海洋平台作业模式监测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种海洋平台作业模式监测系统，对海洋平台进行传感器布控，随后进行信号特征提取并进行聚类分析；根据聚类分析结果，结合对信号本身特点形成对平稳性、幅值特征描述的数字标签；随后建立实时的监测特征网格化图谱，由数字标签的分级制定取色准则以及图谱特征与作业状态的对应关系完成可视化处理。

【技术实现步骤摘要】
海洋平台作业模式监测系统
本专利技术涉及海洋平台作业模式监测系统
技术介绍
社会、科技和经济的迅猛发展离不开石油、天然气等资源。随着陆上油气资源的储备降低，人类转向海洋寻求更多资源。自上世纪以来海洋石油工业呈现飞跃式的发展态势，它的一个重要的支撑载体—海洋平台，扮演着重要角色。然而在恶劣的海洋环境中，海洋平台将长期遭受海风、海浪和海流的周期载荷作用，同时还有船舶停靠、台风、地震等带来的非常规载荷作用。在这一过程中，平台将可能遭受不同程度的损伤，一旦检测不及时或者决策失当，将极有可能造成重大经济损失以及重大环境污染等后果。基于振动信号的结构安全健康评估方法是工程上主要采用的技术手段。然而，这一类评估方法往往缺失了对海洋平台模式的监测评估，使得监测数据直接进入安全健康评估系统，引起误判和系统异常。这是因为平台作业过程中，常因为作业状态的改变使得数据产生非常规的突变现象，这对于结构安全评估系统来说是很棘手的。因此，结构的安全评估必须首先形成对平台作业状态的宏观预判，为后续的安全评估提供方向。对于平台这样的复杂综合性系统，其力学传递和平衡都是由关键组成构件实现的。因此合理评判平台模式的演变，就必须对结构的关键部位建立监控点，建立对作业模式监控的系统，为后续的安全健康分析提供方向性和可靠性。目前，基于振动信号的平台安全健康监测往往缺少针对作业模式的监测系统。本方法正是针对这一缺失建立一种针对海洋平台结构特点的作业模式监控系统。首先建立针对平台结构特点的传感器分级布控准则，对平台多个位置布控传感设备以监测振动信号。随后通过分析平台的结构特征布控监测数据，提取数据波动特征，建立辨识算法和聚类算法形成监测点波动特征的数字化标签。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，结合目前基于振动信号的平台健康检测技术的缺陷，提出一种基于振动监测的海洋平台作业状态可视化方法。该方法可以快速提取平台振动信号特征，并使其时间演变行为通过图像方式直观的展示。本专利技术适用于海洋平台的振动信号的处理分析。本专利技术的技术方案如下：一种海洋平台作业模式监测系统，对海洋平台进行传感器布控，随后进行信号特征提取并进行聚类分析；根据聚类分析结果，结合对信号本身特点形成对平稳性、幅值特征描述的数字标签；随后建立实时的监测特征网格化图谱，包括如下几个方面：(1)根据平台特征布控传感器，形成分层感知传感网络系统传感器的布控以捕捉环境载荷的结构振动响应和监控作业引起的振动响应为目的，根据海洋平台的结构特点，环境载荷下的结构振动响应反馈在导管架结构主立桩管节点处，平台的作业状态的振动反馈集中在导管架上部模块各层甲板位置，按照下列要求布控传感器：1)传感器布控位置应布置于导管架结构主立桩与上部模块甲板交点位置；2)传感器按结构对称形和甲板层级进行分级划分；3)布控不得损害平台自身结构强度，或对安装位置附近构件或作业构成安全性问题；4)保证各个传感器不影响平台设备运行，同时满足空间要求；(2)根据布控的数据反馈信号进行数字标签处理分析对平台传感数据进行按时间分割，将传感器的数据序列分割成子序列Xi{X1,X2…XN}，其中N为子序列个数，每个子序列映射一个时间段，并且每个子序列的时间间隔相等，对每个时间段内的子序列Xi进行三点极值法，求得所有上包络线上的数据点{p1,p2…ps}，s为所有通过三点极值法确定的包络线上数据点的个数，平台整体振动的水平和趋势通过包络线上的数据点反映，选取包络线上数据点的均值μ作为反应平台总体振动状态的数学特征：引入包络数据标准差σ作为反应平台振动的事件特征的参数，将均值μ加一倍标准差设为状态辨识的特征标准，即μ+σ，其中，σ为包络线上数据点的标准差：将上的数据点{p1,p2…ps}中大于特征值μ+σ的数据，定义为事件特征数据集{y1,y2…yl},则定义η为事件特征数据集个数与数据特征数据个数之比，即对于有m组传感器获得数据，获得一组对应的特征值，即计算出数据阵列Xi＝{(μ1,σ1)，(μ2,σ2)...(μm,σm)}，计算每组内特征值间的距离：其中a，b为每组传感器下标号，对特征距离进行大小排序，得到距离极值dmax,dmin,并对所有数据进行标准化，得到模糊相似矩阵：该模糊相似矩阵的传递闭包矩阵为T’，计算T2、T4、...、T2k,直到T2k＝T2(k-1)，则传递闭包矩阵T′＝T2k，根据传递闭包矩阵进行聚类分析：先是将每组数据都看成一类；然后计算最小类间距，通过最小类间距计算模糊度参数；再通过模糊度参数进行聚类，得到聚类结果，共k类；重复对所得到的聚类结果进行再聚类，直到k＝1时结束聚类计算，得到一系列单减的模糊度序列，取差值最大处的模糊度值作为最优的聚类模糊度设最优聚类结果为X1,X2,…,Xk，据此形成k类数字标签，对于每一类具有n元素的聚类集合Xi，计算类波动特征中心点以及类幅值特征中心点其中，n为聚类几何中元素的个数；对于新的振动信号数据，则需要计算当前振动信号和每一类Xi的距离di，来确定当前振动振动信号应归属于哪一类数字标签，对于具有多传感器的m维数据，则需要对每一维的数据都进行分类，形成m维数字标签；(3)建立实时的监测特征网格可视化化图谱原始数据根据时间段被分割成多数据段，所拆分的数据段被看成两个相邻没有重叠的小窗，每个小窗的分辨率按如下方式确定w＝W/Nh＝H/m其中W、H为显示分辨率的宽和高,w、h为网格分辨率的宽和高,N为分段数量，m为数据维度；对于已经形成的k类数据标签，按波动特征和幅值特征进行分级RGB颜色取色；对于数据段x，计算波动特征σi与赋值特征μi，为实现RGB取色，进行如下的标准化处理：对于每一类标签的波动特征转化为其中为标准化后的波动数字标签，范围在0～1之间，对数底a大于1；为了突出其幅值特征，同样采用对数对幅值特征进行标准化：其中为标准化后的幅值数字标签，范围在0～1之间，对数底b小于1，通过以上方法，形成对数据颜色特征和当时，则说明以波动特征为主，此时以主R色为主控颜色按进行取色；此时当越高，则颜色越趋近于红色，而由于会适当调整颜色的蓝色程度，α取0～1之间；当时，则说明以幅值特征为主，此时以主B色为主控颜色按进行取色；此时当越高，则颜色越趋近于蓝色，而则适当调整区块的红色程度，β取0～1之间。附图说明图1是本专利技术的一具体示例海洋平台传感器按结构分级进行布控方式图，(a)为按照立面(A、B)位置对主立柱与甲板交点进行命名的示意图，图中A1-A9和B1-B9分别代表A、B立面主立柱与甲板交点。(b)是按照甲板位置对主立柱与甲板交点进行命名的示意图，图中U1-U6、M1-M6和L1-L6分别代表上层、中层和下层甲板与主立柱的交点。图2是本专利技术的一具体实施例中平台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋平台作业模式监测系统，对海洋平台进行传感器布控，随后进行信号特征提取并进行聚类分析；根据聚类分析结果，结合对信号本身特点形成对平稳性、幅值特征描述的数字标签；随后建立实时的监测特征网格化图谱，包括如下几个方面：/n(1)根据平台特征布控传感器，形成分层感知传感网络系统/n传感器的布控以捕捉环境载荷的结构振动响应和监控作业引起的振动响应为目的，根据海洋平台的结构特点，环境载荷下的结构振动响应反馈在导管架结构主立桩管节点处，平台的作业状态的振动反馈集中在导管架上部模块各层甲板位置，按照下列要求布控传感器：/n1)传感器布控位置应布置于导管架结构主立桩与上部模块甲板交点位置；/n2)传感器按结构对称形和甲板层级进行分级划分；/n3)布控不得损害平台自身结构强度，或对安装位置附近构件或作业构成安全性问题；/n4)保证各个传感器不影响平台设备运行，同时满足空间要求；/n(2)根据布控的数据反馈信号进行数字标签处理分析/n对平台传感数据进行按时间分割，将传感器的数据序列分割成子序列X

【技术特征摘要】
1.一种海洋平台作业模式监测系统，对海洋平台进行传感器布控，随后进行信号特征提取并进行聚类分析；根据聚类分析结果，结合对信号本身特点形成对平稳性、幅值特征描述的数字标签；随后建立实时的监测特征网格化图谱，包括如下几个方面：
(1)根据平台特征布控传感器，形成分层感知传感网络系统
传感器的布控以捕捉环境载荷的结构振动响应和监控作业引起的振动响应为目的，根据海洋平台的结构特点，环境载荷下的结构振动响应反馈在导管架结构主立桩管节点处，平台的作业状态的振动反馈集中在导管架上部模块各层甲板位置，按照下列要求布控传感器：
1)传感器布控位置应布置于导管架结构主立桩与上部模块甲板交点位置；
2)传感器按结构对称形和甲板层级进行分级划分；
3)布控不得损害平台自身结构强度，或对安装位置附近构件或作业构成安全性问题；
4)保证各个传感器不影响平台设备运行，同时满足空间要求；
(2)根据布控的数据反馈信号进行数字标签处理分析
对平台传感数据进行按时间分割，将传感器的数据序列分割成子序列Xi{X1,X2…XN}，其中N为子序列个数，每个子序列映射一个时间段，并且每个子序列的时间间隔相等，对每个时间段内的子序列Xi进行三点极值法，求得所有上包络线上的数据点{p1,p2…ps}，s为所有通过三点极值法确定的包络线上数据点的个数，平台整体振动的水平和趋势通过包络线上的数据点反映，选取包络线上数据点的均值μ作为反应平台总体振动状态的数学特征：



引入包络数据标准差σ作为反应平台振动的事件特征的参数，将均值μ加一倍标准差设为状态辨识的特征标准，即μ+σ，其中，σ为包络线上数据点的标准差：



将上的数据点{p1,p2…ps}中大于特征值μ+σ的数据，定义为事件特征数据集{y1,y2…yl},则定义η为事件特征数据集个数与数据特征数据个数之比，即



对于有m组传感器获得数据，获得一组对应的特征值，即计算出数据阵列Xi＝{(μ1,σ1)，(μ2,σ2)...(μm,σm)}，计算每组内特征值间的距离：



其中a，b为每组传感器下标号，对特征距离进行大小排序，得到距离极值dmax,dmin,并对所有数据进行标准化，...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴国华，黄焱，田育丰，万军，关湃，李毅，曲伟首，李翔云，许晓英，杨小坤，
申请(专利权)人：中海石油中国有限公司天津分公司，天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12