一种深海网箱远程健康诊断系统技术方案

本发明专利技术涉及深海网箱安全监测技术领域，具体地说，涉及一种深海网箱远程健康诊断系统。包括物理实体层、数据采集与传输层、数字孪生层、健康诊断层；物理实体层包括深海网箱、海洋环境、传感器单元、太阳能供电单元、蓄电池供电单元；数据采集与传输层包括数据处理单元、数据存储单元、卫星通讯单元、无线通讯单元、远程控制接收单元；数字孪生层包括工具箱、深海网箱数据、海域环境数据、数字孪生模型；健康诊断层包括算法库、结构损伤定位单元、剩余寿命评估单元、数据可视化单元。本发明专利技术设计采用北斗+无线通讯技术能够保障深海网箱数据远程传输的可靠性，采用数字孪生+智能算法分析监测数据，提高深海网箱损伤定位及寿命评估结果的准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
一种深海网箱远程健康诊断系统


[0001]本专利技术涉及深海网箱安全监测
，具体地说，涉及一种深海网箱远程健康诊断系统。

技术介绍

[0002]随着深海养殖产业的快速发展，海上养殖平台重点发展方向包括大型化、集成化等，因此其结构也愈加复杂。在深水环境中采用大尺度网箱养殖，就能形成一种更接近于鱼类生长的野生生长环境和自然生态环境，养殖出高品质鱼类。养殖网箱主体结构位于水下，长期遭受恶劣海洋环境的侵蚀。在风、浪、流、海冰、地震及海底冲刷等海洋环境因素影响下，结构裂纹、缺陷及腐蚀等微小损伤逐渐累积，如不及时发现及防治，网箱的自身结构和锚固系统发生破坏，养殖的鱼极易受伤死亡或大量逃逸，威胁人身安全并造成巨大的财产损失及生态破坏。虽然我国安全监测领域发展迅猛，但针对深海网箱的健康诊断尚属空白。由于深海网箱远离海岸线，为进一步提升海上养殖生产的持续稳定发展，养殖平台结构的在线安全监测越发迫切和重要。
[0003]如现有技术专利CN 202120257811.5公开了一种海上养殖平台形变及振动监测系统，采用姿态传感器、振动传感器测量养殖平台的姿态和振动，微处理器主板将采集信息通过GPS或者4G实时传输装置传输给数据采集器；其不足之处在于监测信息不完整，无法对结构进行完整性评估，预测平台寿命。又如现有技术专利CN201810906237.4公开了一种采用无人机、摄像机监测海洋牧场网箱健康的方法，监测结果采用LoRa扩频通信发送到远程接收端；其不足之处在于受限于无人机的续航能力，无法真正实现长期在位监测；受海洋环境的限制，在较恶劣海况下，无人机生存能力显著下降；由于水下能见度差，摄像机可能无法识别微小缺陷，导致监测结果可靠性低。
[0004]由于深海网箱远离海岸线，现有技术并不能保证陆地操作人员在第一时间深入了解深海网箱健康状况，以往研究集中在数据采集与传输等方面，对于数据后期处理分析、结构完整性评估、结构服役寿命预估等方面的研究较为缺乏，因此亟待利用新一代信息技术、数字孪生等技术，开展深海网箱的数据远程传输、结构损伤定位及寿命评估，从而实现深海网箱远程健康诊断的目的。鉴于此，我们提出了一种深海网箱远程健康诊断系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种深海网箱远程健康诊断系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述技术问题的解决，本专利技术的目的之一在于，提供了一种深海网箱远程健康诊断系统，包括依次通讯连接的物理实体层、数据采集与传输层、数字孪生层，所述数据采集与传输层、所述数字孪生层同时接入健康诊断层；其中：所述物理实体层包括深海网箱、海洋环境、传感器单元、太阳能供电单元、蓄电池供电单元；传感器单元通过数传接口将传感器单元的采集数据传输至数据处理与传输层；
太阳能供电单元、蓄电池供电单元为传感器单元、数据采集与传输层进行供电，太阳能供电单元、蓄电池供电单元互为备份；所述数据采集与传输层包括数据处理单元、数据存储单元、卫星通讯单元、无线通讯单元、远程控制接收单元；数据处理单元通过数传接口将数据处理单元的处理数据传输至数据存储单元；数据存储单元的数据经卫星通讯单元或者无线通讯单元，传输至远程控制接收单元；远程控制接收单元通过数传接口将接收到的数据传输至健康诊断层；所述数字孪生层包括工具箱、深海网箱数据、海域环境数据、数字孪生模型；工具箱包括三维建模软件、有限元分析软件；深海网箱数据、海域环境数据作为数字孪生模型的输入，利用工具箱的三维建模软件、有限元分析软件构建数字孪生模型，数字孪生模型的仿真结果作为数字孪生模型的输出，通过比对输入与输出的差异性，迭代优化数字孪生模型的特征参数；所述健康诊断层包括算法库、结构损伤定位单元、剩余寿命评估单元、数据可视化单元；结构损伤定位单元通过对应的算法库分析远程控制接收单元提供的数据，完成结构损伤定位，通过数传接口将数据传输至剩余寿命评估单元、数据可视化单元；剩余寿命评估单元以深海网箱的设计寿命为基础，通过分析结构损伤定位单元提供的数据，计算深海网箱的剩余寿命，通过数传接口将数据传输至数据可视化单元；数据可视化单元包括显示终端，显示结构损伤定位单元、剩余寿命评估单元的分析结果。
[0007]作为本技术方案的进一步改进，所述传感器单元包括加速度传感器、倾角传感器、位移传感器、风速风向传感器、波浪仪、声学多普勒流速剖面仪、应变传感器、光纤光栅解调仪、信号采集仪；其中：加速度传感器、倾角传感器、位移传感器、风速风向传感器、波浪计、声学多普勒流速剖面仪上电、采集数据，并通过数传接口传输到信号采集仪；应变传感器上电、采集数据，经光纤光栅解调仪处理后，传输至信号采集仪；信号采集仪向数据处理与传输层传输数据。
[0008]作为本技术方案的进一步改进，所述卫星通讯单元采用北斗卫星通信系统；所述无线通讯单元采用无线通信系统；所述远程控制接收单元采用北斗卫星通信指挥机。
[0009]作为本技术方案的进一步改进，所述算法库包括模态分析方法、线性判别分析方法、统计假设检验理论、雨流循环计数法、P
‑
M线性损伤理论、Goodman公式、S
‑
N曲线法。
[0010]作为本技术方案的进一步改进，所述物理实体层中，进行数据采集的步骤包括如下：A1、将加速度传感器、倾角传感器、位移传感器、风速风向传感器、波浪仪、声学多普勒流速剖面仪、应变传感器、光纤光栅解调仪、信号采集仪布置在深海网箱上；A2、传感器单元上电后，定时采集环境参数与深海网箱结构响应参数；A3、传感器单元采集数据通过数传接口传输到数据处理与传输层。
[0011]作为本技术方案的进一步改进，所述数据采集与传输层中，进行数据处理的步骤包括如下：B1、通过信号滤波方法剔除离群点、噪声点及异常值；B2、对深海网箱进行标识，并进行编码；B3、设置传输的纬度范围，完成纬度坐标压缩；设置传输的经度范围，完成经度坐
标压缩；B4、时间基准为北斗时，采用周计数+周内秒方式计时，完成时间数据无损压缩；B5、按照传输水平摆幅，对加速度传感器数据进行二进制编码；按照传输相对沉降监测量，对倾角传感器数据进行二进制编码；对位移传感器进行二进制编码；对风速风向传感器数据进行二进制编码；对波浪仪数据进行二进制编码；对声学多普勒流速剖面仪数据进行二进制编码；对应变传感器数据进行二进制编码。
[0012]作为本技术方案的进一步改进，所述健康诊断层中，进行健康诊断的步骤包括如下：C1、结构损伤定位单元基于建立的深海网箱数字孪生模型，计算健康状态深海网箱固有频率或模态振型等模态参数；基于传感器采集数据，采用模态分析方法，获取真实状态下深海网箱固有频率或模态振型等模态参数；C2、若模态参数数据满足高斯分布，执行线性判别分析获取健康状态与真实状态下模态参数数据的最佳投影向量，并使用该向量从模态参数中提取有效的损伤敏感特征；C3、若不满足高斯分布，使用高斯变换将其转换为高斯分布数据，再执行线性判别分析，提取有效损伤敏感特征；C4、计算深海网箱结构损伤敏感特征的均值及标准差，计算假本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海网箱远程健康诊断系统，其特征在于，包括依次通讯连接的物理实体层、数据采集与传输层、数字孪生层，所述数据采集与传输层、所述数字孪生层同时接入健康诊断层；其中：所述物理实体层包括深海网箱、海洋环境、传感器单元、太阳能供电单元、蓄电池供电单元；传感器单元通过数传接口将传感器单元的采集数据传输至数据处理与传输层；太阳能供电单元、蓄电池供电单元为传感器单元、数据采集与传输层进行供电，太阳能供电单元、蓄电池供电单元互为备份；所述数据采集与传输层包括数据处理单元、数据存储单元、卫星通讯单元、无线通讯单元、远程控制接收单元；数据处理单元通过数传接口将数据处理单元的处理数据传输至数据存储单元；数据存储单元的数据经卫星通讯单元或者无线通讯单元，传输至远程控制接收单元；远程控制接收单元通过数传接口将接收到的数据传输至健康诊断层；所述数字孪生层包括工具箱、深海网箱数据、海域环境数据、数字孪生模型；工具箱包括三维建模软件、有限元分析软件；深海网箱数据、海域环境数据作为数字孪生模型的输入，利用工具箱的三维建模软件、有限元分析软件构建数字孪生模型，数字孪生模型的仿真结果作为数字孪生模型的输出，通过比对输入与输出的差异性，迭代优化数字孪生模型的特征参数；所述健康诊断层包括算法库、结构损伤定位单元、剩余寿命评估单元、数据可视化单元；结构损伤定位单元通过对应的算法库分析远程控制接收单元提供的数据，完成结构损伤定位，通过数传接口将数据传输至剩余寿命评估单元、数据可视化单元；剩余寿命评估单元以深海网箱的设计寿命为基础，通过分析结构损伤定位单元提供的数据，计算深海网箱的剩余寿命，通过数传接口将数据传输至数据可视化单元；数据可视化单元包括显示终端，显示结构损伤定位单元、剩余寿命评估单元的分析结果。2.根据权利要求1所述的深海网箱远程健康诊断系统，其特征在于，所述传感器单元包括加速度传感器、倾角传感器、位移传感器、风速风向传感器、波浪仪、声学多普勒流速剖面仪、应变传感器、光纤光栅解调仪、信号采集仪；其中：加速度传感器、倾角传感器、位移传感器、风速风向传感器、波浪计、声学多普勒流速剖面仪上电、采集数据，并通过数传接口传输到信号采集仪；应变传感器上电、采集数据，经光纤光栅解调仪处理后，传输至信号采集仪；信号采集仪向数据处理与传输层传输数据。3.根据权利要求2所述的深海网箱远程健康诊断系统，其特征在于，所述卫星通讯单元采用北斗卫星通信系统；所述无线通讯单元采用无线通信系统；所述远程控制接收单元采用北斗卫星通信指挥机。4.根据权利要求3所述的深海网箱远程健康诊断系统，其特征在于，所述算法库包括模态分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永波，王言哲，常琳，马哲，张丛，李振，王继业，
申请(专利权)人：山东省海洋科学研究院青岛国家海洋科学研究中心，
类型：发明
国别省市：