盘处各测点的动力响应信号。根据步骤(1)中的普朗尼信号分解重构，对原始信号进行处理，可以看到原始信号和重构信号拟合良好，如图2所示，说明普朗尼分解重构技术处理信号的正确性。将加速度信号进行两次积分变换，得到重构后的位移信号，如图3所示。图4给出了传感器测点在不同时间段下(初始状态，t＝0.11s，t＝0.19s)的空间坐标状态。根据步骤(2)所述方法对测点进行平面姿态拟合，拟合后的结果如图5所示，法兰拟合面相对于初始平面已经产生了夹角，如图6所示，根据法兰倾斜度监测指标，可以判断出风机模型的塔筒在位状态是否发生改变。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，包括：
(1)进行传感器环向布置及信号分解重构；
(2)通过普朗尼信号分解重构技术计算各传感器所在法兰位置处空间位移；
(3)法兰盘平面姿态拟合及倾斜度预警。
2.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括在法兰盘的关键节点环向布置传感器，确保传感器有效捕捉法兰盘的竖向振动信号。
3.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，所述步骤(2)包括运用普朗尼信号分解重构技术得到重构后加速度信号，并通过积分变换得到三个方向的振动位移，将得到位移信号具现在空间坐标系中，得到法兰盘测点的位移运动轨迹和空间平面。
4.根据权利要求1或3所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，所述步骤(2)包括
2-1普朗尼信号分解重构技术对加速度信号进行实时分解：
其中，γm为对应留数，λm为极值，ξm为阻尼系数；
2-2对加速度信号中的时间项进行积分，得到速度信号：
2-3对离散的速度信号中的时间项进行积分，得到位移信号：
5.根据权利要求3所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，根据计算所得的位移信号，将法兰测点的x、y、z三个方向的位移输入到三维空间坐标中，得到法兰测点相对于初始状态的变化及法兰盘测点的运动轨迹。
6.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，所述步骤(3)包括基于法兰平面上的测量基点，对测量所得的空间坐标进行平面拟合，得到法兰盘平面姿态所在的实时法向量；
根据空间球体线性无关的中垂面方程，得到圆心的最小二乘解，并在空间中绘制出法兰盘拟合平面的实时姿态；
根据法兰盘平面的空间法向量，计算出法兰盘拟合平面在空间里的法兰倾斜角；
将传感器位移和法兰倾斜角作为塔筒监测指标，并根据设计的指标预警阈值，对超过阈值的异常点及时进行预警。
7.根据权利要求6所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，包括
3-1法兰盘测量点环向布置在法兰盘平面上，基于步骤(1)得出的法兰盘测点坐标，对法兰盘测点坐标进行空间平面姿态拟合，平面方程可表示为：
MA＝L1#(4)；
其中，A＝[a，b，c]T，L1＝[1,1,1]T；
3-2对于超定方程的求解，依据最小二乘法，可以求出法兰盘平面姿态的法向量A；
3-3对于法兰盘上的任意两个测量点，其向量可以表示为(x2-x1，y2-y1，z2-z1)，对于过圆心N0(x0，y0，z0)与N1和N2的中点N12的向量可表示为/>此时两个空间向量垂直；
3-4基于法兰盘上的n个有效测点，得到n-1个线性无关的表达式：
BC＝L2#(5)；
其中
3-5法兰盘圆心在(4)所约束的平面内，并依此作为限制条件，即满足：
ATC＝1#(6)；
3-6通过构建(6)式约束条件下最优化问题来推导法方程，得出最小二乘法下的法兰盘圆心坐标；
方程为：
其中，λ为限制条件的拉格朗日算子，K为单位矩阵；
最小二乘解为：
3-7根据式(8)即可解出圆心坐标N0，法兰盘半径根据测点坐标到圆心的距离的平均值确定；
3-8记θn为法兰盘拟合平面相对于初始状态下的法兰面的夹角，通过两个平面的法向量确定，计Ln为加速度传感器在空间坐标下的位移；
3-9根据法兰倾斜角和位移两个监测指标，通过设定预警阈值来监测海上风机塔筒的在位状态是否发生改变；
法兰倾斜角：|θn|＜θ*；
法兰位移：|Ln|＜L*。
8.根据权利要求6所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，包括当上述条件均不满足时，认为海上风机塔筒的在位状态已经发生改变，应及时进行警告，必要时对风机进行停机。
9.根据权利要求6所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，包括其中一个条件满足时，应对工作人员进行预警提醒，当两个条件同时满足时，风机在位状态没有改变，可以正常工作。
10.根据权利要求1所述的一种海洋工程结构在位状态监测方法，其特征在于，对法兰盘进行长期在线监测，对风机塔筒的在位状态进行实时判断。
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| CN (1) | CN116517783A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117251673A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 中国海洋大学 | 一种海洋渔业资源动态追踪方法 |
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2023
- 2023-03-29 CN CN202310315142.6A patent/CN116517783A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117251673A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 中国海洋大学 | 一种海洋渔业资源动态追踪方法 |
| CN117251673B (zh) * | 2023-11-17 | 2024-03-01 | 中国海洋大学 | 一种海洋渔业资源动态追踪方法 |
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