本實用新型涉及一種系統(tǒng)，尤其涉及一種基于地理信息GIS采集技術的海底電纜監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術：

伴隨著陸地資源的逐漸匱乏，海洋已經(jīng)儼然成為人類資源探索的眾矢之的，也是近幾年國際上激烈競爭的焦點之一。隨著世界各國對海洋的不斷開發(fā)和研究，越來越多地用到了海底電纜。由于海底電纜深埋海底，其運行狀態(tài)及故障的監(jiān)測就顯得尤為重要。一旦出現(xiàn)故障，其探測和修復往往耗費大量的人力、財力和時間，有時甚至超過敷設一根新電纜的投入。

海纜的運行溫度是電纜的一個重要參數(shù)。當電纜在額定負荷下運行時，線芯溫度達到允許值。電纜一旦過負荷，線芯溫度將急劇上升，加速絕緣老化，甚至發(fā)生熱擊穿。例如，研究發(fā)現(xiàn)，當交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜的工作溫度超過允許值的8％時，其壽命將減半；如果超過15％，電纜壽命將只剩下1/4。所以，必須對海底電纜的溫度進行實時的監(jiān)控。

1997年，亞喀巴灣，連接約旦和埃及的400kV海底電纜，采用分布式光纖傳感監(jiān)視電纜溫度的變化，對高壓電纜導線進行監(jiān)測，該系統(tǒng)一直應用至今；國內(nèi)對陸地高壓電纜的表面溫度也采用基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術進行監(jiān)測；但是，目前這些研究方法對象往往都是陸地高壓電纜，而且采用的技術方法單一，對于敷設在淺海域淤泥質(zhì)海床上的海底電纜難以直接使用。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型是針對現(xiàn)有技術中存在的不足，通過地理信息GIS采集技術將電子海圖引入系統(tǒng)，通過監(jiān)測點位置信息與地理信息的關聯(lián)，實現(xiàn)了海底電纜的全程可視化監(jiān)控，當發(fā)現(xiàn)故障點時，就可以顯示出該故障點的位置和鄰近的鉆井平臺位置信息，便于故障原因的查找和故障的及時修復。

本實用新型通過以下技術方案加以實現(xiàn)：包括客戶端/服務器(C/S)、分布式光纖測溫傳感器、Oracle數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE、ArcGIS功能模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊；其特征為：所述空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE是所述ArcGIS功能模塊與Oracle數(shù)據(jù)庫之間的GIS通道，該ArcGIS功能模塊將地理信息數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將海域空間信息傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；分布式光纖溫度傳感器將采集的海底電纜采集信號傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)處理模塊對海底電纜采集信號進行數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果輸入到故障分析模塊，最終將分析結(jié)果顯示在客戶端/服務器(C/S)的顯示模塊上；通過采用Oracle數(shù)據(jù)庫，并通過空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE訪問存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中的空間和屬性數(shù)據(jù)，對分布式光纖溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)進行檢查、入庫。

優(yōu)選為：優(yōu)選為：所述分布式光纖測溫傳感器型號為SSTS-D-2000；所述數(shù)據(jù)處理模塊核心模塊采用嵌入式ARM9。

優(yōu)選為：通過數(shù)據(jù)處理模塊將接收的信號進行數(shù)據(jù)處理后與設定閾值進行對比，將比較結(jié)果上傳到顯示模塊中進行顯示，比較電路采用的比較器型號為LM339。

有益效果：實現(xiàn)了整個海底電纜系統(tǒng)的實時的可視化監(jiān)控，解決了海纜空間數(shù)據(jù)的可視化表達和海纜溫度、應力數(shù)據(jù)查詢與分析，并給出故障的初步分析及推斷。

附圖說明

圖1為本實用新型基于地理信息GIS采集技術的海底電纜監(jiān)測系統(tǒng)海底電纜檢測數(shù)據(jù)流程圖。

圖2為本實用新型基于地理信息GIS采集技術的海底電纜監(jiān)測系統(tǒng)信號處理一路原理圖。

具體實施方式

實施例1

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門集計算機科學、信息學、地理學等多門學科為一體的新型學科，是由計算機系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成的。它把地理位置和相關屬性有機結(jié)合起來，通過對具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)的獲取(集成)、存儲、檢索、分析等操作，根據(jù)實際需要準確真實、圖文并茂地生產(chǎn)并輸出地理信息。目前，GIS在各行各業(yè)的應用和發(fā)展已成為勢不可擋的國際潮流。

ArcSDE是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司(ESRI公司)研發(fā)的ArcGIS家族中的一員，是一個空間數(shù)據(jù)庫中間件技術。ArcSDE是ArcGIS功能模塊與關系數(shù)據(jù)庫(本系統(tǒng)后臺關系數(shù)據(jù)庫采用Oracle)之間的GIS通道，ArcSDE以數(shù)據(jù)庫為后臺存儲中心，為前端的GIS應用提供快速的空間數(shù)據(jù)訪問，海量數(shù)據(jù)的快速讀取和數(shù)據(jù)存儲的安全高效是ArcSDE的重要特征。ArcSDE支持ArcGIS應用層并提供DBMS通道技術，使得空間數(shù)據(jù)可以存儲于多種DBMS中。ArcSDE同時能保證所有的GIS功能可用，而無需考慮底層的DBMS。ArcSDE使用DBMS支持的數(shù)據(jù)類型，以表格的形式管理底層的空間數(shù)據(jù)存儲，并可使用SQL在DBMS中訪問這些數(shù)據(jù)。ArcSDE同時也提供了開放的客戶端開發(fā)接口，通過這些接口用戶定制的應用程序也可以訪問底層的空間數(shù)據(jù)表。

GIS服務器架構(gòu)設計

基于GIS的海底電纜監(jiān)測系統(tǒng)采用客戶端/服務器(C/S)模式，具有溫度數(shù)據(jù)更新速度快、電纜狀態(tài)顯示直觀準確等特點。該系統(tǒng)首先通過分布式光纖測溫傳感器采集海底電纜各個檢測點的溫度數(shù)據(jù)；其次該框架設計采用Oracle+ArcSDE，它是目前世界上最成熟、最穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)管理技術，也是基礎地理信息數(shù)據(jù)庫工程建設的主流模式，主要存儲兩種類型的數(shù)據(jù)：海底基礎地理數(shù)據(jù)和海底電纜溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層采用Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)海底電纜基礎地理數(shù)據(jù)的高效存儲和管理；中間層通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的訪問，基于Arc－GIS Engine和ArcIMS技術構(gòu)建空間信息綜合應用開發(fā)平臺，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)應用的業(yè)務邏輯，如空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)和操作；應用層在ArcGIS Engine和ArcIMS的基礎上，實現(xiàn)海底電纜的基礎地理數(shù)據(jù)庫的具體應用。通過ESRI公司的空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE訪問存儲在Oracle中空間和屬性數(shù)據(jù)，對其進行溫度數(shù)據(jù)檢查、入庫和更新的操作。該系統(tǒng)通過嵌入ESRI公司的ArcGISEngine組件完成GIS功能。

基于地理信息GIS采集技術的海底電纜監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能：①環(huán)境參數(shù)獲?。豪媒⒎植荚诤５纂娎|信息采集站，獲取覆蓋海底電纜周邊范圍的環(huán)境參數(shù)；②實時動態(tài)監(jiān)測：采用分布式光纖測溫技術實現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測海底電纜工作狀態(tài)，將采集到的數(shù)據(jù)信息實時同步傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)實時觀測海底電纜的動態(tài)情況；③故障定位：如有故障，利用GIS地理信息系統(tǒng)完成定位；④預報分析：根據(jù)檢測到的環(huán)境參數(shù)，并參考數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，綜合分析，得到海底電纜對應工作狀態(tài)。

分布式光纖測溫技術

分布式光纖測溫技術是一種新型的溫度測量技術，該技術溫度誤差小、定位精度高、響應時間短、運行可靠且能實現(xiàn)長距離大范圍測溫，可有效應用于海底電纜的溫度在線監(jiān)測。該技術的核心部件就是分布式光纖溫度傳感器，它能夠連續(xù)測量傳感光纖沿線所在處的溫度、應力應變，測量距離范圍為幾公里至幾十公里，空間定位精度達到m的數(shù)量級，能夠進行不間斷自動測量，特別適用于大范圍多點測量的應用場合。

分布式光纖傳感技術的原理，利用高功率激光脈沖入射到光纖中，在傳播過程中與光纖分子相互作用產(chǎn)生3種散射光，即瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射。其中，布里淵散射基本原理是利用光纖單一截面上的布里淵散射光譜中心頻率的漂移量與光纖所受的軸向應變和溫度之間的線性關系如下式（1）所示：

，

1550nm波長的入射光在普通單模光纖中的各個系數(shù)為：

通過測量分析中心頻率的飄移變化，便可以得到光纖的外表溫度和軸向應變。本系統(tǒng)可以采用北京盛世同升科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的分布式光纖測溫傳感器，其型號為：SSTS-D-2000。

故障分析

海底電纜監(jiān)控系統(tǒng)對由于電纜絕緣層老化、電荷負載不平衡、電流零序諧波、接頭不可靠等內(nèi)部因素引起的異常溫升進行分布式監(jiān)測；對由于船舶意外拋錨、拖網(wǎng)漁具、海底滑坡等外部因素引起的電纜應力形變監(jiān)測。電力電纜的故障與隱患較多的是發(fā)生在電纜接頭處(電纜頭)，而電纜頭所發(fā)生的各種故障，一般也不是突發(fā)的，而是由于電纜頭處因連接不牢固、工藝水平不夠等原因?qū)е碌慕佑|電阻過大，使其在連接處的溫度明顯升高，進而導致絕緣破壞、泄漏電流增大，隨著問題逐步加劇，最終導致質(zhì)變。而連接處以外的電阻較為均勻，一般不易發(fā)生故障，但因為電纜制作過程中的質(zhì)量問題、外力破壞、敷設過程中的損傷等問題導致的故障和隱患也屢見不鮮，因此在故障判斷時，要注意溫度變化的各種情況并結(jié)合實際，分析給出可能性最大的電纜故障。需要指出的是，由于天氣、海底情況、負荷狀況等原因，不同時間的溫度不同，電纜頭和連接處的溫度與別處也略有不同，但溫度的總體水平相一致，即總體溫度較高時各點溫度均較高，總體溫度較低時各點溫度均較低。海底電纜故障判斷主要根據(jù)分布式光纖測溫傳感器傳回的溫度信息分析當前狀況下電纜溫度是否正常，以及是否存在隱患。常見溫度變化情況參見表1所示。

實施例2

信號處理工作原理如下:利用分布式光纖測溫傳感器(型號：SSTS-D-2000)獲取電纜實時溫度數(shù)據(jù)，將所述數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后輸入到中央處理器中(所述A/D轉(zhuǎn)換器型號優(yōu)選為12 位A/D轉(zhuǎn)換器，其型號可選為：TLC5510或積分型A/D轉(zhuǎn)換器：TLC7135)得到海底電纜各個監(jiān)測點的溫度信息，在服務器端，將得到溫度信息存入相應的關系數(shù)據(jù)庫并與電纜的空間信息相關聯(lián)，也就是說通過數(shù)據(jù)處理模塊(核心模塊采用嵌入式ARM9，型號AT9261)將接收的信號進行數(shù)據(jù)處理后與設定閾值進行對比，將比較結(jié)果上傳到服務器中的顯示模塊中進行顯示，參數(shù)比較電路原理圖參見附圖2所示，比較電路采用的比較器型號為LM339；然后，對實時數(shù)據(jù)進行存儲、監(jiān)測、分析，可通過設定各種溫度應變的報警類型及輸出溫度或應變的異常點，來實現(xiàn)顯示和查詢功能，并可存儲歷史數(shù)據(jù)(例如，能夠打印出當天某條海底電纜的常規(guī)監(jiān)測點溫度的變化情況)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用Oracle作為后臺數(shù)據(jù)庫，ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)庫中間件，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中。屬性數(shù)據(jù)表主要是在數(shù)據(jù)庫中手動建立的表，包括用戶信息表、海底電纜信息表、環(huán)境溫度信息表、布里淵光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)表、歷史信息表等。系統(tǒng)主要屬性數(shù)據(jù)表及其主要字段如表2所示。

空間數(shù)據(jù)通過ArcSDE創(chuàng)建，避免了以往圖形和屬性分離存儲的缺點。在系統(tǒng)中，空間數(shù)空間數(shù)據(jù)是通過將shape文件經(jīng)由ArcSDE導入數(shù)據(jù)庫中的，主要包括4個空間對象。ArcSDE以“層”的方式來管理空間數(shù)據(jù)，具有共同屬性項的一類要素可以放到一層中每個數(shù)據(jù)庫記錄對應一個實際要素，例如，將海上鉆井平臺作為一層，海底電纜作為一層。ArcSDE存儲和組織數(shù)據(jù)庫中的空間要素的方法是將空間數(shù)據(jù)類型加到關系數(shù)據(jù)庫中，ArcSDE并不改變和影響現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫或應用，它只是在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表中加入圖形數(shù)據(jù)項(Shape)以方便訪問與其關聯(lián)的空間數(shù)據(jù)。如表3所列，空間數(shù)據(jù)表按照要素類型又可分為點、線、面三種類型。

由于海纜溫度監(jiān)測儀器約每60秒采集一次數(shù)據(jù)，各個監(jiān)測點的距離在1m左右。該系統(tǒng)每60秒對前方監(jiān)測儀器傳回的數(shù)據(jù)進行處理，對于溫度異常點進行閃爍報警，并顯示其在海纜中的位置，基本可以做到實時監(jiān)控。在定位準確性方面，由于在繪制海纜監(jiān)測圖的時候，已經(jīng)通過廠家得到了相關海纜在海圖中的坐標位置信息，因此，只要監(jiān)測儀器的精度達到1m，則在海圖中海纜監(jiān)測點的顯示精度就可以達到1m。

在以上的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型。但是以上描述僅是本實用新型的較佳實施例而已，本實用新型能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，因此本實用新型不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領域技術人員在不脫離本實用新型技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本實用新型技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本實用新型技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本實用新型的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實用新型技術方案保護的范圍內(nèi)。