董紹華 葉迎春 劉宗奇 宋頂

中國(guó)石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心

為確保油氣管道安全運(yùn)行，中國(guó)石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心在管道完整性管理的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了管道智能一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)引起管道失效的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、處理、預(yù)測(cè)與報(bào)警，有效地提高了管道的安全管理水平。系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，如GB32167―2015 《油氣輸送管道系統(tǒng)完整性管理規(guī)范》Q(chēng)/SY 1672―2014《油氣管道沉降監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》SY/T688-011《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》等。

1 管道智能一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

管道技術(shù)與安全研究中心長(zhǎng)期開(kāi)展油氣管道失效原因分析，在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上提出了管道智能監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)，研發(fā)了數(shù)據(jù)采集設(shè)備，開(kāi)發(fā)了管道智能一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

（1）管道監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)管道安全影響較大的監(jiān)測(cè)參數(shù)包括應(yīng)力監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)等（圖1~6）。

圖1振弦式表面應(yīng)變計(jì)

圖2振弦式土壓計(jì)

圖3振弦式水壓計(jì)

圖4管道沉降測(cè)量

圖5視頻監(jiān)測(cè)

圖6管道泄漏監(jiān)測(cè)

（2）油氣管道在線(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集技術(shù)

開(kāi)發(fā)了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)傳感器、土壤壓力監(jiān)測(cè)傳感器、地層水壓力監(jiān)測(cè)傳感器、土體變形監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集�；�于硫酸銅參比電極實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極保護(hù)電位的實(shí)時(shí)采集�；�于加速度計(jì)采集振動(dòng)信號(hào)，研究基于振動(dòng)的管線(xiàn)位移計(jì)算方法。建立管道關(guān)鍵點(diǎn)視頻監(jiān)控技術(shù)，并對(duì)異常事件進(jìn)行撲捉、識(shí)別和判定。

（3）管線(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)不同類(lèi)型輸出和采樣要求，研究多參數(shù)、多通道統(tǒng)一采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效自動(dòng)采集（圖 7）。基于4G傳輸方案，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。開(kāi)發(fā)采集設(shè)備并集成通訊模塊，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控端與采集儀連通，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

圖7采集儀封裝和安裝

（4）管線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)智能評(píng)價(jià)及安全預(yù)警技術(shù)

基于管線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征及其集成管控模式，形成了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平滑處理方法，解決了因環(huán)境、人為、管理等因素影響下存在的異常數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，使其形成完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列，符合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體統(tǒng)計(jì)特性。分析監(jiān)測(cè)參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，結(jié)合管道評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的智能評(píng)價(jià)。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，建立了適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)警分析模型，結(jié)合實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果與所在時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)運(yùn)行變化趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)預(yù)警。

2 系統(tǒng)模塊組成

系統(tǒng)整體由數(shù)據(jù)智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸及管線(xiàn)智能監(jiān)測(cè)等三層構(gòu)成，如圖8所示，采用B/S結(jié)構(gòu)。

（1）智能感知

系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集應(yīng)力、變形、溫度、位移、陰極保護(hù)電位、泄漏、視頻等監(jiān)測(cè)信號(hào)，建立了管道失效形式與監(jiān)測(cè)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的模式庫(kù)，挖掘了不同信號(hào)之間的內(nèi)在聯(lián)系，由異常情況驅(qū)動(dòng)進(jìn)行智能感知。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，利用4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)分布式采集、傳輸結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)信號(hào)統(tǒng)一回傳中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，集中分析終端顯示。

（3）智能監(jiān)測(cè)

管道智能一體化監(jiān)測(cè)包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)模型、陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)模型、泄漏監(jiān)測(cè)模型及風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)警模型四個(gè)主要模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢(shì)預(yù)警。

圖8 管道智能監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

3.1系統(tǒng)功能

基本功能包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、預(yù)處理及管理，異常識(shí)別和報(bào)警，管線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)等功能（圖 9）。

圖9 管道智能監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)界面

3.2系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）多參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)終端設(shè)備可對(duì)管道的應(yīng)變、土壤的壓力、孔隙水壓、土壤傾斜度、管道沉降、溫度、陰極保護(hù)電位、泄漏和視頻等多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

（2）信號(hào)采集設(shè)備工作效率和可靠性高

采集設(shè)備可對(duì)兩類(lèi)輸出信號(hào)(頻率信號(hào)和電信號(hào))的22個(gè)探頭數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、地面無(wú)外露物，實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守自動(dòng)智能采集和遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)充分考慮了防盜防水，通過(guò)改進(jìn)單片機(jī)工作原理延長(zhǎng)了系統(tǒng)硬件待機(jī)時(shí)間。

（3）功能強(qiáng)大

可以對(duì)地質(zhì)斷層、地裂縫、山體崩塌、滑坡、泥石流、黃土濕陷、沖溝、地震、河流沖蝕、采空區(qū)等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)管道泄漏監(jiān)測(cè)和定位，基于電位監(jiān)測(cè)可以評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果�？梢詫�(duì)環(huán)境進(jìn)行有害氣體監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)等。

（4）自動(dòng)化程度高

監(jiān)控軟件適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)調(diào)整采樣頻率、自動(dòng)報(bào)警。部分參數(shù)（如報(bào)警策略、報(bào)警方法）可以由用戶(hù)自行設(shè)置，用戶(hù)實(shí)行分級(jí)管理。可調(diào)整報(bào)警限值，而系統(tǒng)可根據(jù)報(bào)警信息自動(dòng)調(diào)整監(jiān)測(cè)策略。

（5）系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

（6）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)便，不破壞管道的受力、防腐結(jié)構(gòu)。

（7）基于管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可進(jìn)行管道風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

4 未來(lái)展望

本系統(tǒng)的應(yīng)用可以全面提升管線(xiàn)的安全管理水平，對(duì)異常事件及時(shí)響應(yīng)，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)智能判定，提升管線(xiàn)防護(hù)水平�？蓪�(duì)管道運(yùn)行環(huán)境變化進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道異常情況的預(yù)警，具備良好的推廣前景。

《管道保護(hù)》2018年第4期（總第41期）