一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法，属于水下石油管道监测技术领域，本发明专利技术根据水下机器人与管道的位置，以及水下溶解氧传感器的有效灵敏度，设定水下机器人有效探测的稳态区域；在稳态区域基础上，设计水下机器人有效探测的暂态指标；水下机器人根据暂稳态性能，离线规划出全局参考轨迹，设定动态追踪监测控制器，作用于水下机器人的驱动装置，实现管道的动态监测；设定溶解氧阈值，对该石油管道区域进行实时精准的泄漏监测。本发明专利技术通过水下机器人的协作提高监测自主性，另一方面通过暂稳态约束提高监测效率，既能减少能耗，又能实现对水下石油管道实时可靠的动态监测。

A Dynamic Monitoring Method for Underwater Petroleum Pipeline Considering Temporary Steady State Performance

The invention discloses a dynamic monitoring method of Underwater Oil Pipeline Considering Transient steady state performance, which belongs to the technical field of underwater oil pipeline monitoring. According to the position of underwater vehicle and pipeline and the effective sensitivity of underwater dissolved oxygen sensor, the stable region of underwater vehicle effective detection is set up; on the basis of steady state region, the underwater vehicle effective detection is designed. According to the transient performance, the underwater vehicle plans the global reference trajectory offline, sets the dynamic tracking monitoring controller, acts on the driving device of the underwater vehicle, realizes the dynamic monitoring of the pipeline, sets the dissolved oxygen threshold, and carries out real-time and accurate leakage monitoring of the oil pipeline area. The invention improves the autonomy of monitoring through the cooperation of underwater vehicles, on the other hand, improves the monitoring efficiency through the temporary steady-state constraints, which can not only reduce energy consumption, but also realize real-time and reliable dynamic monitoring of underwater oil pipelines.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法
本专利技术属于水下石油管道监测
，尤其涉及一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法。
技术介绍
21世纪是海洋的世纪，海洋将成为人类生存与发展的新空间。海洋中的石油是人类工业发展最为重要的资源来源，其中水下石油管道作为海上石油运输的主要手段，是海上石油工业不可或缺的重要设施。然而，水下环境特性复杂，如海沟、洋流、甚至海洋地质灾害(地震)，以及石油管道泄漏的突发性，使得水下石油管道监测的实时性与自主性普遍不高。从现有技术中检索发现，公开号为CN106514660A的专利申请公开了一种海底管线检测用水下机器人，该方案以有缆水下机器人为载体，采用管道夹持装置和行走装置，并结合船舶的作业平台以完成对海底管线的全面检测。该方法尽管能完成对管道的巡航检测，但受缆线的限制，其监测范围有限。同时，上述方法需要大型船舶提供平台支持，造价昂贵，不能规模化部署。再有，公开号为CN204083823U的专利申请公开了基于水下无人航行器的海底输油管道泄漏检测装置，该方案受“紫外光照射到有碳氢化合物可激发荧光效应”这一现象启发，将水下机器人上搭载荧光传感器，进而通过荧光现象来判断管道是否发生泄漏。荧光传感器的性能依赖较好的视觉环境，然而水下透明度较低、水中微小生物易产生散射，同时水中大型生物易产生遮挡，上述约束均能降低紫外线的穿透力，从而降低荧光传感器对管道的监测性能。同时，水下机器人需对区域进行大范围监测，然而水下机器人搭载的电池容量有限且不易更换，这种大范围监测方式限制了监测效率的提升。因此，有必要设计一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法，一方面通过水下机器人的协作提高监测自主性，另一方面通过暂稳态约束提高监测效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种监测自主性强、效率高的考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法。为实现上述目的，采用了以下技术方案：一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：利用安装有溶解氧传感器的水下机器人对水下石油管道进行动态监测，依据溶解氧传感器在石油泄露点C＝[Cx,Cy,Cz]附近的灵敏度概率密度分布，确立探测半径r与灵敏度δ的相关性；确定在有效灵敏度δmin下的有效探测半径R，在石油泄露点附件确定有效探测的稳态区域η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]；其中，Cx、Cy和Cz分别为X轴、Y轴以及Z轴位置；步骤2：依据有效探测的稳态区域η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]，建立暂态指标函数其中，ξ为转换误差变量，和为常量参数α1，α2表示正常数，γ和β(ξ)为大于1的常数，λ(ξ)为有限时间收敛项，可令控制系统有限时间内收敛到期望轨迹，步骤3：依据水下机器人预设参考轨迹位置Xd＝[xd,yd,zd]，设定动态追踪监测控制器作用于水下机器人的驱动装置，通过调整水下机器人位置状态，以实现管道的动态监测，考虑步骤2暂态指标函数的约束，依据水下机器人的流体动力学确定动态追踪监测控制器对驱动装置控制的控制模型：其中，Mo为惯性矩阵，Co为科里奥利力和流体动力学阻尼矩阵，K1和K2是具有相应维数的正定对角矩阵，ρ为一个正标量；步骤4，利用步骤3的控制模型确定水下机器人运动过程中检测到实时溶解氧值DO，水下机器人运动至步骤1有效探测的稳态区域边缘所检测到的溶解氧值为DOL，石油管道所处水域的正常溶解氧值DOF；进行对比判断，确定进行石油泄漏预警或继续监测工作。进一步的技术方案在于：在步骤1中，石油的扩散距离r相对于泄漏点位置服从正态分布，灵敏度δ随着半径r的扩大逐渐下降，其概率密度表示为式中，概率密度f(r)的值就是溶解氧传感器的灵敏度，标准差σ为受环境因素影响的常数量。进一步的技术方案在于：取有效灵敏度为δmin时，其对应的有效监测半径即为进一步的技术方案在于：所述溶解氧传感器由金电极作为阴极，由银电极作为阳极，由氯化钾或氢氧化钾作为电解液；其中氧气通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路；当给电极加上极化电压时，氧气通过膜扩散，阴极释放电子，阳极接受电子，产生电流，整个反应过程为：阳极：Ag+Cl→AgCl+2e-阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-由于采用上述技术方案，本专利技术提供的一种考虑暂稳态性能约束的海底石油管道动态监测方法，与现有技术相比具有如下优点：1、采用水下自主航行器，摆脱了传统有缆航行器的限制，提高的效率与成本，工作量大时，还可以组成编队，极大提高了检测速度与动态性；2、针对水下恶劣的环境，给出了一种考虑暂稳态性能约束的控制器，弥补了控制器易受到干扰，跟踪路径波动大的缺陷。通过选择溶解氧传感器的灵敏度，确定水下自主航行器的稳态值范围。探测精度与动态性能的互相结合，加上瞬态速度与精度性能的提高。能够显著节省水下自主航行器的能耗，实现长时间实时的巡逻与检测；3、溶解氧传感器的使用，有效的解决石油泄漏的检测，同时克服了水下环境中光波不足的影响，提高检测效率与准确性，实际应用中具有重要意义。附图说明图1是本专利技术方法对于水下石油管道动态监测方法的过程流程图；图2是本专利技术方法中对水下石油管道实时监测轨迹的示意图；在图2中：1、控制中心；2、水下机器人；3、水下石油管道；4、泄漏点；5、有效灵敏度对应的有效监测半径；6、根据暂稳态性能指标确定的监测区域；7、水下机器人监测的路径方向；箭头代表水下机器人监测的路径方向；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1及图2所示，本专利技术公开了一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法，主要为部署的水下机器人2，其无缆、携带有溶解氧传感器，在水下机器人前端、顶端、底端、侧向及尾部分别安装溶解氧传感器；其能够利用自身控制系统进行水下自主巡航；监测方法包括以下步骤：步骤1：根据水下机器人2与水下石油管道3的位置，以及溶解氧传感器的有效灵敏度，设定水下机器人有效探测的稳态区域。石油的扩散距离r相对于泄漏点4位置服从正态分布，灵敏度随着半径的扩大逐渐下降，其概率密度表示为式中概率密度f(r)的值就是溶解氧传感器的灵敏度，标准差σ为受环境因素影响的常数量。取有效灵敏值为δmin，对应的有效监测半径即为设泄漏点位置为C＝[Cx,Cy,Cz]，则有效探测的稳态区域为η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]式中Cx、Cy和Cz分别为X轴、Y轴以及Z轴位置。步骤2：受水下环境复杂性以及水下机器人模型强耦合特点影响，水下机器人在动态监测过程中易出现过量超调与持续滞后现象。为此，在稳态区域基础上，设计水下机器人有效探测的暂态指标。定义转换误差变量为ξ，有和为常量参数。给定非奇异终端滑模面为式中，α1，α2表示正常数，γ和β(ξ)为大于1的常数。其中，λ(ξ)为有限时间收敛项，可令控制系统有限时间内收敛到期望轨迹。而符号函数sig(ξ)具有以下性质能根据转换误差的变化实时切换滑模控制面，满足暂态指标的监测速度与超调量控制，实现良好的暂态性能，所以确定非奇异终端滑模面s为暂态指标函数。步骤3：水下机器人根据暂稳态性能，离线规划出全局参考轨迹，在给定监测区域内获知管道的位置3，即为设定参考轨迹的位置状态为Xd＝[xd,yd,zd]；其中xd、y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：利用安装有溶解氧传感器的水下机器人对水下石油管道进行动态监测，依据溶解氧传感器在石油泄露点C＝[Cx,Cy,Cz]附近的灵敏度概率密度分布，确立探测半径r与灵敏度δ的相关性；确定在有效灵敏度δmin下的有效探测半径R，在石油泄露点附件确定有效探测的稳态区域η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]；其中，Cx、Cy和Cz分别为X轴、Y轴以及Z轴位置；步骤2：依据有效探测的稳态区域η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]，建立暂态指标函数

【技术特征摘要】
1.一种考虑暂稳态性能的水下石油管道动态监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：利用安装有溶解氧传感器的水下机器人对水下石油管道进行动态监测，依据溶解氧传感器在石油泄露点C＝[Cx,Cy,Cz]附近的灵敏度概率密度分布，确立探测半径r与灵敏度δ的相关性；确定在有效灵敏度δmin下的有效探测半径R，在石油泄露点附件确定有效探测的稳态区域η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]；其中，Cx、Cy和Cz分别为X轴、Y轴以及Z轴位置；步骤2：依据有效探测的稳态区域η＝[Cx±R,Cy±R,Cz±R]，建立暂态指标函数其中，ξ为转换误差变量，和为常量参数α1，α2表示正常数，γ和β(ξ)为大于1的常数，λ(ξ)为有限时间收敛项，可令控制系统有限时间内收敛到期望轨迹，步骤3：依据水下机器人预设参考轨迹位置Xd＝[xd,yd,zd]，设定动态追踪监测控制器作用于水下机器人的驱动装置，通过调整水下机器人位置状态，以实现管道的动态监测，考虑步骤2暂态指标函数的约束，依据水下机器人的流体动力学确定动态追踪监测控制器对驱动装置控制的控制模型：其中，Mo为惯性矩阵，Co为科里奥利力和流体动力学阻尼矩阵，K1和K2是具有相应维数的正定对角矩阵，ρ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫敬，郭志文，罗小元，杨晛，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13