一种基于多源数据融合的海缆埋设深度预测方法及装置

本发明涉及海底电缆埋设深度监测领域，特别涉及一种基于多源数据融合的海缆埋设深度预测方法及装置，具体涉及利用海缆缆芯温度、环境温度和载流量大小等多源数据预测出海缆埋设深度。

背景技术：

1、随着海洋可再生能源开发和海岛开发进程加快，海底电缆所扮演的角色日趋重要。海底电缆是一种在岛屿和岛屿或者岛屿和大陆之间进行电力传输的输电线路。在长距离海底电缆输电工程中，随着环境的变化海底电缆敷设的方式也各不相同，主要包括埋设、铺设以及排管敷设3种方式。

2、对于埋设在海床下的海底电缆而言，其埋设深度的程度会受到气象灾害、水文、地质运动以及人类活动等因素的影响。当海缆埋设深度过小时，海缆受到外部损害的几率大大增加，比如海水冲刷侵蚀、海洋动物撕咬和锚害等等；当海缆埋设深度过大时，随着环境散热能力的下降将导致海底电缆极限负载能力下降，并且在海底电缆异常或故障时，阻塞检修工作及部署，进一步扩大事故风险及损失。因此，掌握海底电缆的实际埋深情况，不仅能够有效避免海底电缆受到外部损害，也能保证海底电缆的正常运行。

3、在海底电缆实际敷设工程中，一般将其埋设在海床下0.3～2.5m。目前，海底电缆埋设深度检测主要依赖于外部硬件设备，常采用的外部仪器主要包括：管线探测仪、海洋磁力仪、侧扫声呐和水下rov集成设备。

4、相关技术中，文献一：黄春晖.海底电力电缆探测方法及实际应用[j].电力技术,2010,19(z3):20-26指出海洋探测仪虽然能检测海底电缆埋深，但检测精度有待提高，且不适用于一些特殊环境下的电力电缆埋深检测。文献二：裴彦良,梁瑞才,郑彦鹏,等.海底缆线的磁力探测方法与实践[j].地球物理学进展,2012,27(05):2226-2232指出海洋磁力仪虽然不受海底电缆埋设状态影响，但当磁力仪拖曳离海底高度超过10m时，磁力仪无法探测到海底电缆的磁力场情况，其检测范围受水深限制。文献三：赵建虎,王爱学,郭军.多波束与侧扫声呐图像区块信息融合方法研究[j].武汉大学学报(信息科学版),2013,38(03):287-290通过采用侧扫声呐拖曳的方式能够获得高分辨率海床地貌图像，但位置精度较差，且其无法检测铺设在海床中的海底电缆位置信息。文献四：徐鹏飞,胡震,崔维成,等.光视觉在水下管线巡检中的应用[j].中国造船,2010,51(03):91-100采用水下rov集成设备检测到的海底电缆图像较为清晰，但需人工操作，且一次巡检任务冗长，易受水下环境影响。

5、综上所述，现有的外部检测方式存在人工成本高，检测时间周期长等问题，并且检测效果也受到各种因素限制，所以无法长期有效地监测海底电缆埋设深度变化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于多源数据融合的海缆埋设深度预测方法及装置，利用海缆缆芯温度、环境温度和载流量大小等多源数据就能预测出海缆埋设深度，解决了海缆埋设深度监测中人工成本高、时间周期长和巡检任务冗长等多种问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、第一方面，本发明实施例提供一种基于多源数据融合的海缆埋设深度预测方法，包括以下步骤：

4、构建海底电缆有限元模型，进行基于有限元法的海底电缆温度场分析；

5、分析所述海底电缆的载流量和埋设深度对缆芯温度的影响，构建三个变量的第一关系方程式通式；

6、分析所述海底电缆所处的环境温度和埋设深度对缆芯温度的影响，构建三个变量的第二关系方程式通式；

7、根据所述第一关系方程式通式和第二关系方程式通式，构建载流量、环境温度、埋设深度和缆芯温度的第三关系方程式通式；

8、根据所述第三关系方程式通式，代入已知海底电缆的缆芯温度、环境温度和载流量，获得所述海底电缆的埋设深度。

9、进一步地，构建海底电缆有限元模型，进行基于有限元法的海底电缆温度场分析，包括：

10、将海底电缆中导热系数相近且互相接触的结构层进行合并简化，构建海底电缆有限元模型；

11、对所述海底电缆四周的边界距离均取预设距离，构建边界条件；

12、在所述海底电缆及其附近预设范围的温度场区域进行密集网格划分，对所述预设范围外的温度场区域进行相对粗糙的网格划分，以实现有限元法的积分计算。

13、进一步地，对所述海底电缆四周的边界距离均取预设距离，构建边界条件，包括：

14、将所述海底电缆下边界的深层土壤温度为固定值，设为第一类边界条件；

15、所述海底电缆水平方向温度梯度近似为0，即左右边界法向热流密度为0，左右边界设为第二类边界条件；

16、所述海底电缆上边界土壤与海水存在固体和液体之间的对流换热，将上边界设为第三类边界条件。

17、进一步地，分析所述海底电缆的载流量和埋设深度对缆芯温度的影响，构建三个变量的第一关系方程式通式；包括：

18、设定环境温度、土壤与海水的对流换热系数、土壤导热系数，分别对海底电缆施加多组不同数据的额定载流量，以及对应多组不同埋设深度进行实验，获得对应的多组缆芯温度；

19、将多组不同数据的额定载流量、对应多组不同埋设深度以及获得对应的多组缆芯温度，进行曲线拟合；

20、利用最小二乘法对不同载流量下的缆芯温度和埋设深度进行非线性拟合，得到同一环境温度、不同载流量下的缆芯温度和埋设深度之间的多个第一关系式；

21、所述第一关系式为对数型函数，包含弯曲系数和均值系数；提取所有第一关系式中的两个系数，构建两个系数与载流量之间的关系；

22、利用最小二乘法分别对弯曲系数与载流量百分比、均值系数与载流量百分比进行非线性拟合，获得两个第二关系式；

23、基于多个所述第一关系式和两个所述第二关系式，构建载流量、埋设深度和缆芯温度三个变量的第一关系方程式通式。

24、进一步地，分析所述海底电缆所处的环境温度和埋设深度对缆芯温度的影响，构建三个变量的第二关系方程式通式；包括：

25、设定土壤与海水的对流换热系数、土壤导热系数，分别对海底电缆施加100％额定载流量，以及对应多组不同环境温度、不同埋设深度进行实验，获得对应的多组缆芯温度；

26、将多组不同环境温度、不同埋设深度以及获得对应的多组缆芯温度，进行曲线拟合；

27、利用最小二乘法对不同环境温度下的缆芯温度和埋设深度进行非线性拟合，得到同一载流量、不同环境温度下的缆芯温度和埋设深度之间的多个第三关系式；

28、所述第三关系式为对数型函数，包含弯曲系数和均值系数；根据环境温度对均值系数的影响，以及多个第三关系式，构建环境温度、埋设深度和缆芯温度三个变量的第二关系方程式通式。

29、进一步地，所述第三关系方程式通式为：

30、

31、式中，d表示埋设深度；t表示缆芯温度；t表示环境温度；y1表示多个所述第一关系式的弯曲系数；y2表示多个所述第一关系式的均值系数；e表示常数。

32、第二方面，本发明实施例还提供一种基于多源数据融合的海缆埋设深度预测装置，包括：

33、有限元分析模块，用于构建海底电缆有限元模型，进行基于有限元法的海底电缆温度场分析；

34、分析及构建模块，用于分析所述海底电缆的载流量和埋设深度对缆芯温度的影响，构建三个变量的第一关系方程式通式；以及用于分析所述海底电缆所处的环境温度和埋设深度对缆芯温度的影响，构建三个变量的第二关系方程式通式；根据所述第一关系方程式通式和第二关系方程式通式，构建载流量、环境温度、埋设深度和缆芯温度的第三关系方程式通式；

35、预测模块，用于根据所述第三关系方程式通式，代入已知海底电缆的缆芯温度、环境温度和载流量，获得所述海底电缆的埋设深度。

36、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

37、本发明实施例提供的一种基于多源数据融合的海缆埋设深度预测方法，区别于传统的海缆埋设深度监测方式，利用有限元仿真的方式拟合出海缆埋设深度与缆芯温度、土壤温度、载流量之间的关系方程式通式。实现了在不借助外部硬件设备的情况下，通过实时监测的海缆缆芯温度、环境温度和载流量大小，就能达到对整条海缆的埋设深度监测的目的，解决了海缆埋设深度监测中人工成本高、时间周期长和巡检任务冗长等多种问题。