基于RFID技術(shù)的在網(wǎng)PE閥門巡查管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)

孫志強(qiáng)，楊其華，劉鋼海，童津金

(1. 寧波恒元精工管閥科技有限公司，浙江 寧波 315400； 2. 中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

聚乙烯材質(zhì)的PE管閥產(chǎn)品擁有耐腐蝕、長壽命、流阻小、重量輕等的一系列特點(diǎn)，且管網(wǎng)建設(shè)中施工方便、連接可靠，整體管道具有較好的柔潤性和抗震性。因此，PE閥門、管件、管材已在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

燃?xì)夤艿缹儆趪覐?qiáng)制監(jiān)察管控的承壓類設(shè)備，因燃?xì)獾囊兹家妆攸c(diǎn)，對(duì)管網(wǎng)建設(shè)所需的閥門、連接件、管材、儀表設(shè)備等都有嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量要求，對(duì)管網(wǎng)建設(shè)施工質(zhì)量保障和管網(wǎng)運(yùn)行中的日常維護(hù)同樣也有相應(yīng)的規(guī)范要求。PE燃?xì)夤芫W(wǎng)的質(zhì)量安全，涉及管網(wǎng)建設(shè)的相關(guān)產(chǎn)品組件、管網(wǎng)施工質(zhì)量管控及管網(wǎng)日常巡查維護(hù)等管理環(huán)節(jié)；核心組件的產(chǎn)品質(zhì)量管理，則應(yīng)涵蓋材料、產(chǎn)品部件、裝配、（半）成品等產(chǎn)品形成的全生命周期。

PE閥門是PE管網(wǎng)中的核心組件，因其在管網(wǎng)中的功能地位和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也是產(chǎn)品質(zhì)量管控的重要對(duì)象?，F(xiàn)有PE閥門成品，一般以鋼印碼及紙質(zhì)條碼方式標(biāo)識(shí)產(chǎn)品，形成產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)相關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)在廠商數(shù)據(jù)庫中的對(duì)應(yīng)綁定。但從產(chǎn)品用戶角度看，無論是鋼印碼還是紙質(zhì)條碼，管網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)都極易受污染而難以讀取；即使產(chǎn)品標(biāo)識(shí)可讀取，產(chǎn)品質(zhì)量追溯仍需依賴生產(chǎn)廠商是否建有完善的質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。

現(xiàn)有的（非固定和固定式）球閥結(jié)構(gòu)PE閥門，即要求球體與閥體之間有保障密封性的緊配合，又提出了球閥開閉扭矩的上限。一般以裝配柔性密封圈及涂敷潤滑油脂方式協(xié)調(diào)兩者之間的矛盾，但隨之也帶來了在網(wǎng)PE球閥因長期靜止而導(dǎo)致開閉扭矩顯著增加的問題。解決此問題的方法，是將針對(duì)PE球閥的定期開閉操作納入管網(wǎng)巡查維護(hù)制度之中，而制度執(zhí)行的有效性，則有賴于技術(shù)支撐下的管理體系建設(shè)。

以RFID標(biāo)簽植入PE閥門部件，可在PE閥門生產(chǎn)過程，尤其在閥門成品出廠質(zhì)檢環(huán)節(jié)將檢驗(yàn)對(duì)象與質(zhì)量數(shù)據(jù)庫記錄一一對(duì)應(yīng)，并且可以將自有的產(chǎn)品質(zhì)量信息寫入閥門內(nèi)嵌的RFID標(biāo)簽，為產(chǎn)品出廠后質(zhì)量追溯提供便利。此舉也為后續(xù)燃?xì)夤芫W(wǎng)巡查運(yùn)維的數(shù)據(jù)化管理創(chuàng)造條件。

1 RFID標(biāo)簽應(yīng)用于PE球閥

無線射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻讀寫器、電子標(biāo)簽、應(yīng)用系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中的電子標(biāo)簽分為有源和無源兩類。由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率（無源標(biāo)簽多為UHF頻段）的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效工作區(qū)域時(shí)耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而激活內(nèi)置電路將電子標(biāo)簽內(nèi)編碼信息通過標(biāo)簽自帶天線發(fā)射出去。而讀寫器的接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)天線的調(diào)制器傳送到讀寫器信號(hào)處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后得到有效信息，進(jìn)而傳送到后臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理，控制讀寫器完成讀操作；寫操作則是反向信息傳輸?shù)倪^程。

在PE球閥生產(chǎn)過程中，閥球、閥桿、閥體、閥座等主要組件均為批量加工，密封圈多為特定供應(yīng)商供貨，因此，組件一般按批次標(biāo)識(shí)實(shí)施檢測(cè)檢驗(yàn)，抽檢或全檢質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄到廠商數(shù)據(jù)中。組裝完成的PE球閥成品，必須擁有唯一性數(shù)碼標(biāo)簽，而采用射頻電子標(biāo)簽，相比以往的鋼印碼、紙質(zhì)條碼，具有可承載更多的信息、持久性、（批量）快速易讀性等一系列優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)球閥成品的電子標(biāo)簽，可在質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫中與各組件批次號(hào)及質(zhì)量信息、球閥成品結(jié)構(gòu)或工藝信息、球閥出廠檢驗(yàn)及性能試驗(yàn)信息等，均綁定為一條可備查記錄。

考慮到閥門內(nèi)置RFID標(biāo)簽在閥門安裝于管網(wǎng)中的拓展利用，標(biāo)簽應(yīng)布局閥門正上方易于感應(yīng)對(duì)接的部位。在不改變PE閥門安全結(jié)構(gòu)前提下，閥體上方、閥桿（帽）上端均可為RFID標(biāo)簽布置可選部位，但在選用非特別定制的標(biāo)準(zhǔn)RFID標(biāo)簽時(shí)，必須考慮到標(biāo)簽的安裝可靠性與信息讀寫可靠性問題。

2 在網(wǎng)PE閥門巡查專用工具

針對(duì)在網(wǎng)的特定閥門，巡查任務(wù)界定為：閥門實(shí)地開閉操作n次（如球閥0～90°開閉操作3次）。專用巡查工具的設(shè)計(jì)功能性目標(biāo)是：能自動(dòng)讀取包含在網(wǎng)閥門地理位置的閥門電子標(biāo)簽內(nèi)置信息；能適當(dāng)提示并保障閥門規(guī)范化巡查操作；能采集閥門開閉操作角度等信息；能連接外部通訊終端或直接連接遠(yuǎn)端系統(tǒng)服務(wù)器。

PE球閥內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽。專用工具結(jié)構(gòu)示意見圖1，T型專用工具下端裝有標(biāo)簽讀取器，主電路安裝于T型工具上部。主要單元電路構(gòu)成見圖2。

圖1 專用工具結(jié)構(gòu)示意

圖2 專用工具電路單元組成

工具電路中自帶藍(lán)牙或WIFI通訊，可與智能手機(jī)對(duì)接。借助手機(jī)APP軟件或微信小程序，實(shí)現(xiàn)與管線巡查計(jì)劃銜接、巡查位置定位及閥門標(biāo)簽信息綁定、操作中采集工具旋轉(zhuǎn)角度信息顯示、操作規(guī)范性提示及預(yù)判等。利用智能手機(jī)的數(shù)據(jù)通訊功能，與遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理服務(wù)器建立通訊及數(shù)據(jù)交互。

工具在現(xiàn)場(chǎng)開閉閥門，人工巡查有效操作的前提是必須事先讀取到閥門內(nèi)置的標(biāo)簽，并核準(zhǔn)為在網(wǎng)工作閥門。為保障在閥門閥桿上端面受污染（潮濕泥土少量覆蓋）等情況下可靠地讀取RFID標(biāo)簽，工具與閥門閥桿對(duì)接帽進(jìn)行了深度部分的尺寸優(yōu)化及彈性耦合面設(shè)計(jì)；讀取器也進(jìn)行了電路工作參數(shù)優(yōu)化。

3 在網(wǎng)PE閥門巡查系統(tǒng)管理軟件

以在網(wǎng)PE閥門為核心對(duì)象設(shè)計(jì)的巡查系統(tǒng)，包含管網(wǎng)中全部閥門、巡查操作工具、巡查者隨身攜帶的智能手機(jī)、管網(wǎng)管理者服務(wù)器終端，以及符合相關(guān)制度、規(guī)程要求的手機(jī)端軟件和服務(wù)器端應(yīng)用軟件，RFID讀寫軟件整合于操作工具M(jìn)CU軟件及終端數(shù)據(jù)庫軟件之中。

CJJ51《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和搶修安全技術(shù)規(guī)程》要求確定對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行巡查、檢查的周期，并應(yīng)做好 巡查、檢查記錄；在巡查、檢查中發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)上報(bào)并采取有效的處理措施。特別規(guī)定了“對(duì)閥門要定期進(jìn)行啟閉操作和維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)無法啟閉或關(guān)閉不嚴(yán)的閥門需維修或更換”。圖3給出了在網(wǎng)PE閥門巡查管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件架構(gòu)，兼顧了規(guī)程要求下巡查管理實(shí)施層面任務(wù)計(jì)劃、人員分派、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)半自動(dòng)采集或人工輸入、巡查過程提示和監(jiān)督、數(shù)據(jù)分析及綜合評(píng)估等需要，更進(jìn)一步，可將數(shù)據(jù)利用延伸至閥門產(chǎn)品質(zhì)量追溯。

圖3 在網(wǎng)PE閥門巡查管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

系統(tǒng)管理軟件中的數(shù)據(jù)來源于幾個(gè)方面：

（1）管網(wǎng)建設(shè)階段形成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、閥門在管線上的分布及其地理坐標(biāo)（GIS）、每個(gè)閥門內(nèi)嵌RFID標(biāo)簽中的身份及質(zhì)量信息等。其中每個(gè)在網(wǎng)閥門的GIS數(shù)據(jù)可在管網(wǎng)建設(shè)完成后依據(jù)GPS坐標(biāo)寫入閥門RFID標(biāo)簽內(nèi)，作閥門應(yīng)用管線場(chǎng)地的對(duì)應(yīng)綁定，同時(shí)也可在遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理服務(wù)器軟件中按管線將分布的閥門實(shí)現(xiàn)位置信息記錄。

（2）按規(guī)程或管理制度要求，擬定的巡查管理流程、工作/派工計(jì)劃、各種數(shù)據(jù)綜合臺(tái)賬等的標(biāo)準(zhǔn)輸出文檔。也可包含其它計(jì)劃、管理、評(píng)估/考核類終端之間的傳輸數(shù)據(jù)。

（3）巡查中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集、手工輸入的數(shù)據(jù)，包括專用工具從PE閥門RFID標(biāo)簽中讀取的數(shù)據(jù)、工具啟閉閥門操作時(shí)獲取的轉(zhuǎn)角綜合數(shù)據(jù)及時(shí)間信息、人工感知扭矩和泄漏的模糊評(píng)估記錄等。

在系統(tǒng)管理軟件依托內(nèi)置數(shù)學(xué)模型對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較分析和評(píng)估后，將對(duì)隱患問題給出處置意見，可進(jìn)一步形成分類質(zhì)量追溯數(shù)據(jù)鏈。

4 結(jié)語

本文以PE閥門內(nèi)置RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中現(xiàn)場(chǎng)巡查維護(hù)管理中被維護(hù)閥門對(duì)象與操作工具之間的有效綁定，創(chuàng)新設(shè)計(jì)PE閥門現(xiàn)場(chǎng)巡查專用工具，構(gòu)建起符合《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和搶修安全技術(shù)規(guī)程》要求的在網(wǎng)PE閥門巡查管理系統(tǒng)，解決了以往閥門巡查工作中過程監(jiān)管缺失、沒有數(shù)據(jù)積累、問題處置責(zé)任難以分清等問題，并為提供產(chǎn)品質(zhì)量延伸追溯打下基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)中的PE閥門巡查需要闡述技術(shù)系統(tǒng)及管理數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，但顯然也可將管網(wǎng)中其它巡查對(duì)象及工作內(nèi)容納入管理系統(tǒng)之中。在針對(duì)PE閥門操作的專用工具設(shè)計(jì)中，后期改進(jìn)可將閥門啟閉的扭矩信號(hào)采集，乃至閥門泄漏信號(hào)采集納入其中，以進(jìn)一步提高查維工作效率。