城市地下綜合管廊管線的數(shù)據(jù)采集及故障診斷研究

楊遠 王尉軍 茍華新 盛興隆

摘要：城市地下綜合管廊管線主要包含燃氣管道、電力電纜和給排水管道，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。然而管線所處的環(huán)境惡劣，不可避免會出現(xiàn)各種故障，于是文章對其故障診斷進行研究。首先分析數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)測，然后使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行計算，得到管線發(fā)生故障的原因和位置。通過仿真實驗得知，系統(tǒng)能夠準確對管線進行故障診斷，從而能夠提高管線的安全運行。

關(guān)鍵詞：管廊管線;數(shù)據(jù)采集;故障診斷

中圖分類號：TU99

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0184-05

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，城市地下綜合管廊管線變得越發(fā)的復(fù)雜，如果出現(xiàn)故障，對其進行故障排除效率非常低，就會造成較大的經(jīng)濟損失，于是對其進行故障診斷非常重要，可以較大程度降低經(jīng)濟損失[1]。于是文章通過對管線進行數(shù)據(jù)采集分析，然后進行故障診斷研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

系統(tǒng)的主要目的就可對城市地下綜合管廊管線進行故障診斷。在對城市地下綜合管廊進行研究時，很多系統(tǒng)的作用僅僅只是對管廊進行檢測，并不能對其發(fā)生的問題進行故障診斷，于是本系統(tǒng)能夠分析判斷出管道出現(xiàn)問題的原因，并且準確判斷出管廊管線出現(xiàn)問題的位置。達到該該目的需要收集城市地下綜合管廊管線的各種數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行分析，從而得到故障診斷的依據(jù)。圖1即為系統(tǒng)的總體設(shè)計思路圖。

1.1 采集數(shù)據(jù)

在我國科學技術(shù)還不夠發(fā)達時，對城市地下綜合管廊管線進行數(shù)據(jù)收集采用的是人工在現(xiàn)場進行收集相關(guān)數(shù)據(jù)，使用這種不方式，不僅效率低、投人大，還會造成收集數(shù)據(jù)存在較大誤差的現(xiàn)象[23]。為了能夠改善這些問題，于是在城市地下綜合管廊管線中安裝不同的檢測設(shè)備，從而代替人工進行采集數(shù)據(jù)的方式。這些設(shè)備包含著采樣設(shè)備、傳感器等。使用這種方式大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率，而且還有攝像機等工具進行實時監(jiān)測，有效解決了對管廊管線的日常巡檢工作，搜集到的數(shù)據(jù)將會更加豐富，更有助于故障診斷的分析。

由于城市地下綜合管廊長度過長，僅僅安裝一套檢測設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)比較有限，于是根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測范圍將管廊管線長200m劃分為一個區(qū)域，每個區(qū)域中都需要安裝一套監(jiān)測設(shè)備。進行區(qū)域劃分之后，不僅有利于檢測數(shù)據(jù)的收集，還有利于區(qū)域管理。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文研究的不是整個城市地下綜合管廊，而是研究其中的各類管線，所以只需對管線進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。各類管管主要包含著電纜、燃氣管道和給排水管。通過監(jiān)測設(shè)備收集到數(shù)據(jù)之后將其傳送給地上的控制中心。于是可以對收集到的數(shù)據(jù)進行整理、分析，通過與歷史的數(shù)據(jù)相比較從而可以得到數(shù)據(jù)的變化趨勢，從而發(fā)現(xiàn)更為中的管廊管線信息。對每種管線進行監(jiān)測時，不同管線監(jiān)測的內(nèi)容不一樣，下面將對3種管線進行介紹。

1）給排水管道運行狀態(tài)的監(jiān)測[4]：給排水管道主要負責水的傳輸，如果其中出現(xiàn)漏水或者積水過深就會造成一定的問題，所以需要對出水、如水還有積水進行監(jiān)測。另外，還需要通過監(jiān)測設(shè)備對漏水情況進行檢查，選擇城市地下綜合管廊中容易積水的地方的查看是否出現(xiàn)積水現(xiàn)象，當檢測到的數(shù)據(jù)超過限定值之后需要立即關(guān)閉閥門，然后發(fā)出警報。最后對監(jiān)測到不正常的數(shù)據(jù)進行分析，研究其發(fā)生問題的原因。

2）電力電纜運行狀態(tài)的檢測[4]：電力電纜主要負責運輸和分配電能，所以需要對其電流、電壓進行檢測，另外，電能還會受到環(huán)境的溫度、濕度等的影響，所以也需對其進行檢測。而且電力電纜需要進行保護措施，以防其出現(xiàn)危險時造成更大設(shè)備損壞。對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測時，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過了規(guī)定值，要能立即關(guān)閉閥門，然后出現(xiàn)報警反應(yīng)。最后就是對其進行分析研究，找到數(shù)據(jù)發(fā)生問題的原因。

3）燃氣管道運行狀態(tài)的檢測[4]：燃氣管道的作用就是負責燃氣的傳輸，相對于其他兩種管道而言，當其出現(xiàn)問題時沒有進行及時處理時，就會造成較大的安全事故，所以對其進行監(jiān)測非常有必要。燃氣管道的監(jiān)測主要為是否出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象、漏氣嚴重程度等。如果發(fā)現(xiàn)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過規(guī)定值之后，需要立即關(guān)閉閥門，并發(fā)出警報。最后對漏氣情況進行數(shù)據(jù)分析，找到漏氣的位置，然后分析其造成漏氣的原因。

城市地下綜合管廊因其所處的地方陰暗潮濕，將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸上來使用有線方式不適合，容易造成線路出現(xiàn)各種損傷。所以使用無線通訊方式最為適合，尤其是當前5G的使用，使的數(shù)據(jù)傳輸效率更高。于是可以利用地下安置的報警器和傳感器，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)使用無線通訊方式傳到地上控制中心，從而可以達到數(shù)據(jù)檢測和收集的作用。

上文已經(jīng)提到過城市地下綜合管廊管線需要化分為不同的區(qū)域進行檢測，所以在用戶的界面上需要能夠顯示不同的監(jiān)測區(qū)域[5]。然后將每個區(qū)域中安裝一個工業(yè)交換機，最后將所有設(shè)備收集到的不同信息集中傳輸?shù)降厣系目刂浦行闹?，比如視頻信息、監(jiān)控主機收集到的數(shù)據(jù)等。

城市地下綜合管廊管線監(jiān)測系統(tǒng)完成之后，還需要對地上的監(jiān)控中心設(shè)置管理系統(tǒng)，其主要宗旨就是方便對地下的不同監(jiān)控區(qū)域進行集中管理?？刂浦行挠幸韵聝牲c作用：

①登陸到控制中心的管理系統(tǒng)之后，就可以查看到每個區(qū)域中的實時數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r的發(fā)現(xiàn)地下管廊光線是否出現(xiàn)問題。

②控制中心能夠?qū)Φ叵碌挠跋駭?shù)據(jù)進行自動管理，將每個影像生成歷史數(shù)據(jù)，通過控制中心就可以對這些數(shù)據(jù)進行管理和查詢。

2 故障診斷

由于地下的各種管線對整個城市的生活生產(chǎn)有著直接的影響，當其中管線發(fā)生問題就會造成不同程度的影響，較為常見的就是帶給人類停電、停水的影響，嚴重時還會造成爆炸危害。所以需要保證地下綜合管廊管線的安全運行。然而隨之時間的不斷延長，管線發(fā)生問題難以避免，于是需要對其進行實時監(jiān)控，為了能夠及時的發(fā)現(xiàn)問題，并且對其進行修理，從而避免造成較大的安全事故。

上文中主要分析了對管廊管線的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測，并且在監(jiān)測過程中如有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值就會關(guān)閉閥門，發(fā)出預(yù)警，于是可以降低事故發(fā)生的嚴重程度。通過控制中心對地下傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)信息進行整理分析，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的原理，并且確定出故障發(fā)生的位置，即故障診斷，就可快速對出現(xiàn)問題的管線作出反應(yīng)，從而高效率解決發(fā)生的故障問題，并且有助于今后該故障的發(fā)生概率，從而提高地下綜合管廊管線的安全運行。

對管廊管線進行故障診斷時，不僅需要完成上述數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)測，還需要了解不同管線的常見故障，然后再通過故障診斷檢測方式判斷管線的問題所在，具體的操作方式如下。

2.1 電力電纜常見故障

電力電纜常年處于地下潮濕的環(huán)境，隨著工作時間的增長，必然會受到環(huán)境的影響和自身因素的影響造成電力電纜出現(xiàn)問題。電力電纜常見的故障有如下三種狀況：

2.1.1 保護層損壞

因為電力電纜處于城市地下，成年累月見不到陽光，受到潮濕環(huán)境影響，而且地下會有各種化學物質(zhì)，電力電纜長時間的處于這種環(huán)境，其表現(xiàn)的保護層雖然具有一定的抵抗能力，但是時間長了之后抵抗能力就會減弱，造成表面發(fā)生侵蝕，保護層就會損壞，可能就會造成電力電纜短路、斷裂等現(xiàn)象。

2.1.2 承受壓力較大

由于電纜本身會承受很大的電壓，在鋪設(shè)電力電纜過程中，如果沒有將其鋪設(shè)到同一個水平面，就會造成電力電纜起伏現(xiàn)象，就會較為容易的發(fā)生短路，短路的電纜就會承受非常大的電壓，超過了電纜的承受范圍，于是就會造成燒毀現(xiàn)象，發(fā)生這種情況之后的危險性會很高[6]。

2.1.3 電纜本身質(zhì)量問題

電力電纜本身不僅要能夠在潮濕的地下環(huán)境中長存，而且還需要受到高強度的電壓，當電力電纜本身采用的是劣質(zhì)材料，表面處理不光滑，電纜的絕緣層容易出現(xiàn)破損現(xiàn)象，就會造成短路等故障。

2.2 燃氣管道常見故障

燃氣管道負責運輸作用，所以不能出現(xiàn)泄漏和堵塞的情況，不然就會造成安全事故。所以在燃氣管道中較為常見的故障有兩種，分別為泄漏和堵塞[7]。下面將對其進行簡要分析：

2.2.1 燃氣管道的泄漏

由于地下具有各種酸堿化學物質(zhì)，再加上地下環(huán)境潮濕，對燃氣管道具有較大的腐蝕作用，腐蝕嚴重之后就會造成管道出現(xiàn)缺口，或者是燃氣管道施工安裝過程中出現(xiàn)失誤現(xiàn)象，造成管道出現(xiàn)缺口，在管道中就會造成天然氣泄漏，從而可以引發(fā)其他嚴重問題。

2.2.2 燃氣管道堵塞

管道發(fā)生堵塞現(xiàn)象，天然氣就難以運輸?shù)侥康牡?，然而引起燃氣管道堵塞的情況比較多，比如有常見的雜質(zhì)堵塞、水化物堵塞、煤氣膠堵塞和碳酸銨鹽堵塞，不同類型發(fā)生堵塞的原因如表1所示。

2.3 故障診斷的測試方式

本文對城市地下綜合管廊管線進行故障診斷時使用到的算法為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其中包含著輸入層、隱層和輸出層[8]。該算法的輸入層為電纜的電壓、溫度、電流、濕度。需要設(shè)定誤差范圍，如果監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過誤差值時，則需要將數(shù)據(jù)進行逆向傳輸，然后對相關(guān)的誤差和權(quán)重進行調(diào)整，像這種方式不停的進行反復(fù)傳輸，直至誤差復(fù)合規(guī)定。圖2即為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖中的第1豎排為輸入層，有n個節(jié)點，n=3，第2排為隱層，第3層即為輸出層，q和m為各種的節(jié)點數(shù)。其涉及的各種公式如下所以：

隱層的輸出為：

其中η為學習率，f1和f2分別表示隱層和輸出層的激活函數(shù)。

首先通過輸入信息，然后就會產(chǎn)生各種輸出信息，通過不斷的計算之后可以將誤差和權(quán)重進行調(diào)整到合適的值，從而確定地下綜合管廊管線發(fā)生故障的原因，即可以進行故障診斷。

3 仿真和結(jié)果分析

通過上述的診斷方式可以進行仿真研究，看是否能夠起到故障診斷作用。本文通過使用MATLAB進行仿真實驗。如果在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會自動關(guān)閉閥門，并且發(fā)生預(yù)警。圖3即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)構(gòu)圖。

為了得到有效的參數(shù)，需要對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖進行多次的反復(fù)訓(xùn)練，于是得到如圖4所示的波形和均方誤差曲線。圖中藍色表示為系統(tǒng)的正常波形，于是將正常波形和仿真的波形進行比較，如果出現(xiàn)不相符的現(xiàn)象，就會出現(xiàn)如圖4所示的紅色曲線，從而可以判斷出管廊管線出現(xiàn)了故障。即使對于波動非常小的變化，系統(tǒng)也能發(fā)現(xiàn)出故障。

從圖4中的右圖中可以看出，剛開始時誤差迅速減小，后來保持在平穩(wěn)的變化，當訓(xùn)練程度大約達到550次時，誤差又會發(fā)生迅速的減小，后來當隨著訓(xùn)練次數(shù)的不斷增多誤差逐漸降低，直到誤差為10-3時滿足預(yù)先設(shè)定的值，此時的訓(xùn)練次數(shù)達到了712次。

然后通過使用仿真得到的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行測試。將其訓(xùn)練誤差設(shè)定為10^-3，其訓(xùn)練次數(shù)可以盡量設(shè)置大一點，設(shè)置為3000次，然后對相關(guān)數(shù)據(jù)進行檢測，最后得到如圖5所示的結(jié)果。

從圖中可以看出來，能夠檢測到管廊管線發(fā)生故障為電壓失衡，并且通過數(shù)據(jù)分析得到出現(xiàn)這種故障的原因為斷線和接地系統(tǒng)不夠完善。于是就可以針對具體問題及時的對其進行解決。于是通過仿真實驗進行研究可以得到通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以對管線進行故障診斷，能夠提高診斷效率，降低事故危險程度。

4 結(jié)語

城市地下綜合管廊管線安全運行至關(guān)重要，必須對其進行實時監(jiān)控和故障診斷。文章通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的收集進行分析，然后使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行故障預(yù)測，通過仿真實驗得到系統(tǒng)能夠有較好的故障診斷作用，能夠保障城市地下綜合管廊管線的安全運行。

參考文獻

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作者簡介：楊遠（1982-），男，貴州貴陽人，工程師，主要從事主網(wǎng)輸電電纜運維檢修管理工作。