一種基於算力應用的空天地海一體化海底管道巡檢預警方法與流程
2024-04-13 04:27:05 4
1.本發明屬於海洋探測技術領域，具體涉及一種基於算力應用的空天地海一體化海底管道巡檢預警方法。
背景技術：
2.2022新一代北鬥將為全球用戶提供更精準、更可靠的服務,並通過星間鏈路實現星-星組網、互聯互通。同年中國電信「天通一號」全球首個規模最大的5g sa商用網絡也為中國電信空中基站衛星精確定位提供了助力。隨著空中基站和北鬥衛星導航的商用，空中衛星商業數據的產生與地面、海洋關係越來越緊密。空中衛星商業服務模式具有多樣性，空中基站和北鬥結合的地面設施與地面應用平臺進行數據交互，相關技術方案依據地面控制中心測得的信號傳播時間和相關數據，計算出海底管道的預警。利用導航用戶的實時位置數據和相關地圖，管理海底管道。同時，應用平臺技術架構為了實現空天地海一體化大數據的支持人工智慧的複雜場景下涉及管道災難預警方面就提出了更高的要求。
技術實現要素：
3.本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基於算力應用的空天地海一體化海底管道巡檢預警方法，通過算力衛星解決所有ai數據需要回傳地面分析的技術瓶頸，發揮其在空中的作用將實時巡檢數據在空中完成預測而不用回傳地面計算，從而大幅度提高海底管道探測巡檢效率。
4.為實現上述技術目的，本發明採取的技術方案為：
5.一種基於算力應用的空天地海一體化海底管道巡檢預警方法，包括：
6.步驟一、採集海底管道探測數據，計算臨界外壓閾值，結合其他巡檢數據作為海底管道區域深海數據，通過北鬥衛星傳輸至空中基站；
7.步驟二、空中基站創建網絡算力衛星群，根據北鬥衛星rdss數據進行海洋管道探測分析及預警。
8.為優化上述技術方案，採取的具體措施還包括：
9.上述的步驟一通過海底管道安裝的探測器採集數據，計算臨界外壓閾值並進行外壓校核，獲得最優臨界外壓閾值，其中：
10.臨界外壓閾值計算公式為：
[0011][0012]
per為臨界外壓閾值；
[0013]
σf為規定的最小屈服強度；
[0014]
d為鋼管外徑；
[0015]
t為最小壁厚；
[0016]
c為絕對光滑圓管臨界壓潰壓力。
[0017]
上述的步驟一採用的外壓校核公式為：
[0018][0019]
其中，η
xp
為軸向應力σ
x
＝0時的允許使用係數；
[0020]
η
yp
為環向應力σ
x
＝0時的允許使用係數；
[0021]
σ
xcr
為軸向臨界應力；
[0022]
σ
ycr
為環向臨界應力。
[0023]
上述的步驟一通過北鬥衛星拉取鑽井或漁船北鬥接收器收集海底管道區域深海數據並傳給空中基站。
[0024]
上述的步驟二將北鬥衛星的rdss短報文統一傳遞給核心衛星，再由核心衛星轉給網絡算力衛星群，實現空中網絡ai。
[0025]
上述的網絡算力衛星群中，網絡算力衛星與核心衛星之間採用nr獨享信道傳遞數據報文。
[0026]
上述的網絡算力衛星群部署信號增強模型、算力節點調度模型、海底管道探測模型；
[0027]
其中，信號增強模型利用信噪比做為海面北鬥接收機接收信號的強度，當信號強度確認在3db及以上，則表明數據真實有效；
[0028]
算力節點調度模型通過計算算力節點品質計算獲得空中最優算力節點；
[0029]
海底管道巡檢模型以臨界外壓閾值為監測指標特徵值進行指標異常判斷。
[0030]
上述的算力節點品質＝平均時延+平均能耗；
[0031]
平均時延公式為：
[0032][0033]
其中，sk(t))為時刻卸載到雲數據中心伺服器端計算任務隊列。
[0034]
qk(t)邊緣計算節點上存在的任務隊列。
[0035]
t表示第t個決策時間；
[0036]
k，k分別表示第k個邊緣節點和邊緣節點總數；
[0037]
平均能耗公式為：
[0038][0039]
式中，wk、w
n+1
分別表示邊緣計算節點、雲數據中心伺服器端的能耗權重；
[0040]
t分別為邊緣計算周期。
[0041]
上述的海底管道巡檢模型為：
[0042]
根據條件概率公式，在滿足特徵值t的條件下，疑似異常被判為異常r1的概率為
[0043][0044]
其中,p(t|r1)表示在樣本集中的異常子集中出現特徵值t的概率；
[0045]
p(r1)表示整個樣本集中異常子集所佔的比重。
[0046]
在出現特徵值t的條件下疑似異常被判為正常r2的概率表示為
[0047][0048]
其中,p(t|r2)表示在樣本集中的正常子集中出現特徵值t的概率，p(r2)表示整個樣本集中正常子集所佔的比重。
[0049]
如果p(r1|t)》p(r2|t),則認為所監測的指標異常；反之，則為正常。
[0050]
本發明具有以下有益效果：
[0051]
首先，通過海底管道安裝的探測器採集數據獲得臨界外壓閾值。並進行二次校對外壓校對，獲得最優臨界外壓閾值。並將數據傳遞給漁船，探測井等海面設施。
[0052]
其次，北鬥衛星拉取鑽井或漁船北鬥接收器收集的海底管道區域深海數據。傳給空中基站網絡算力節點衛星。
[0053]
然後，構建空中基站和網絡算力衛星，並通過北鬥衛星rdss數據傳遞給空中基站網絡算力衛星後，分析海洋管道探測分析及預警。
[0054]
從而協助空中基站發揮海洋救援，勘測等突發海洋場景的商業服務。最終完成空天地海一體化的商業服務。
[0055]
1、通過人工智慧模型為海底管道探測的巡檢、預警等應用場景進行預測分析。
[0056]
2、通過算力衛星解決所有ai數據需要回傳地面分析的技術瓶頸，發揮其在空中的作用將實時巡檢數據在空中完成預測而不用回傳地面計算，從而大幅度提高海底管道探測巡檢效率。
[0057]
3、本發明網絡算力衛星與普通衛星區別：晶片材質以矽光晶片為主；網絡算力衛星與核心衛星之間採用nr獨享信道傳遞數據報文；採用算力節點調度模型分析獲得空中最優算力節點；通過信號增強程序利用信噪比做為海面北鬥接收機接收信號的強度。當信號強度確認在3db及以上，則證明對海面漁船，探測井等進行海底管道巡檢模型ai運算數據真實有效。
附圖說明
[0058]
圖1為本發明中方法原理圖；
[0059]
圖2為各種造成海底管道故障的因素。
具體實施方式
[0060]
以下結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細描述。
[0061]
如圖1所示，一種基於算力應用的空天地海一體化海底管道巡檢預警方法，包括：
[0062]
步驟一、採集海底管道探測數據，計算臨界外壓閾值，結合其他巡檢數據作為海底管道區域深海數據，通過北鬥衛星傳輸至空中基站；
[0063]
實施例中，通過海底管道安裝的探測器採集數據獲得臨界外壓閾值；北鬥衛星拉取鑽井或漁船北鬥接收器收集的海底管道區域深海數據；傳給空中基站網絡算力節點衛星；具體採用聲納傳感系統技術結合及水下機器人感知系統收集的管道應答器外觀圖像數據、海底應答器所在管道區域的採集數據獲得的臨界外壓閾值相關數據、機器人巡檢軌跡數據四部分數據。
[0064]
(1)海底管道安裝的探測器採集數據，計算臨界外壓閾值並進行外壓校核，獲得最優臨界外壓閾值；
[0065]
在海底外部過壓的作用下，計算臨界外壓：
[0066][0067]
per為臨界外壓，mpa；
[0068]
σf為規定的最小屈服強度，mpa；
[0069]
d為鋼管外徑，mm；
[0070]
t為最小壁厚，mm；
[0071]
c為絕對光滑圓管臨界壓潰壓力，mpa；
[0072]
當海底管道承受彎矩、軸向力和環向力共同作用時，可以按下式進行臨界外壓的校核：
[0073][0074]
η
xp
為軸向應力σ
x
＝0時的允許使用係數；
[0075]
η
yp
為環向應力σ
x
＝0時的允許使用係數；
[0076]
σ
x
為軸向應力，mpa；
[0077]
σ
x
為環向應力，mpa；
[0078]
σ
xcr
為軸向臨界應力；
[0079]
σ
ycr
為環向臨界應力。
[0080]
(2)北鬥衛星拉取鑽井或漁船北鬥接收器收集海底管道區域深海數據並傳給空中基站。
[0081]
步驟二、空中基站創建網絡算力衛星群，根據北鬥衛星rdss數據進行海洋管道探測分析及預警。
[0082]
實施例中，構建空中基站和網絡算力衛星，並通過北鬥衛星rdss數據傳遞給空中基站網絡算力衛星後，進行海洋管道探測分析及預警。具體通過北鬥雙向rdss短報文發送給給空中基站(中國電信「天通一號」)，空中基站衛星通過數據整理及分析對海底水下機器人的光纜、石油管道全過程進行實時跟蹤及相應預警狀態異常，正常。同時，將數據通過空中基站離地面最近衛星中繼點傳給地面iab基站進行數據存儲及歸檔，真正完成空天地海一體化海底管道探測結合水下機器人應用全過程。
[0083]
s1，在空中基站創建網絡算力衛星群，將海面管道探測接收器收集的海底的數據，通過自身部署的北鬥信號接收器將數據通過北鬥衛星的rdss短報文方式發統一傳遞給6g空中基站核心衛星(例如：中國電信「天通一號」)再由核心衛星轉給網絡算力衛星群。實現空中網絡ai。
[0084]
網絡算力衛星與普通衛星區別：
[0085]
1、晶片材質以矽光晶片為主
[0086]
2、網絡算力衛星與核心衛星之間採用nr獨享信道傳遞數據報文。
[0087]
其次，採用算力節點調度模型分析獲得空中最優算力節點。
[0088]
然後，通過信號增強程序利用信噪比做為海面北鬥接收機接收信號的強度。當信號強度確認在3db及以上，則證明對海面漁船，探測井等進行海底管道巡檢模型ai運算數據真實有效。
[0089]
s2，網絡算力衛星群主要部署信號增強模型、算力節點調度模型、海底管道探測模型三部分。
[0090]
一、信號增強程序
[0091]
信號強度與載噪比
[0092]
事實上，信號接收功率的強弱並不能完整地描述信號的清晰程度或者質量，一般而言，還需要知道信號相對於噪聲的強弱。通常用信噪比來描述接收機接收信號強度，它定義為信號功率pr與噪聲功率n的比值。
[0093]
信噪比通常表達成分貝的形式，沒有單位。信噪比越高，信號質量越好。信噪比小影響接收機的捕獲跟蹤性能。
[0094]
噪聲功率n等於噪聲溫度tn:n＝kt
nbn
[0095]
載波噪聲比表達式：
[0096]
信噪比與載噪比關係：c/n0＝snr
×bn
[0097]
計算噪聲溫度tn，的公式稱為fris公式，具體表達式為
[0098][0099]
二、算力節點調度模型：
[0100]
時延是通訊系統中最重要指標，因此可通過對網絡資源、計算資源的合理分配，確保在資源有限、任務優先級等約束條件下優化計算任務時延和系統能耗等性能指標。
[0101]
平均時延公式
[0102]
sk(t))為時刻卸載到雲數據中心伺服器端計算任務隊列。
[0103]
qk(t)邊緣計算節點上存在的任務隊列。
[0104]
k，k分別表示第k個邊緣節點和邊緣節點總數；
[0105]
t表示第t個決策時間。
[0106]
平均能耗公式
[0107]
式中，wk、w
n+1
分別表示邊緣計算節點、雲數據中心伺服器端的能耗權重。
[0108]
t分別為邊緣計算周期。
[0109]
算力節點品質＝平均時延+平均能耗
[0110]
三、海底管道巡檢模型
[0111]
本方法的狀態只有2個，一個是異常r1，另一個是正常r2，提取出的監測指標特徵值表示為
[0112]
t＝{t1，t2，...，t
12
}(例如：臨界外壓閾值：mpa)
[0113]
根據條件概率公式，在滿足特徵值t的條件下，疑似異常被判為r1的概率為
[0114]
其中，p(t|r1)表示在樣本集中的異常子集中出現特徵值t的概率，p(r1)表示整個樣本集中異常子集所佔的比重。
[0115]
同理，在出現特徵值t的條件下疑似異常被判為r2的概率表示為
[0116][0117]
其中，p(t|r2)表示在樣本集中的正常子集中出現特徵值t的概率，p(r2)表示整個樣本集中正常子集所佔的比重。
[0118]
由於貝葉斯的思想，每一個特徵值ti之間是相互獨立的，根據相對獨立事件概率的計算出疑似異常被判為r1與r2的概率後，比較兩個概率的大小，如果p(r1|t)＞p(r2|t)，則認為所監測的指標異常；反之，則為正常。
[0119]
各種造成海底管道故障的因素如圖2所示。
[0120]
這樣做的優勢：
[0121]
1，通過人工智慧模型為海底管道探測的巡檢、預警等應用場景進行預測分析。
[0122]
2，通過算力衛星解決所有ai數據需要回傳地面分析的技術瓶頸，發揮其在空中的作用將實時巡檢數據在空中完成預測而不用回傳地面計算，從而大幅度提高海底管道探測巡檢效率。
[0123]
以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。