一种海上测风塔安全监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及海洋装备领域，具体为一种海上测风塔安全监测系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.海上测风塔是用于对海洋大气风况观测，完成对特定海域风力、风速、风向等风资源信息的长期观测站/观测设备，测风塔建设在海面上，塔体结构承受着复杂海洋环境的影响。
4.现有技术虽然能够依靠测风塔塔体上安装的各类风速计、温度传感器、水位传感器及摄像头等数据采集装置实现测风塔在风、浪及海水水温影响下的运行稳定性监测，但却并未考虑海洋冰对塔体结构的影响；海洋冰会受到风与浪的影响而运动，同时还受到季节性以及水温的影响呈现不同的厚度，而运行中的海上测风塔在受到海洋冰撞击后产生振动，会对柔性结构的测风塔结构带来影响；因此在海洋风、浪以及海冰荷载的综合作用下，测风塔的塔体结构面临振动、疲劳、沉降等多种失效风险。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本实用新型提供一种海上测风塔安全监测系统，利用测风塔塔体特定位置安装的各类传感器获取环境信息、冰情信息和塔体结构信息，利用塔体搭载的光伏发电装置供电，以无线通讯的方式与后台服务器通讯，通过对结构及海域环境的长期且连续的数据采集，形成完善的作业环境条件与塔体结构健康状态数据库，用于海上测风塔结构的整体性能评估。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.本实用新型的第一个方面提供一种海上测风塔安全监测系统，包括与后台服务器通讯连接的振动响应监测模块、环境信息监测模块和冰情监测信息模块；
8.振动响应监测模块包括位于测风塔主甲板和测风塔塔架的振动传感器，位于测风塔塔架上的加速度倾角集成传感器，位于测风塔负载装置处的应变传感器；
9.环境信息监测模块包括波浪仪和风速计。
10.冰情监测信息模块包括图像采集装置、水位计和水温剖面监测组件。
11.水温剖面监测组件包括与防水电缆和锚链相连接的多组水温剖面传感器。
12.水温剖面传感器包括相连接的多组温度传感器。
13.风速计位于测风塔塔体上部，获取风向和风速。
14.波浪仪位于测风塔塔体中部，获取波浪信息。
15.水位计位于测风塔塔体底部，获取水位高程信息。
16.图像采集装置位于测风塔塔体上，获取冰情信息。
17.水温剖面监测组件位于海面以下设定距离，一端与测风塔塔体底部连接。
18.还具有光伏发电装置，分别与振动响应监测模块、环境信息监测模块和冰情监测信息模块连接。
19.还具有无线通讯装置，分别与振动响应监测模块、环境信息监测模块和冰情监测信息模块连接。
20.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
21.1、监测系统光伏发电装置供电，通过无线通讯装置传输实现所需参数的独立通讯，在无人、无电力供应环境可以进行长期稳定的监测，保证了预警系统的可靠性。
22.2、海域冰情、环境参数的有效采集确保测风塔塔体结构失效风险评估与预警的实效性和准确性。
23.3、通过对测风塔塔体结构及海域环境的长期、连续的数据采集，形成完善的作业环境条件与测风塔结构健康状态数据库，用于对实测海上测风塔结构的整体性能评估。
附图说明
24.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
25.图1是本实用新型一个或多个实施例提供的系统架构示意图；
26.图2是本实用新型一个或多个实施例提供的传感器安装位置示意图；
27.图中：1、风速计，2、波浪仪，3、图像采集装置，4、水位计，5、水温剖面监测组件。
具体实施方式
28.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
29.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.依据对目前的海上测风塔进行现场监测和对监测结果进行数值分析发现，海上测风塔具备细长的柔性结构，在风、浪以及海冰荷载的作用下，测风塔结构面临振动、疲劳、沉降等多种失效风险。
32.因此以下实施例给出了一种海上测风塔安全监测系统的整体架构，利用测风塔塔体特定位置安装的各类传感器获取环境信息、冰情信息和塔体结构信息，利用塔体搭载的光伏发电装置供电，以无线通讯的方式与后台服务器通讯，通过对结构及海域环境的长期且连续的数据采集，形成完善的作业环境条件与塔体结构健康状态数据库，用于海上测风塔结构的整体性能评估。
33.实施例一：
34.本实施例的目的是提供一种海上测风塔安全监测系统，包括与后台服务器通讯连
接的振动响应监测模块、环境信息监测模块和冰情监测信息模块；
35.振动响应监测模块包括位于测风塔主甲板和测风塔塔架的振动传感器，位于测风塔塔架上的加速度倾角集成传感器，位于测风塔负载处的应变传感器；
36.环境信息监测模块包括波浪仪和风速计；
37.冰情监测信息模块包括图像采集装置、水位计和水温剖面监测组件。
38.水温剖面监测组件5包括与防水电缆和锚链相连接，且形成链状传感器组的多组水温剖面传感器。水温剖面监测组件位于海面以下设定距离，一端与测风塔塔体底部连接。水温剖面传感器包括相连接的多组温度传感器，多组温度传感器形成获取一个测点的多个温度数据，形成温度链。
39.风速计1位于测风塔塔体上部，获取风向和风速。
40.波浪仪2位于测风塔塔体中部，获取波浪信息。
41.水位计4位于测风塔塔体底部，获取水位高程信息。
42.图像采集装置3位于测风塔塔体上，获取冰情信息。
43.还具有光伏发电装置，分别与振动响应监测模块、环境信息监测模块和冰情监测信息模块连接。
44.还具有无线通讯装置，分别与振动响应监测模块、环境信息监测模块和冰情监测信息模块连接。
45.通过对塔体结构及海域环境的长期且连续的数据采集，形成完善的作业环境条件与塔体结构健康状态数据库，用于海上测风塔结构的整体性能评估，具体如下：
46.(1)监测信息
47.海上测风塔的塔体结构在役期间承受着复杂的海洋环境条件以及意外荷载的耦合作用。在极端工况下，塔体结构可能产生较大的变形与倾角；海冰等交变荷载引起的结构剧烈振动在影响塔体结构上部设施(上部设施是指海上测风塔搭载的各类负载装置/设备，通常位于测风塔的上部空间)正常运行的同时，还可能引起塔体结构基础的沉降导致承载力的降低；波浪、海冰等交变荷载的耦合作用对结构的疲劳剩余寿命也会产生显著影响。为了保证测风塔的振动、疲劳损伤以及承载力等结构响应处于结构允许范围内，本实施例采取对塔体结构的振动响应、倾角以及基础沉降信息进行现场监测。
48.随着海洋风能的开发延伸至结冰水域，除常规风、浪荷载对结构的影响外，海冰引起的结构振动也成为威胁测风塔塔体结构安全的重要因素。为建立冰情与结构振动响应的关联性，同时合理预测冰情及结构短期冰振风险，需要对海域冰厚、冰速、海水剖面温度等信息实现实时、准确采集。另一方面，波浪与海风也是引起结构振动响应的另一重要因素，为更加合理的评估结构在全寿命周期内的疲劳损伤，需要对海域风、浪疲劳环境条件开展长期测量。
49.(2)监测技术
50.冰区海上作业的环境恶劣，低温、潮湿、无供电、远离陆地等条件都制约了监测信息的准确、长期、连续获取，因此本实施例利用带有无线通讯功能的传感器模块实现海冰信息数据的采集和回传，利用光伏发电装置驱动各模块供电。
51.a)结构振动响应监测
52.本实施例利用加速度倾角集成传感器，搭载数据回传模块，可实现实测数据经无
线通讯装置(例如，4g信号卡)实时回传。加速度倾角传感器可实时采集包括两个方向的倾角与加速度信息。测风塔主甲板处的振动信息监测可用于分析由惯性力而产生的结构动力问题；塔架多点振动信息测量可用于结构动态特性以及疲劳损伤分析。
53.b)结构沉降信息监测
54.目前对海上测风塔等类似海洋工程结构的沉降信息很难直接监测获取，因此本实施例提出利用测风塔塔体结构上部负载监测的基础不均匀沉降监测方法。其原理可简化为结构称重方式，把测风塔桩基视为一个“重力秤”，通过监测桩头各位置的应力变化，采取沉降反演方法获取塔体结构上部负载分布的细微变化，从而识别塔体结构桩基是否发生不均匀沉降情况。
55.桩基监控系统分传感器、数据解调、数据采集这三大部分。传感器包括光纤光栅传感器与压电式振动传感器，并针对不同的传感器，配备相应的数据解调和采集系统。
56.c)海洋环境条件监测技术
57.在海洋环境条件的现场监测中，常规风、浪的监测已形成成熟的产品，如波浪仪、风速计等，然而有关局部海域冰情的监测技术还未见一般性应用。为此，本实施例利用图像采集装置获取冰情信息，配合海水温深剖面采集，以支持测风塔安全监测系统。
58.海冰要素的监测是进行平台冬季安全保障的必要资料。测风塔属于固定式海洋工程结构，其冰厚、冰速、冰流向的采集将采用图像测量的方法。利用图像采集装置(例如，高清自适应焦距摄像探头)，配合大容量硬盘刻录机存储数据的同时实现数据回传，可实现冬季冰情、水位等关键信息的实时监测。
59.海水温深剖面采集，利用三组温度传感器形成三点温度检测，组成温度链形成水温剖面传感器，满足海水温度剖面与水位高程监测需求。水温剖面传感器位于海面以下设定长度，例如，水下工作有效长度8m，通过防水电缆与锚链集成链状，形成链条状的多组水温剖面传感器，使得各个传感器的位置相对固定。
60.图像采集装置获取冰情覆盖面积、流动方向等信息，位于海面以下的水温剖面传感器获取各个深度下的水温信息，配合水位计监测的水位高度从而判断冰层厚度，利用冰厚、冰速、冰流向等信息支持测风塔安全监测系统。
61.d)数据的存储与回传
62.基于4g网络，所有实时监测数据都可实现数据存储与动态回传。其中振动响应监测模块分别搭载回传模块，可保证振动响应监测数据回传的互不干扰，提升了响应监测设备的可靠性；环境信息监测模块单独搭载数据采集仪和数据回传模块；冰情监测信息模块单独搭载刻录机和数据回传模块。
63.e)结构风险预警
64.通过监测数据处理、分析，建立结构疲劳损伤、振动风险以及不均匀沉降安全评估方法，确定风险等级及阈值：依据海上测风塔塔体结构振动响应信息，评估塔体结构冰振风险；依据实测塔体结构应变、倾角信息，实现海上测风平台承载能力与沉降安全性评价；基于振动位移，评价海上测风平台结构疲劳累积损伤。
65.后台服务器运行灾害预警与数据管理平台，基于灾害预警与数据管理平台，通过数据的同步存储与回传，实时显示塔体结构状态信息；同步预警结构冰振、沉降风险；可实现短期冰情、冰振预报，并提供安全运行策略。
66.上述监测系统由光伏发电装置供电，采用4g网络实现所需参数的独立通讯，在无人、无电力供应环境可以进行长期稳定的监测，保证了预警系统的可靠性。
67.海域冰情、环境参数的有效采集保障了结构失效风险评估与预警的实效性、准确定。
68.通过对海上测风塔塔体结构及海域环境的长期、连续的数据采集，可形成完善的作业环境条件与结构健康状态数据库，并可依托大数据分析技术，实现对实测海上测风塔结构的整体性能评估。
69.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。