管道沉降实时检测预警系统
解 决 方 案
深圳市施罗德工业测控设备有限公司
2012年10月
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目 录
第1章 项目总体概述................................................. 3
1.1 现状分析 .................................................... 3 1.2 系统特点 .................................................... 4 第2章 需求分析..................................................... 6
2.1.1 项目概况............................................... 6 2.2 实现目标 .................................................... 6 第3章 方案设计..................................................... 6
3.1 系统结构 .................................................... 6
3.1.1 系统总体框架........................................... 6 3.1.2 安全防御系统示意图..................................... 7 3.2 系统原理 .................................................... 8 3.3 系统组成 .................................................... 9 3.4 系统工作流程 ............................................... 10 第4章 详细设计.................................................... 10
4.1 与管理中心通信 ............................................. 11 4.2 安装、调试 ................................................. 12
4.2.1 设备安装.............................................. 12 4.2.2 施工技术要求.......................................... 13 4.3 现场调试 ................................................... 14 4.4 系统升级、维护 ............................................. 15
4.4.1 系统维护措施.......................................... 15 4.4.2 系统特点.............................................. 15
第5章 系统配置清单................................................ 15
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第1章 项目总体概述 1.1 现状分析
长距离管道的位移，沉降形变将对管道排水管线的正常传输，以及运行的安全与管道寿命造成巨大的影响。目前国内外对长管线进行移监测主要采用精密的大地测量方法，这种方法精度虽然可以很高，但是仅对长线上各点在不同时间上逐点测量，不是在同一时间获取。因此获取位移信息的安全性不高，且时间较长，达不到实时监控的目的。另一种是比较简单的力学方法，即通过测量管线轴向应力或微形变推测管线的位移值。这种方法只有当管线的支撑点比较确定的情况下可以使用且精度不高。因此当管线较长时，计算出的数据有时会造成很大误差，无法使用。
管道沉降不仅影响管道排水的正常功能，还能导致管道泄漏，管道泄漏不仅会造成资源损失和环境污染,因此对管道进行实时监测,及时发现泄漏和预报隐患就显得十分重要。 目前管道泄漏的监测方法主要有基于管内压力、流量、温度和管壁完好程度检测的管内智能爬行机法;基于泄漏产生的物理现象检测的声波、负压波、应力波检测法;利用热红外成像、气体成像、探地雷达的地面间接检测法。 这些方法存在或者定位难,或者不能提前预报泄漏隐患等缺点。针对上述问题,我公司提出了一种利用分布式神经元传感缆对输送管道的位移及泄漏进行实时在线监测的技术。
神经元传感缆是一种信号缆式传感器,它具有同时获取在神经元传感缆区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力。 利用这一特性,在输送管道铺设
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的同时铺设一条特种传感缆,利用神经元传感缆作为传感器,拾取管道周围的压力、温度和振动信号,通过对信号的分析和处理,对输送管道泄漏、附近的机械施工和人为破坏等事件进行迅速判断和准确定位,提高管道的监测水平。
1.2 系统特点
本系统不需要通过复杂的距离、角度测量及位移的计算过程，同时利用神经元传感缆具备位移传感器，压力传感器，温度传感器的特性，实时监测管道排水管线水平位移和沉降数值，并把管道排水管线水平位移和沉降工况在计算机显示屏上形象直观的显示出来，依次来显示水平位移和沉降的实际工况。因此，人们可以在任何时刻同时观察到管道排水管线上各点位移数值及其分布及各点位移相互影响的关系，他们的发展趋势及变化速度，通过这种管道安全信息的提供，方便决策者及早采取必要的措施把事故消灭在产生之前。
借助物联网技术，通过随地下管线埋设神经元传感缆，实时感应监测管道排水管道实际沉降情况，及时将信息传回检测控制预警中心，对于发生险情的管道，提前做好管线抢险预案，防患于未然。
本系统具有以下优点：
? 分布传感，技术先进---在整个连续神经元的长度上，任意一点都是“传感 器”； ? 实时监控，定位准确---在线实时监测，响应迅速，克服漏测和难以定位弊端； ? 结构简单，可靠性高---传感神经元传感缆既传输光，又传感，故障少，可维
护性好，可靠性高；
? 配置灵活，使用方便---系统配置和参数可按用户具体需求调整，方便灵活，
运行成本低；
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? 性价比高，测点分布 于整个神经元传感缆，系统成本远远低于采用传统点式
监测系统的价络。
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第2章 需求分析 2.1.1 项目概况
我公司提出的神经元传感缆传感预警系统解决方案。通过神经元传感缆感应管道位移情况，把管道沉降过程中发生的位移情况传输至监控室主机。通过监控主机上的监测软件实现报警监测，GIS 位置确认，并把报警信号实时传输至监控中心，以达管道沉降进行预警监测目的。解决方案主要特点 为利用神经元传感缆作为现场传感器件，本身无源、耐高温高压、无电磁辐射、维护方便 简单、监控距离长，灵敏度极高。另外，它的性价比高，性能稳定，可靠性高， 非常适合排水管道等重要管道的预警监测。
2.2 实现目标
? 及时将管网沉降信息采集，并返回管理中心； ? 管理中心收集到超过界限的沉降信息后，及时报警；
? 管理中心GIS图显示出现故障的具体位置，以便工作人员维护。
第3章 方案设计 3.1 系统结构 3.1.1 系统总体框架
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传感器可以配置于任何长度的神经元传感缆，即可以进行点传感，也可以在非常长的距离上（超过 50km ）进行分布式传感。该技术的主要优势之一就是能够根据的应用变动传感距离。这一优势在与长距离通信系统共同工作时尤为重要。
当排水管道发生沉降，定位在管道上的神经元传感缆会随着管道发生形变，在内传输的信号相位会随之改变，通过解调仪对传输回来的信号进行解调，将此信息通过3G传输回管理中心，管理中心将生成管网沉降状况分布图。管理预警中心根据发生沉降的严重情况进行现场处理或继续观察。
3.1.2 神经元传感缆安全防御系统示意图
该技术另外一个主要特性是配置灵活性，该技术不受波长的约束。因此该技术可以与现有通信线集成，而不要求敷设新的电缆，使整体的投资性价比提高。
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3.2 系统原理
神经元传感缆振动传感报警系统通过监测环境应力对神经元传感缆的影响，分析管道沉降信息，进行判断和定位报警。它的独特性在于：采用的无源神经元传感缆传感技术使得系统在不需要任何户外有源器件的情况下能够提供长距离监控；系统特定的信号处理系统能够瞬间有效排除外界干扰，提供实时、可靠的入侵报警，使得相关人员能够迅速准确做出相应的行动。
当排水管道发生沉降时,神经元传感缆会随着管道发生位移,使神经元传感缆发生弯曲和抖动,导致辐射模增大或减小,损耗发生变化. 同时当排水管道附近有机械施工或人为破坏时,也会对神经元传感缆施加作用力,损耗和输出也会发生变化。
当排水管道发生泄漏时,泄漏出的高温高压流体或气体使环境温度发生变化,同时还会对附近的神经元传感缆施加作用力,使神经元传感缆发生弯曲和抖动,导致辐射模发生变化. 当管道附近有机械施工或人为破坏时,也会对神经元传感缆施加作用力,使神经元传感缆的损耗和输出功率发生变化. 利用这一特性,通过对神经元传感缆输出功率频谱的分析,判定排水管道是否有泄漏等事件的发生,通过
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对背向散射信号的测量来进行定位，测算位移大小，并与管理中心通信，发出报警。
3.3 系统组成
? 管理中心： 管理中心完成各采集点数据的接收、展示、分析、调度等功能，
这些功能将在后续章节中详细描述。为了达到较好的演示效果，将利用液晶大屏，结合ARCGIS地理信息系统，图形化的展示管道沉降实时信息。 ? 现场监控室：现场监控室由监控柜和监控设备组成，现场监控柜是防雨防高温
型的，现场监控室采集到管网现实情况，现场工作人员可根据这些数据作出处理方法。作为感知层信号采集、传输枢纽，获取振动传感信息，通过监测软件对信息进行判断。若发生管道沉降、即刻报警，把信号传输至监测预警中心。 ? 传感器：神经元传感缆即为传感器件，神经元传感缆与终端盒桥接形成信号回
路。
? 传输设备：采用RTU进行传输，RTU采集解调仪上的输出信号，并通过无线传
输方式，将信息传回给管理中心。
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3.4 系统工作流程
外接振动检测干涉信号还原振动信号报警判断Yes定位振动点No存储事件存储报警事件报警输出联动
如流程图，当管道发生沉降时，神经元传感缆传感器会出现振动干扰，当出现振动或者断裂告警时，系统进行检测，并将预警信息及时传递到中心平台，由平台进行联动告警处理。
第4章 详细设计
系统的设计示意，如下图所示。
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如上图所示，神经元传感缆沿着排水管道铺设，其位置位于管道壁上，三根信号缆围绕管道铺设。当有第三方破坏发生时，沉降发生时引起的变化会被神经元传感缆监控系统捕捉到，系统报警并给出沉降位置。
4.1 与管理中心通信
神经元传感缆沉降预警系统对沉降的检测是24 小时候不间断的，实时监测管道沉降情况，当沉降产生时，报警信息通过基于UDP 协议的网络传输方式传送至平台，平台接收到入侵报警信息后，进行统一管理。这样，可以实现立体化反应迅速的沉降预警管理系统，保证实时可靠，报警信息主要包括了报警状态、沉降位移、报警地点、报警时间这四个数据，一并打包发送。可使用有线宽带ADSL，无线GPRS/CDMA 方式，局域网等与管理中心进行通讯，本次选用GPRS进行通讯，如下图所示。
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GPRS/CDMA警报信息包：状态，振动强度，地点，时间4 U监控中心
4.2 安装、调试 4.2.1 设备安装
4.2.1.1现场监控柜
需在现场设置安装一个现场监控柜（要求防雨防高温），并带能支持8小时工作的后备电源。设备全部放置在现场检控柜内，市电接入、神经元传感缆解调仪、神经元传感缆配线架、都放置在内，神经元传感缆由此柜引出。
4.2.1.2神经元传感缆埋设
需要神经元传感缆的长度根据实际情况（主要是管道和监控室的距离以及是否采用传感双缆形式）计算得到，要完成整条管线的铺设神经元传感缆需要连接，神经元传感缆与接续盒连接时采用连接方式，具体桥接方式和要求参见详细施工说明书，并同时根据不同行业的国、行标进行规范处理，包括神经元传感缆铺设的规范及埋设规范要求。
神经元传感缆经过某些特殊地段时，如河流、铁路等，宜采用套管埋地形式。
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神经元传感缆的埋地深度与管道一致，采用穿管形式，管材为PVC 管或不锈钢管，直径3 厘米。如下图所示。
4.2.1.3 传感器
神经元传感缆即为传感器件，神经元传感缆与终端盒熔接形成激光回路。神经元传感缆埋设施工完即以完成。
4.2.2 施工技术要求
（1）严格按施工图纸施工，在保证系统功能质量的前提下，提高工艺标准要求，确保施工质量。
（2）预埋（留）敷设的管（盒）位置准确，无遗漏。
（3）管道、线槽、桥架整齐、美观、牢固，管道连接处清洁，电气连接严密。
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（4）设备安装牢固、美观，顶装设备横竖成列，墙装设备端正一致、齐全，完整无遗漏，各种现场变更手续完整有效。 （5）弱电线缆不得与强电走同一预埋管。 （6）所有有线缆敷设中间不得有接点。
4.3 现场调试
系统施工、安装完毕后，即可根据系统图纸、施工图纸及系统技术要求和我们编制的调试大纲对神经元传感缆传感系统进行调试。系统的调试必须达到设计指标。经反复调整仍不能达到指标的，找出原因进行整改或返工。直至满足设计要求为止，调试主要为以三方面：
1）系统单项设备调试
系统使用的所有设备进行设定、调试，以确保其安全、稳定运行。在单项设备调试中，要注意同类同型号设备性能的一致性。某些同类同型号设备性能不能调试一致时，如果估计会影响系统整体性能，应考虑更换或设法用与其相连接的设备或部件进行补偿。
2）主控仪系统灵敏度调试
开启主控仪，静态观测，设定系统的灵敏度。实际测试当有风有雨、路上车辆经过、出入口人员走动、车辆开动时系统不发生报警；当有实际沉降发生时能精确定位。
3）与管理中心报警信息上传调试
实际产生报警信号，当报警系统信号产生时，报警信号即刻上传至监控管理中心。
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4.4系统升级、维护 4.4.1系统维护措施
1) 定期进行监控室现场设备清洁、检查。利用系统监测软件查询系统状态。 2) 移动监控室相关设备时，须注意各项接口是否牢固。
3) 当第三方破坏，挖断神经元传感缆时，利用接续盒进行标准联接，维护简单。
4.4.2 系统特点
? 监控距离长、范围大，采用普通神经元传感缆，监控距离可长达 50 公里； ? 室外不需供电，不需避雷，安装维护方便；
? 神经元传感缆即可用于传感报警，亦可用于通信传输； ? 报警敏感度高，定位精确；
? 维护方便，神经元传感缆断裂即刻报警，通过简单修复即可重新使用； ? 大量实验数据支撑，多参数智能分析，误报率低； ? 全天候运行，实时监控; 反应迅速，实时报警；
? 适合复杂地形：不受地形的高低、曲折、转弯、折弯等地形环境限制。
第5章 系统配置清单
? 信号解调仪： ? 神经元传感缆： ? 终端盒： ? 防雨晒室外柜：
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? 传输设备DTU： ? 神经元传感缆配线架： ? UPS：
说明：详细系统配置根据项目情况而定
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