摘要：為解決長輸管道受高風險因素影響而存在的力學隱患，結(jié)合應力應變電測技術(shù)，研制了長輸管道應力應變自動化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過應變采集器采集粘貼在管道表面的電阻應變片隨管道變形產(chǎn)生的阻值變化，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器和自動控制箱共同完成數(shù)據(jù)的放大、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲和自動測量，并利用GPRS方式進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸與控制。該系統(tǒng)可實時監(jiān)控管道應力應變狀態(tài)，為管道運營管理提供現(xiàn)實依據(jù)。 關(guān)鍵詞：長輸管道 應力應變 自動監(jiān)測 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸 引言 長輸油氣管道沿線地質(zhì)地貌錯綜復雜，自然條件惡劣，管道經(jīng)常遭受山體滑坡、水災、穿越、占壓等高風險環(huán)境的影響，極易造成整體移位、局部變形或應力集中，從而導致較大的位移應力、屈曲或蠕變，嚴重時甚至導致管道斷裂破壞。為解決長輸油氣管道受高風險因素影響而存在的力學隱患，應長輸管道需要遠程監(jiān)控的要求，結(jié)合應力應變電測技術(shù)，筆者研制了油氣管道遠程力學監(jiān)控系統(tǒng)，它可實時監(jiān)控管道應力應變狀態(tài)，為管道運營管理提供現(xiàn)實依據(jù)。 結(jié)構(gòu)組成 1.硬件平臺 硬件平臺由各種傳感器（應變片及連接橋路）、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、無線傳輸模塊及計算機組成,可以實現(xiàn)對電阻應變數(shù)據(jù)的自動采集和遠程發(fā)送。 2.模塊組成 硬件系統(tǒng)主要模塊包括應變采集器、自動控制箱、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。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)庫維護模塊、自動報警模塊及網(wǎng)絡控制模塊。 3.專業(yè)軟件 系統(tǒng)管理軟件具有儲存、分析、顯示各種數(shù)據(jù)的功能，要素包括數(shù)學力學模型構(gòu)建、時空參考系統(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、可視化表達及圖形用戶界面等。 4.開發(fā)平臺 提供用于各種管道地理信息系統(tǒng)和風險環(huán)境的數(shù)學力學模型構(gòu)建平臺，基于各種力學理論的分析平臺和用戶界面。 系統(tǒng)功能 1.數(shù)據(jù)輸入、預處理 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)初步計算,獲得基本力學信息。 2.屬性與參數(shù)管理 通過大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行有效嚴格的組織管理,在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,不同表格項通過相關(guān)項互相連接,提供管理系統(tǒng)高度的可擴展性和靈活的配置能力。 3.數(shù)據(jù)批處理 根據(jù)給定的力學理論,由計算機計算分析后獲得各向應力曲線，主應力值及主應力方向角，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。 5.鏈接 危險工況下的報警信號輸入可直接鏈接于調(diào)控中心，便于緊急情況下采取相應的應急措施。 6.遠程監(jiān)控 長輸管道應力應變自動化監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)如下遠程監(jiān)控功能。 （1）系統(tǒng)基于遠程無線傳輸系統(tǒng),配接太陽能電池組或其它蓄電池組,無需人工干預,在監(jiān)控室就可以進行全天候、無間斷測量,保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、可靠性。 （2）系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)時在將測量結(jié)果傳輸給計算機的同時，還可將數(shù)據(jù)保存在應變計的內(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,系統(tǒng)可以按照設定的要求自動采集數(shù)據(jù)并將結(jié)果保存在應變計的內(nèi)存芯片中,線路恢復后可將數(shù)據(jù)一次性取出。 （4）電阻應變計采集單元采用總線式結(jié)構(gòu)多個采集器只需1條總線串接在一起，共用1個無線傳輸系統(tǒng)，大大降低工程費用。 （5）電阻應變計采集單元基于低噪聲高增益放大器與高精度A/D轉(zhuǎn)換器設計，測量精度高采集單元配有溫度傳感器，配合溫度補償應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、備份。 （2）數(shù)據(jù)采集軟件基于服務器/客戶端模式無線采集系統(tǒng)與服務器相連，其他計算機可以客戶端模式登陸到服務器，共享測量數(shù)據(jù)。 （3）數(shù)據(jù)采集軟件可以自由設定巡檢時間實現(xiàn)無人值守下數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測。 （4）軟件具有超限報警功能，設定好應變計的報警門限后，測量數(shù)據(jù)超出門限時可將實時測量值發(fā)送到指定的手機上。 （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.應變采集器 管子表面為殼體，為準確表達管子應力狀態(tài)需要在管子表面0、45、90°方向粘貼應變片，因此采用三通道應變采集器以同時采集管子在該測點的三向應力狀態(tài)。它是由完全相同的3個應變采集通道、溫度傳感器、數(shù)據(jù)存儲器、電源電路等部分組成。為保證測試結(jié)果的準確性,選用高穩(wěn)定的精密電壓基準源，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。為減小基準電壓源對測量結(jié)果的影響，A/D轉(zhuǎn)換器的基準選用電橋的外部基準電壓源。應變采集器原理如圖1所示。 一般情況下,將被測管道表面視為二向應力狀態(tài),這個時候需要采用由3個應變片組成的應變花（如圖1所示）,分別測得3個方向的線應變,再由廣義胡克定律確定主應力。計算公式為[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)計算機的指令控制下進行數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、初值設置等操作[2],其設置如圖2所示。 3. 自動控制箱 自動控制箱具有控制傳感器實現(xiàn)自動測量、自動保存數(shù)據(jù)的功能，由電源控制電路、微處理器控制電路、時鐘電路、通信接口等部分組成，另設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。自動控制箱結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。 4. 無線GPRS模塊 通過自動控制箱加接無線GPRS模塊，在移動網(wǎng)絡覆蓋的地方，利用GPRS方式進行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸與控制，其原理見圖4。 GPRS可以全國漫游,并且不收取漫游費用;時時在線,按流量計費,費用低廉,在沒有數(shù)據(jù)通訊時不收費。待監(jiān)測設備通過GPRS連入Internet后,可以在任何一個接入Internet網(wǎng)的地方對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。GPRS的工作過程:GPRS撥號上網(wǎng)時,移動公司GGSN分配GPRS模塊1個IP地址（靜態(tài)或動態(tài)、公用或私有,目前中國移動提供的是動態(tài)的IP）。數(shù)據(jù)中心計算機連接到Internet后,也會分配給1個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)中心計算機響應后即可建立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 油氣管道力學狀態(tài)的研究和力學監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)是一個多學科、多分支且綜合程度很高的課題,涉及到力學、地理學、數(shù)學、控制學、計算機技術(shù)等多個學科，且針對不同的高風險因素涉及到不同的方式和方法。對某一條具體的管道而言，首先應該總結(jié)不同管段所受到的高風險災害類型和程度,分門別類，建立所選管道在高風險區(qū)重點區(qū)域的準確數(shù)力模型及災害類型數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)災害特點、頻發(fā)周期和災害程度，確定該處管道的極限風險允許條件。最后根據(jù)現(xiàn)場試驗，建立管道遠程力學綜合監(jiān)控體系。 目前，基于以上理論的力學監(jiān)控系統(tǒng)正用于蘭成渝管道高風險區(qū)力學監(jiān)測，并在進一步完善當中。系統(tǒng)涉及到應變片、傳感器、數(shù)采儀的埋置,信號的發(fā)射、接收、現(xiàn)場電力供應、數(shù)模轉(zhuǎn)換的配置、監(jiān)測點管道的準確定位等多項技術(shù)，此系統(tǒng)的建立和完善將填補我國管道力學監(jiān)測的空白?；诖讼到y(tǒng)的附屬軟件將對各種不同高風險因素所致災害類型下管道的力學狀態(tài)進行實時計算處理,并根據(jù)災害類型數(shù)據(jù)庫、管道狀態(tài)（壓力、埋深、走向等）數(shù)據(jù)庫等實時判定該監(jiān)測點的安全狀態(tài),根據(jù)安全評價狀態(tài)進行定時預報和監(jiān)控，是一個較為復雜的系統(tǒng)軟件。 參 考 文 獻 [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 計算機控制技術(shù) 蘭州:蘭州大學出版社，2002:129-154. 長輸管道應力應變自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究