本发明涉及智能监测，尤其涉及一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置及应用方法。
背景技术：
1、随着全球经济的发展，跨水运输、水下资源的开发日益频繁，为此需要建设大量的水下管道用以运输淡水、石油、天然气等流体。其中，水下管道的安装是一个高技术、高风险的工程活动，需要极高的安全性、稳定性和准确性，目前一般采用沉管法进行安装，具体的施工过程包括预制管道、管道浮运、注水沉放、定位和连接。其中，管道注水沉放工序是最危险、最重要的环节之一，原因在于：水具有极高的流动性，这使得在沉放过程中，它极易发生流动，从而对管道的沉放施工构成重大风险，尤其是对于较长的弯管，由于管道的跨度较长且存在弯曲，水体在管道内部的分布往往不均匀，在这种荷载不平衡的情况下，容易引发管道沉放不到位、管道断裂甚至是驳船倾覆等安全事故。因此，为了合理地控制注水沉放过程中管内水体的分布，监测管内关键截面水位的变化就十分必要。
2、现有的水位监测方法和装置有很多，可以根据不同的应用场景进行选用，大致可以分为四类，具体包括：水尺观测法、浮子式自记水位监测法、水压式水位监测法、超声波水位监测法。其中，上述水位监测方法都有各自的缺点和限制，具体如下：
3、1、水尺观测法是一种传统的水位测量方法，是通过直接在水体边设置水尺来直接观测水位的变化，这种方法依赖人工读取，在浪费大量人力资源的同时容易产生较大的误差；在观测水位时，水尺前方不能有遮挡物且需要保障水尺刻度清晰，即这种方法无法实现远距离监控和实时数据的传输，夜间使用效果差；
4、2、浮子式自记水位监测法也是一种传统的水位测量方法，主要是根据浮子随水位升降的原理来记录水位的变化，这种方法成本较低，但是浮子连杆需要和所测水面保持垂直且不能弯曲，施工难度大，不适合用于移动的环境；
5、3、水压式水位监测法是一种利用地下水压力与水位之间的关系来测量水位的技术，它能够提供实时的水位数据，适合连续监测水位变化；但是，这种监测方式很容易受到水深、水密度和温度等因素的影响，设备的维护成本高，并且不适合用于水面波动大或水体流动性大的水域；
6、4、超声波水位监测法是一种利用超声波在介质中传播的特性来测量水位的现代技术，它是通过一个特殊装置发射超声波脉冲到水面并接收反射的回声信号，根据发射与接收信号的时间差确定该装置到水面的距离，这种测量方法不需要物理接触水面，但是测量盲区较大，温度变化和水内杂质对其测量精度影响大，并且装置安装、运行和维护的成本高。
7、需进一步指出的是，对于注水沉放作业的管道而言，由于管道内部属于封闭空间，无法使用依靠人工观测的水尺测量法，且管道内部空间狭小，亦无法为超声波提供有效的传播空间，且管道壁会反射超声波脉冲，所以超声波监测法不适用于管道内部水位的监测。浮子式自记水位监测法和水压式水位监测法都需要提供一个稳定的使用环境，管道在注水沉放时会不断移动和翻转，导致测量轴与水面不一定成垂直关系，因此这两种应用方法也不适用于长大弯管内部的水位监测。故而，以目前的测量设备和测量方法，均无法有效地实现管道在注水沉放过程中管内水位的监测。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置，该适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置设计新颖、适用性强、水位测量准确性高，且能够有效地适用于管道注水沉放施工时管内水位变化监测。
2、本发明的另一目的在于针对现有技术的不足而提供一种管内水位智慧监测装置的应用方法，该管内水位智慧监测装置的应用方法能够有效地利用该管内水位智慧监测装置对管道注水沉放施工过程进行监测，并能够有效地提高管道注水沉放施工作业的安全性。
3、为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
4、一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置，包括有使用时贴合于管道内壁且呈圆环形状的发射器集成环，发射器集成环包括有发射器安装带，发射器安装带为柔性带状结构，发射器安装带的一端部为固定端部，发射器的另一端部为自由端部；
5、发射器安装带开设有若干沿着发射器安装带长度方向依次间隔布置的发射器安装孔，发射器安装带的固定端部开设有固定通孔；
6、发射器集成环还包括有固定夹块、紧固螺丝，固定夹块开设有一供发射器安装带穿过的夹块通孔，固定夹块的外表面开设有与夹块通孔连通的夹块内螺纹孔，夹块内螺纹孔的开口方向与夹块通孔的开口方向相垂直，紧固螺丝螺装于夹块内螺纹孔内且紧固螺丝的螺纹端部伸入至夹块通孔内；
7、发射器安装带的固定端部插入至固定夹块的夹块通孔内，且紧固螺丝的螺纹端部穿过发射器安装带的固定通孔；发射器安装带的自由端部从固定端部插入侧的相反侧插入并穿过夹块通孔，紧固螺丝的螺纹端部抵压发射器安装带的自由端部；
8、该适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置还包括有若干信号发射器，所有信号发射器按照均匀间隔分布方式安装于发射器安装带相应位置的发射器安装孔。
9、其中，该适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置采用以下步骤实现管内水位监测，具体的：
10、步骤a、根据注水沉放管道的形状、长度来确定安装管内水位智慧监测装置的数量，并进行编号s1-sj，j表示管内水位智慧监测装置的数量；
11、步骤b、根据注水沉放管道的内径以及监测精度要求来确定每组管内水位智慧监测装置的信号发射器数量，并对每组管内水位智慧监测装置中的信号发射器进行编号si1-sim，im表示第i组管内水位智慧监测装置中第m个信号发射器；
12、步骤c、根据注水沉放管道的内径以及信号发射器数量建立管内水位与被淹没信号发射器数量n的函数关系h(n)；
13、步骤d、信号发射器未被淹没时处于激活状态，发送信号1；信号发射器被淹没时处于关闭状态，发送信号0；
14、当管道进行注水沉放施工时，信号接收器接收各个信号发射器发送的信号；
15、步骤e、根据信号接收器所接收的信号进行统计分析，以统计每组管内水位智慧监测装置中被淹没信号发射器数量n，利用函数关系h(n)反解每组管内水位智慧监测装置所在位置的水位高度h，并根据各组管内水位智慧监测装置所在位置的水位高度h绘制管道内部水体轮廓线。
16、其中，所述紧固螺丝的螺纹端部的末端设置有橡胶头，橡胶头与所述发射器安装带的自由端部抵压接触。
17、其中，所述信号发射器包括有信号发射源、导电线、供能电池、上部外壳、螺纹杆部；信号发射源位于上部外壳内，且信号发射源通过导电线与供能电池电性连接；螺纹杆部设置于上部外壳的下端部；
18、所述发射器安装带的各发射器安装孔分别为内螺纹孔结构；
19、在将信号发射器安装于发射器安装带上时，信号发射器的螺纹杆部螺装于发射器安装带的发射器安装孔内。
20、一种管内水位智慧监测装置的应用方法，包括有以下步骤，具体的：
21、步骤s1、在输入模块中输入注水沉放管道的长度、各吊缆的许用缆力值以及各吊缆布置位置的x坐标，通过分析模块计算出管道的最佳荷载点在x方向上的坐标xp，计算公式为：其中，xi为i号吊缆在x方向上的坐标，fi为i号吊缆的许用缆力值，n为吊缆数量；
22、步骤s2、将权利要求1-4任意一项所述的适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置作为监测模块，监测模块将各组管内水位智慧监测装置相应截面的实时水位高度hi以及水体轮廓信息发送给分析模块；
23、步骤s3、分析模块计算出相邻两组管内水位智慧监测装置的水位高度差hc、水体质心在x方向上的坐标xo、水体质心与管道最佳荷载点在x方向上的偏移量xc，xc＝|xo-xp|；
24、而后比较hc是否大于预设相邻两组管内水位智慧监测装置最大水位差hk，以及比较xc是否大于预设水体质心与管道最佳荷载点在x方向上的最大偏移xk；
25、当hc﹥hk或者xc﹥xk时，则发送激活指令给预警模块；
26、步骤s4、预警模块接收激活指令并发出报警。
27、相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果，具体的：
28、1、对于本发明的适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置而言，发射器集成环可以根据注水沉放管道的内径进行适应性调节，以保证其使用时贴合于管道内壁，适用性强；还有就是，本发明的适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置是根据注水沉放管道的内径以及信号发射器数量建立管内水位与被淹没信号发射器数量来确定管道内部水体轮廓，即在管道发生移动或者翻转时，也不会影响测量的精度，即水位测量准确性高；故而，本发明的的适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置具有设计新颖、适用性强、水位测量准确性高的优点，且能够有效地适用于管道注水沉放施工时管内水位变化监测；
29、2、本发明的应用方法以智慧监测装置为监测模块，与输入模块、分析模块和预警模块共同组成监测系统，当监测到管道在注水沉放中出现异常，可通过预警系统提醒施工人员及时处理。
1.一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置，其特征在于：包括有使用时贴合于管道内壁且呈圆环形状的发射器集成环(1)，发射器集成环(1)包括有发射器安装带(2)，发射器安装带(2)为柔性带状结构，发射器安装带(2)的一端部为固定端部(21)，发射器的另一端部为自由端部(22)；
2.根据权利要求1所述的一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置，其特征在于，该适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置采用以下步骤实现管内水位监测，具体的：
3.根据权利要求1所述的一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置，其特征在于：所述紧固螺丝(41)的螺纹端部的末端设置有橡胶头(42)，橡胶头(42)与所述发射器安装带(2)的自由端部(22)抵压接触。
4.根据权利要求1所述的一种适用于管道注水沉放的管内水位智慧监测装置，其特征在于：所述信号发射器(5)包括有信号发射源(51)、导电线(52)、供能电池(53)、上部外壳(54)、螺纹杆部(55)；信号发射源(51)位于上部外壳(54)内，且信号发射源(51)通过导电线(52)与供能电池(53)电性连接；螺纹杆部(55)设置于上部外壳(54)的下端部；
5.一种管内水位智慧监测装置的应用方法，其特征在于，包括有以下步骤，具体的：
