一种输电杆塔光纤传感器优化布设方法、设备、介质及产品与流程

本技术涉及输电杆塔结构健康监测、光纤传感监测、地质灾害风险识别和传感器优化布设，特别是涉及一种输电杆塔光纤传感器优化布设方法、设备、介质及产品。

背景技术：

1、输电杆塔常布置于山区、采空区、边坡区等复杂地质环境中，采空塌陷可引起杆塔基础竖向沉降及差异变形，滑坡可引起基础水平滑移和牵引变形。当支座位移传递至杆塔结构后，塔腿主材、斜材、横材和局部连接区域会产生附加内力，严重时会出现构件屈服、局部屈曲、塔身倾斜甚至整体失稳。

2、现有输电杆塔监测方法多采用倾角计、位移计、沉降监测装置、北斗定位装置、视频巡检、无人机巡检或少量应变传感器进行监测。上述方法能够反映杆塔几何姿态变化、外观缺陷或局部杆件应变变化，但难以回答“哪些测点最能表征杆塔受损风险”、“哪些测点能够区分沉降、滑移、导线荷载变化和杆件损伤”、“在测点数量受限条件下如何布设才能覆盖主要风险模式”等问题。

3、光纤传感器具有抗电磁干扰、精度高、易于多点组网、适合长期在线监测等优点，适用于输电杆塔服役状态监测。然而，输电杆塔为空间杆系结构，杆件数量多、节点复杂、受力路径多样，若仅依据局部最大应变、施工便利性或经验位置布设光纤传感器，容易造成测点冗余、风险覆盖不足、温度补偿不完整以及不同风险来源难以区分的问题。

4、因此，亟需一种基于风险可观测性的输电杆塔光纤传感器优化布设方法。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种输电杆塔光纤传感器优化布设方法、设备、介质及产品，可提升复杂地质环境下杆塔结构风险监测精度与系统运行可靠性。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、第一方面，本技术提供了一种输电杆塔光纤传感器优化布设方法，包括：

4、获取待布设光纤传感器杆塔的基础参数；所述基础参数包括：结构参数、荷载参数和环境参数。

5、基于所述基础参数确定杆塔风险状态变量，并基于所述杆塔风险状态变量构建全域风险工况集。

6、基于杆塔关键部位，确定候选测点集合。

7、构建输电杆塔结构有限元分析模型，基于所述全域风险工况集，在所述有限元分析模型上施加对应的荷载参数，求解全部候选测点对应的应变响应数据，构建应变响应矩阵。

8、基于所述应变响应矩阵，计算各候选测点的综合可观测性评价值。

9、基于所述综合可观测性评价值确定初步布设方案。

10、对所述初步布设方案进行校核，得到最优布设方案。

11、可选地，基于所述基础参数确定杆塔风险状态变量，并基于所述杆塔风险状态变量构建全域风险工况集，具体包括：

12、基于所述基础参数确定杆塔风险状态变量；所述风险状态变量包括：塔脚不均匀沉降、塔脚水平滑移、基础三向约束刚度退化系数、滑坡侧向推挤力、导线不平衡张力和杆件刚度折减系数。

13、基于所述风险状态变量，设置单支座竖向沉降位移工况、单支座水平滑移位移工况、双支座竖向沉降位移工况、双支座水平滑移位移工况、三支座竖向沉降位移工况、三支座水平滑移位移工况、四支座差异位移工况、四支座斜向滑移工况以及四支座沉降-滑移耦合工况。

14、可选地，所述杆塔关键部位包括：塔脚上部主材、下部斜材、塔身变截面节点、横担根部、导线挂点杆件、迎灾及背灾侧塔腿。

15、可选地，基于所述应变响应矩阵，计算各候选测点的综合可观测性评价值，具体包括：

16、基于所述应变响应矩阵，计算各候选测点的风险可观测性综合评价指标；所述综合评价指标包括：风险敏感性、风险模式区分度、关键区域覆盖度、测点冗余度和工程可靠性。

17、对所述综合评价指标进行归一化处理，得到归一化处理后的指标。

18、对所述归一化处理后的指标进行加权求和，得到各候选测点的综合可观测性评价值。

19、可选地，基于所述综合可观测性评价值确定初步布设方案，具体包括：

20、建立强制性布设约束规则；所述强制性布设约束规则包括：四个塔脚各至少布设1个测点，确保基础风险全覆盖；迎灾侧和背灾侧塔腿成对布设对称对比测点；同一根杆件上同类型测点不超过2个；任一风险工况至少由2个测点覆盖，建立双测点冗余约束。

21、将满足所述强制性布设约束规则的候选测点作为第一候选测点。

22、按所述第一候选测点对应的综合可观测性评价值从高到低选取若干个第二候选测点。

23、计算各所述第二候选测点所在位置的安全储备系数。

24、将所述安全储备系数小于预设安全储备系数的第二候选测点作为第三候选测点。

25、基于所述第三候选测点确定初步布设方案。

26、可选地，所述安全储备系数的计算公式为：

27、；

28、其中，为各候选测点所在位置的安全储备系数；为候选测点所在区域在对应风险工况下的临界支座位移；为预测或监测得到的灾害支座位移。

29、可选地，对所述初步布设方案进行校核，得到最优布设方案，具体包括：

30、对所述初步布设方案分别进行风险工况覆盖校核、关键区域覆盖校核、测点冗余校核、单点失效容错校核和温度补偿完整性校核；所述风险工况覆盖校核用于检验所选测点是否覆盖全部风险工况类型；所述关键区域覆盖校核用于检验塔脚区、塔身下段、塔身中段、塔身上段和横担区关键区域是否均有测点覆盖；所述测点冗余校核用于检验所选测点间的平均相关系数是否低于设定阈值，若高于阈值则存在信息冗余，需剔除部分测点；所述单点失效容错校核用于检验任一测点失效后，是否仍有其他测点覆盖同一风险工况；所述温度补偿完整性校核用于检验温度补偿测点是否覆盖所有应变测点所处的环境温度区间。

31、若任一校核不通过，则返回“基于所述综合可观测性评价值确定初步布设方案”步骤，直至全部校核通过，得到最优布设方案。

32、第二方面，本技术提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述所述的输电杆塔光纤传感器优化布设方法。

33、第三方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述所述的输电杆塔光纤传感器优化布设方法。

34、第四方面，本技术提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述所述的输电杆塔光纤传感器优化布设方法。

35、根据本技术提供的具体实施例，本技术具有了以下技术效果：

36、本技术提供了一种输电杆塔光纤传感器优化布设方法、设备、介质及产品，通过获取待布设光纤传感器杆塔的结构参数、荷载参数和环境参数；能够全面、精准掌握输电杆塔自身结构特性、外部受力条件与现场运行环境，为后续风险变量确定、工况构建、测点筛选及仿真分析提供完整、真实、可靠的基础数据支撑。基于所述基础参数确定杆塔风险状态变量，并基于所述杆塔风险状态变量构建全域风险工况集；可全面覆盖输电杆塔基础变形、受力异常、杆件损伤等各类潜在故障与灾害风险场景，突破传统单一工况分析的局限性，实现杆塔运行风险的全域、全维度覆盖。基于杆塔关键部位，确定候选测点集合；能够精准锁定输电杆塔受力集中、易受损、风险高发的核心关键区域，剔除无效、冗余的非关键测点位置，有效缩减后续仿真分析的数据计算量，降低算法运算成本。构建输电杆塔结构有限元分析模型，基于所述全域风险工况集，在所述有限元分析模型上施加对应的荷载参数，求解全部候选测点对应的应变响应数据，构建应变响应矩阵；通过精细化有限元仿真实现所有候选测点在全风险工况下应变响应的量化提取与规整化整合，将杆塔结构受力变形的物理特性转化为可量化、可分析的矩阵数据模型，为后续测点可观测性的量化评估提供标准化、高精度的数据支撑，保障量化评价过程的科学性与客观性。基于所述应变响应矩阵，计算各候选测点的综合可观测性评价值；基于所述综合可观测性评价值确定初步布设方案；能够有效规避测点布设盲区、信息冗余、布设违规等问题，形成兼顾理论最优与工程可行的初步布设体系。对所述初步布设方案进行校核，得到最优布设方案；通过迭代修正彻底消除初步布设方案的监测漏洞、冗余缺陷与适配性问题，最终得到全覆盖、高容错、低冗余、高适配的标准化最优布设方案，完全适配输电杆塔复杂运行工况与长期监测需求。本技术彻底改变传统输电杆塔光纤传感器经验式、片面化、随机性的布设模式，实现传感器测点布设的科学化、量化化、精细化与工程适配化，有效解决了传统布设方案存在的风险覆盖不全、关键区域监测缺失、测点冗余浪费、容错能力差、环境适配性不足等技术问题，大幅提升输电杆塔结构应变与风险状态监测的全面性、精准性、稳定性与可靠性，在降低传感器布设成本与运维成本的同时，可精准捕捉杆塔各类潜在故障与灾害风险，为输电杆塔安全稳定运行、故障预警与防灾减灾提供精准的数据支撑，工程应用价值与实用性极强。