燃?xì)釶E管焊接質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

蘇州燃?xì)饧瘓F(tuán)燃?xì)夤こ逃邢薰?陳 前

聚乙烯PE管以其耐腐蝕、延展性好、施工方便等顯著優(yōu)勢，在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)中被大規(guī)模應(yīng)用。但是由于PE管焊縫的無損檢測技術(shù)尚未完全成熟，因此施工過程中對影響焊接質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、動態(tài)分析、過程控制和壓力試驗(yàn)，是保證PE管焊接質(zhì)量的有效手段。對焊縫位置進(jìn)行精確測繪定位，是促進(jìn)PE燃?xì)夤芫W(wǎng)智慧管理的重要途徑。

1 方案設(shè)計(jì)背景

1.1 影響PE管焊縫運(yùn)營的主要數(shù)據(jù)

影響PE管安全運(yùn)營的質(zhì)量數(shù)據(jù)主要有焊工和焊機(jī)信息；材料管徑、材質(zhì)等級、外徑壁厚比（SDR）、熔體質(zhì)量流動速率（MFR）、生產(chǎn)日期；焊接時(shí)的壓力、溫度、時(shí)間；強(qiáng)度和氣密性試驗(yàn)壓力、時(shí)間和結(jié)果。位置數(shù)據(jù)有：焊縫位置坐標(biāo)、高程。

1.2 PE管焊縫數(shù)據(jù)管理易出現(xiàn)的問題

開工前，施工單位應(yīng)按要求進(jìn)行開工報(bào)驗(yàn)，對人、材、機(jī)等進(jìn)行報(bào)審。施工中，應(yīng)對焊接質(zhì)量執(zhí)行工序自檢和報(bào)驗(yàn)?？⒐ず?，竣工資料應(yīng)收集焊工證書、焊機(jī)校驗(yàn)報(bào)告、材料質(zhì)量證明文件、焊接數(shù)據(jù)、試壓記錄等數(shù)據(jù)，以及專業(yè)測繪單位的測繪定位成果。

但城市燃?xì)夤こ叹哂辛慷?、地點(diǎn)分散、差異性大、施工時(shí)間靈活多變等特點(diǎn)，各參與方的人員素質(zhì)、能力和管理投入力度也有差異，難以進(jìn)行全程跟蹤旁站，質(zhì)量管理容易存在盲區(qū)。竣工資料很多也不是真實(shí)的過程記錄，缺乏真實(shí)性和可追溯性，影響管網(wǎng)的安全運(yùn)營。細(xì)化對施工過程的數(shù)據(jù)采集和過程控制，是保障城市燃?xì)釶E管網(wǎng)安全運(yùn)營的重要途徑。

2 方案基本原理和功能

本方案利用移動通信技術(shù)、藍(lán)牙等長距離和短距離的通信技術(shù)將燃?xì)釶E管網(wǎng)施工中焊接、測繪及試壓設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通；通過圖像識別，掃碼采集記錄施工數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)上傳云端服務(wù)器進(jìn)行存儲計(jì)算，以及與各終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。方案原理和功能如圖1所示。

圖1 方案原理和功能示意

在Web端，工程管理部門掃描證書，采集焊工指紋，向服務(wù)器錄入焊工和焊機(jī)信息并對項(xiàng)目統(tǒng)一編碼。材料部門掃描質(zhì)量證明文件，錄入材料信息。

在焊機(jī)控制模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)和云端服務(wù)器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)對接，本地存儲焊工和材料信息。開機(jī)后通過藍(lán)牙采集焊機(jī)信息，并進(jìn)行環(huán)境溫度和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。通過對焊接數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格焊縫。生成二維碼，記載合格焊縫信息。工程管理人員通過手機(jī)APP可調(diào)閱和審批各類數(shù)據(jù)。

通過測繪GNSS終端的手持設(shè)備掃描并識別焊縫二維碼，將測繪數(shù)據(jù)與焊縫編號綁定上傳，生成焊縫分布圖、埋深斷面圖。采集壓力記錄儀記錄的瞬時(shí)壓力，通過變化曲線判斷試壓結(jié)果，驗(yàn)證焊縫的可靠性。

3 方案選用相關(guān)技術(shù)

3.1 移動通信技術(shù)

相比 4G，第五代移動通信技術(shù)（5G）數(shù)據(jù)流量會增長1000倍，聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備數(shù)量會擴(kuò)大100倍，達(dá)到600～1100億臺，峰值速率可達(dá)10 Gbit/s[1]，網(wǎng)絡(luò)延遲低于1 ms[2]。數(shù)據(jù)傳輸和響應(yīng)速度更快，數(shù)據(jù)流量和容量也更大，為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的通信支持?？煽焖賹?shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，以及數(shù)據(jù)的云端存儲計(jì)算。

3.2 藍(lán)牙通信技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)方便快捷、靈活安全、低功耗、低成本，能穿透阻礙物，無方向限制，支持點(diǎn)對多點(diǎn)的連接傳輸。這是小范圍內(nèi)無線連接的主流技術(shù)之一，目前已經(jīng)發(fā)展至5.0版本。藍(lán)牙4.0支持1 Mb/s數(shù)據(jù)傳播速率下的超短數(shù)據(jù)包，在高速模式下，可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)24 Mbps傳輸速度[3]；還具備3 ms低延時(shí)，100 m以上長距離等優(yōu)點(diǎn)[4]。完全可滿足施工現(xiàn)場設(shè)備間的短距離數(shù)據(jù)交互。

3.3 指紋識別和二維碼技術(shù)

每個(gè)人的指紋紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，呈唯一性且終生不變[5]。指紋識別設(shè)備外形小巧，可以集成在其他設(shè)備上，操作過程非常方便快捷。通過現(xiàn)場采集和核對指紋，可立即識別焊工信息，防止非合格焊工焊接。

二維碼技術(shù)的信息容量巨大，是非常方便的信息處理技術(shù)，可表示的數(shù)據(jù)類型也非常廣泛。還具有強(qiáng)大的容錯(cuò)糾錯(cuò)功能，因穿孔、污損等局部損壞時(shí)，照樣可以識讀，損毀面積達(dá)50%仍可恢復(fù)信息。譯碼可靠性高，誤碼率不超過千萬分之一[6]。條碼符號形狀、尺寸大小比例可變。成本低，易制作，持久耐用。非常適用于情況復(fù)雜的施工現(xiàn)場，可省去復(fù)雜的人工數(shù)據(jù)處理工作量，提高效率。

3.4 定位測繪技術(shù)

北斗系統(tǒng)采用三頻信號服務(wù)，定位的可靠性和抗干擾能力相對更強(qiáng)，并且國內(nèi)的信號強(qiáng)，覆蓋面廣。RTK（Real-time kinematic，實(shí)時(shí)動態(tài)）載波相位差分技術(shù)是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，精度非常高，已經(jīng)達(dá)厘米級。北斗RTK已廣泛應(yīng)用于工程測繪，平面誤差僅1.6 cm，高程誤差僅4 cm[7]，完全可以滿足對施工現(xiàn)場PE焊縫的精確定位。

4 硬件系統(tǒng)方案

首先是數(shù)據(jù)服務(wù)器。租用云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和儲存，可實(shí)現(xiàn)快速部署。其優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)周期短，成本大大降低；而且能有效防護(hù)DDoS攻擊和阻止 ARP攻擊，數(shù)據(jù)安全性非常高；同時(shí)也有利于數(shù)據(jù)的彈性計(jì)算，后續(xù)的擴(kuò)容非常方便。

其次是焊機(jī)控制模塊。這是施工現(xiàn)場控制焊機(jī)、輸入和采集數(shù)據(jù)、實(shí)行數(shù)據(jù)存儲和交互的重要設(shè)備。應(yīng)有可視化界面和語音輸入功能，具備WiFi、4G/5G、藍(lán)牙 4.0以上的通信功能，并且可進(jìn)行指紋識別和圖像掃描。采用具備上述功能的I3（2.6GHz）以上處理器、8GB以上內(nèi)存的平板電腦（PAD）即可滿足需求，可以節(jié)省設(shè)計(jì)開發(fā)成本，縮短建設(shè)周期。

焊機(jī)可與設(shè)備廠家進(jìn)行協(xié)商定制通用協(xié)議，支持藍(lán)牙4.0以上的藍(lán)牙控制、查詢功能即可。手持式二維碼噴碼槍需配置藍(lán)牙 4.0以上通信控制功能；壓力記錄儀應(yīng)防水防塵，可記錄介質(zhì)溫度，精度在0.2級以上且支持藍(lán)牙4.0以上或4G/5G移動通信功能，并支持通用協(xié)議；如果自帶管理軟件，應(yīng)開放接口，以便采集和分析數(shù)據(jù)，判斷試壓結(jié)果；測繪手持設(shè)備需具備掃碼功能并開放二維碼接口，可與設(shè)備廠家協(xié)商定制焊口編碼規(guī)則。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案設(shè)計(jì)的燃?xì)釶E管焊接控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用Browser/Server架構(gòu)，利用Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和人機(jī)交互，操作方便快捷。焊機(jī)控制模塊（PAD端）和手機(jī)工程管理模塊設(shè)計(jì)采用基于Android系統(tǒng)的 APP，采用邊緣計(jì)算模塊，降低了數(shù)據(jù)處理可能遇到的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問題，提高實(shí)時(shí)計(jì)算能力；方便施工現(xiàn)場進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)采集和錄入等處理；方便及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（1）數(shù)據(jù)庫采用分布式數(shù)據(jù)庫Spark SQL，可整合和分析不同來源的數(shù)據(jù)。兼容性強(qiáng)，計(jì)算效率高，可動態(tài)擴(kuò)充；數(shù)據(jù)讀取方便，解析容易，系統(tǒng)流暢。

（2）開發(fā)工具采用Delphi語言開發(fā)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（邊緣計(jì)算架構(gòu)），以圖形用戶界面為開發(fā)環(huán)境，可視化的編程環(huán)境，編程過程非常方便快捷高效。服務(wù)器開發(fā)工具采用Eclipse平臺，是基于Java語言的可擴(kuò)展集成開發(fā)平臺。采用Power Designer設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫模塊，可直觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建模和分析設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和信息技術(shù)的結(jié)合，可以保證數(shù)據(jù)庫的高效快捷生成。采用Java和Tomcat開發(fā)服務(wù)端和后臺管理端（J2EE架構(gòu)），簡單易用，信息延續(xù)性、可擴(kuò)展性都比較好，是主流的開發(fā)環(huán)境。

5.2 模塊設(shè)計(jì)

由于城市燃?xì)夤镜墓こ毯筒牧瞎芾硗謱俨煌块T，所以應(yīng)考慮將Web端的工程管理和材料管理的模塊分開設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)各自的后臺管理功能。

工程管理APP的主要功能是數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)閱和審批。焊機(jī)控制模塊主要功能是數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、交互。工程管理和焊機(jī)控制模塊各自的側(cè)重點(diǎn)不同，且開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境也不同，也應(yīng)進(jìn)行分開設(shè)計(jì)。

定位測繪、壓力記錄儀的數(shù)據(jù)，可以直接使用設(shè)備廠家的程序，但應(yīng)做好數(shù)據(jù)的對接。

5.3 數(shù)據(jù)交互處理

數(shù)據(jù)交互處理流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)交互

各個(gè)web端和APP端設(shè)置登錄權(quán)限。信息錄入應(yīng)可以按權(quán)限進(jìn)行修改和更新，同時(shí)還可將對應(yīng)的圖片上傳和參數(shù)綁定保存。所上傳信息可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)表，設(shè)置查詢功能，以備信息查詢修改。常用參數(shù)盡量采用數(shù)據(jù)字典，選擇即可輸入。預(yù)留端口以備系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)充完善。數(shù)據(jù)需要修改的，應(yīng)通過工程管理端授權(quán)才可以，以保證數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)。數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

（1）項(xiàng)目管理模塊應(yīng)錄入項(xiàng)目名稱、編號、管理人員等需和焊縫綁定的數(shù)據(jù)?？⒐ず?，可對項(xiàng)目數(shù)據(jù)凍結(jié)，減少終端的顯示數(shù)量。

（2）焊工和焊機(jī)模塊可進(jìn)行定期集中審核錄入。焊工模塊采集焊工證號、姓名、焊接方法、焊接范圍、有效期、指紋等信息存入數(shù)據(jù)庫。連續(xù)6個(gè)月未采集到焊接信息的焊工自動凍結(jié)，需重新審核錄入。每名焊工指紋采集不少于2個(gè)。焊機(jī)模塊采集焊機(jī)編號、品牌、型號、焊接范圍和年檢有效期等信息。

（3）材料模塊應(yīng)接入掃碼設(shè)備，可直接掃描材料出廠的追溯二維碼。沿用廠家的編碼規(guī)則，錄入材料的批號、數(shù)量、管徑規(guī)格、材質(zhì)等級、外徑壁厚比、熔體質(zhì)量流動速率，電熔焊接時(shí)間、生產(chǎn)日期等信息。在施工單位領(lǐng)料時(shí)，通過和發(fā)料系統(tǒng)對接，自動關(guān)聯(lián)所發(fā)材料的使用項(xiàng)目、批號和數(shù)量。

（4）資料模塊可以調(diào)閱所有數(shù)據(jù)。壓力試驗(yàn)前，需在生成的焊縫位置分布圖上圈出試壓管段，以便對采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定。資料人員可對數(shù)據(jù)審核，確認(rèn)無誤后生成竣工資料需要的格式，下載打印。

此外，系統(tǒng)設(shè)置端口采集GNSS設(shè)備的手持設(shè)備數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)和焊接數(shù)據(jù)綁定。工程管理APP端也可以按項(xiàng)目查閱各類數(shù)據(jù)，并可通過藍(lán)牙模塊采集壓力記錄儀記錄的試壓時(shí)間、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等數(shù)據(jù)，手動關(guān)聯(lián)到試壓管段后上傳至云端服務(wù)器。系統(tǒng)根據(jù)記錄的壓力和介質(zhì)溫度，利用氣體狀態(tài)方程修正成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的修正壓力，再生成以時(shí)間為坐標(biāo)的曲線。APP可以調(diào)閱并判斷結(jié)果。

6 結(jié)語

本文通過對移動通信、圖像識別和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在PE管焊接中的應(yīng)用研究，建立了工程設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)對PE管焊接數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和對焊接質(zhì)量的過程動態(tài)控制。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和RTK技術(shù)對焊縫位置進(jìn)行精確定位，可有效解決PE管埋地位置難以探測的問題。通過采集和分析壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，控制試壓過程，驗(yàn)證焊縫的可靠性?？勺匪菪缘臄?shù)據(jù)有力保證了PE管的施工質(zhì)量，保證竣工資料的真實(shí)性。實(shí)現(xiàn)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化管理的重要支撐。