油气管道微位移监测系统的制作方法

本申请涉及监测领域，具体的说，是一种应用于油气管道上的微位移监测系统。

背景技术：

现有管道工程在运行过程中受地质灾害或活动影响会发生沉降、位移，造成重大安全事故或构成重大安全隐患。因此，位移量成为管道工程日常维护中的重点监控指标。现有类似技术存在如专利号为cn201320294343.4，名称为《一种路基沉降监测系统》的本申请专利，其技术方案如下：本申请公开了一种路基沉降监测系统，包括监控中心、激光基准仪支座、固定在激光基准仪支座上的激光基准仪，其特征在于：还包括微位移定位器、微位移定位器支座和数据处理器，所述微位移定位器固定在微位移定位器支座上，所述微位移定位器与数据处理器电连接，所述激光基准仪将激光发射至微位移定位器，微位移定位器将数据传输至数据处理器，数据处理器将处理后的数据通过无线电传输至监控中心。

基于现有技术以及上述专利内容可知，本领域位移监测系统为最常见的是基于光学手段的全站仪，精度较高，一般为毫米级，作用距离在千米级。不过受制于该系统的工作原理，该系统局限于光学识别状况优良区域内，诸如雨天、冰雹、大雾、林木遮挡等状况下无法使用，而这种状况下，油气管道等场景的安全状态监测却是极其重要的；同时，该系统一般为人工操作，所以测量频率与效率、成本在后期都非常高。此外，现在也出现了基于gps定位技术的监测系统，该系统采用卫星定位出监测点的坐标，基于坐标变化获取沉降数据，但必须与卫星连接同时测量精度不高、数据提取频率低，且对于微小位移并不适用。

技术实现要素：

为了克服现有技术中所存在的上述不足，本申请提供一种油气管道微位移监测系统，为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：

一种油气管道微位移监测系统，包括数据处理平台、微位移监测终端和管道安装包；所述管道安装包与微位移监测终端连接，所述微位移监测终端之间通信采用超宽带无线信号相互连接，数据处理平台通过通讯信号与微位移监测终端连接；

所述微位移监测终端分为位于监测位移点、且固定在油气管道上的至少一个超宽带测位基站和至少两个固定在不同地质稳定点的超宽带定位基站，三个定位基站形成三维空间，所述超宽带测位基站与所述超宽带定位基站之间通过超宽带无线信号相互连接，且所述超宽带测位基站和所述超宽带定位基站均包括有指令发送单元、采集记录单元、距离计算单元和对比提示单元；

指令发送单元：用于向超宽带测位基站、超宽带定位基站或/和数据处理平台进行指令发送；其中超宽带测位基站向超宽带定位基站和数据处理平台通过移动网络进行指令发送，超宽带定位基站向超宽带测位基站、超宽带定位基站和数据处理平台通过移动网络发送指令；数据处理平台向超宽带定位基站发送检测指令，以激活超宽带定位基站，超宽带定位基站向位于监测位移点的超宽带测位基站发出超宽带信号。

采集记录单元：位于监测位移点的超宽带测位基站接收两个不同方位的超宽带定位基站发出的周期性超宽带信号后，采集记录单元进行采集、记录两个超宽带定位基站分别与超宽带测位基站的直接距离a、b；采集、记录两个超宽带定位基站之间的距离d。

距离计算单元，用于根据记录的两个超宽带定位基站分别与超宽带测位基站的直接距离a、b和两个超宽带定位基站之间的距离d，计算超宽带测位基站的当前位置信息；距离计算单元通过记录数据信息计算出当前监测位移点的位置信息，x算出后上传到数据处理平台进行后处理；其中a1和a2表示相邻两次计算的距离a的数值，b1和b2表示相邻两次计算的距离b的数值。

进一步地，计算超宽带测位基站当前位置信息的具体方法为下述时间差算法：每个微位移监测终端从启动开始即会生成一条独立的时间轴，超宽带定位基站的指令发送单元在其时间戳上的t1发射请求性质的脉冲信号，超宽带测位基站在t2时刻接收这个脉冲信号并在t3时刻发射一个响应性质的信号，被超宽带定位基站在自己的时间戳t4时刻接收，此时超宽带定位基站又向超宽带测位基站发射请求信号t5，依次循环记录；由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离s；s=c*[(t4-t1)/2-(t5-t4)/2](c为光速)计算出监测位移点的当前位置信息。

再进一步地，通过3个微位移终端相互测距后，可以得到一个2d的坐标系，再增加一个微位移终端使得定位更精确和将维度增加到3d；此时通过以上的时间差算法，得出监测点的初始坐标，经过时间差算法得出微位移距离后，计算出该点的全新坐标，其余三个点的坐标视为不变。

对比提示单元，用于超宽带测位基站根据监测位移点的当前位置信息与最初记录信息进行比对，计算出监测位移点是否位移，并进行相应提示；还可用于设置管道产生形变的安全范围，获取最初监测位置信息，再将当前位置信息比对，计算出管道是否处于安全形变范围。

进一步地，所述数据处理平台为服务器，所述服务器位于云端，所述数据处理平台与显示终端信号相连，所述数据处理平台包括：设备管理模块和位移和沉降监测模块；

所述设备管理模块，对机器设备的详细信息描述，里面包括设备电量，设备状况、偏移量状况和定位坐标。

位移和沉降监测模块，对监测位移点的位移详细数据的监测，根据需要进行基准点设置，有初始测值，上次测值，本次测值，累计变化量，另有状态在备注栏显示。计算微位移监测终端发送的位移信息。

预警和告警信息模块：通过长时间数据采集学习后，利用得到的大数据实现对位移监测、沉降监测、深层监测状况的提示。

监测报告模块：对位移监测、沉降监测状况的概述，还可以对记录导出，便于保存查看。

进一步地，所述管道安装包与微位移监测终端相互绑定锁死，所述管道安装包为抱箍式安装结构、可穿戴式安装结构或套筒式安装结构；

再进一步地，所述抱箍式安装结构利用u型卡箍锁扣将微位移监测终端固定于安装杆上。该方式安装灵活、拆卸方便，适宜布置于边坡。

再进一步地，所述可穿戴式安装结构包括测距模块、穿戴式底座、高强度紧固带，测距模块与穿戴式通过螺纹安装，穿戴式通过高强度紧固带穿过安装孔与管道固定。模块紧贴管壁、安装灵活、拆卸方便，适和布置于吊装管道及基坑的中部位置。

再进一步地，套筒式安装结构包括测距模块、延长杆和套筒式底座；延长杆和套筒式底座为全钢质结构，套筒上半环焊接了一个延长杆底座，延长杆与上半环套筒之间通过螺纹连接，套筒上下半环之间使用m12不锈钢螺栓固定。

油气管道微位移监测系统的工作原理如下：

步骤1.数据处理平台对微位移监测终端下发监测指令；

步骤2.微位移监测终端如接收到指令，则执行步骤3；微位移监测终端如没有收到指令，则告知数据处理平台，并由数据处理平台重新下发指令；

步骤3.微位移监测终端返回ack1，并询问数据处理平台是否收到该返回信息，如是，则数据处理平台对微位移监测终端下发指令结束，并执行步骤4；如否，则数据处理平台重新下发指令；ack1是指服务器收到数据后要回复设备的一个确认包；

步骤4.微位移监测终端开始测距；

步骤5.微位移监测终端测距完成后，将数据上传至数据处理平台，如数据处理平台收到上传数据，则执行步骤6；如数据处理平台未收到上传数据，则告知微位移监测终端重新上传数据；

步骤6.数据处理平台返回ack2，并询问微位移监测终端是否收到该返回信息，如是，则上传数据结束；如否，则微位移监测终端重新上传数据；ack2是指服务器收到数据后要回复设备的一个确认包；

步骤7.数据处理平台针对上传的数据进行距离计算和进行对比提示。

进一步地，步骤一中下发监测指令具体为收集图中的t1、t4、t5微位移监测终端的时间数据。

本申请的有益效果为：

1.本申请采用超宽带定位技术，不使用额外同步网络且定位精度高，通过计算定位的坐标差值即可获知微位移量，同时本装置自动化程度高，适合野外使用，避免了架设线路增大监测成本。

2.本申请基于电磁场与微波原理，融合超宽带（uwb）、蓝牙（bt）、加速度计等多种定位技术，以实现高精度测距与位移监测。同时，系统集成无线数据传输，实时监测系统中所有用户的距离、位置、网络和电池状态等信息，并迅速及时提供报警功能。该数据可通过电脑或手机实时查看，方便快捷；也可以加密方式向指定服务器上传，稳定可靠。

3、本系统测量精度接近传统光学方式，并具有监测频率快、精度高、功耗低、实时查看与报警等优点。使用的电磁波可穿透、绕射一般非金属遮挡物（花草、树木、网等），且不受恶劣天气（雾霾、雨雪、沙尘）影响，具有明显优势。

附图说明

图1为本申请系统结构示意图。

图2为本申请信号处理流程图。

图3为计算超宽带测位基站当前位置信息的原理示意图。

1-超宽带定位基站，2-超宽带测位基站，3-数据处理平台，4-显示终端，5-管道安装包。其中超宽带定位基站安装在地质稳固位置上，超宽带测位基站和管道安装包固定在监测的油气管道上，三点实时数据通信并给予控制并上传至数据处理平台。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，油气管道微位移监测系统包括数据处理平台3、微位移监测终端和管道安装包5；所述管道安装包5与微位移监测终端连接，所述微位移监测终端之间通信采用超宽带无线信号相互连接，数据处理平台3通过通讯信号（4g、5g、卫星信号）与微位移监测终端连接；

所述微位移监测终端分为位于监测位移点、且固定在油气管道上的至少一个超宽带测位基站2和至少两个固定在不同地质稳定点的超宽带定位基站1，三个定位基站形成三维空间，所述超宽带测位基站2与所述超宽带定位基站1之间通过超宽带无线信号相互连接，且所述超宽带测位基站2和所述超宽带定位基站1均包括有指令发送单元、采集记录单元、距离计算单元和对比提示单元；

指令发送单元：用于向超宽带测位基站2、超宽带定位基站1或/和数据处理平台3进行指令发送；其中超宽带测位基站2向超宽带定位基站1和数据处理平台3通过移动网络进行指令发送，超宽带定位基站1向超宽带测位基站2、超宽带定位基站1和数据处理平台3通过移动网络发送指令；数据处理平台3向超宽带定位基站1发送检测指令，以激活超宽带定位基站1，超宽带定位基站1向位于监测位移点的超宽带测位基站2发出超宽带信号。

采集记录单元：位于监测位移点的超宽带测位基站2接收两个不同方位的超宽带定位基站1发出的周期性超宽带信号后，采集记录单元进行采集、记录两个超宽带定位基站1分别与超宽带测位基站2的直接距离a、b；采集、记录两个超宽带定位基站1之间的距离d。

距离计算单元，用于根据记录的两个超宽带定位基站分别与超宽带测位基站的直接距离a、b和两个超宽带定位基站之间的距离d，计算超宽带测位基站的当前位置信息；距离计算单元通过记录数据信息计算出当前监测位移点的位置信息，x算出后上传到数据处理平台进行后处理；其中a1和a2表示相邻两次计算的距离a的数值，b1和b2表示相邻两次计算的距离b的数值。

如图3所示，计算超宽带测位基站当前位置信息的具体方法为下述时间差算法：每个微位移监测终端从启动开始即会生成一条独立的时间轴，超宽带定位基站（即图3中a终端）的指令发送单元在其时间戳上的t1发射请求性质的脉冲信号（形成图3中a终端时间轴），超宽带测位基站（即图2中b终端）在t2时刻接收这个脉冲信号并在t3时刻发射一个响应性质的信号（形成图3中b终端时间轴），被超宽带定位基站在自己的时间戳t4时刻接收（形成图3中a终端时间轴），此时超宽带定位基站又向超宽带测位基站发射请求信号t5（形成图3中a终端时间轴），依次循环记录；由此可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离s；s=c*[(t4-t1)/2-(t5-t4)/2](c为光速)计算出监测位移点的当前位置信息。

通过3个微位移终端相互测距后，可以得到一个2d的坐标系，再增加一个微位移终端使得定位更精确和将维度增加到3d；此时通过以上的时间差算法，得出监测点（4个微位移终端中的一个）的初始坐标，经过时间差算法得出微位移距离后，计算出该点的全新坐标，其余三个点的坐标视为不变。

监测位移点接收至少两个不同方位的定位基站发出的超宽带信号，并根据定位基站周期性发出的超宽带信号进行采集、记录两个定位基站分别与监测位移点基站的直接距离a、b。如果安置3个定位基站，便可实现以上数据采集的三层叠加，使计算结果可信度更高，计算更加精确。

在本发明中，超宽带测位基站2和两个超宽带定位基站1位置关系为三角形，形成三维网络获取自身三维地理信息。可以客观呈现和计算三维微位移值。

对比提示单元，用于超宽带测位基站2根据监测位移点的当前位置信息与最初记录信息进行比对，计算出监测位移点是否位移，并进行相应提示；还可用于设置管道产生形变的安全范围，获取最初监测位置信息，再将当前位置信息比对，计算出管道是否处于安全形变范围。

超宽带测位基站2和超宽带定位基站1分布于三个点上形成三维空间，一个点固定于想要监测的地方，另外两点用于原坐标固定于地质稳固位置。所述超宽带测位基站2和超宽带定位基站1收到数据处理平台3指令，从而相互利用超宽带无线信号进行通讯（指令发送单元），从而计算出空间位置（距离计算单元、对比提示单元），并分别记录过程数据（采集纪录单元），最终传回数据处理平台3。

数据处理平台3为服务器，所述服务器位于云端，所述数据处理平台3与显示终端4信号相连，所述数据处理平台3包括：设备管理模块和位移和沉降监测模块；

所述设备管理模块，对机器设备的详细信息描述，里面包括设备电量，设备状况（是正常还是无法运转等）、偏移量状况和定位坐标等。

位移和沉降监测模块，对监测位移点的位移详细数据的监测，根据需要进行基准点设置，有初始测值，上次测值，本次测值，累计变化量，另有状态在备注栏显示。计算微位移监测终端发送的位移信息。

以上两个模块由一种计算机可读存储介质和一种计算机程序产品所提供支撑。存储介质特征在于存储用于电子数据交换的计算机程序，其中包含的计算机程序使得计算机执行数据采集端提供的数据。计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，所述计算机程序可操作性使得计算机执行数据采集端提供的数据。

在本发明的实施中，通讯连接可以通过无线通信网络发送，微位移监测终端可以具有自身的有线、无线通讯设备，例如通过2g、3g、4g、5g或卫星网络发送检测指令；优选通过4g、5g或卫星发送检测指令，从而提高发送效率；超宽带（uwb）对发射机产生的波形带宽要求高，所以最常见的方式是将脉冲信号作为雷达或者通信系统信号波形，根据傅里叶变换脉冲信号频率与脉冲宽度呈反比关系，所以可以通过调节脉冲信号的时域波形实现调节超宽带系统工作频率。

可以实现大约为1ghz的绝对带宽，所以超宽带系统又可称为冲击系统、瞬态系统等。超宽带技术是一种新型的无线通信技术，它具有系统复杂程度低、低截获能力、信道衰落不敏感、毫米级定位精度等优点。

预警和告警信息模块：通过长时间数据采集学习后，利用得到的大数据实现对位移监测、沉降监测、深层监测状况的提示。

监测报告模块：对位移监测、沉降监测状况的概述，还可以对记录导出，便于保存查看。

进一步地，所述管道安装包5与微位移监测终端相互绑定锁死，所述管道安装包5为抱箍式安装结构、可穿戴式安装结构或套筒式安装结构；

所述抱箍式安装结构利用u型卡箍锁扣将微位移监测终端固定于安装杆上。该方式安装灵活、拆卸方便，适宜布置于边坡。

所述可穿戴式安装结构包括测距模块、穿戴式底座、高强度紧固带，测距模块与穿戴式通过螺纹安装，穿戴式通过高强度紧固带穿过安装孔与管道固定。模块紧贴管壁、安装灵活、拆卸方便，适和布置于吊装管道及基坑的中部位置。

套筒式安装结构包括测距模块、延长杆和套筒式底座；延长杆和套筒式底座为全钢质结构，套筒上半环焊接了一个延长杆底座，延长杆与上半环套筒之间通过螺纹连接，套筒上下半环之间使用m12不锈钢螺栓固定。套筒宽度为500mm、延长杆规格为φ108*4*800mm的钢管，现场根据安装高度设置延长杆数量。该安装方式适合布置于基坑监测点、吊装管线两端监测点的。

如图2所示，油气管道微位移监测系统的工作原理如下：

步骤1.数据处理平台3对微位移监测终端下发监测指令；

步骤2.微位移监测终端如接收到指令，则执行步骤3；微位移监测终端如没有收到指令，则告知数据处理平台3，并由数据处理平台3重新下发指令；

步骤3.微位移监测终端返回ack1，并询问数据处理平台3是否收到该返回信息，如是，则数据处理平台3对微位移监测终端下发指令结束，并执行步骤4；如否，则数据处理平台3重新下发指令；ack1是指服务器收到数据后要回复设备的一个确认包；

步骤4.微位移监测终端开始测距；

步骤5.微位移监测终端测距完成后，将数据上传至数据处理平台3，如数据处理平台3收到上传数据，则执行步骤6；如数据处理平台3未收到上传数据，则告知微位移监测终端重新上传数据；

步骤6.数据处理平台3返回ack2，并询问微位移监测终端是否收到该返回信息，如是，则上传数据结束；如否，则微位移监测终端重新上传数据；ack2是指服务器收到数据后要回复设备的一个确认包；

步骤7.数据处理平台3针对上传的数据进行距离计算和进行对比提示。

进一步地，步骤一中下发监测指令具体为收集图中的t1、t4、t5微位移监测终端的时间数据。

本申请采用超宽带定位技术，不使用额外同步网络且定位精度高，通过计算定位的坐标差值即可获知微位移量，同时本装置自动化程度高，适合野外使用，避免了架设线路增大监测成本。

本申请基于电磁场与微波原理，融合超宽带（uwb）、蓝牙（bt）、加速度计等多种定位技术，以实现高精度测距与位移监测。同时，系统集成无线数据传输，实时监测系统中所有用户的距离、位置、网络和电池状态等信息，并迅速及时提供报警功能。该数据可通过电脑或手机实时查看，方便快捷；也可以加密方式向指定服务器上传，稳定可靠。

本系统测量精度接近传统光学方式，并具有监测频率快、精度高、功耗低、实时查看与报警等优点。使用的电磁波可穿透、绕射一般非金属遮挡物（花草、树木、网等），且不受恶劣天气（雾霾、雨雪、沙尘）影响，具有明显优势。