露天礦排水管道防凍防漏智能監(jiān)測(cè)方案

海素峰，馬忠云，王晗，張周愛，于海旭

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神寶能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.國(guó)家能源集團(tuán)神華科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100240）

國(guó)內(nèi)東北地區(qū)冬季嚴(yán)寒，最低氣溫可達(dá)-48 ℃，露天煤礦室外排水管道冬季易凍結(jié)冰或破漏，影響生產(chǎn)。尤其在冬季嚴(yán)寒氣候環(huán)境下發(fā)生管道內(nèi)部?jī)霰蚱坡r(shí)，檢修人員需沿著數(shù)公里長(zhǎng)的管線憑經(jīng)驗(yàn)沿途查找故障點(diǎn)，需要破除掉管道上面覆蓋著的泥土層及煤層，很難準(zhǔn)確找到故障點(diǎn)，給搶修工作帶來極大的不便[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)輸水管道的監(jiān)測(cè)僅停留在對(duì)整根管道系統(tǒng)的壓力、溫度及流量的顯示，其目的是顯示管道系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而不能作為一種檢修查找管道內(nèi)部介質(zhì)運(yùn)行故障的判斷及處理手段[4-5]。為此，提出了一種排水管道智能檢測(cè)方案。

1 智能化監(jiān)控目的及預(yù)期目標(biāo)

露天礦室外排水管道智能化監(jiān)控的目的是在管路系統(tǒng)出現(xiàn)凍裂、泄露等問題的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)管路系統(tǒng)主動(dòng)定位報(bào)警，能正確分析管路系統(tǒng)中的異常狀況，并把分析數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至檢修人員，采用智能巡檢機(jī)器人快速查找故障點(diǎn)，檢修人員及時(shí)消缺，在冬季檢修人員可避免長(zhǎng)時(shí)間暴露在室外，造成凍傷事故和次生傷害。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程各種智能化運(yùn)行調(diào)度算法，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的溫度、壓力信息進(jìn)行排水的預(yù)調(diào)節(jié)。通過遠(yuǎn)程不斷的升級(jí)控制系統(tǒng)，將管道系統(tǒng)建設(shè)成一個(gè)動(dòng)態(tài)升級(jí)的系統(tǒng)[6]。不斷的升級(jí)和改進(jìn)系統(tǒng)的趨勢(shì)算法和服務(wù)器端的控制算法，提高事故點(diǎn)定位精度，利用機(jī)器人代替人工巡檢，提供工作效率，降低人力成本。預(yù)期目標(biāo)為：①對(duì)管道進(jìn)行智能化配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程室內(nèi)監(jiān)控，利用智能機(jī)器人巡檢，有效減輕檢修維護(hù)工作強(qiáng)度，保障冬季運(yùn)行的生產(chǎn)安全；②減少了值班維護(hù)工人數(shù)量，使人工成本得到有效降低，工作效率得到提高；③通過使用新型輕質(zhì)管材替代厚重鋼管，降低管道施工成本及維護(hù)成本；④使檢修人員隨時(shí)了解管道情況，對(duì)推廣智能化生產(chǎn)手段、普及智能化知識(shí)、營(yíng)造良好的科技氛圍產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用；⑤總結(jié)極寒露天煤礦排水管道先進(jìn)智能化監(jiān)控涉及的相關(guān)技術(shù)，并形成專利。

2 智能化監(jiān)控技術(shù)方案

技術(shù)研究方案涉及智能化監(jiān)測(cè)、探測(cè)及多傳感器智能融合、智能凍漏點(diǎn)預(yù)測(cè)及智能無損解凍技術(shù)等領(lǐng)域。利用管道上的測(cè)點(diǎn)，PLC 系統(tǒng)在電腦終端上顯示整根管道的運(yùn)行狀態(tài)；系統(tǒng)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、報(bào)警提示功能，減少人員干預(yù)[7]；對(duì)露天煤礦排水管道系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)智能化值班檢修；用戶可以使用任意終端訪問Web 服務(wù)來使用系統(tǒng)，展示手段分為Web 展示和APP 展示，Web 支持IE 常用瀏覽器，APP 支持Android 操作系統(tǒng)。

2.1 智能化監(jiān)控系統(tǒng)

技術(shù)路線為以總長(zhǎng)2 800 m 的排水管道為基礎(chǔ)，管道規(guī)格型號(hào)：φ315mm×16 mm，管道壓力2.0 MPa，采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易施工的新型鋼絲網(wǎng)骨架塑料管道，管道鋼韌平衡性較高，連接方便，較鋼管施工簡(jiǎn)單，適宜地埋長(zhǎng)距離輸送用的管道類型；管道表面加裝光纖、壓力、流量等測(cè)點(diǎn)，對(duì)管道進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；室外管道巡檢采用履帶式智能巡檢機(jī)器人；室外的融冰解凍采用一種安全的快速無損解凍技術(shù)。直埋控制設(shè)備防護(hù)等級(jí)選擇IP67，直埋電纜及光纜選擇鎧裝纜并統(tǒng)一裝入防水防潮線纜管，延管道鋪設(shè)，連接器選擇IP67 防護(hù)等級(jí)。管道壓力、溫度采集系統(tǒng)可采用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等多種智能技術(shù)監(jiān)控手段[8]。

排水管道智能化監(jiān)控系統(tǒng)包括：①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：主要包括處理數(shù)據(jù)和運(yùn)行上位機(jī)的計(jì)算機(jī)、上位機(jī)軟件、路由器、云端軟件；②光電轉(zhuǎn)換模塊：包括光交換機(jī)和光纖收發(fā)器，其中光交換機(jī)負(fù)責(zé)將28 路光纖的信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，光纖收發(fā)器將采集卡的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖信號(hào)；③線纜：包括光纜和電纜，光纜為60 芯，每路采集節(jié)點(diǎn)用2 芯光纖，共56 芯光纖，預(yù)留4 芯，電纜為2 芯，截面積為10 mm2，以保證較小的線阻給傳感器供電；④傳感器：節(jié)點(diǎn)共有28 個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括1 個(gè)壓力傳感器、1 個(gè)溫度傳感器、1 個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，這些傳感器節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成采集系統(tǒng)的核心；⑤供電系統(tǒng)：包括1 個(gè)500 W 的開關(guān)電源和28 個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊，開關(guān)電源電壓為72 V，以保持較小的線損，電壓轉(zhuǎn)換模塊選擇寬電壓輸入，以保證全線路可靠電壓轉(zhuǎn)換。

2.2 室外履帶式智能巡檢機(jī)器人

室外智能巡檢機(jī)器人具備自動(dòng)掃描、自動(dòng)避障、脫離保護(hù)、自主導(dǎo)航、雙向?qū)χv、設(shè)備檢測(cè)等功能，機(jī)器人日?？稍谥付ǖ膮^(qū)域，按照設(shè)定路線和速度進(jìn)行24 h 全天候無間斷自主巡邏，履帶驅(qū)動(dòng)，速度10 km/h，定位精度±2 cm。通過無線基站，把采集數(shù)據(jù)與檢修室內(nèi)主機(jī)信息互聯(lián)，主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出管道某點(diǎn)位故障報(bào)警（管內(nèi)結(jié)冰，泄露，溫度及壓力會(huì)發(fā)生變化），會(huì)同時(shí)傳到機(jī)器人無線接收器上，主機(jī)控制系統(tǒng)下達(dá)立即巡檢行動(dòng)指令，機(jī)器人可快速第一時(shí)間趕到管道事故點(diǎn)，機(jī)器人通過搭載的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高清紅外攝像平臺(tái)，通過攝像頭精確指出已埋設(shè)的管道內(nèi)故障位置，傳遞回事故地段的現(xiàn)場(chǎng)影像，并發(fā)出刺耳聲光報(bào)警，檢修維護(hù)人員可隨后驅(qū)車根據(jù)車載導(dǎo)航或智能手機(jī)上顯示機(jī)器人的位置，輔以聲光引導(dǎo)，快速找到機(jī)器人，對(duì)管道事故位置進(jìn)行處置。

2.3 無損解凍技術(shù)

無損解凍技術(shù)是將設(shè)備電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化熱能的技術(shù)。技術(shù)方案采取將多個(gè)高功率卡箍式電磁環(huán)套在管道事故位置上，通過車載電池通電，電磁環(huán)形成了類似磁感應(yīng)線圈的功能，磁場(chǎng)在中心位置強(qiáng)度最大，線圈產(chǎn)生的熱量由管道中心沿管道徑向變化，在一定時(shí)間內(nèi)將管道內(nèi)部的冰融化排出。此技術(shù)不破壞管道外層，可使凍堵管道處解凍恢復(fù)正常，解凍裝置可以使用高效車載儲(chǔ)能鋰電池供電，冬季工人檢修時(shí)，解凍裝置設(shè)置好時(shí)間、溫度等參數(shù)后，自動(dòng)運(yùn)行融冰，檢修工人可在車內(nèi)開著暖風(fēng)休息，室外通電熔融管道堵點(diǎn)，車內(nèi)檢修人員手機(jī)或平板電腦上會(huì)顯示管道凍堵處的壓力、溫度變化，待以上參數(shù)正常后，表明管道已疏通，可拆卸管道上的設(shè)備，回填管道外表處的保溫土，即可開車離開，大大縮短了冬季戶外檢修時(shí)間。

3 控制系統(tǒng)功能及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)

通過對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)壓力、溫度等關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、監(jiān)測(cè)，分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，定準(zhǔn)故障點(diǎn)，及時(shí)向值班檢修人員個(gè)人終端（智能手機(jī)）發(fā)出預(yù)警，基于智能手機(jī)的便攜終端控制中心，可以方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)查詢、調(diào)度指令會(huì)商、領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況的關(guān)注等功能，實(shí)時(shí)顯示故障位置圖像，檢修人員在冬季夜間宿舍內(nèi)利用智能手機(jī)通過云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以交互信息實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)對(duì)管道系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制。冬季白天室內(nèi)值班，管道運(yùn)行情況可在PC 電腦上顯示，利用智能機(jī)器人代替人工巡檢，減少室外巡檢時(shí)間，管道出現(xiàn)故障，機(jī)器人第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，定時(shí)定點(diǎn)處理，采用新型融冰技術(shù)，減少室外檢修時(shí)間，提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人身安全隱患。

3.2 控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）基于多傳感器融合的凍點(diǎn)和漏點(diǎn)定位技術(shù)。該技術(shù)利用定位定向技術(shù)中常用的擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）以及支持向量機(jī)的方法（SVM）用于管線中的凍點(diǎn)和漏點(diǎn)進(jìn)行趨勢(shì)定位，通過融合壓力和溫度傳感器的變化達(dá)到比較高的定位精度。

2）管道凍點(diǎn)和漏點(diǎn)智能預(yù)測(cè)技術(shù)。利用深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)的方法，云端存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)集標(biāo)簽，訓(xùn)練基于時(shí)間和位置序列的上凍及漏水模型，提前預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的凍點(diǎn)和漏點(diǎn)。

3）系統(tǒng)根據(jù)需求設(shè)定報(bào)警參數(shù)的上下限，當(dāng)測(cè)量值超過上下限時(shí)，自動(dòng)上報(bào)報(bào)警數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警 為了保證系統(tǒng)的故障處理的及時(shí)性，對(duì)軟件內(nèi)的報(bào)警功能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，在報(bào)警方式和模式上有多種方式，具體如下：報(bào)警信息種類，報(bào)警優(yōu)先級(jí)，報(bào)警處理顯示，報(bào)警警報(bào)，報(bào)警確認(rèn)，報(bào)警記錄。

4 結(jié)語

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)露天煤礦室外排水管道冬季運(yùn)行易凍堵、破漏，檢修維護(hù)困難，提出了一種排水管道智能檢測(cè)方案；通過云數(shù)據(jù)平臺(tái)交互信息，人機(jī)互聯(lián)，人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，利用智能機(jī)器人代替人工巡檢，對(duì)發(fā)現(xiàn)問題可及時(shí)采取治理措施，快速消除故障及安全隱患。