管道光纤缠绕方法、电子设备和绕线机

本发明涉及光纤缠绕，尤其涉及一种管道光纤缠绕方法、电子设备和绕线机。

背景技术：

1、分布式光纤传感技术，如φ-otdr（phase-sensitive optical time-domainreflectometer，相位敏感型光时域反射计）、dts（distributed temperature sensing，分布式温度传感器）等，在管道安全监测领域应用日益广泛，其中光纤在管道上的缠绕封装参数（包括螺距、角度、线数、相位差等）直接决定了系统的监测分辨率与工程可靠性。目前，相关技术公开了“管体开槽-敷设光纤-填胶固化”的光纤内置封装结构，但在实际工程设计中，光纤缠绕参数的确定仍存在以下技术缺陷，制约了该技术的工程化推广应用。

2、其一，相关技术虽公开了管道表面开槽布设光纤的结构形式，但对于开槽半径、开槽深度、光纤型号选择、布设螺距、螺旋角度以及多线布设相位差等关键工艺参数，均未给出量化设计方法。工程实践中，上述参数全部依赖技术人员经验确定，需在施工现场进行多轮“缠绕-测试-调整”的试错迭代方能匹配具体工况，设计效率低下且难以保证监测性能的最优化。

3、其二，φ-otdr系统的光纤固有空间分辨率由探测光脉冲宽度决定。但当光纤以一定螺距、螺旋角度及缠绕线数包覆于管道表面时，管道轴向的实际等效空间分辨率并非直接等于光纤固有分辨率，而是由光纤沿螺旋路径的空间采样间隔向管道轴向映射得到。相关技术未系统建立“缠绕螺距—缠绕角度—缠绕线数—管道轴向等效分辨率”之间的数学量化关系，导致设计时无法根据监测精度需求反向推导最优螺距，造成空间分辨率与缠绕密度之间的匹配失当。

4、其三，在需要同时布置多根光纤的工程场景中，相关技术未给出多线缠绕时各缠绕线的敷设顺序及起始相位差的统一设计规则，导致多线并绕时各光纤的空间排布缺乏协调性，可能引起光纤之间的相互干涉或空间采样重叠，降低有效监测覆盖效率。

5、其四，不同壁厚管道的刚度差异、不同埋设介质对信号的衰减特性差异、不同埋深处的环境条件差异，均显著影响光纤传感系统的实际响应幅值与信噪比，理论上应对缠绕螺距、线数等参数进行相应调整，但相关技术对此未提供任何差异化设计依据，仍采用统一参数适配所有工况，难以满足多样化工程场景的实际需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种管道光纤缠绕方法、电子设备和绕线机，以实现光纤缠绕参数的量化计算。

2、第一方面，本发明实施例提出一种管道光纤缠绕方法，包括：获取系统参数、管道参数、监测参数、环境参数和安全参数；根据所述系统参数、所述监测参数和所述管道参数，分别建立光学空间分辨率约束、监测事件物理影响范围约束和弯曲损耗约束，并根据所述光学空间分辨率约束确定光学约束螺距，根据所述监测事件物理影响范围约束确定物理约束螺距，根据所述弯曲损耗约束确定弯曲损耗约束螺距；根据所述管道参数中的轴向收缩应变和环向收缩应变以及所述安全参数，得到方向热收缩安全区间，并根据所述方向热收缩安全区间与所述光学约束螺距、所述物理约束螺距及所述弯曲损耗约束螺距，得到可行螺距区间；利用所述环境参数在所述可行螺距区间内选定工程实际落地螺距，并根据所述工程实际落地螺距和所述管道参数中的管材牵引速度，得到绕线机的目标转速；当所述监测参数中的目标线数大于或等于2时，确定目标敷设顺序和各缠绕线的起始相位差，并根据所述工程实际落地螺距、所述目标转速、所述目标敷设顺序和各缠绕线的起始相位差，控制所述绕线机缠绕光纤。

3、在一些实施例中，所述确定光学约束螺距，包括：根据所述系统参数中的多模光纤纤芯等效折射率和多模光纤光脉冲宽度，得到多模光纤空间分辨率，并根据所述多模光纤空间分辨率、所述监测参数中的目标管道等效空间分辨率和所述管道参数中的管道外径，得到多模光纤光学约束螺距；根据所述系统参数中的单模光纤纤芯有效折射率和单模光纤光脉冲宽度，得到单模光纤空间分辨率，并根据所述单模光纤空间分辨率、所述目标管道等效空间分辨率和所述管道外径，得到单模光纤光学约束螺距；取所述单模光纤光学约束螺距和所述多模光纤光学约束螺距中的较小值，作为最终光学约束螺距。

4、在一些实施例中，所述确定物理约束螺距，包括：根据所述管道外径、所述监测参数中的温度异常轴向特征长度和温度通道的最低采样次数、所述系统参数中的解调设备独立空间分辨率，得到温度约束理论螺距；根据所述管道外径、所述声振通道的最低采样次数、所述解调设备独立空间分辨率和所述监测参数中的声振信号轴向有效传播长度，得到声振约束理论螺距；其中，所述方向热收缩安全区间根据螺旋光纤方向的有效收缩应变随螺距的变化关系确定，用于限定所述温度约束理论螺距和所述声振约束理论螺距的可行范围，所述有效收缩应变基于所述轴向收缩应变、所述环向收缩应变以及所述安全参数中的界面应变传递系数和预留松弛应变得到，且所述方向热收缩安全区间内的任一螺距对应的有效收缩应变均满足所述安全参数中的允许压缩应变和热屈曲安全系数的要求。

5、在一些实施例中，所述确定弯曲损耗约束螺距，包括：取所述系统参数中单模光纤允许最小弯曲半径、多模光纤允许最小弯曲半径中的较大值，作为混合光纤配置的统一允许最小弯曲半径；当所述统一允许最小弯曲半径与所述管道外径的比值大于或等于第一预设比值阈值时，根据所述统一允许最小弯曲半径和所述管道外径得到所述弯曲损耗约束螺距。

6、在一些实施例中，所述根据所述工程实际落地螺距和所述管道参数中的管材牵引速度，得到绕线机的目标转速之前，所述方法还包括：取所述多模光纤空间分辨率、所述单模光纤空间分辨率中的较大值，作为修正用光纤空间分辨率；根据所述修正用光纤空间分辨率、所述工程实际落地螺距和所述管道外径，得到修正后管道等效空间分辨率；确定所述修正后管道等效空间分辨率小于或等于所述目标管道等效空间分辨率，且偏差不超过第一预设偏差阈值。

7、在一些实施例中，所述方法还包括：根据各缠绕线的起始相位差和所述工程实际落地螺距，得到各缠绕线的轴向偏移量；当任一缠绕线的轴向偏移量与所述监测参数中的目标管道等效空间分辨率的比值大于或等于第二预设比值阈值时，在预设角度范围内步进搜索，重新确定各缠绕线的起始相位差，并重新确定各缠绕线的轴向偏移量，直至各缠绕线的轴向偏移量与所述监测参数中的目标管道等效空间分辨率的比值小于所述第二预设比值阈值；当在所述预设角度范围内步进搜索完全，仍存在任一缠绕线的轴向偏移量与所述目标管道等效空间分辨率的比值大于或等于所述第二预设比值阈值时，输出当前参数组合无可行相位配置的提示信息，在用户更改设计参数并建立新的参数组合后，重新确定各缠绕线的起始相位差和轴向偏移量。

8、在一些实施例中，所述目标敷设顺序根据所述目标线数和所述监测参数中待敷设光纤类型、监测功能、主用/备用属性确定。

9、在一些实施例中，所述根据所述工程实际落地螺距和所述目标转速，控制所述绕线机缠绕光纤，包括：控制所述绕线机的实际转速跟随所述目标转速，并使绕线的实际螺距与所述工程实际落地螺距之间的偏差不超过第二预设偏差阈值。

10、第二方面，本发明实施例提出一种电子设备，包括存储器、处理器和存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现第一方面实施例所述的方法。

11、第三方面，本发明实施例提出一种绕线机，包括：第二方面实施例所述的电子设备。

12、本发明实施例的管道光纤缠绕方法、电子设备和绕线机，通过获取并融合系统参数、管道参数、监测参数、环境参数和安全参数，按照各约束的成立条件求取可行螺距，并联动确定绕线机目标转速；在多线场景下生成敷设顺序及各线起始相位；在设备执行阶段利用实际转速、实际牵引速度和实际螺距进行闭环校正。该方案可减少现场试错次数，得到满足预设约束的参数，并在预设容差内维持实际螺距，从而有助于提高光纤缠绕的一致性与长期运行可靠性。

13、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。