一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法及系统与流程

1.本发明涉及管道应力安全监测领域，具体涉及一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法及系统。


背景技术：

2.随着我国油气管道里程的跨越式发展以及国家油气管网的初具规模，长输油气管道面临的风险问题越来越多，其中一个主要影响因素就是管道由外载荷引起的应力超过管道的最大屈服极限而引起材料失效。尤其对于钢制长输油气管道，常常会穿越一些滑坡、采空、冻土区等地质灾害区，土体会对管道产生较大应力叠加且变化程度不可预测，常常需要采用安装应变传感器的方式对管道应力进行长期监测。
3.为了得到管道截面上的最大应力一般采用在管道截面上安装3支传感器的方式进行数学计算来推得截面上的最大应力。但是通过研究发现，推导的过程中存在着较多的限制条件，甚至在实际开展应用的过程中这些条件是很难满足的。因此，采用传统三支传感器的监测方式就很难满足实际管段监测的需要。即使采用更多的传感器也并未充分发挥更多传感器的效用。
4.但现有技术存在缺少一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，无法反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法及系统，解决了现有技术中缺少一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，无法反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术问题。
6.鉴于上述问题，本技术提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法及系统。
7.第一方面，本技术提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法，其中，所述方法应用于一种用于埋地管道应力应变传感器的布设系统，所述方法包括：根据传感器位置布设模型进行n支传感器的布设，获得n支传感器的位置信息，其中，n≥4；基于所述n支传感器的位置信息进行应变监测，获得应变监测数据；基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集；对所述第一应变监测数据处理集进行转化，获得第二应变监测数据处理集；根据所述第二应变监测数据处理集，获得应变监测数据处理结果；根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。
8.第二方面，本技术还提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设系统，其中，所述系统包括：第一获得单元，所述第一获得单元用于根据传感器位置布设模型进行n支传
感器的布设，获得n支传感器的位置信息，其中，n≥4；第二获得单元，所述第二获得单元用于基于所述n支传感器的位置信息进行应变监测，获得应变监测数据；第三获得单元，所述第三获得单元用于基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集；第四获得单元，所述第四获得单元用于对所述第一应变监测数据处理集进行转化，获得第二应变监测数据处理集；第五获得单元，所述第五获得单元用于根据所述第二应变监测数据处理集，获得应变监测数据处理结果；第六获得单元，所述第六获得单元用于根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；第七获得单元，所述第七获得单元用于基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；第八获得单元，所述第八获得单元用于根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。
9.本技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
10.利用传感器位置布设模型进行n支传感器的布设，获得n支传感器的位置信息；基于此，获得应变监测数据；基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集；对其进行转化，获得第二应变监测数据处理集；获得应变监测数据处理结果；根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。达到了设计一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，进而有效反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术效果。
附图说明
11.图1为本技术一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法的流程示意图；
12.图2为本技术一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法中4支传感器的截面布设方式的示意图；
13.图3为本技术一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法中6支传感器的截面布设方式的示意图；
14.图4为本技术管道应力安全监测系统的示意图；
15.图5为本技术一种用于埋地管道应力应变传感器的布设系统的结构示意图。
16.附图标记说明：载荷区管段1，应力应变传感器组2，采集保护单元桩3，太阳能板4，数据传输系统5，数据采集系统6，供电系统7，传感器布设模块11，应变监测模块12，数据处理模块13，转化模块14，中间处理模块15，函数转换模块16，特征函数转换模块17，函数处理模块18。
具体实施方式
17.本技术通过提供一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法及系统，解决了现有技术中缺少一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，无法反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术问题。达到了设计一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，进而有效反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术效果。
18.下面，将参考附图对本技术的实施例进行描述。显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是本技术的全部实施例。
19.实施例一
20.如图1所示，本技术提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法，其中，所述方法应用于一种用于埋地管道应力应变传感器的布设系统，所述方法包括：
21.s100：根据传感器位置布设模型进行n支传感器的布设，获得n支传感器的位置信息，其中，n≥4；
22.进一步的，本技术步骤s100还包括：
23.s110：获得n支传感器编号信息；
24.s120：基于神经网络构建传感器位置布设模型；
25.s130：将所述n支传感器编号信息输入所述传感器位置布设模型，获得所述n支传感器的位置信息。
26.具体而言，对n支传感器进行编号，获得n支传感器编号信息。其中，n≥4。示例性地，所述n支传感器编号信息为si(i＝1,2,....,n)。进一步，将所述n支传感器编号信息作为输入信息，输入所述传感器位置布设模型，获得所述n支传感器的位置信息。示例性地，所述n支传感器的位置信息包括n支传感器中各支传感器与笛卡尔坐标系x轴夹角为θi，以及每支传感器的位置坐标为si(rcosθi,rsinθi),(i＝1,2,....,n)。所述传感器位置布设模型是一个智能化的神经网络模型，经由大量与传感器编号信息相关的数据信息训练得到，具备智能化进行传感器位置布设的功能。达到了明确n支传感器的位置信息，为后续获得应变监测数据奠定基础的技术效果。
27.s200：基于所述n支传感器的位置信息进行应变监测，获得应变监测数据；
28.s300：基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集；
29.进一步的，所述平衡方程为lx+my+nz＝1
30.其中，
31.l,m,n为平衡方程的待定系数；
32.z为管道圆周上各点的轴向应变大小；
33.x,y为管道圆周上各点的坐标位置。
34.具体而言，将n支传感器按照所述n支传感器的位置信息依次安装在管径为r的管壁上，并进行应变监测，获得应变监测数据。示例性地，所述应变监测数据为εi(i＝1,2,....,n)，与n支传感器一一对应。将所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据代入平衡方程lx+my+nz＝1后，获得第一应变监测数据处理集。示例性地，所述第一应变监测数据处理集为即ax＝b，其中x＝[l m n]
t
,b＝[1 ... 1]
t
。达到了获得第一应变监测数据处理集，为后续获得第二应变监测数据处理集提供数据支持的技术效果。
[0035]
s400：对所述第一应变监测数据处理集进行转化，获得第二应变监测数据处理集；
[0036]
s500：根据所述第二应变监测数据处理集，获得应变监测数据处理结果；
[0037]
具体而言，获得的所述第一应变监测数据处理集具有3个变量，n个方程，可能会出现不一致的解，造成该现象的主要原因就是实际安装的传感器很难满足理想安装条件(即n支传感器的位置信息)。反之，若能满足理想条件，所述第一应变监测数据处理集中的矩阵a将成为奇异矩阵，有n-3支传感器将成为冗余，方程重新恢复3个变量，3个方程的形式。对于难以满足理想状态的安装条件，可以通过更多的传感器对数值进行校正。此时通过寻找欧式最近距离的解作为相似度最高的解的方法即可满足要求。本发明将所述第一应变监测数据处理集转化为第二应变监测数据处理集，并通过求解第二应变监测数据处理集，获得应变监测数据处理结果。示例性地，所述第二应变监测数据处理集为其中，a
t
为a的转置矩阵，通过把矩阵a的行转化为列，矩阵a的列转化为行后，获得a
t
。通过求解所述第二应变监测数据处理集获得所述第二应变监测数据处理集的欧式最近相似解即为应变监测数据处理结果。达到了对所述第一应变监测数据处理集进行转化，并利用转化后的第二应变监测数据处理集获得应变监测数据处理结果，为后续获得应力函数模型奠定基础的技术效果。
[0038]
s600：根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；
[0039]
s700：基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；
[0040]
进一步的，所述管道截面函数为x2+y2＝r2，其中，x,y为管道圆周上各点的坐标位置；r为管道管径。
[0041]
具体而言，将所述应变监测数据处理结果代入所述平衡方程后，获得应力函数模型，并结合管道截面函数，获得特征应力函数模型。示例性地，所述应变监测数据处理结果为代入所述平衡方程lx+my+nz＝1后，获得应力函数模型为进而，将管道截面函数x2+y2＝r2代入应力函数模型，获得特征应力函数模型为其中，x,y为管道圆周上各点的坐标位置即所述n支传感器的位置信息，r为管道管径。达到了明确特征应力函数模型，为后续获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息奠定基础的技术效果。
[0042]
s800：根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。
[0043]
进一步的，本技术步骤s800还包括：
[0044]
s810：根据所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息；
[0045]
s820：根据所述管道截面最大应力位置信息和所述应力函数模型，获得管道截面最大应力信息。
[0046]
具体而言，在获得所述特征应力函数模型的基础上，通过求解所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息，基于此，结合所述应力函数模型，获得管道截面最大应力信息。示例性地，所述特征应力函数模型为通过求解
获得对应的极值点(x0,y0)是管道截面上应力最大的位置点，即管道截面最大应力位置信息。将管截面最大应力位置信息(x0,y0)代入所述应力函数模型获得最大应力即为管道截面最大应力位置信息。达到了设计一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，进而有效反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术效果。
[0047]
示例性地，当n＝4时，通过传感器位置布设模型，获得4支传感器的位置信息为4支传感器分别位于管道截面的3点、6点、9点、12点方向上，各支传感器的笛卡尔位置坐标为(x,y)，如图2所示。将4支传感器按照所述4支传感器的位置信息依次安装在管径为r的管壁上，并进行应变监测，获得应变监测数据为εi(i＝1,2,3,4)，将所述4支传感器的位置信息、所述应变监测数据代入平衡方程lx+my+nz＝1后，获得第一应变监测数据处理集为ax＝b，其中，x＝[l m n]
t
；b＝[1 1 1 1]
t
。所述第一应变监测数据处理集为3个变量，4个方程，同样可能会出现不一致的解。但若能满足理想条件，会有1个方程冗余，再次恢复3个变量3个方程的形式。而对于3个变量，4个方程的方程组，同样采用求解欧式距离最小近似解的方法，重复步骤s400至s800，同样可获得4支传感器安装布设方式的管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。
[0048]
示例性地，当n＝6时，通过传感器位置布设模型，获得6支传感器的位置信息为各支传感器的笛卡尔位置坐标为(x,y)。如图3所示，将6支传感器以12点钟方式开始，每隔60
°
布设一支传感器依次安装在管径为r的管壁上，并进行应变监测，获得应变监测数据为εi(i＝1,2,3,4，5,6)，将所述6支传感器的位置信息、所述应变监测数据代入平衡方程lx+my+nz＝1后，获得第一应变监测数据处理集为
[0049]
同理，此时，所述第一应变监测数据处理集为3个变量，6个方程，同样可能会出现不一致的解。但若能满足理想条件，会有3个方程冗余，再次恢复3个变量3个方程的形式。而对于3个变量，6个方程的方程组，同样采用求解欧式距离最小近似解的方法，重复步骤s400至s800，同样可获得6支传感器安装布设方式的管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。
[0050]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0051]
利用传感器位置布设模型进行n支传感器的布设，获得n支传感器的位置信息；基于此，获得应变监测数据；基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集；对其进行转化，获得第二应变监测数据处理集；获得应变监测数据处理结果；根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。达到了设计一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，进而有效反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术效果。
[0052]
实施例二
[0053]
将本发明的一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法应用到监测系统，组成管道应力安全监测系统，如图4所示。该系统由如下一些部分组成：载荷区管段1、应力应变传感器组2、采集保护单元桩3、太阳能板4、数据传输系统5、数据采集系统6、供电系统7。
[0054]
当灾害作用引起土体载荷作用于管段1后，开挖现场管道裸露安装截面，通过在管道截面上布设发明内容所述位置的应力应变传感器组2，获取n支传感器的数据εi(i＝1,2,....,n)，通过数据采集系统6收集数据，并通过数据传输系统5发送至服务器，服务器采用本发明的一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法即可更准确的计算出管道上的应力大小及位置，为管道安全提供实时监测。
[0055]
实施例三
[0056]
基于与前述实施例中一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法，同样发明构思，本发明还提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设系统，请参阅附图5，所述系统包括：
[0057]
传感器布设模块11，所述传感器布设模块11用于根据传感器位置布设模型进行n支传感器的布设，获得n支传感器的位置信息，其中，n≥4；
[0058]
应变监测模块12，所述应变监测模块12用于基于所述n支传感器的位置信息进行应变监测，获得应变监测数据；
[0059]
数据处理模块13，所述数据处理模块13用于基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集中，其中，所述平衡方程为lx+my+nz＝1
[0060]
其中，
[0061]
l,m,n为平衡方程的待定系数；
[0062]
z为管道圆周上各点的轴向应变大小；
[0063]
x,y为管道圆周上各点的坐标位置。
[0064]
转化模块14，所述转化模块14用于对所述第一应变监测数据处理集进行转化，获得第二应变监测数据处理集；
[0065]
中间处理模块15，所述中间处理模块15用于根据所述第二应变监测数据处理集，获得应变监测数据处理结果；
[0066]
函数转换模块16，所述函数转换模块16用于根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；
[0067]
特征函数转换模块17，所述特征函数转换模块17用于基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；其中，所述管道截面函数为x2+y2＝r2其中，x,y为管道圆周上各点的坐标位置；r为管道管径。
[0068]
函数处理模块18，所述函数处理模块18用于根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。
[0069]
进一步的，所述传感器布设模块还包括：
[0070]
编号处理单元，所述编号处理单元用于获得n支传感器编号信息；
[0071]
模型构建单元，所述模型构建单元用于基于神经网络构建传感器位置布设模型；
[0072]
位置信息获得单元，所述位置信息获得单元用于将所述n支传感器编号信息输入所述传感器位置布设模型，获得所述n支传感器的位置信息。
[0073]
进一步的，所述函数处理模块还包括：
[0074]
应力位置处理单元，所述应力位置处理单元用于根据所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息；
[0075]
应力信息处理单元，所述应力信息处理单元用于根据所述管道截面最大应力位置信息和所述应力函数模型，获得管道截面最大应力信息。
[0076]
本技术提供了一种用于埋地管道应力应变传感器的布设方法，其中，所述方法应用于一种用于埋地管道应力应变传感器的布设系统，所述方法包括：利用传感器位置布设模型进行n支传感器的布设，获得n支传感器的位置信息；基于此，获得应变监测数据；基于平衡方程，结合所述n支传感器的位置信息、所述应变监测数据，获得第一应变监测数据处理集；对其进行转化，获得第二应变监测数据处理集；获得应变监测数据处理结果；根据所述应变监测数据处理结果和所述平衡方程，获得应力函数模型；基于管道截面函数，结合所述应力函数模型，获得特征应力函数模型；根据所述应力函数模型和所述特征应力函数模型，获得管道截面最大应力位置信息和管道截面最大应力信息。解决了现有技术中缺少一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，无法反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术问题。达到了设计一种可以有效监测实际管道应力状态的传感器布设及计算方法，进而有效反馈贴近管道截面真实的最大应力变化的技术效果。
[0077]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0078]
本说明书和附图仅仅是本技术的示例性说明，如果本发明的修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。