监测装置和方法与流程

1.本申请涉及安全监测领域，尤其涉及一种水下监测装置和方法。


背景技术：

2.随着海上风电向深远海开发，浮式风机成为获取优质风力资源和降低施工成本的有效途径。浮式风机通常采用动态光电复合海缆将电能和通讯信号传输至升压站或岸上基站。以下将动态光电复合海缆简称为海缆。在水中，该海缆通过浮力块或配重块将缆体压成“s”或“w”线型。该线型可以在满足浮式风机大范围偏移的同时缓解海缆缆体上的轴向拉力，从而保障最小弯曲半径。然而，该海缆在水中不仅需要承受浮体晃动，还会受到波浪洋流冲击，以及海洋生物附着等阻碍，可能造成线型垮塌。同时海缆的刚度特性极易形成涡激振动现象，进而造成缆体金属件断裂、护套破裂、锚固松弛等事故。因此，对海缆的状态进行监测和预警，对于浮式风机电力传输系统的运维非常关键。
3.目前，主要使用监测系统对海缆进行监测和预警。监测系统主要依靠海缆内置光纤单元进行监测。监测系统可以获取光纤的局部应变变化。例如，温度变化、载荷大小、空间位置等。进而，根据该局部应变变化，监测系统实现对海缆运行状态的监测。然而，在海缆内部，相比于承力件，光纤十分脆弱。在大幅度的弯曲和拉伸作用下极，光纤易发生折断。因此，为了缓解光纤本体载荷，光纤在保护套管内通常呈现松弛状态，从而保证光纤具有一定余长可以满足大幅度变形。这种余长的设计虽然保证了光纤的本体载荷，但是极大降低了光纤对外部载荷的敏感性。该敏感性的降低使光纤对海缆运动状态监测的有效性和及时性大打折扣。
4.因此，如何有效且及时地对海缆的运动状态进行监测成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本申请提供一种水下监测装置和方法，用以解决如何有效且及时地对海缆的运动状态进行监测的问题。
6.第一方面，本申请提供一种监测装置，包括：管缆、终端设备、n条电缆和n个监测设备，其中，n为正整数；
7.所述n条电缆位于所述管缆内部，所述n个监测设备位于所述管缆外部，n个电缆的第一端与n个监测设备一一对应连接，n个电缆的第二端与所述终端设备连接；
8.所述n个监测设备用于监测所述管缆并生成监测信息，所述终端设备用于通过所述电缆获取所述n个监测设备输出的监测信息，以及根据所述监测信息输出监测结果。
9.可选地，所述管缆上的每个监测设备的安装位置设有安装孔，每个监测设备通过对应的安装孔和对应的电缆的第一端连接。
10.可选地，所述装置还包括：电缆护套；
11.所述电缆护套位于所述管缆的安装孔处，用于防止外部介质进入所述管缆内部。
12.可选地，所述装置还包括：n个无线设备；
13.n个无线设备与n个监测设备一一对应，所述n个无线设备安装于所述管缆内部，n个无线设备与n个电缆一一对应连接，所述无线设备用于为对应的监测设备进行无线充电，和/或，与对应的监测设备进行无线通信。
14.可选地，所述无线设备位于所述对应的监测设备的下方。
15.可选地，所述监测装置位于水下，外部介质为水。
16.可选地，所述装置还包括：成型结构；
17.所述成型结构位于所述监测设备的外围和/或所述管缆的外部，用于使所述管缆在水下保持s型或者w型。
18.可选地，所述成型结构包括：浮力块和/或配重块。
19.可选地，所述浮力块和/或配重块内部掏空形成腔体，以贴合所述监测设备的外壳。
20.第二方面，本申请提供一种监测方法，包括：
21.获取n个监测设备输出的监测信息；
22.根据所述n个监测设备输出的监测信息，确定所述管缆的运动轨迹；
23.根据所述运动轨迹，确定所述管缆的线型和疲劳程度；
24.根据所述线型和所述疲劳程度，生成所述管缆的监测结果。
25.可选地，所述方法还包括：
26.当所述监测结果满足预警条件时，发送预警信息。
27.其中，所述预警条件包括：
28.所述管缆的线型不符合预设线型条件，和/或
29.所述疲劳程度大于预设疲劳阈值。
30.本申请提供的监测装置，包括管缆、n条电缆、终端设备和n个监测设备。n条电缆位于管缆内部。每一条电缆与管缆内部的一条钢丝铠装绞合。管缆的外部安装有n个监测设备。n个监测设备与n条电缆一一对应连接。该监测设备可以通过该电缆获取电能，实现监测设备的正常运转。该监测设备还可以通过电缆，将监测信息上传到终端设备。终端设备可以根据该监测信息实现对管缆的监测。本申请中，通过使用绞合的方法，在保证管缆强度的同时，提高电缆的安全性，增加电缆的使用寿命，降低了电缆的维护成本。同时，该电缆稳定性的提升还可以保证数据传输的有效性，提高监测设备的数据传输效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本申请一实施例提供的一种浮式风机的应用场景示意图；
33.图2为本申请一实施例提供的一种监测装置的结构示意图；
34.图3为本申请一实施例提供的一种管缆结构示意图；
35.图4为本申请一实施例提供的一种监测设备的安装结构示意图；
36.图5为本申请一实施例提供的另一种监测装置的结构示意图；
37.图6为本申请一实施例提供的一种成型结构的安装结构示意图；
38.图7为本申请一实施例提供的一种监测方法的流程图。
39.附图标记：
40.11：管缆；
41.12：电缆；121：电缆保护套；122：无线设备；
42.13：监测设备；
43.14：终端设备；
44.15：成型结构；151：腔体；
45.16：钢丝铠装；17：护套层；18：绝缘层；19：夹具。
具体实施方式
46.为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请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。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
47.本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
48.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
49.随着海上风电向深远海开发，浮式风机成为获取优质风力资源和降低施工成本的有效途径。浮式风机通常采用动态光电复合海缆将电能和通讯信号传输至升压站或岸上基站。以下将动态光电复合海缆简称为海缆。在水中，该海缆通过浮力块或配重块将缆体压成“s”或“w”线型。该线型可以在满足浮式风机大范围偏移的同时缓解海缆缆体上的轴向拉力，从而保障最小弯曲半径。然而，该海缆在水中不仅需要承受浮体晃动，还会受到波浪洋流冲击，以及海洋生物附着等阻碍，可能造成线型垮塌。同时海缆的刚度特性极易形成涡激振动现象，进而造成缆体金属件断裂、护套破裂、锚固松弛等事故。因此，对海缆的状态进行监测和预警，对于浮式风机电力传输系统的运维非常关键。
50.目前，主要使用监测系统对海缆进行监测和预警。监测系统主要依靠海缆内置光纤单元进行监测。监测系统可以获取光纤的局部应变变化。例如，温度变化、载荷大小、空间位置等。进而，根据该局部应变变化，监测系统实现对海缆运行状态的监测。然而，在海缆内部，相比于承力件，光纤十分脆弱。在大幅度的弯曲和拉伸作用下极，光纤易发生折断。因此，为了缓解光纤本体载荷，光纤在保护套管内通常呈现松弛状态，从而保证光纤具有一定余长可以满足大幅度变形。这种余长的设计虽然保证了光纤的本体载荷，但极大降低了光纤对外部载荷的敏感性，使光纤对海缆的拉伸和弯曲运动不再敏感。光纤输出的信号将不能反映海缆的实际运动状态。甚至，光纤将无法识别海缆较为微弱的运动。
51.现有技术中，综合光纤的监测效果、光纤易脆断的特性、海缆中光纤的维护难度，通常选择优先考虑增加光纤余长，保证信号传输稳定。这就必然导致光纤的监测效果降低。因此，如何有效且及时地对海缆的运动状态进行监测成为亟待解决的问题。
52.针对这一问题，本申请提出了一种监测装置。本申请通过在海缆外部安装监测设备，实现对海缆的运动状态的监测。该监测设备通过扎带、螺栓、夹具等方式紧贴在海缆外壁。其中，该监测装置中可以包括n个监测设备。该监测设备可以用于监测海缆的位置、振动幅度、温度等信息。每一监测设备可以与一条电缆连接。该n个监测设备可以通过n条电缆将其对应的监测数据上传到终端设备。其中，电缆可以位于海缆内部。一条电缆可以与海缆内部的一条钢丝铠装绞合。电缆可以在靠近监测设备的位置穿过海缆的护套层，连接到监测设备上。该电缆的设置可以避免外接电缆存在的电缆使用寿命短的问题。该电缆可以用于向监测设备稳定供电，提高监测设备的运行稳定性，降低维护成本。同时，该电缆还可以将监测设备的监测数据上传到终端设备。其中，终端设备可以安装于浮式风机的基础上。或者，该终端设备还可以安装于岸上基站。
53.在海缆的设置中，为了保证海缆在波浪洋流冲击下的稳定性，通常需要使海缆在水下保持s型或者w型。该s型或者w型的线型，通过在海缆上捆绑成型结构实现。该成型结构可以为浮力块和/或配重块内。该海缆上还可以设置监测设备。该监测设备用于在水下监测洋流、温度、振动等信息，同时该监测设备还需要监测海缆的线型，以保证海缆的在水下的稳定性。在实际使用中，该监测设备中可以包括温度测量仪、洋流测速仪、振动传感器、定位仪等仪器中的一个或者多个。该一个或者多个仪器可以为相互独立的仪器，组成本申请所使用的监测设备。或者，该一个或者多个仪器可以集成在一起，形成本申请所使用的监测设备。为了准确拟合海缆在水下的线型，监测设备的安装位置可以与成型结构保持一致。为了增加监测设备的使用寿命，监测设备可以安装于成型结构内部。该成型结构可以帮助监测设备阻挡波浪洋流冲击、海洋生物附着、撞击等事故，从而增加使用寿命，降低维护成本。
54.下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
55.图1示出了本申请一实施例提供的一种浮式风机的应用场景示意图。如图所示，浮式风机悬浮于海面。浮式风机与一条海缆连接。该海缆可以分为两段，一段为海床到浮式风机段，另一段为海床段。其中，海床段的海缆固定于海床上，可以稳定且安全的实现传输。其中，海床到浮式风机段的海缆悬浮于海水中，会受到洋流冲击、海洋生物附着、海中生物或者物体撞击等侵害。同时，由于浮式风机悬浮于海面，因此，浮式风机会随着海面的波浪在海中漂浮。海缆在为浮式风机传输电力的同时，还起到了固定浮式风机的作用。海缆的长度将限制浮式风机的漂浮范围，从而避免浮式风机自由漂浮导致的损失。为了实现还浮式风机的偏移，必然导致海缆上的轴向拉力增加。因此，为了增加海缆的稳定性，通常需要通过使用成型结构，使海缆保持“s”或“w”线型。该线型可以在满足浮式风机大范围偏移的同时缓解海缆缆体上的轴向拉力，从而保障最小弯曲半径，降低海缆断裂的风险。
56.本申请所使用的监测装置除了应用于海缆，还可以应用于石油管道、排水管道、排气管道等管缆上。本申请所使用的监测装置除了可以应用于海中的管缆，还可以应用于水、石油、空气等介质中。因此，在下述实施例中，将使用管缆对监测装置的安装和排布进行描述。
57.图2示出了本申请一实施例提供的一种监测装置的结构示意图。在图1所示实施例的基础上，如图2所示，本实施例的监测装置10可以包括：管缆11、n条电缆12、n个监测设备13和终端设备14，其中，n为正整数；
58.n条电缆12位于管缆11内部。每一条电缆12与管缆内部的一条钢丝铠装16绞合。电缆12和钢丝铠装16可以如图3所示。绞合后的电缆12可以分布于管缆11的内护套层17和外护套层17之间。具体的，当设计好该管缆11需要使用的电缆12数量后，可以从该管缆11中抽出n条钢丝铠装16。进而，将与钢丝铠装16绞合后的电缆12重新填补到该管缆11中。该绞合方法的使用，可以避免因为加入电缆12导致的管缆11内钢丝铠装16减少，从而降低管缆11的强度。同时，该绞合方法时电缆12可以放置于管缆11的内部，相较于将电缆12固定于管缆11外部，极大的提高了电缆12的安全性，增加了电缆12的使用寿命，降低了电缆12的维护成本。
59.该管缆11中可以设置有使用高密度聚乙烯材料制作的绝缘层18。该绝缘层18可以为管缆11中导体的包裹材料。该绝缘层18还可以为电缆12的包裹材料。其中，该管缆11的内护套层17和外护套层17同样使用高密度聚乙烯材料制作得到。此外，该管缆11内部还可以包括光单元18。该光单元即为该管缆11内部的导体材料。
60.管缆11的外部安装有n个监测设备13。n个监测设备13与n条电缆12一一对应连接。每一监测设备13与一条电缆的第一端连接。该电缆的第二端链接到终端设备14。该监测设备13通过电缆12，将监测信息上传到终端设备14。其中，监测信息未n个监测设备13监测管缆11得到的数据。终端设备14可以根据n个监测设备输出的监测信息输出监测结果。如图4所示为一个监测设备13安装于管缆11上的安装示意图。如图所示，管缆11中的电缆12与监测设备13连接。监测设备13中可以包括多个传感器，用于监测监测洋流、温度、振动等信息。该监测设备13可以通过夹具19安装于管缆11上。或者该监测设备13还可以通过绑带、扎带、螺栓等设备安装于管缆11上。当监测设备13安装到管缆11上后，监测设备13与管缆11的相对位置保持固定。其中，一条管缆11上可以安装有多个监测设备13。每一监测设备13在管缆11上的位置相对固定。因此，当终端设备14获取该n个监测设备13的位置信息后，终端设备14可以根据该位置信息拟合得到管缆的线型。
61.其中，电缆12可以直接连接到监测设备13，从而实现电信号的传输。或者电缆12还可以通过无线设备与监测设备13连接，实现信号的无线传输。
62.该两种连接方式的具体实现过程可以如下所示：
63.一种示例中，管缆11上的每个监测设备13的安装位置设有安装孔。管缆11中的电缆12通过该安装孔透出管缆11。该电缆12的第一端在管缆11外部与监测设备13连接。为了防止外部介质通过该安装孔进入管缆11内部，该监测装置10还包括电缆护套121。该电缆保护套121位于管缆11的安装孔处。该电缆保护套11的一端与管缆11的外护套层17连接，用于防止外部介质进入管缆内部。
64.另一种示例中，管缆11中还安装有n个无线设备122。n个无线设备122与n条电缆12一一对应连接。n个无线设备122安装于管缆11内部。n个无线设备122与n个监测设备13一一对应。无线设备122位于对应的监测设备13的下方。该无线设备122可以为对应的监测设备13进行无线充电，和/或，与对应的监测设备13进行无线通信。
65.本申请提供的监测装置包括管缆、n条电缆、终端设备和n个监测设备。n条电缆位
于管缆内部。每一条电缆与管缆内部的一条钢丝铠装绞合。管缆的外部安装有n个监测设备。n个监测设备与n条电缆一一对应连接。该监测设备可以通过该电缆获取电能，实现监测设备的正常运转。该监测设备还可以通过电缆，将监测信息上传到终端设备。终端设备可以根据该监测信息实现对管缆的监测。本申请中，通过使用绞合的方法，在保证管缆强度的同时，提高电缆的安全性，增加电缆的使用寿命，降低了电缆的维护成本。同时，该电缆稳定性的提升还可以保证数据传输的有效性，提高监测设备的数据传输效率。
66.图5示出了本申请一实施例提供的另一种监测装置的结构示意图。在图1至图4所示实施例的基础上，如图5所示，本实施例的监测装置10可以包括：成型结构15。
67.该管缆11的一端与浮式风机连接。为了保证在浮式风机大范围偏移时，管缆11缆体上的轴向拉力不损坏缆体，可以使该管缆11的缆体保持s型或者w型。该管缆11可以通过在缆体上增加成型结构15保持“s”或“w”线型。该成型结构15位于监测设备13的外围和/或管缆的外部。该成型结构15的安装结构示意图可以如图6所示。其中，成型结构15可以通过夹具19安装在管缆11上。
68.一种示例中，该成型结构可以为浮力块和/或配重块。管缆11通过在缆体上固定浮力块，使该管缆11的部分区域上浮。管缆11通过在缆体上固定配重块，使该管缆11的部分区域下沉。通过该上浮或者下沉的配置，最终使该管缆在介质中呈现s型或者w型。
69.一种示例中，该浮力块和/或配重块的内部掏空形成腔体，以贴合监测设备13的外壳。例如，如图6中的成型设备15所示，其中可以包括两个腔体151。监测设备13可以安装于在该腔体151内部。该浮力块和/或配重块在该监测设备13外部的设置，可以保护该监测设备13免于被直接被撞击，还可以保护该监测设备13不被海洋生物附着，还可以降低洋流冲击对该监测设备13的影响等。
70.本申请提供的监测装置，还包括成型结构。该成型结构位于监测设备的外围和/或管缆的外部。该成型结构可以为浮力块和/或配重块。该浮力块和/或配重块的内部掏空形成腔体，以贴合监测设备的外壳。本申请中，通过使用成型结构使管缆呈“s”或“w”线型，从而提高管缆的稳定性，降低管缆在轴向力作用下断裂的风险。同时，通过在成型结构中掏空腔体，使监测设备得到保护，提高监测设备的使用寿命，降低维护成本。
71.图7示出了本申请一实施例提供的一种监测方法的流程图。在图1至图6实施例的基础上，如图7所示，以终端设备为执行主体，本实施例的方法可以包括如下步骤：
72.s101、获取n个监测设备输出的监测信息。
73.本实施例中，终端设备通过与之连接的电缆，获取n个监测设备输出的监测信息。该监测信息中可以包括位置信息、温度信息、振动信息等。
74.s102、根据n个监测设备输出的监测信息，确定管缆的运动轨迹。
75.本实施例中，监测设备可以实时将监测信息上传到终端设备。终端设备根据该实时变化的位置信息，确定管缆的运动轨迹。
76.s103、根据运动轨迹，确定管缆的线型和疲劳程度。
77.本实施例中，终端设备可以根据该运动轨迹，确定管缆在每一时刻的线型。终端设备还可以根据该运动轨迹，确定管缆的振动幅度、弯折情况等。根据该振动幅度、弯折情况等信息，终端设备确定该管缆的疲劳程度。
78.s104、根据线型和疲劳程度，生成管缆的监测结果。
79.本实施例中，终端设备可以根据该管缆的线型和预设线型，确定该管缆的线型是出现异常。当该管缆的线型出现异常时，该管缆可能因为过渡拉伸，增加该管缆的疲劳程度。或者，当管缆的线型出现异常时，该管缆的成型结构可能出现异常。
80.终端设备可以根据该管缆的疲劳程度和预设疲劳阈值，确定该管缆的是否过渡疲劳。当管缆的疲劳程度超过预设疲劳阈值时，该管缆的缆体可能因为过渡疲劳产生损坏。此时，终端设备需要提醒管理员及时检修，或者及时更换管缆上的组件。
81.s105、当监测结果满足预警条件时，发送预警信息。其中，预警条件包括：管缆的线型不符合预设线型条件，和/或疲劳程度大于预设疲劳阈值。
82.本实施例中，终端设备根据监测结果判断是否需要进行预警。例如，当管缆的线型在预设时长内均不符合预设线型时，可能存在管缆损坏的风险。此时，终端设备可以发送预警信息。或者，当终端设备判断管缆的疲劳程度大于预设疲劳阈值时，终端设备可以发送预警信息，以提醒管理员进行定期维护。
83.本申请提供的监测方法，终端设备通过获取n个监测设备输出的监测信息。终端设备根据该实时变化的位置信息，确定管缆的运动轨迹。终端设备可以根据该运动轨迹，确定管缆在每一时刻的线型和疲劳程度。终端设备可以根据线型和疲劳程度，生成管缆的监测结果。终端设备根据监测结果判断是否需要进行预警。当监测结果满足预警条件时，终端设备发送预警信息。本申请中，通过获取监测信息实现对管缆的监测，从而在管缆出现异常或者预测即将出现异常时，向管理员发送预警信息，从而降低维护成本，提高维护效率。
84.在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
85.其中，各个模块可以是物理上分开的，例如安装于一个的设备的不同位置，或者安装于不同的设备上，或者分布到多个网络单元上，或者分布到多个处理器上。各个模块也可以是集成在一起的，例如，安装于同一个设备中，或者，集成在一套代码中。各个模块可以以硬件的形式存在，或者也可以以软件的形式存在，或者也可以采用软件加硬件的形式实现。本申请可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
86.当各个模块以软件功能模块的形式实现的集成的模块，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能模块存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器执行本申请各个实施例方法的部分步骤。
87.应该理解的是，虽然上述实施例中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
88.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。