[發明專利]一種基于振動監測的海洋平臺作業狀態可視化方法

有效

• 申請號: 202010589574.2
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111814610B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 萬軍;朱本瑞;黃焱;馮勝;桑軍;石保忠;張慶武;吳景健;梁鵬;史瑋;田育豐
• 申請（專利權）人: 中海石油（中國）有限公司天津分公司;天津大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62;G01H17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種基于振動監測的海洋平臺作業狀態可視化方法，對海洋平臺進行傳感器布控，隨后進行信號特征提取并進行聚類分析；根據聚類分析結果，結合對信號本身特點形成對平穩性、幅值特征描述的數字標簽；隨后建立實時的監測特征網格化圖譜，由數字標簽的分級制定取色準則以及圖譜特征與作業狀態的對應準則從而完成可視化處理；包括如下幾個方面：(1)根據平臺特征布控傳感器，形成分層感知傳感網絡系統

傳感器的布控以捕捉環境載荷的結構振動響應和監控作業引起的振動響應為目的，根據海洋平臺的結構特點，環境載荷下的結構振動響應反饋在導管架結構主立樁管節點處，平臺的作業狀態的振動反饋集中在導管架上部模塊各層甲板位置，按照下列要求布控傳感器：

1)傳感器布控位置應布置于導管架結構主立樁與上部模塊甲板交點位置；

2)傳感器按結構對稱形和甲板層級進行分級劃分；

3)布控不得損害平臺自身結構強度，或對安裝位置附近構件或作業構成安全性問題；

4)保證各個傳感器不影響平臺設備運行，同時滿足空間要求；

(2)根據布控的數據反饋信號進行數字標簽處理分析

對平臺傳感數據進行按時間分割，將傳感器的數據序列分割成子序列Xⁱ:{X¹,X²…X^N}，其中N為子序列個數，每個子序列映射一個時間段，并且每個子序列的時間間隔相等，對每個時間段內的子序列Xⁱ進行三點極值法，求得所有包絡線特征數據點{p₁,p₂…p_s}，s為所有通過三點極值法確定的包絡線上數據點的個數，平臺整體振動的水平和趨勢通過包絡線上的數據點反映，選取包絡線上特征數據點的均值μ作為反應平臺總體振動狀態的均值特征：

引入包絡線數據標準差σ作為反應平臺振動的事件特征的參數，將均值μ加一倍標準差設為狀態辨識的特征標準，即μ+σ，其中，σ為包絡線上數據點的標準差：

將包絡線數據點{p₁,p₂…p_s}中大于特征值μ+σ的數據，定義為事件特征數據集{y₁,y₂…y_l},l為事件特征數據集個數，則定義數字標簽η為事件特征數據集個數與特征數據個數之比，即

對于有m組傳感器獲得數據，獲得一組對應的特征值，即計算出數據陣列進而可按照式(3)計算數字標簽{η₁,η₂…η_m},則可以計算由每組特征值得到的特征距離d_ab：

其中a，b為每組傳感器下標號，對特征距離進行大小排序，得到距離極值d_max,d_min,并對所有數據進行標準化，得到模糊相似矩陣：

該模糊相似矩陣的傳遞閉包矩陣為T’，計算T²、T⁴、...、T^2k,直到T^2k＝T^2(k-1)，則傳遞閉包矩陣T′＝T^2k，根據傳遞閉包矩陣進行聚類分析：先是將每組數據都看成一類；然后計算最小類間距，通過最小類間距計算模糊度參數；再通過模糊度參數進行聚類，得到聚類結果，共k類；重復對所得到的聚類結果進行再聚類，直到k＝1時結束聚類計算，得到一系列單減的模糊度序列，取差值最大處的模糊度值作為最優的聚類模糊度

設最優聚類結果為X¹,X²,…,X^k，據此形成k類數字標簽，對于每一類具有n元素的聚類集合Xⁱ，計算類波動特征中心點以及類幅值特征中心點

其中，n為聚類集合中元素的個數；對于新的振動信號數據，則需要計算當前振動信號和每一類Xⁱ的距離dⁱ，來確定當前振動信號應歸屬于哪一類數字標簽，對于具有多傳感器的m維數據，則需要對每一維的數據都進行分類，形成m維數字標簽；

(3)建立實時的監測特征網格可視化化圖譜

原始數據根據時間段被分割成多數據段，所拆分的數據段被看成兩個相鄰沒有重疊的小窗，每個小窗的分辨率按如下方式確定

其中W、H為顯示分辨率的寬和高,w、h為網格分辨率的寬和高,N為分段數量，m為數據維度；對于已經形成的k類數據標簽，按波動特征和幅值特征進行分級RGB顏色取色；

對于數據段x，計算波動特征σ_i與賦值特征μ_i，為實現RGB取色，進行如下的標準化處理：

對于每一類標簽的波動特征轉化為

其中為標準化后的波動數字標簽，范圍在0～1之間，對數底a大于1；為了突出其幅值特征，同樣采用對數對幅值特征進行標準化：

其中為標準化后的幅值數字標簽，范圍在0～1之間，對數底b小于1，通過以上方法，形成對數據顏色特征和

當時，則說明以波動特征為主，此時以主R色為主控顏色按進行取色；此時當越高，則顏色越趨近于紅色，而由于會適當調整顏色的藍色程度，α取0～1之間；

當時，則說明以幅值特征為主，此時以主B色為主控顏色按進行取色；此時當越高，則顏色越趨近于藍色，而則適當調整區塊的紅色程度，β取0～1之間；

(4)建立圖譜特征與作業狀態的對應準則：將作業狀態劃分為不同種類的作業狀態，由已確定的對應關系建立圖譜特征與作業狀態的對應準則，方法如下：

對于某一時間段內具有m維數據，計算總體波動圖譜特征λ：

以及總體幅值圖譜特征θ：

根據λ和θ取值范圍，即可確定圖譜特征與不同種類作業狀態的對應關系和對應準則。