关键词：长输管道 应力应变 自动监测 GPRS 数据传输
引言
长输油气管道沿线地质地貌错综复杂，自然条件恶劣，管道经常遭受山体滑坡、水灾、穿越、占压等高风险环境的影响，极易造成整体移位、局部变形或应力集中，从而导致较大的位移应力、屈曲或蠕变，严重时甚至导致管道断裂破坏。为解决长输油气管道受高风险因素影响而存在的力学隐患，应长输管道需要远程监控的要求，结合应力应变电测技术，笔者研制了油气管道远程力学监控系统，它可实时监控管道应力应变状态，为管道运营管理提供现实依据。
结构组成
1.硬件平台
硬件平台由各种传感器（应变片及连接桥路）、数模转换器、放大器、数据采集仪、屏蔽装置、电池组、防雷装置、无线传输模块及计算机组成,可以实现对电阻应变数据的自动采集和远程发送。
2.模块组成
硬件系统主要模块包括应变采集器、自动控制箱、无线GPRS传输模块、太阳能电池供电模块防雷模块及监控主机。软件系统主要模块包括数据采集模块、数据绘图模块、数据库维护模块、自动报警模块及网络控制模块。
3.专业软件
系统管理软件具有储存、分析、显示各种数据的功能，要素包括数学力学模型构建、时空参考系统的确定、元数据的输入、特征和层之间关系的分析、数据采集、数据分析、图表分析、空间查询、可视化表达及图形用户界面等。
4.开发平台
提供用于各种管道地理信息系统和风险环境的数学力学模型构建平台，基于各种力学理论的分析平台和用户界面。
系统功能
1.数据输入、预处理
通过用户界面输入被监测管道的特征参数,由连接于传感器的数据采集系统获得现场监测的原始数据,经初步计算,获得基本力学信息。
2.属性与参数管理
通过大型数据库系统进行有效严格的组织管理,在关系型数据库中,不同表格项通过相关项互相连接,提供管理系统高度的可扩展性和灵活的配置能力。
3.数据批处理
根据给定的力学理论,由计算机计算分析后获得各向应力曲线，主应力值及主应力方向角，土体位移量、管道位移量、土体压力等工作载荷。
4.可视化输出
管理信息系统的操作结果可以通过可视化的图形、图像及多媒体的方式直观表达。
5.链接
危险工况下的报警信号输入可直接链接于调控中心，便于紧急情况下采取相应的应急措施。
6.远程监控
长输管道应力应变自动化监测系统可实现如下远程监控功能。
（1）系统基于远程无线传输系统,配接太阳能电池组或其它蓄电池组,无需人工干预,在监控室就可以进行全天候、无间断测量,保证监测数据的实时性、可靠性。
（2）系统测量数据时在将测量结果传输给计算机的同时，还可将数据保存在应变计的内存中确保数据的安全性。
（3）在无线传输链路不能建立时,系统可以按照设定的要求自动采集数据并将结果保存在应变计的内存芯片中,线路恢复后可将数据一次性取出。
（4）电阻应变计采集单元采用总线式结构多个采集器只需1条总线串接在一起，共用1个无线传输系统，大大降低工程费用。
（5）电阻应变计采集单元基于低噪声高增益放大器与高精度A/D转换器设计，测量精度高采集单元配有温度传感器，配合温度补偿应变片可以降低温度变化对测量精度的影响。
7.数据采集
该系统可实现如下数据采集功能。
（1）传感器数据采集软件基于Windows平台全中文图形化界面，使用简便、直观。数据库采用Paradox7,稳定可靠，便于维护、备份。
（2）数据采集软件基于服务器/客户端模式无线采集系统与服务器相连，其他计算机可以客户端模式登陆到服务器，共享测量数据。
（3）数据采集软件可以自由设定巡检时间实现无人值守下数据的自动监测。
（4）软件具有超限报警功能，设定好应变计的报警门限后，测量数据超出门限时可将实时测量值发送到指定的手机上。
（5）可将测量的数据结果输出到Excel表格或指定的格式，便于数据的分析处理。
工作原理
1.应变采集器
管子表面为壳体，为准确表达管子应力状态需要在管子表面0、45、90°方向粘贴应变片，因此采用三通道应变采集器以同时采集管子在该测点的三向应力状态。它是由完全相同的3个应变采集通道、温度传感器、数据存储器、电源电路等部分组成。为保证测试结果的准确性,选用高稳定的精密电压基准源，选用放大倍数为100倍的专用仪表放大器，A/D转换器选用16位带有I2C接口的微功耗转换器。为减小基准电压源对测量结果的影响，A/D转换器的基准选用电桥的外部基准电压源。应变采集器原理如图1所示。
一般情况下,将被测管道表面视为二向应力状态,这个时候需要采用由3个应变片组成的应变花（如图1所示）,分别测得3个方向的线应变,再由广义胡克定律确定主应力。计算公式为[1]
2. 数据转换处理器
数据转换处理器的作用是在微处理器的作用下将采集的A/D转换器、温度传感器的数据转化为统一的工业总线接口，并在系统计算机的指令控制下进行数据传输、数据存储、初值设置等操作[2],其设置如图2所示。
3. 自动控制箱
自动控制箱具有控制传感器实现自动测量、自动保存数据的功能，由电源控制电路、微处理器控制电路、时钟电路、通信接口等部分组成，另设蓄电池接口和外部电源接口（DC12V），可由蓄电池供电或直接由AC220V市电经电源模块转换后供电。自动控制箱结构原理如图3所示。
4. 无线GPRS模块
通过自动控制箱加接无线GPRS模块，在移动网络覆盖的地方，利用GPRS方式进行数据传输，可以实现数据的远程传输与控制，其原理见图4。
GPRS可以全国漫游,并且不收取漫游费用;时时在线,按流量计费,费用低廉,在没有数据通讯时不收费。待监测设备通过GPRS连入Internet后,可以在任何一个接入Internet网的地方对系统进行实时监控。GPRS的工作过程:GPRS拨号上网时,移动公司GGSN分配GPRS模块1个IP地址（静态或动态、公用或私有,目前中国移动提供的是动态的IP）。数据中心计算机连接到Internet后,也会分配给1个IP地址。GPRS模块通过Internet向数据中心的IP地址发起呼叫,数据中心计算机响应后即可建立1条TCP/IP连接链路,于是数据中心和GPRS模块就可相互通信了。
结 束 语
油气管道力学状态的研究和力学监控系统的开发是一个多学科、多分支且综合程度很高的课题,涉及到力学、地理学、数学、控制学、计算机技术等多个学科，且针对不同的高风险因素涉及到不同的方式和方法。对某一条具体的管道而言，首先应该总结不同管段所受到的高风险灾害类型和程度,分门别类，建立所选管道在高风险区重点区域的准确数力模型及灾害类型数据库，并根据灾害特点、频发周期和灾害程度，确定该处管道的极限风险允许条件。最后根据现场试验，建立管道远程力学综合监控体系。
目前，基于以上理论的力学监控系统正用于兰成渝管道高风险区力学监测，并在进一步完善当中。系统涉及到应变片、传感器、数采仪的埋置,信号的发射、接收、现场电力供应、数模转换的配置、监测点管道的准确定位等多项技术，此系统的建立和完善将填补我国管道力学监测的空白。基于此系统的附属软件将对各种不同高风险因素所致灾害类型下管道的力学状态进行实时计算处理,并根据灾害类型数据库、管道状态（压力、埋深、走向等）数据库等实时判定该监测点的安全状态,根据安全评价状态进行定时预报和监控，是一个较为复杂的系统软件。
参 考 文 献
[1] Young W C，BudynasR.G，Roark‘s Formulas for Stress and Strain.Printed in United States of American,2001:53-67.
[2] 李华，程瑞琪 计算机控制技术 兰州:兰州大学出版社，2002:129-154.
长输管道应力应变自动化监测系统研究
