海洋平台监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种海洋平台监控系统，包括监控主机、主机节点和多个现场监测终端。现场监控终端包括数据采集节点及其对应的加速度传感器，监控终端吸附在被测海洋平台多个测量点上，完成对海洋平台加速度数据的采集存储及无线传输；监控主机和采集节点通过无线网络实现对采集过程的实时监控与分析。同时，利用FPGA高速、并行的特性，系统实现了包含多节点采集同步机制、无线数据压缩感知、以采集数据模型匹配和有效数据分类存储为主的数据在轨计算等多种解决方案在内的海洋平台检测方法，解决了采集节点间的同步问题以及多节点无线传输的功耗和带宽问题，提高了系统的实用性与可靠性，并且减少了数据处理的工作量，提高了工作效率。

Ocean platform monitoring system and method

The invention discloses an ocean platform monitoring system, which comprises a monitoring host, a host node and a plurality of field monitoring terminals. The acceleration sensor field monitoring terminal includes data acquisition node and the monitoring terminal is adsorbed on the measured ocean platform multiple measurement points, the acceleration data of offshore platform acquisition and wireless transmission; monitoring host and acquisition node through the wireless network to realize real-time monitoring and analysis of the acquisition process. At the same time, the characteristics of FPGA high-speed parallel system, realize including multi node synchronization mechanism, wireless data acquisition, data acquisition with compressed sensing model matching and effective data classification based on orbit calculation data storage and other solutions, offshore platform detection method, solve the problem of synchronous acquisition between nodes and multi node wireless transmission the power and bandwidth, improves the practicability and reliability of the system, and reduce the workload of data processing, improve the work efficiency.

【技术实现步骤摘要】
海洋平台监测系统及方法
本专利技术属于监测
，涉及一种海洋平台监测系统及监测方法。
技术介绍
海洋平台为海上构筑物，其可作为海上钻井、采油、观测等活动提供支撑平台。由于其特殊的工作环境，海洋平台结构在运行中，会受到海水腐蚀、全天候作业、海浪、潮汐、海流、流冰和地震作用、泥沙冲刷、海洋生物侵袭等影响，它的抗力衰减非常明显，而海洋平台结构的失效破坏不仅造成直接的重大经济损失和人员伤亡，还将可能造成严重的环境污染和社会政治影响。因此，提高海洋平台及设备的可靠性，确保海洋作业安全的问题日益突出，海洋平台结构检测、监测以及可靠性的评价已成为刻不容缓的重要课题。海洋平台受到环境冲击最直接的表现为振动，因此，通常海洋平台监测系统最主要的监测形式为振动监测。目前，大型结构的振动测试存在以下问题：第一：传感器与服务器之间的信号多采用有线传输方式。现场传感器的安装、线缆布设与主体结构同步进行，这里存在两个问题：一方面，传感器信号线缆较长，线缆布线位置有时很难到达，支出费用是仪器本身的几倍甚至几十倍；另一方面，传感器的信号线缆安装完成后，面临成品保护问题，人员走动、海上强风导致线缆摆动缠绕等因素均可能导致测试系统损坏。第二：海洋平台属于大型结构，结构跨度大、范围广，单点监测系统不能准确、全面的反应海洋平台的运行状况，因此需要一种多点监测系统。公开号为CN104121981A的中国专利申请公开了一种应用于浅海导管架海洋平台上的远程无线振动监测装置，通过布设加速度传感器、无线采集单元、无线接受单元等实现海洋平台数据的无线采集，并通过单片机进行数据的处理和分析。其提出了海洋平台无线监控系统的框架，但是，由于单片机的数据处理特点，其对多通道实时同步数据的并行处理能力有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种海洋平台无线网络振动监测系统，本专利技术的内容为：海洋平台监测系统，包括监控主机、主机节点和现场监测终端，现场监测终端包括数据采集节点及数据处理系统，数据采集节点数据传输至数据处理系统，数据处理系统将处理后的数据经主机节点传输至监控主机；数据采集节点有多个，每个节点均包括加速度传感器，均对应一个单独的数据处理系统；数据处理系统包括FPGA、AD转换芯片和数据存储单元：AD转换芯片：用于对数据接收系统的接收数据进行模数转换；FPGA包括：特征逻辑处理单元：用于对模数转换后的接收数据进行数据有效性分析，解析出有效数据；处理器单元：接收数据存储单元中的有效数据，进行后续处理；RTC时钟单元：RTC时钟单元；用于产生时钟信号作为AD转换芯片数据的时间戳，其中AD转换芯片与RTC时钟单元采用同一时钟驱动信号；数据存储单元：分为用于存储接收数据的全存储单元和用于存储有效数据的有效存储单元。优选为：特征逻辑处理单元还包括乒乓RAM存储单元，用于缓存模数转换后的数据，并将数据传输至数据解析单元进行解析。优选为：每个FPGA芯片均连接GPS接收机。优选为：数据采集节点还包括用于与数据处理系统通信的无线发送模块；数据处理系统还包括用于与采集节点通信无线接收模块和用于与主机节点通信的无线发送模块。优选为：进一步包括节点盒，数据采集节点安装在节点盒内，节点盒通过支座固定结构安装在海洋平台上，所述支座固定结构包括固定座，固定座底部安装有磁性部件，固定座顶部设置有滑轨，节点盒底部设置有与所述滑轨配合安装的滑块。加速度传感器安装在节点盒外，磁吸附在海洋平台上。这种结构为数据采集节点提供了安装结构，保证其稳定工作，采用磁性安装结构，简化数据采集节点的安装难度，同时，由于加速度传感器安装在节点盒内会影响其测量精度，海洋平台检测方法，包括以下步骤：FPGA内置节点内部数据同步处理逻辑：AD转换芯片稳定启动后，利用RTC时钟单元脉冲同步AD转换芯片，延时至AD转换芯片的输出信号与RTC时钟单元脉冲信号边沿对其同步，随后AD转换芯片数据传输至特征逻辑处理单元；AD转换芯片输出数据存储于全存储单元，数据进行有效性分析后，有效数据存储于有效存储单元；数据有效性分析的方法为，获取海洋平台振动回归模型，将接收的数据与海洋平台振动模型的预测输出数据进行匹配，若接收数据与预测输出数据相比在误差阈值范围内，则接收的数据为有效数据，否则为无效数据；同一RTC时钟单元产生时间信息传输至处理器单元进行同步的数据整合、存储及后续处理。优选为：获取海洋平台振动自回归模型的方法为：对时变TARMA振动模型进行泛函数解析，其中时变TARMA振动模型为：其中，y[t]为na阶振动响应向量，w[t]为nc阶激励输入向量，ai(i＝1,2,3,…,na)为振动模型的自回归系数，ci(i＝1,2,3,…,nc)为振动模型输入向量系数；TARMA振动模型的泛函数展开式为：其中为投影空间的一组正交基，pa为投影空间阶数，ai,j为系数ai在投影空间的投影系数；设模型结构参数：M＝{nancpapc}，参数向量：使用预测误差法计算各项参数：其中，回归向量为其中，θ是参数向量中的a和c两个向量组成的新的参数向量，而是其中满足最小预测误差的回归模型匹配参数向量，为θ的估计值，e(t)为超前预测误差。最终要获得y[t]来作为评价数据是否满足海洋平台振动模型的指标。优选为：FPGA解析GPS接收机中的时间信息，写入RTC时钟单元。优选为：有效数据经压缩处理后传递至主机节点，主机节点对数据进行解压缩后传递至监控主机。本专利技术的有益效果为：本专利技术是针对海洋平台结构跨度大、监测范围广，强风等环境恶劣，有线测试系统的现场布线难度大、成本高、成品保护困难等缺陷，开发出的基于无线传感器网络的多节点海洋平台振动测试系统，具有成本低、可靠性高、无损性等优点。采用多采集节点监测系统，可最大程度获取全面的海洋平台振动数据。基于无线网络的海洋平台结构监测感知系统使得现场测试更加方便，大大节省了布线成本，同时避免了布线所带来的测试安全问题。本系统采集节点的结构更有利于现场安装，测试过程中可以实时监测结构的振动特性，并能快速对结构健康给出初步的评价。具体地说，与其他无线振动检测装置相比，该装置具有以下优点：(1)设计实现了磁性安装结构，简便拆装，体积小，可以单手操作，而且可采用伸缩式的传感器信号线设计，可以根据现场进行调整线长，选择最佳的安装方案，避免海风、人为等现场因素导致采集节点损坏。(2)支持高速采集存储，利用FPGA技术以解放CPU，并行结构的设计大大提高了提高采集节点的性能，也为数据实时处理提供了可能。(3)实现了多文件存储和可选的基于ARMA振动模型的有效数据选择式独立存储模式，利用实时数据模型匹配的数据选择存储方式，大大减少了后期数据处理的工作量，提高了系统的整体性能。(4)保证了采集节点间和节点内的时间同步，数据处理只需对齐系统存储的时间戳即可将各节点数据同步，减少了数据处理的工作量，提高了工作效率。(5)采用压缩感知技术，降低了实时数据上传所需的带宽，在保证较低功耗的前提下实现了以有限带宽完成高速通信的任务。配合专属上位机，实现了对采集节点与系统整体的实时监控以及数据采集，使得系统整体性能更加优越，确保结构检测感知系统正常运行。附图说明图1为海洋平台检测系统结构示意图。图2为单个采集节点硬件结构示意图。图3为单个采本文档来自技高网...

【技术保护点】
海洋平台监测系统，包括监控主机、主机节点和现场监测终端，所述现场监测终端包括数据采集节点及数据处理系统，数据采集节点数据传输至数据处理系统，数据处理系统将处理后的数据经主机节点传输至监控主机；其特征在于：所述数据采集节点有多个，每个所述节点均包括加速度传感器，均对应一个单独的数据处理系统；所述数据处理系统包括FPGA、AD转换芯片和数据存储单元：所述FPGA包括：特征逻辑处理单元：用于对模数转换后的接收数据进行数据有效性分析，解析出有效数据；处理器单元：用于接收数据存储单元中的有效数据，进行后续处理；RTC时钟单元；用于产生时钟信号作为AD转换芯片数据的时间戳，其中AD转换芯片与RTC时钟单元采用同一时钟驱动信号；所述AD转换芯片：用于对数据接收系统的接收数据进行模数转换；所述数据存储单元：分为用于存储接收数据的全存储单元和用于存储有效数据的有效存储单元。

【技术特征摘要】
1.海洋平台监测系统，包括监控主机、主机节点和现场监测终端，所述现场监测终端包括数据采集节点及数据处理系统，数据采集节点数据传输至数据处理系统，数据处理系统将处理后的数据经主机节点传输至监控主机；其特征在于：所述数据采集节点有多个，每个所述节点均包括加速度传感器，均对应一个单独的数据处理系统；所述数据处理系统包括FPGA、AD转换芯片和数据存储单元：所述FPGA包括：特征逻辑处理单元：用于对模数转换后的接收数据进行数据有效性分析，解析出有效数据；处理器单元：用于接收数据存储单元中的有效数据，进行后续处理；RTC时钟单元；用于产生时钟信号作为AD转换芯片数据的时间戳，其中AD转换芯片与RTC时钟单元采用同一时钟驱动信号；所述AD转换芯片：用于对数据接收系统的接收数据进行模数转换；所述数据存储单元：分为用于存储接收数据的全存储单元和用于存储有效数据的有效存储单元。2.如权利要求1所述的海洋平台监测系统，其特征在于：所述特征逻辑处理单元还包括乒乓RAM存储单元，用于缓存模数转换后的数据，并将数据传输至数据解析单元进行解析。3.如权利要求1所述的海洋平台监测系统，其特征在于：每个FPGA芯片均连接GPS接收机。4.如权利要求1所述的海洋平台监测系统，其特征在于：所述数据采集节点还包括用于与数据处理系统通信的无线发送模块；所述数据处理系统还包括用于与采集节点通信无线接收模块和用于与主机节点通信的无线发送模块。5.如权利要求1所述的海洋平台监测系统，其特征在于：进一步包括节点盒，数据采集节点安装在节点盒内，节点盒通过支座固定结构安装在海洋平台上，所述支座固定结构包括固定座，固定座底部安装有磁性部件，固定座顶部设置有滑轨，节点盒底部设置有与所述滑轨配合安装的滑块；加速度传感器安装在节点盒外，磁吸附在海洋平台上。6.海洋平台检测方法，采用权利要求1至5任一项所述的海洋平台监测系统，其特征在于，包括以下步骤：AD转换芯片稳定启动后，利用RTC时钟单元脉冲同...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎明，陈泉，周琳，张傲，刘道枝，时绍壮，朱仲本，法帅，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37