一种用于石油开采的地下管道监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于石油开采的地下管道监测系统，包括监测模块、数据处理模块、安全状态评估模块、预警报警模块和仿真显示模块，其中监测模块包括无线传感器网络、应变传感器组件和位移传感器，数据处理模块包括采集中心站、信号调理器和信号传输装置，安全状态评估模块包括微处理器，预警报警模块包括分析处理器和报警器，仿真显示模块包括三维GIS仿真平台。本发明实现了对地下管道健康的实时监控，并且能够根据监测数据预测地下管道的剩余寿命，在全覆盖、全天候监测上达到了前所未有的高度。
【专利说明】
一种用于石油开采的地下管道监测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及石油开采设备监测领域，具体涉及一种用于石油开采的地下管道监测 系统。
【背景技术】
[0002] 相关技术中，一般通过监测传感器进行用于石油开采的地下管道的健康监测，然 而传感器大多数无法根据监测的数据预测该地下管道的剩余寿命。这一缺陷导致地下管道 维护人员需要通过自己的相关经验判断传感器所反馈的数据，降低了对地下管道监测的及 时性，同时也大大增加了地下管道维护人员的工作量。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明提供一种用于石油开采的地下管道监测系统。
[0004] 本发明的目的采用以下技术方案来实现：
[0005] -种用于石油开采的地下管道监测系统，包括：
[0006] (1)监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管 道各危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健 康结构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时 感知;所述位移传感器以用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定 性的全局基准点为基础进行三维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和 全局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能 及结构完全相同的工作用应变传感器和温度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和 温度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上；
[0007] (2)数据处理模块，其包括采集中心站、对采集中心站收集到的数据进行调理放大 处理的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置；
[0011]其中，取〇. 5h为采样时间间隔，max&min(i+t)为前一时间阶段的位移数据中的极大 值和极小值之和，max&min(i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和；
[0008] (3)安全状态评估模块，所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理 器，所述微处理器将由信号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的 平均位移差，由于地下管道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位 移差与规定位移差阈值进行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传 感器组件24h的监测数据进行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿 命，并将所述剩余疲劳寿命与结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安 全状态：
[0009]
[0010]
[0012] b、设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：
[0013]
[0014] 其中，(11，(12，~，€[11为各危险部位的材料温度膨胀系数， &1，32，-_，311为系数，1'为选 定时间段内平均温度，To为地下管道所在地年平均温度。
[0015] c、所述寿命安全评估的判断公式为：
[0016] 当 ox(i)2〇b 时，
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 其中，〇b为结构疲劳极限，σχ为各监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数， P 1S在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用 中，会受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性 的过程
Ta为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下 管道总设计使用天数，4表示地下管道过载使用天数；当A大于0，判定结构寿命处于安全状 态，当A小于或等于0时，输出报警信号；
[0021] (4)预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据 库，所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器； [0022] (5)仿真显示模块，包括与微处理器连接的三维GIS仿真平台，所述三维GIS仿真平 台对安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为： [0023] d、利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同 构件的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置；
[0024] e、通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器 组件和位移传感器；
[0025] f、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在 GIS平台的界面上显示。
[0026] 本发明的有益效果为:通过各个模块的构建连接，实现结构动态健康的全自动化 监测，便于人员及早发现问题、解决问题;提出了用无线传感器网络进行地下管道的健康监 测，覆盖广，实时性强;提出了疲劳寿命安全判断公式，减少了计算的工作量，提高了监测系 统的工作效率;提出了平均位移的计算公式，并且对平均位移进行了修正，采用平均位移与 位移阈值进行比较判断，减少了计算的工作量;对应变传感器进行温度补偿，提高了应变的 测量精度，进而提高了监测系统的整体测量精度;利用GIS仿真平台模拟地下管道的健康状 况，具有良好的与用户进行界面交互的效果。
【附图说明】
[0027]利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限 制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得 其它的附图。
[0028]图1是本发明的结构框图。
【具体实施方式】
[0029] 结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0030] 实施例1:如图1所示的一种用于石油开采的地下管道监测系统，其包括：
[0031] (1)监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管 道各危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健 康结构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时 感知;所述位移传感器以用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定 性的全局基准点为基础进行三维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和 全局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能 及结构完全相同的工作用应变传感器和温度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和 温度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上；
[0032] (2)数据处理模块，其包括采集中心站、对采集中心站收集到的数据进行调理放大 处理的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置；
[0033] (3)安全状态评估模块；
[0034] (4)预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据 库，所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器； [0035] (5)仿真显示模块，包括与微处理器连接的三维GIS仿真平台，所述三维GIS仿真平 台对安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为： [0036] a、利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同 构件的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置；
[0037] b、通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器 组件和位移传感器；
[0038] c、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在 GIS平台的界面上显示。
[0039]所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理器，所述微处理器将由信 号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的平均位移差，由于地下管 道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位移差与规定位移差阈值进 行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传感器组件24h的监测数据进 行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿命，并将所述剩余疲劳寿命与 结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安全状态；
[0040] a、平均位移w⑴的计算公式为：
[0041]
[0042]其中，取0.5h为采样时间间隔，max&min(1+t)为前一时间阶段的位移数据中的极大 值和极小值之和，max&min(i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和； [0043] b、设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：
[0044]
[0045] 其中，(11，(12，~，€[11为各危险部位的材料温度膨胀系数， &1，32，~，311为系数，1'为选 定时间段内平均温度，To为地下管道所在地年平均温度。
[0046] c、所述寿命安全评估的判断公式为：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051 ]其中，Ob为结构疲劳极限，σχ为各监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数， P1S在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用 中，会受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性 的过程，
Ta为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下 管道总设计使用天数，4表示地下管道过载使用天数；当A大于0，判定结构寿命处于安全状 态，当A小于或等于0时，输出报警信号。
[0052]在此实施例中，通过各个模块的构建连接，实现了结构动态健康的全自动化监测， 便于人员及早发现问题、解决问题;提出了用无线传感器网络进行地下管道的健康监测，覆 盖广，实时性强;提出了疲劳寿命安全判断公式，减少了计算的工作量，提高了监测系统的 工作效率;提出了平均位移的计算公式，并且对平均位移进行了修正，采用平均位移与位移 阈值进行比较判断，减少了计算的工作量;对应变传感器进行温度补偿，提高了应变的测量 精度，进而提高了监测系统的整体测量精度;利用GIS仿真平台模拟地下管道的健康状况， 具有良好的与用户进行界面交互的效果；时间阶段t = 24h，实现了地下管道动态健康的全 自动化监测，监测系统的整体测量精度提高了 15%。
[0053]实施例2:如图1所示的一种用于石油开采的地下管道监测系统，其包括：
[0054] (1)监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管 道各危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健 康结构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时 感知;所述位移传感器以用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定 性的全局基准点为基础进行三维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和 全局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能 及结构完全相同的工作用应变传感器和温度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和 温度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上；
[0055] (2)数据处理模块，其包括采集中心站、对采集中心站收集到的数据进行调理放大 处理的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置；
[0056] (3)安全状态评估模块；
[0057] (4)预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据 库，所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器； [0058] (5)仿真显示模块，包括与微处理器连接的三维GIS仿真平台，所述三维GIS仿真平 台对安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为：
[0059] a、利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同 构件的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置；
[0060] b、通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器 组件和位移传感器；
[0061] c、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在 GIS平台的界面上显示。
[0062]所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理器，所述微处理器将由信 号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的平均位移差，由于地下管 道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位移差与规定位移差阈值进 行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传感器组件24h的监测数据进 行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿命，并将所述剩余疲劳寿命与 结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安全状态；
[0063] a、平均位移w(i)的计算公式为：
[0064]
[0065] 具中，取0.5h为米样时丨日」丨日」隔，max&min(i+t)为前一时丨日」阶段的位栘数据中的极大 值和极小值之和，max&min(i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和； [0066] b、设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：
[0067]
[0068] 其中，α?，α2，…，知为各危险部位的材料温度膨胀系数，ai，a 2,…，&"为系数，T为选 定时间段内平均温度，To为地下管道所在地年平均温度。
[0069] c、所述寿命安全评估的判断公式为：
[0070]当 ox(i)2〇b 时，
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 具中，结构疲劳极I很，σχ为谷监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数， P1S在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用 中，会受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性 的过程，
，Ta为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下 管道总设计使用天数，4表示地下管道过载使用天数；当A大于0，判定结构寿命处于安全状 态，当A小于或等于0时，输出报警信号。
[0075] 在此实施例中，通过各个模块的构建连接，实现了结构动态健康的全自动化监测， 便于人员及早发现问题、解决问题;提出了用无线传感器网络进行地下管道的健康监测，覆 盖广，实时性强;提出了疲劳寿命安全判断公式，减少了计算的工作量，提高了监测系统的 工作效率;提出了平均位移的计算公式，并且对平均位移进行了修正，采用平均位移与位移 阈值进行比较判断，减少了计算的工作量;对应变传感器进行温度补偿，提高了应变的测量 精度，进而提高了监测系统的整体测量精度;利用GIS仿真平台模拟地下管道的健康状况， 具有良好的与用户进行界面交互的效果；时间阶段t = 28h，实现了地下管道动态健康的全 自动化监测，监测系统的整体测量精度提高了 17%。
[0076] 实施例3:如图1所示的一种用于石油开采的地下管道监测系统，其包括：
[0077] (1)监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管 道各危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健 康结构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时 感知;所述位移传感器以用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定 性的全局基准点为基础进行三维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和 全局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能 及结构完全相同的工作用应变传感器和温度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和 温度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上；
[0078] (2)数据处理模块，其包括采集中心站、对采集中心站收集到的数据进行调理放大 处理的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置；
[0079] (3)安全状态评估模块；
[0080] (4)预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据 库，所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器；
[0081] (5)仿真显示模块，包括与微处理器连接的三维GIS仿真平台，所述三维GIS仿真平 台对安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为：
[0082] a、利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同 构件的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置；
[0083] b、通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器 组件和位移传感器；
[0084] c、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在 GIS平台的界面上显示。
[0085]所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理器，所述微处理器将由信 号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的平均位移差，由于地下管 道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位移差与规定位移差阈值进 行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传感器组件24h的监测数据进 行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿命，并将所述剩余疲劳寿命与 结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安全状态；
[0086] a、平均位移w(i)的计算公式为：
[0087]
[0088]其中，取〇.5h为采样时间间隔，max&min(i+t)为前一时间阶段的位移数据中的极大 值和极小值之和，max&min(i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和； [0089] b、设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：
[0090]
[0091]其中，αυ〗，···，αη为各危险部位的材料温度膨胀系数，ai，a2，···，a n为系数，T为选 定时间段内平均温度，To为地下管道所在地年平均温度。
[0092] c、所述寿命安全评估的判断公式为：
[0093] i〇x(i)2〇b 时，
[0094]
[0095]
[0096]
[0097] 其中，〇b为结构疲劳极限，σχ为各监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数， P 1S在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用 中，会受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性 的过程， Ta为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下 管道总设计使用天数，4表示地下管道过载使用天数；当A大于O，判定结构寿命处于安全状 态，当A小于或等于O时，输出报警信号。
[0098] 在此实施例中，通过各个模块的构建连接，实现了结构动态健康的全自动化监测， 便于人员及早发现问题、解决问题;提出了用无线传感器网络进行地下管道的健康监测，覆 盖广，实时性强;提出了疲劳寿命安全判断公式，减少了计算的工作量，提高了监测系统的 工作效率;提出了平均位移的计算公式，并且对平均位移进行了修正，采用平均位移与位移 阈值进行比较判断，减少了计算的工作量;对应变传感器进行温度补偿，提高了应变的测量 精度，进而提高了监测系统的整体测量精度;利用GIS仿真平台模拟地下管道的健康状况， 具有良好的与用户进行界面交互的效果；时间阶段t = 32h，实现了地下管道动态健康的全 自动化监测，监测系统的整体测量精度提高了 18%。
[0099] 实施例4:如图1所示的一种用于石油开采的地下管道监测系统，其包括：
[0100] (1)监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管 道各危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健 康结构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时 感知;所述位移传感器以用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定 性的全局基准点为基础进行三维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和 全局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能 及结构完全相同的工作用应变传感器和温度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和 温度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上；
[0101] (2)数据处理模块，其包括采集中心站、对采集中心站收集到的数据进行调理放大 处理的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置；
[0102] (3)安全状态评估模块；
[0103] (4)预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据 库，所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器；
[0104] (5)仿真显示模块，包括与微处理器连接的三维GIS仿真平台，所述三维GIS仿真平 台对安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为：
[0105] a、利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同 构件的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置；
[0106] b、通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器 组件和位移传感器；
[0107] c、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在 GIS平台的界面上显示。
[0108] 所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理器，所述微处理器将由信 号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的平均位移差，由于地下管 道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位移差与规定位移差阈值进 行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传感器组件24h的监测数据进 行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿命，并将所述剩余疲劳寿命与 结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安全状态；
[0109] a、平均位移w⑴的计算公式为：
[0110]
[0111] 其中，取〇. 5h为采样时间间隔，max&min(i+t)为前一时间阶段的位移数据中的极大 值和极小值之和，max&min( i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和；
[0112] b、设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：
[0113]
[0114]其中，αυν，αη为各危险部位的材料温度膨胀系数，ai，a2，···，a n为系数，T为选 定时间段内平均温度，To为地下管道所在地年平均温度。
[0115] c、所述寿命安全评估的判断公式为：
[0116] 9〇x(i)2〇h 时，
[0117:
[0118:
[0119:
[0120] 其中，Ob为结构疲劳极限，σχ为各监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数， P1S在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用 中，会受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性 的过程
ΓΑ为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下 管道总设计使用天数，4表示地下管道过载使用天数；当A大于0，判定结构寿命处于安全状 态，当A小于或等于0时，输出报警信号。
[0121] 在此实施例中，通过各个模块的构建连接，实现了结构动态健康的全自动化监测， 便于人员及早发现问题、解决问题;提出了用无线传感器网络进行地下管道的健康监测，覆 盖广，实时性强;提出了疲劳寿命安全判断公式，减少了计算的工作量，提高了监测系统的 工作效率;提出了平均位移的计算公式，并且对平均位移进行了修正，采用平均位移与位移 阈值进行比较判断，减少了计算的工作量;对应变传感器进行温度补偿，提高了应变的测量 精度，进而提高了监测系统的整体测量精度;利用GIS仿真平台模拟地下管道的健康状况， 具有良好的与用户进行界面交互的效果；时间阶段t = 36h，实现了地下管道动态健康的全 自动化监测，监测系统的整体测量精度提高了20%。
[0122] 实施例5:如图1所示的一种用于石油开采的地下管道监测系统，其包括：
[0123] (1)监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管 道各危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健 康结构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时 感知;所述位移传感器以用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定 性的全局基准点为基础进行三维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和 全局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能 及结构完全相同的工作用应变传感器和温度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和 温度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上；
[0124] (2)数据处理模块，其包括采集中心站、对采集中心站收集到的数据进行调理放大 处理的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置；
[0125] (3)安全状态评估模块；
[0126] (4)预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据 库，所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器；
[0127] (5)仿真显示模块，包括与微处理器连接的三维GIS仿真平台，所述三维GIS仿真平 台对安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为：
[0128] a、利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同 构件的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置；
[0129] b、通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器 组件和位移传感器；
[0130] c、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在 GIS平台的界面上显示。
[0131]所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理器，所述微处理器将由信 号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的平均位移差，由于地下管 道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位移差与规定位移差阈值进 行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传感器组件24h的监测数据进 行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿命，并将所述剩余疲劳寿命与 结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安全状态；
[0132] a、平均位移w⑴的计算公式为：
[0133]
[0134] 其中，取0.5h为采样时间间隔，max&min(i+t)为前一时间阶段的位移数据中的极大 值和极小值之和，max&min( i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和；
[0135] b、设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：
[0136]
[0137] 其中，(11，(12，~，€[11为各危险部位的材料温度膨胀系数， &1，32，-_，311为系数，1'为选 定时间段内平均温度，To为地下管道所在地年平均温度。
[0138] c、所述寿命安全评估的判断公式为：
[0139] i〇x(i)2〇b 时，
[0140]
[0141]
[0142]
[0143] 其中，Ob为结构疲劳极限，σχ为各监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数， P1S在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用 中，会受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性 的过程
Ja为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下 管道总设计使用天数，4表示地下管道过载使用天数；当A大于0，判定结构寿命处于安全状 态，当A小于或等于0时，输出报警信号。
[0144] 在此实施例中，通过各个模块的构建连接，实现了结构动态健康的全自动化监测， 便于人员及早发现问题、解决问题;提出了用无线传感器网络进行地下管道的健康监测，覆 盖广，实时性强;提出了疲劳寿命安全判断公式，减少了计算的工作量，提高了监测系统的 工作效率;提出了平均位移的计算公式，并且对平均位移进行了修正，采用平均位移与位移 阈值进行比较判断，减少了计算的工作量;对应变传感器进行温度补偿，提高了应变的测量 精度，进而提高了监测系统的整体测量精度;利用GIS仿真平台模拟地下管道的健康状况， 具有良好的与用户进行界面交互的效果；时间阶段t = 40h，实现了地下管道动态健康的全 自动化监测，监测系统的整体测量精度提高了21 %。
[0145] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保 护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应 当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实 质和范围。
【主权项】
1. 一种用于石油开采的地下管道监测系统，用于对地下管道的健康进行动态监测和预 警，其特征是，包括： (1) 监测模块，包括对地下管道健康进行监测的无线传感器网络、用于监测地下管道各 危险部位的应变传感器组件和位移传感器，所述无线传感器网络全覆盖对地下管道健康结 构进行监测，同时，网络采用先进的物理信息融合系统，对地下管道结构健康进行实时感 知;所述位移传感器W用于监测危险部位位移变化的工作基点和用于校核工作基点稳定性 的全局基准点为基础进行Ξ维空间位移监测，所述地下管道的各危险部位、工作基点和全 局基准点通过对地下管道进行有限元模拟分析确定;所述应变传感器组件包括参数性能及 结构完全相同的工作用应变传感器和溫度补偿用应变传感器，所述工作用应变传感器和溫 度补偿用应变传感器串联后设置于地下管道的各个危险部位上； (2) 数据处理模块，其包括采集中屯、站、对采集中屯、站收集到的数据进行调理放大处理 的信号调理器和对信号调理器处理的数据进行传送的信号传输装置； (3) 安全状态评估模块，所述安全状态评估模块包括连接信号传输装置的微处理器，所 述微处理器将由信号传输装置传送的位移数据进行计算得到两个时间阶段t之间的平均位 移差，由于地下管道存在热胀冷缩现象因此先要对位移差进行补偿，然后将平均位移差与 规定位移差阔值进行比较，判断所述平均位移差是否处于安全状态，并根据应变传感器组 件24h的监测数据进行计算，得到应力幅谱，根据应力幅谱计算结构的剩余疲劳寿命，并将 所述剩余疲劳寿命与结构设计寿命进行比较，判断所述剩余疲劳寿命是否处于安全状态； a、 平均位移WW的计算公式为：其中，取0.化为采样时间间隔，max&min(i+t)为前一时间阶段的位移数据中的极大值和 极小值之和，max&min(i+2t)为后一时间阶段的位移数据中的极大值和极小值之和； b、 设膨胀系数为α，修正后的平均位移为：其中，αι，日2，…，an为各危险部位的材料溫度膨胀系数，ai，曰2，…，an为系数，Τ为选定时 间段内平均溫度，To为地下管道所在地年平均溫度。 C、所述寿命安全评估的判断公式为： 当〇x(i) >〇b时，其中，Ob为结构疲劳极限，Οχ为各监测点的热点应力幅，k为疲劳曲线的斜率倒数，Pi为 在热点应力幅下结构实际经历的应力循环系数，Tb为结构设计疲劳寿命，在实际应用中，会 受地下管道过载影响，因此是动态变化的，且随着过载使用天数的变化是一个非线性的过 程，Τα为初始结构设计疲劳寿命，dz表示地下管道 总设计使用天数，dg表示地下管道过载使用天数；当A大于0，判定结构寿命处于安全状态， 当A小于或等于0时，输出报警信号； (4) 预警报警模块，其包括用于防止误报警的分析处理器、报警器和信息记录数据库， 所述分析处理器的输入端连接所述微处理器，分析处理器的输出端连接所述报警器； (5) 仿真显示模块，包括与微处理器连接的Ξ维GIS仿真平台，所述Ξ维GIS仿真平台对 安全状态评估模块的评估结果进行仿真显示，模拟地下管道的健康状况，仿真步骤为： a、 利用有限元软件进行地下管道的建模后导入GIS平台，分别构建地下管道不同构件 的模型，在GIS平台上调整各地下管道构件的空间位置； b、 通过不同的形状符号在GIS平台上模拟显示地下管道各危险部位、应变传感器组件 和位移传感器； C、根据安全状态模块评估的结果对不处于安全状态的危险部位用规定的颜色在GIS平 台的界面上显示。
【文档编号】G05B19/048GK105843140SQ201610165880
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】韦醒妃
【申请人】韦醒妃