基于物联网的海床运动形变监测系统及使用方法

本发明涉及海洋观测装置，具体涉及基于物联网的海床运动形变监测系统及使用方法。

背景技术：

1、资源探测与储层监测是进行水合物安全高效开发的前提。海洋天然气水合物储层通常处于欠固结状态且存在一定坡度，水合物开采极有可能导致井壁坍塌、平台倾覆和海底滑坡等工程地质灾害，对开采设备与工作人员的安全构成严重的威胁，发展智能化的海洋水合物开采储层中长期监测，对于发展健全水合物中长期开采体系、提升海洋能源开发能力具有重要的意义。

2、目前，孔隙压力探测是海底地质灾害探测的重要技术，海底沉积物的孔隙压力对海底地质灾害反应过程灵敏，是表征海床稳定性的一个重要指标。法国海洋开发研究院ifremer研发的piezometer系列孔隙压力观测探杆代表了当今世界的最先进水平。除孔隙压力外，海床表面的形变与迁移是海床内部应力结构失稳的结果，灾害前期的扰动是预测灾害的重要依据。将孔隙压力与运动形变两个重要指标融合，将两个测量模块集成，对海洋地质灾害预警有重要的推动意义。2021年，中国海洋大学使用自主研发的原位观测系统在舟山进行了75天的原位观测，但是，其测量模块的集成及网络化程度，基于物联网的海底原位观测技术可实现由岸基对海底的实时动态观测调控，但是相关技术的网络化、智能化与精密化程度目前并不成熟，因此，一种基于物联网的海床形变监测系统对推动海底原位监测技术的发展有重要的意义。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种可以实现多节点、多数据的长期、实时原位测量的基于物联网的海床运动形变监测系统，该物联网架构能够实现海陆远距离数据实时监控管理。

2、技术方案：本发明所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，包括一级物联网、卫星中继和地面数据处理服务系统，所述一级物联网、卫星中继和地面数据处理服务系统之间信号连接。

3、进一步地，所述一级物联网包括二级物联网和水面中继，所述二级物联网和水面中继信号连接；所述水面中继搭载水声通讯模块。

4、进一步地，所述二级物联网包括水下监测节点。

5、进一步地，所述水下监测节点包括单个监测节点。

6、进一步地，所述单个监测节点包括监测终端和中央控制单元。

7、进一步地，所述监测终端为6个。

8、进一步地，所述监测终端包括加速度传感器。

9、进一步地，所述中央控制单元包括孔隙水压力传感器、静水压力传感器。

10、进一步地，所述中央控制单元还包括温度常感器。

11、进一步地，所述中央控制单元还包括贯入电机或配重块。

12、所述配重块不含机械结构，起控制重心与增加自重的作用；

13、所述贯入电机通过地面服务系统指令激活正转与反转功能，辅助贯入与起吊。

14、本发明另一方面提供一种基于物联网的海床运动形变监测系统的使用方法。

15、上述基于物联网的海床运动形变监测系统的原理是：结构上，物联网由水下监测节点、水面中继、卫星中继和地面数据处理服务系统四部分组成；功能上，物联网集成了数据采集模块、数据存储模块、通讯模块、数据分析模块以及可视化模块。

16、数据采集模块功能的实现由水下监测节点完成，水下监测节点包括监测终端和中央控制单元，具体由静水压力传感器、孔隙水压力传感器和九轴加速度传感器配合实现。

17、数据存储模块由水下监测节点的中央控制单元实现，为控制实时监测的数据流量，在传感器采集到运动信号后会先存储在本地，经边缘计算，筛选具有明显运动特征的信号进行传输。

18、通讯模块分为有线通讯模块和无线通讯模块，水下单个监测节点内部通过rs485有线通讯，多个监测节点与水面中继之间通过水声通讯进行数据的传输，卫星中继与水面中继及地面服务器之间通过卫星短报文通讯。

19、数据分析模块搭载于地面服务器，融合地面接收海底的孔隙水压力、加速度、角速度信号，对节点姿态与位移解算，分析地质灾害发生时的动力学与运动学上的特征参数，实现海床起到灾害的分析与预测的作用。

20、可视化模块同样搭载于地面服务器，将接收的时序信号实时的反馈到地面监控界面，通过异常值检测可以反馈海底各监测节点的工作状况以便及时回收维护，基于数据分析模块对海床表面的运动形变进行重构，直观地反应海床运动状态，当状态偏离正常值时，会激活海底灾害警报，实现节点状态监控、海床实时监测以及灾害自动预警功能。

21、当监测区域位于海岸带区域时，通过潜水员直接连接至陆上实验室，由实验室直接提供海底电量供应，以及接收海底观测数据，检查海底观测系统的工作状态；

22、当监测区域位于水合物开采区域(水深3000米以下)时，布放水面通信浮标进行通讯配合，数据采集中枢装置的水声通讯机将数据无线传输至水面数据通信浮标的水声通讯模块，由水面数据通信浮标的北斗卫星通讯模块经通讯卫星将观测传输至陆上实验室，陆上实验室通过系统监控界面查看监测数据并监测各节点的工作状态，通过tcp/ip协议与移动端、pc端实时共享数据。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

24、本发明基于物联网的框架，提供了一种通过多节点的协调配合实现长期、实时的海床运动形变监测系统，，能够实现海陆远距离数据实时监控管理在地质灾害的观测、分析和预警等方面具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，包括一级物联网、卫星中继和地面数据处理服务系统，所述一级物联网、卫星中继和地面数据处理服务系统之间信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述一级物联网包括二级物联网和水面中继，所述二级物联网和水面中继信号连接；所述水面中继搭载水声通讯模块。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述二级物联网包括水下监测节点。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述水下监测节点包括单个监测节点。

5.根据权利要求4所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述单个监测节点包括监测终端和中央控制单元。

6.根据权利要求5所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述监测终端为6个。

7.根据权利要求6所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述监测终端包括加速度传感器。

8.根据权利要求5所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述中央控制单元包括孔隙水压力传感器、静水压力传感器和加速度传感器。

9.根据权利要求8所述的基于物联网的海床运动形变监测系统，其特征在于，所述中央控制单元还包括温度常感器、水声通讯模块；所述中央控制单元还包括贯入电机或配重块；中央控制单元以及水面中继均搭载水声通讯模块。

10.权利要求1所述的基于物联网的海床运动形变监测系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种基于物联网的海床运动形变监测系统及使用方法，该系统包括一级物联网、卫星中继和地面数据处理服务系统，所述一级物联网、卫星中继和地面数据处理服务系统之间信号连接。本发明基于物联网的框架，提供了一种通过多节点的协调配合实现长期、实时的海床运动形变监测系统，能够实现海陆远距离数据实时监控管理在地质灾害的观测、分析和预警等方面具有重要意义。技术研发人员：李然,迟志鹏,吴能友,刘乐乐,郭磊,华云松,肖儿良,蔡芳,杨晖受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20