摘要：為解決長輸管道受高風(fēng)險(xiǎn)因素影響而存在的力學(xué)隱患，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)，研制了長輸管道應(yīng)力應(yīng)變自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過應(yīng)變采集器采集粘貼在管道表面的電阻應(yīng)變片隨管道變形產(chǎn)生的阻值變化，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器和自動(dòng)控制箱共同完成數(shù)據(jù)的放大、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲(chǔ)和自動(dòng)測量，并利用GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與控制。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控管道應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為管道運(yùn)營管理提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。 關(guān)鍵詞：長輸管道 應(yīng)力應(yīng)變 自動(dòng)監(jiān)測 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸 引言 長輸油氣管道沿線地質(zhì)地貌錯(cuò)綜復(fù)雜，自然條件惡劣，管道經(jīng)常遭受山體滑坡、水災(zāi)、穿越、占?jí)旱雀唢L(fēng)險(xiǎn)環(huán)境的影響，極易造成整體移位、局部變形或應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致較大的位移應(yīng)力、屈曲或蠕變，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致管道斷裂破壞。為解決長輸油氣管道受高風(fēng)險(xiǎn)因素影響而存在的力學(xué)隱患，應(yīng)長輸管道需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)，筆者研制了油氣管道遠(yuǎn)程力學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，它可實(shí)時(shí)監(jiān)控管道應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為管道運(yùn)營管理提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。 結(jié)構(gòu)組成 1.硬件平臺(tái) 硬件平臺(tái)由各種傳感器（應(yīng)變片及連接橋路）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、數(shù)據(jù)采集儀、屏蔽裝置、電池組、防雷裝置、無線傳輸模塊及計(jì)算機(jī)組成,可以實(shí)現(xiàn)對電阻應(yīng)變數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程發(fā)送。 2.模塊組成 硬件系統(tǒng)主要模塊包括應(yīng)變采集器、自動(dòng)控制箱、無線GPRS傳輸模塊、太陽能電池供電模塊防雷模塊及監(jiān)控主機(jī)。軟件系統(tǒng)主要模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)繪圖模塊、數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊及網(wǎng)絡(luò)控制模塊。 3.專業(yè)軟件 系統(tǒng)管理軟件具有儲(chǔ)存、分析、顯示各種數(shù)據(jù)的功能，要素包括數(shù)學(xué)力學(xué)模型構(gòu)建、時(shí)空參考系統(tǒng)的確定、元數(shù)據(jù)的輸入、特征和層之間關(guān)系的分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、圖表分析、空間查詢、可視化表達(dá)及圖形用戶界面等。 4.開發(fā)平臺(tái) 提供用于各種管道地理信息系統(tǒng)和風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境的數(shù)學(xué)力學(xué)模型構(gòu)建平臺(tái)，基于各種力學(xué)理論的分析平臺(tái)和用戶界面。 系統(tǒng)功能 1.數(shù)據(jù)輸入、預(yù)處理 通過用戶界面輸入被監(jiān)測管道的特征參數(shù),由連接于傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得現(xiàn)場監(jiān)測的原始數(shù)據(jù),經(jīng)初步計(jì)算,獲得基本力學(xué)信息。 2.屬性與參數(shù)管理 通過大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行有效嚴(yán)格的組織管理,在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,不同表格項(xiàng)通過相關(guān)項(xiàng)互相連接,提供管理系統(tǒng)高度的可擴(kuò)展性和靈活的配置能力。 3.數(shù)據(jù)批處理 根據(jù)給定的力學(xué)理論,由計(jì)算機(jī)計(jì)算分析后獲得各向應(yīng)力曲線，主應(yīng)力值及主應(yīng)力方向角，土體位移量、管道位移量、土體壓力等工作載荷。 4.可視化輸出 管理信息系統(tǒng)的操作結(jié)果可以通過可視化的圖形、圖像及多媒體的方式直觀表達(dá)。 5.鏈接 危險(xiǎn)工況下的報(bào)警信號(hào)輸入可直接鏈接于調(diào)控中心，便于緊急情況下采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。 6.遠(yuǎn)程監(jiān)控 長輸管道應(yīng)力應(yīng)變自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 （1）系統(tǒng)基于遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng),配接太陽能電池組或其它蓄電池組,無需人工干預(yù),在監(jiān)控室就可以進(jìn)行全天候、無間斷測量,保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性。 （2）系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)時(shí)在將測量結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)的同時(shí)，還可將數(shù)據(jù)保存在應(yīng)變計(jì)的內(nèi)存中確保數(shù)據(jù)的安全性。 （3）在無線傳輸鏈路不能建立時(shí),系統(tǒng)可以按照設(shè)定的要求自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并將結(jié)果保存在應(yīng)變計(jì)的內(nèi)存芯片中,線路恢復(fù)后可將數(shù)據(jù)一次性取出。 （4）電阻應(yīng)變計(jì)采集單元采用總線式結(jié)構(gòu)多個(gè)采集器只需1條總線串接在一起，共用1個(gè)無線傳輸系統(tǒng)，大大降低工程費(fèi)用。 （5）電阻應(yīng)變計(jì)采集單元基于低噪聲高增益放大器與高精度A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，測量精度高采集單元配有溫度傳感器，配合溫度補(bǔ)償應(yīng)變片可以降低溫度變化對測量精度的影響。 7.數(shù)據(jù)采集 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下數(shù)據(jù)采集功能。 （1）傳感器數(shù)據(jù)采集軟件基于Windows平臺(tái)全中文圖形化界面，使用簡便、直觀。數(shù)據(jù)庫采用Paradox7,穩(wěn)定可靠，便于維護(hù)、備份。 （2）數(shù)據(jù)采集軟件基于服務(wù)器/客戶端模式無線采集系統(tǒng)與服務(wù)器相連，其他計(jì)算機(jī)可以客戶端模式登陸到服務(wù)器，共享測量數(shù)據(jù)。 （3）數(shù)據(jù)采集軟件可以自由設(shè)定巡檢時(shí)間實(shí)現(xiàn)無人值守下數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測。 （4）軟件具有超限報(bào)警功能，設(shè)定好應(yīng)變計(jì)的報(bào)警門限后，測量數(shù)據(jù)超出門限時(shí)可將實(shí)時(shí)測量值發(fā)送到指定的手機(jī)上。 （5）可將測量的數(shù)據(jù)結(jié)果輸出到Excel表格或指定的格式，便于數(shù)據(jù)的分析處理。 工作原理 1.應(yīng)變采集器 管子表面為殼體，為準(zhǔn)確表達(dá)管子應(yīng)力狀態(tài)需要在管子表面0、45、90°方向粘貼應(yīng)變片，因此采用三通道應(yīng)變采集器以同時(shí)采集管子在該測點(diǎn)的三向應(yīng)力狀態(tài)。它是由完全相同的3個(gè)應(yīng)變采集通道、溫度傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電源電路等部分組成。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,選用高穩(wěn)定的精密電壓基準(zhǔn)源，選用放大倍數(shù)為100倍的專用儀表放大器，A/D轉(zhuǎn)換器選用16位帶有I2C接口的微功耗轉(zhuǎn)換器。為減小基準(zhǔn)電壓源對測量結(jié)果的影響，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)選用電橋的外部基準(zhǔn)電壓源。應(yīng)變采集器原理如圖1所示。 一般情況下,將被測管道表面視為二向應(yīng)力狀態(tài),這個(gè)時(shí)候需要采用由3個(gè)應(yīng)變片組成的應(yīng)變花（如圖1所示）,分別測得3個(gè)方向的線應(yīng)變,再由廣義胡克定律確定主應(yīng)力。計(jì)算公式為[1] 2. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器的作用是在微處理器的作用下將采集的A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的工業(yè)總線接口，并在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的指令控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、初值設(shè)置等操作[2],其設(shè)置如圖2所示。 3. 自動(dòng)控制箱 自動(dòng)控制箱具有控制傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量、自動(dòng)保存數(shù)據(jù)的功能，由電源控制電路、微處理器控制電路、時(shí)鐘電路、通信接口等部分組成，另設(shè)蓄電池接口和外部電源接口（DC12V），可由蓄電池供電或直接由AC220V市電經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換后供電。自動(dòng)控制箱結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。 4. 無線GPRS模塊 通過自動(dòng)控制箱加接無線GPRS模塊，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，利用GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與控制，其原理見圖4。 GPRS可以全國漫游,并且不收取漫游費(fèi)用;時(shí)時(shí)在線,按流量計(jì)費(fèi),費(fèi)用低廉,在沒有數(shù)據(jù)通訊時(shí)不收費(fèi)。待監(jiān)測設(shè)備通過GPRS連入Internet后,可以在任何一個(gè)接入Internet網(wǎng)的地方對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。GPRS的工作過程:GPRS撥號(hào)上網(wǎng)時(shí),移動(dòng)公司GGSN分配GPRS模塊1個(gè)IP地址（靜態(tài)或動(dòng)態(tài)、公用或私有,目前中國移動(dòng)提供的是動(dòng)態(tài)的IP）。數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)連接到Internet后,也會(huì)分配給1個(gè)IP地址。GPRS模塊通過Internet向數(shù)據(jù)中心的IP地址發(fā)起呼叫,數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)響應(yīng)后即可建立1條TCP/IP連接鏈路,于是數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊就可相互通信了。 結(jié) 束 語 油氣管道力學(xué)狀態(tài)的研究和力學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)多學(xué)科、多分支且綜合程度很高的課題,涉及到力學(xué)、地理學(xué)、數(shù)學(xué)、控制學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，且針對不同的高風(fēng)險(xiǎn)因素涉及到不同的方式和方法。對某一條具體的管道而言，首先應(yīng)該總結(jié)不同管段所受到的高風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害類型和程度,分門別類，建立所選管道在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的準(zhǔn)確數(shù)力模型及災(zāi)害類型數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)災(zāi)害特點(diǎn)、頻發(fā)周期和災(zāi)害程度，確定該處管道的極限風(fēng)險(xiǎn)允許條件。最后根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，建立管道遠(yuǎn)程力學(xué)綜合監(jiān)控體系。 目前，基于以上理論的力學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)正用于蘭成渝管道高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)力學(xué)監(jiān)測，并在進(jìn)一步完善當(dāng)中。系統(tǒng)涉及到應(yīng)變片、傳感器、數(shù)采儀的埋置,信號(hào)的發(fā)射、接收、現(xiàn)場電力供應(yīng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的配置、監(jiān)測點(diǎn)管道的準(zhǔn)確定位等多項(xiàng)技術(shù)，此系統(tǒng)的建立和完善將填補(bǔ)我國管道力學(xué)監(jiān)測的空白?；诖讼到y(tǒng)的附屬軟件將對各種不同高風(fēng)險(xiǎn)因素所致災(zāi)害類型下管道的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理,并根據(jù)災(zāi)害類型數(shù)據(jù)庫、管道狀態(tài)（壓力、埋深、走向等）數(shù)據(jù)庫等實(shí)時(shí)判定該監(jiān)測點(diǎn)的安全狀態(tài),根據(jù)安全評價(jià)狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)預(yù)報(bào)和監(jiān)控，是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)軟件。 參 考 文 獻(xiàn) [1] Young W C，BudynasR.G，Roark‘s Formulas for Stress and Strain.Printed in United States of American,2001:53-67. [2] 李華，程瑞琪 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2002:129-154. 長輸管道應(yīng)力應(yīng)變自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)研究