EIS管道監(jiān)控設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫偉楠　于東林　王春雷

摘 要：為解決管化工道存在的跑、冒、滴、漏等問(wèn)題，本文研發(fā)出EIS（Engineering Information System）管道監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)挖掘工程設(shè)計(jì)信息，對(duì)現(xiàn)有的工程建設(shè)圖紙、工藝生產(chǎn)資料、竣工驗(yàn)收資料進(jìn)行收集、整合、錄入，建立EIS管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)。使用ATmegal28L微處理器對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用Zabbix對(duì)歷史數(shù)據(jù)抽查處理，利用伴檢監(jiān)控模式，并利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息處理，形成PC端、移動(dòng)端對(duì)管線實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：EIS;數(shù)據(jù)庫(kù);伴檢監(jiān)控;ATmegal28L;Zabbix;信息處理

中圖分類號(hào)：TG174.37文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0020-03

1 研究背景

管道運(yùn)輸作為五大運(yùn)輸業(yè)之一，在生產(chǎn)生活中起著至關(guān)重要的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)石油化工、煤化工、醫(yī)藥化工等工藝管道總長(zhǎng)度累計(jì)在100萬(wàn)km以上，各類連接法蘭達(dá)560萬(wàn)個(gè)以上，管道閥門達(dá)320萬(wàn)個(gè)以上。

室內(nèi)外管道、法蘭和閥門造成的生產(chǎn)事故情況如下：①管道連接受自重、風(fēng)載荷等長(zhǎng)期作用，焊口、法蘭處可能發(fā)生蠕變，造成管道滲漏;②管道在保溫狀態(tài)下，保溫層長(zhǎng)期使用被破壞，雨水、融化的雪水滲透到保溫層內(nèi)，增加管道的重量，腐蝕管道，造成管道、法蘭、閥門腐蝕，導(dǎo)致“跑、冒、滴、漏”;③非保溫管道，防腐層破壞，造成管道、法蘭、閥門腐蝕，導(dǎo)致“跑、冒、滴、漏”;④積雪等自然條件使管道承載、受風(fēng)面積增大，管道的安全穩(wěn)定性受到影響，管道連接的法蘭、閥門的緊固性與密封性受到嚴(yán)重影響，同時(shí)自然條件還可以改變管道內(nèi)物料的保溫狀態(tài)，使管道輸送物料產(chǎn)生一定的溫度梯度，從而可能影響生產(chǎn)質(zhì)量，引發(fā)安全生產(chǎn)事故;⑤管道的意外、人為或其他因素破壞。

2 EIS的基本構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)

2.1 基本構(gòu)成

EIS管道監(jiān)控系統(tǒng)由四部分構(gòu)成：EIS管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)、伴檢系統(tǒng)、信息處理統(tǒng)統(tǒng)和用戶端使用系統(tǒng)。以Zabbix抽查問(wèn)題節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù);4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)ATmegal28L微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;通信衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)[1-3]。

2.2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)模式

2.2.1 復(fù)合式監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.1.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)?；谀繕?biāo)建模檢測(cè)分析，檢測(cè)泄漏點(diǎn)泄露特征和是否達(dá)到報(bào)警值范圍。通過(guò)監(jiān)測(cè)到的位置測(cè)繪圖像，對(duì)該點(diǎn)的特征圖像進(jìn)行分析、處理。該裝置采用微型高清紅外夜視攝像儀，對(duì)管道進(jìn)行全天監(jiān)控，攝像儀在伴檢管線的保護(hù)下，減少了自然環(huán)境對(duì)設(shè)備裝置的損壞，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

攝像儀通過(guò)視角變換，達(dá)到對(duì)所監(jiān)控的管道閥門、法蘭及易泄漏位置的全方位監(jiān)控，并且可通過(guò)拍照功能對(duì)被監(jiān)控部分進(jìn)行拍照，再由后臺(tái)對(duì)所拍照片進(jìn)行精密分析，以達(dá)到對(duì)泄漏情況的判斷。多角度攝像頭結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

2.2.1.2 超聲波監(jiān)控系統(tǒng)。利用超聲波監(jiān)測(cè)，可發(fā)現(xiàn)細(xì)微的泄漏點(diǎn)，提早對(duì)泄露點(diǎn)進(jìn)行分析，有效預(yù)防泄露事故的發(fā)生。超聲波感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及處理流程圖如圖2所示。

2.2.2 信息處理系統(tǒng)。所采集的信息通過(guò)伴檢管線將信息及時(shí)傳輸至緩沖數(shù)據(jù)庫(kù)。一方面，緩沖數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)其預(yù)判功能，將采集的信息轉(zhuǎn)變?yōu)樾孤┑燃?jí)，泄漏等級(jí)評(píng)估將會(huì)以APP推送的模式推送至用戶手機(jī)，以便用戶在第一時(shí)間得到泄漏情況，并且可以及時(shí)安排有效的維修方案。另一方面，泄漏信息會(huì)回流至EGP地下管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步完善EGP地下管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.3 用戶使用系統(tǒng)。①PC端主要用于用戶對(duì)地下管道的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要以后臺(tái)工作室為主;②移動(dòng)端主要用于巡檢員對(duì)所監(jiān)控的管線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.4 伴檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)。伴檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)傳輸線纜、伴檢管線、紅外攝像監(jiān)控、傳感器、監(jiān)控運(yùn)行軌道等組成，其主要適用于對(duì)管線工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。伴檢監(jiān)控三維模擬如圖3所示。

3 EIS數(shù)據(jù)庫(kù)的信息錄入

通過(guò)對(duì)廠區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)單元全方位的統(tǒng)計(jì)，將各生產(chǎn)單元初建設(shè)施、工程施工情況等信息錄入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程設(shè)計(jì)信息的全方位掌控。對(duì)已有管線搭建過(guò)程中的工程建設(shè)圖紙、工藝、竣工驗(yàn)收技術(shù)資料進(jìn)行整合錄入，如圖4所示，并建立EIS管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 EIS的數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 管道數(shù)據(jù)采集

利用伴檢監(jiān)控模式，對(duì)管線工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向處理，一方面有效的數(shù)據(jù)回流至EIS管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面反饋至PC、移動(dòng)端。工作人員可根據(jù)生產(chǎn)工藝工況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析處理，把數(shù)據(jù)庫(kù)遺漏信息率降至最低。

使用工業(yè)級(jí)RFID數(shù)據(jù)采集器，內(nèi)裝WINCE、Windows Mobile系統(tǒng)，采用高性能激光掃描引擎、高速CPU處理器，具有防水、防潮及抗擠壓的性能。

4.2 采集信息PC處理技術(shù)

同一時(shí)間會(huì)采集大量數(shù)據(jù)，但由于采集的數(shù)據(jù)為ASCⅡ碼，通過(guò)數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)化成可閱讀的數(shù)據(jù)，對(duì)大量的數(shù)據(jù)里夾雜的部分?jǐn)?shù)據(jù)噪聲進(jìn)行可視化分析、規(guī)劃、整合，將處理后的結(jié)果以直觀的方式展現(xiàn)在移動(dòng)端、PC端的控制面板上。

控制面板以Zabbix為主，通過(guò)Agent或者SNMP收集相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，然后儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)前臺(tái)展示。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)前臺(tái)獲取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。獲取歷史數(shù)據(jù)有兩種方式：①通過(guò)Zabbix前臺(tái)獲取數(shù)據(jù);②通過(guò)前臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和二次查詢會(huì)被多次限制，因此可通過(guò)SQL語(yǔ)句直接從后臺(tái)DB查詢數(shù)據(jù)。常用查詢方法為：

[1SELECTALLDISTNCTSlelect_ListINTONew_Table_name2FROMTable_nameView_name，table2_nameview2_name3，…4WHERT Ssrch_conditions5GTOUP BY Group_by_list6HAVING Serch_conditions]

4.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入及對(duì)比

EIS是基于GIS的又一個(gè)創(chuàng)新，GIS可對(duì)工程地理信息進(jìn)行處理，EIS則是對(duì)工程設(shè)計(jì)信息進(jìn)行整合，都是將采集的信息數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)[4]。

4.4 分析結(jié)果報(bào)告與顯示

同比數(shù)據(jù)分析如圖5所示。圖5為1h內(nèi)采集數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)波動(dòng)的幅度差進(jìn)行分析，將比率符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)錄入EIS數(shù)據(jù)庫(kù)，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷更新和優(yōu)化。

5 EIS數(shù)據(jù)的監(jiān)控應(yīng)用

5.1 4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

采用ATmegal28L微處理器并在其中安裝ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信芯片CC2430以及4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信芯片EM-560。CC2340芯片接收到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，首先由嵌入式數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和匯總處理，EM-560芯片再將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給衛(wèi)星通信終端。

5.2 通信衛(wèi)星

通過(guò)專用衛(wèi)星通信終端與通信衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，在衛(wèi)星通信終端中部署北斗衛(wèi)星通信天線、太陽(yáng)能電池板、VSAT小站通信天線、信號(hào)處理機(jī)及其他功能電路元件，能與北斗衛(wèi)星、中國(guó)通信衛(wèi)星等進(jìn)行通信。通信衛(wèi)星將接收到的管道監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至地面接收站，并存儲(chǔ)在接收站的EIS管道安全數(shù)據(jù)庫(kù)中[5]。

6 結(jié)論

本文提出了一套較為完整的管道實(shí)時(shí)監(jiān)控可視化實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)運(yùn)用伴檢監(jiān)控模式，通過(guò)各系統(tǒng)之間的配合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，可視化分析泄露數(shù)據(jù)是否達(dá)到報(bào)警值，報(bào)警、預(yù)警等信息的可視化是洞察管道運(yùn)行是否有異常狀態(tài)的關(guān)鍵。以ATmegal28L微處理器作為系統(tǒng)全面運(yùn)行的基礎(chǔ)，使硬件與軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的結(jié)合，具有實(shí)時(shí)巡檢、主動(dòng)報(bào)警、及時(shí)報(bào)警、信息聯(lián)動(dòng)、低成本和低消耗等特點(diǎn)，可迅速、準(zhǔn)確地找到泄漏點(diǎn)位置。同時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，具有良好的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)所有功能模塊采用模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，模塊間以松耦合方式進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與控制信息交換，具有較高的可延展性、可維護(hù)性、應(yīng)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Feng X. Design and Implementation of Remote Health Monitoring System for 3D Visual Bridge[J]. Procedia Engineering， 2017（174）：1330-1335.

[2]姚得利.基于GIS技術(shù)的建筑實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[3]王歆洵. 基于物聯(lián)網(wǎng)的污水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2017.

[4]Dennis R M，F(xiàn)lavin P，Davies G J. Online R&D Management： the Way Forward[J]. R & D Management，1998（1）：27-35.

[5]高南虎.基于安卓的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技風(fēng)，2018（20）：77.