一种传感器布置方法及系统

技术领域

本发明涉及一种海洋工程技术领域，特别是关于一种用于水下防护设施顶盖薄板结构撞击识别的传感器布置方法及系统。

背景技术

水下生产系统是深水油气开采中的重要元素，与陆上设备相比，水下生产系统的专业性强，具有高技术含量、高可靠性要求以及高利润等特点，正在成为高效地开发深水油气田和边际油田的重要技术手段。

水下生产系统尽管具有许多优点，但是位于通航区的关键设备容易受到商船、渔船、油轮等的抛锚、渔网拖挂、沉船等事故的影响，裸露在外的水下采油树、管汇、跨接管等可能会受到落物的撞击而出现损伤，进而造成较大的负面影响，所以亟需对水下生产系统的安全采取必要的物理防护，常用的防护设施有：水下沉箱、管汇支撑结构和水下隧道等。

水下防护沉箱是一种常见的物理防护设施，它通过巨大的筒身和顶盖将水下生产系统的关键设备罩在其中，仅通过顶盖上预设的人孔或采油树孔实现内外联通。它的广泛应用在一定程度上对水下生产系统起到了保护，可以有效减轻或规避位于通航区的水下生产系统所遭受的撞击载荷。但是对于防护沉箱而言，落物撞击会直接作用于它的上顶盖，当撞击水平达到其屈服极限时，可能会对顶盖造成较大的塑性变形，因此亟需开展针对这类防护设施顶盖薄板结构的现场监测。通过离散的传感器所捕获的实时动力信号对顶盖结构的动力学状态进行反演重构，进而得到整个结构的全局动力响应，从而作为判断损伤、安全预警的依据。

然而，水下防护设施顶盖薄板结构的全局动力响应在很大程度上依赖于对离散传感器信号的重构，传感器的布置个数和布置位点对结果的影响十分显著。当传感器的布置密度过大，就会导致计算时长剧增，资源严重浪费；相反，当密度过小，就会导致重构结果严重失真，甚至无法得到所需的全局响应。对于传统的简单结构而言，传感器的布置可采用矩形四点式分布，但是实际工程中的大多数结构都会呈现出非均质、非对称和非连续的特殊情形，此时针对水下防护设施顶盖薄板这类复杂结构的传感器布置就成为了亟待解决的问题。

现有的传感器布置方法多用于无孔的连续对称结构，且布置方法多为简单的矩形网格四点式，这类方法尽管在优化环节考虑了网格密度的影响，但并未从根本上颠覆这种简单的矩形布置模式；然而，这种布置方法在处理水下防护设施顶盖这类复杂带孔的薄板结构时就显得捉襟见肘，导致识别结果误差很大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于水下防护设施顶盖薄板结构撞击识别的传感器布置方法及系统，克服了现有传感器布置方法的局限性，极大地提高该类带孔板结构的撞击识别精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种传感器布置方法，其包括：步骤1、确定待监测对象的结构参数；步骤2、确定传感器布置的基本模式；步骤3、利用主体结构的形心或其重点监测区域的几何中心构建一个恰能包住所有孔的辅助圆/或图形；步骤4、传感器具体布点；步骤5、调整传感器的布点，完成传感器布置。

进一步，所述步骤1中，确定方法包括以下步骤：

步骤11、确定主体结构的形状和尺寸以及孔的形状、数量、位置和尺寸；

步骤12、建立平面坐标系对步骤11中的结构参数进行坐标量化。

进一步，所述步骤2中，将八边形八点布置模式作为基本模式。

进一步，所述步骤3中，如果主体结构为圆形，则以主体结构的圆心或重点监测区域的中心为圆心构建辅助圆。

进一步，所述步骤3中，如果主体结构的轮廓接近正n边形，则按圆形主体结构处理方法近似处理；n≥4。

进一步，所述步骤3中，如果主体结构的轮廓为三角形，则根据孔的位置调整辅助圆的大小，使其内切于主体结构的轮廓；如果无法用一个内切于主体结构轮廓的辅助圆包含所有孔，则选择正三角形布置模式。

进一步，所述步骤3中，如果主体结构的轮廓为不规则几何图形，首先考虑包含所有孔并内切于轮廓的辅助圆，当辅助圆难以实现时，其次考虑三、四、六或八边形布置模式。

进一步，所述步骤4中，具体布点方法包括以下步骤：

步骤41、判断辅助圆或其它辅助图形的形心是否有孔，若无孔为结构实体，则额外增设该位置为一个监测点，得到一个由中心向外的辐射状布置方案；如果有孔，则取消该点的布置；

步骤42、基于传感器需要在结构响应最不利或最危险易损伤处布置，考虑结构上的孔，在这些孔远离辅助圆/或图形形心的边缘上设置监测点；

步骤43、判断孔是否集中，如果相邻孔之间的距离很近，则将设置在它们边缘上的监测点基于等效原则作简化，多点合并为一点，使该点到这些孔的距离一致；如果孔相距很远，则保留设置在它们边缘上的监测点，并将这些点外延至辅助圆/或图形上；

步骤44、将步骤43中设置的监测点作关于辅助圆/图形形心的对称点，并作为新的监测点。

进一步，所述步骤5中，调整方法为：

基于整体均衡原则，辅助圆/或图形上的监测点都是由独立孔的边缘监测点延拓而来，应保持间距一致；不在辅助圆/图形上的监测点都是多点合并的结果，应保持自身位置不变；

基于安装、更换易操作原则，每个监测点的设置应在靠近孔的同时，避开因孔较多、较密而形成的过度集中区域。

一种传感器布置系统，其包括：参数确定模块、模式确定模块、辅助构建模块、布点模块和调整模块；

所述参数确定模块，用于确定待监测对象的结构参数；

所述模式确定模块，用于确定传感器布置的基本模式；

所述辅助构建模块，利用主体结构的形心或其重点监测区域的几何中心构建一个恰能包住所有孔的辅助圆/或图形；

所述布点模块，用于对传感器具体布点；

所述调整模块，用于调整传感器的布点，完成传感器布置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明考虑了结构表面孔的复杂分布对传统传感器布置方法的不利影响，同时兼顾了传感器的监测面积(范围)和利用率问题，采用了构建辅助图形、分类处理、等效简化、对称设置的方法，解决了水下防护设施顶盖带孔薄板撞击识别的复杂问题，为海洋工程领域复杂结构的撞击识别以及结构健康监测提供了传感器布置的理论依据。2、本发明有效的克服了现有传感器布置方法的局限性，综合考虑了薄板结构的形状尺寸和开孔的形状、数量、位置及尺寸，还考虑了开孔对应力波的反射、衍射以及孔附近容易出现的应力集中现象，从而创新地优化了现有的传感器布置方法，实现了针对此类复杂薄板的传感器布置方法，也拓宽了传感器布置在结构健康监测领域中的应用。

附图说明

图1为本发明提供的传感器布置方法流程图；

图2为本发明实施例中的待监测结构的示意图；

图3为本发明实施例的传感器布置最终效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种用于水下防护设施顶盖薄板结构撞击识别的传感器布置方法，其包括以下步骤：

步骤1、确定待监测对象的结构参数；

具体确定方法包括以下步骤：

步骤11、确定主体结构的形状和尺寸以及孔的形状、数量、位置和尺寸；

步骤12、建立平面坐标系对步骤11中的结构参数进行坐标量化。

步骤2、确定传感器布置的基本模式；

常见的基本模式有正三角形布置、正四边形布置、正六边形布置和正八边形布置。在本实施例中，通过计算监测面积和传感器利用率来确定合理的布置模式，具体计算方法如下：

对于正三角形三点布置：假设传感器的相邻距离为1，则其监测面积S、传感器利用率η(监测面积/传感器个数)为：

对于正四边形四点布置：假设传感器的相邻距离为1，则其监测面积S、传感器利用率η为：

对于正六边形六点布置：假设传感器的相邻距离为1，则其监测面积S、传感器利用率η为：

对于正八边形八点布置：假设传感器的相邻距离为1，则其监测面积S、传感器利用率η为：

综上计算可知，正八边形布置模式无论从监测面积还是传感器利用率角度都是最高的，这样不但可以用最少的传感器数目完成监测任务，还可以最大程度发挥每个传感器的监测效能，同样也满足了测点布置尽量覆盖结构整体的总体原则，因此在本实施例中，优选将八边形八点布置模式作为本发明布置方法的雏形。

步骤3、构建辅助圆/或图形：

利用主体结构的形心或其重点监测区域的几何中心构建一个恰能包住所有孔的辅助圆/或图形。其中：

A.如果主体结构为圆形，则以主体结构的圆心或重点监测区域的中心为圆心构建辅助圆；

B.如果主体结构的轮廓接近正n边形(n≥4)，则仍按A中圆形主体结构处理方法近似处理；

C.如果主体结构的轮廓为三角形，则根据孔的位置调整辅助圆的大小，使其内切于主体结构的轮廓；如果无法用一个内切于主体结构轮廓的辅助圆包含所有孔，则可选择正三角形布置模式；

D.如果主体结构的轮廓为不规则几何图形，优先考虑包含所有孔并内切于轮廓的辅助圆，当辅助圆难以实现时，其次考虑三(角)、四、六或八边形布置模式。

此处的辅助圆或其它辅助图形就是预设的传感器布置范围，这样首先保证结构的关键区域全部落在所设置的监测范围内，符合传感器布置总体原则中的敏感性原则(传感器所监测的区域应对外界环境载荷的变化十分敏感)；此外，辅助圆或其它样式的辅助图形尽量符合对称性原则。

步骤4、传感器具体布点；

具体布点方法包括以下步骤：

步骤41、判断辅助圆或其它辅助图形的形心是否有孔，若无孔为结构实体，则额外增设该位置为一个监测点，由此得到一个由中心向外的辐射状布置方案；如果有孔，则取消该点的布置；

步骤42、基于易损/危险位置优先原则，即传感器需要在结构响应最不利或最危险易损伤处布置，考虑结构上的孔，在这些孔远离辅助圆/或图形形心的边缘上设置监测点，它们能够对发生在孔附近的应力集中现象进行监测；

步骤43、判断孔是否集中，如果相邻孔之间的距离很近，则将设置在它们边缘上的监测点基于等效原则作简化，多点合并为一点，使该点到这些孔的距离尽量一致；如果孔相距很远，则保留设置在它们边缘上的监测点，并将这些点外延至辅助圆/或图形上；

步骤44、利用对称性原则可以减少传感器的布置数量，因此，将步骤43中设置的监测点作关于辅助圆/图形形心的对称点，并作为新的监测点。

步骤5、调整传感器的布点，完成传感器布置；

调整方法为：

步骤51、基于整体均衡原则，辅助圆/或图形上的监测点都是由独立孔的边缘监测点延拓而来，应尽量保持间距一致；不在辅助圆/图形上的监测点都是多点合并的结果，应尽量保持自身位置不变；

步骤52、基于安装、更换易操作原则，每个监测点的设置应在靠近孔的同时，考虑避开因孔较多、较密而形成的过度集中区域。

实施例：

以附图2为一实施例对本发明做进一步的说明。

步骤1、确定待监测对象的结构参数：

主体结构为外径28.5米的圆形，其上有6个矩形开孔(记为#1～#6)，它们的尺寸和位置已知，开孔中心坐标可通过以圆心为原点所建立的平面坐标系进一步量化确定，在此不做具体展示。

步骤2、确定传感器布置的基本模式：

孔数为6，因此，理论上选择的监测点数目应大于6，结合传感器的监测面积和利用率，可以得出八边形的监测效率是显著高于六边形的，因此，选择八边形八点布置模式。

步骤3、构建辅助圆：

主体结构轮廓为圆形，因此构建辅助圆，以轮廓圆心为辅助圆圆心，以开孔#1的上边缘到圆心的距离为半径作辅助圆，恰能将所有孔包在其中，这样设计首先将所有的开孔都纳入监测范围之内，其次，辅助圆具有良好的对称性。

步骤4、具体布点：

A.由于圆心位置没有孔，在此处设立一个监测点；

B.基于易损/危险位置优先原则，在所有孔远离圆心的边缘上分别设立一个监测点；

C.对于两个相距较远的开孔#1和#2，由于它们与其它孔的距离也较远，因此保留设置在它们上的监测点，并将开孔#2右边缘的监测点向右外延至辅助圆上；对于其它四个分布集中的开孔，开孔#5和#6所设立的监测点可等效合并为最左边的一个监测点，开孔#3和#4所设立的监测点可等效至开孔#5和#6的上下两端，见附图3；

D.利用对称性原则将C中的监测点作关于圆心对称，得到全部的监测点。

步骤5、最终调整：

将辅助圆上的监测点保持等距分布，整体成一个矩形；将辅助圆内等效处理后的点保留在等效后的位置，整体效果如图3所示，图中黑色五角星表示监测点。

综上，本发明克服了现有技术的诸多不足，具有以下特点：

(1)考虑了孔的非对称分布：

实际工程结构比理想模型复杂许多，真正用于海洋工程中的防护结构往往是几何不对称，质地不均匀、结构不连续的，因此，针对该类结构撞击识别的传感器布置方法就要考虑更多的因素，传统的矩形四点布置法显然已无法适用。本发明通过优化数量、构建辅助圆/图形、等效简化以及对称设置等方法，最终提出了一种用于水下防护设施顶盖带孔薄板撞击识别的传感器布置方法，该方法能够寻找到传感器的关键布置点，既能合理地将孔全部包在监测范围内，又能监测到孔周围的危险应力状态。

(2)考虑了传感器的监测面积和利用率：

传感器的数量是本发明的关键，在工程中过多的传感器只会导致资源浪费和效率变低，但过少的传感器又会带来识别失真。本发明在充分考虑监测面积和利用率的基础上，结合孔的数量确定了合理的传感器数目，整体实现了传感器的高效利用和最优布置，此外，该方法简便，适合工程中推广。

(3)考虑了整体原则和易操作原则：

本发明综合考虑了所有监测点的协同配合，利用辅助圆/图形的对称性，在宏观上采用了对称和等距布点的原则；此外，基于安装、更换的易操作原则，布点位置都避开了孔密度过大的集中区域。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。