長輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)

1、長輸管道陰極愛護(hù)監(jiān)測與診斷系統(tǒng) 引言長輸管道陰極愛護(hù)是管道日常治理的重要工作內(nèi)容，要緊包括兩個方面的工作，既陰極愛護(hù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和陰極愛護(hù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析。長期以來,由于線路長、監(jiān)測點(diǎn)分散、交通不便，監(jiān)測工作實(shí)施與治理難度高，工作量大，為此,國外在上世紀(jì)780年代首先開始進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測方面的研究,要緊采納的技術(shù)方案是飛機(jī)遙測和衛(wèi)星通訊遙測,這些技術(shù)的運(yùn)用，在一定程度上，達(dá)到了提高監(jiān)測效率，降低勞動強(qiáng)度的目標(biāo),但高昂的數(shù)據(jù)采集成本限制了此類技術(shù)的應(yīng)用。在數(shù)據(jù)分析方面,美國環(huán)境總署曾經(jīng)組織了有關(guān)的專家,建立一套陰極愛護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)軟件,該軟件包括:腐蝕防護(hù)的教育和智能性專家診斷系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄

2、、智能性專家診斷、設(shè)備查詢、日常治理確定敏感地區(qū)的管道位置,以便發(fā)生故障時，及時提供相關(guān)的詳細(xì)資料。同時也可提供管道事故的預(yù)警信息。便于治理部門及時準(zhǔn)確的了解有關(guān)的陰極愛護(hù)信息,也便于具體執(zhí)行人員的自檢和系統(tǒng)陰極愛護(hù)的信息積存。陰極愛護(hù)技術(shù)具有較強(qiáng)的專業(yè)性,當(dāng)前國內(nèi)管道治理部門的陰極愛護(hù)專業(yè)工程技術(shù)人員不足,而需要治理的管道卻在不斷增加,因此,通過采納新技術(shù)手段,提高陰極愛護(hù)治理的水平成為進(jìn)展的必定。 長輸管道陰極愛護(hù)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)架構(gòu)陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)是一套面向陰極愛護(hù)領(lǐng)域的無線遠(yuǎn)程智能在線監(jiān)控和專家決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)（GIS)為治理平臺,以SQLSERVER數(shù)據(jù)庫作為

3、系統(tǒng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,以公共無線數(shù)據(jù)通訊方式（GPR/SM）和其他有線通訊方式相結(jié)合的方式為數(shù)據(jù)傳輸手段，以低成本的方式實(shí)現(xiàn)遙測和遙控；該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對管道等被愛護(hù)體愛護(hù)狀況的在線檢測,同時能夠通過遠(yuǎn)程監(jiān)控方式隨時監(jiān)視并調(diào)整恒電位儀的工作狀態(tài)，配合陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析,能夠使得整個陰極愛護(hù)系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)，最大限度的起到愛護(hù)的作用。1)系統(tǒng)工作流程用戶通過GIS應(yīng)用程序提供的電子地圖、圖表和報(bào)表,能夠直觀的觀看到管道沿線愛護(hù)情況,同時能夠通過專家系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策,關(guān)心用戶分析陰極愛護(hù)系統(tǒng)中相關(guān)部分故障的緣故和應(yīng)對措施。恒電位儀數(shù)據(jù)通過有線通訊方式,利用用戶原有通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到異地

4、的中心機(jī)房服務(wù)器，最后通過服務(wù)器中對應(yīng)的后臺服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)處理。關(guān)于沒有有線通訊條件的恒電位儀，其數(shù)據(jù)通過PS無線通訊方式進(jìn)行傳輸。智能電位采集終端將采集的電位數(shù)據(jù)通過GPS無線通訊方式傳送到ITRNET網(wǎng)上，通訊協(xié)議采納C/P，數(shù)據(jù)通過INTENE網(wǎng)傳送到服務(wù)器中，最后通過服務(wù)器中對應(yīng)的后臺服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)處理。后臺服務(wù)程序在數(shù)據(jù)處理時，同時完成數(shù)據(jù)的存儲、通訊和與G系統(tǒng)的信息交換工作。在GIS系統(tǒng)不工作時,能夠?qū)崿F(xiàn)自動的數(shù)據(jù)同意和信息下發(fā)功能。滿足數(shù)據(jù)采集無人的要求。圖 系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖)系統(tǒng)構(gòu)成治理中心服務(wù)器系統(tǒng)軟件： 陰極愛護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控專家系統(tǒng)軟件 1套 Wi

5、dows ever2003 1套 SQSver20 套硬件： 服務(wù)器1臺 1個Iteret靜態(tài)I地址的寬帶接入1條 (GP通訊)短信接收模塊及短信中心手機(jī)卡 1套（SM通訊)陰保站恒電位儀系統(tǒng)每個陰極愛護(hù)站需要配備一套陰極愛護(hù)電源系統(tǒng),每套陰極愛護(hù)電源系統(tǒng)由如下設(shè)備構(gòu)成： HF數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀 2臺 YH1操縱柜1臺 恒電位儀通訊轉(zhuǎn)換器視現(xiàn)場情況確定。智能電位采集系統(tǒng)每個電位采集點(diǎn)需要配備一套智能電位采集系統(tǒng)，每套智能電位采集系統(tǒng)由以下設(shè)備構(gòu)成: 智能電位采集儀1臺 長效參比電極 只 水泥樁或鋼樁1個2 長輸管道陰極愛護(hù)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)要緊功能陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)結(jié)合地理信息系統(tǒng)（S)技

6、術(shù)、專家系統(tǒng)(Prolog）技術(shù)、無線通訊(PS/GS）技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了被愛護(hù)體及其附屬設(shè)施的維護(hù)、終端設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙控、圖形化的治理、數(shù)據(jù)的查詢與分析以及對出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷等功能。在線監(jiān)控專家系統(tǒng)的主界面如下圖,從界面中能夠直觀的查看管道的走向、設(shè)備的位置以及異常檢測點(diǎn)的專門顯示，從而有利于及時掌握陰極愛護(hù)的運(yùn)行情況。圖4 陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)主界面其要緊功能包括:專家診斷系統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)部集成的陰極愛護(hù)專家系統(tǒng),能夠在充分利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，有效地對陰極愛護(hù)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行診斷，并給出故障發(fā)生的緣故和相應(yīng)的處理意見，從而給故障排查和維修提供了依據(jù)，提高了科學(xué)性和準(zhǔn)確性

7、。圖4 在I界面直接調(diào)用專家診斷功能圖 統(tǒng)計(jì)查詢界面中關(guān)聯(lián)診斷功能圖6 圖形對比診斷界面圖 故障診斷界面圖8 故障診斷報(bào)告報(bào)警功能及動態(tài)響應(yīng)設(shè)備自動上傳的數(shù)據(jù),治理軟件自動檢測報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)超出限定值時，標(biāo)記該記錄為報(bào)警記錄，同時在電子地圖中相應(yīng)的設(shè)備圖標(biāo)標(biāo)記為紅色,以警示治理者對該監(jiān)測點(diǎn)附近管道的運(yùn)行情況進(jìn)行排查。數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)提供了對歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖表統(tǒng)計(jì)的功能,圖表分為時刻圖表和里程圖表。時刻圖表反應(yīng)某檢測點(diǎn)電位的歷史變化情況,里程圖表通過管道沿線各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠反映整條管道愛護(hù)效果的變化趨勢。圖9 智能電位采集儀愛護(hù)電位-時刻圖表圖10 智能電位采集儀交流干擾電壓-時刻圖表圖1

8、1 恒電位儀輸出電壓、電流、愛護(hù)電位綜合圖表圖1 管道沿線愛護(hù)電位-里程圖表圖13 管道沿線恒電位儀輸出電壓里程圖表設(shè)備監(jiān)控治理以管道、管段的分類方式對設(shè)備進(jìn)行分組治理,實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的維護(hù),設(shè)備包括智能采集儀、恒電位儀、犧牲陽極、一般電流樁、一般電位樁等，其中能對智能電位采集儀和恒電位儀進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，遠(yuǎn)程操縱命令包括設(shè)備對時、參數(shù)設(shè)置、即時采樣、采樣時刻設(shè)置等。地理信息系統(tǒng)平臺地理信息包括地圖的差不多操作(地圖縮放、移動、面積和距離測量、圖元設(shè)備的選擇和移動等)，管道的繪制、監(jiān)測設(shè)備的選擇及注釋信息的維護(hù)等功能;屬性信息包含操作員治理、權(quán)限治理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)治理等功能。陰極愛護(hù)日常記錄維護(hù)系統(tǒng)中提

9、供了常數(shù)管線日常維護(hù)記錄的錄入和保存功能，如管道防腐層絕緣電阻檢測記錄、管道防腐層大修記錄、土壤理化性分析記錄等，通過查詢、分析日常記錄能進(jìn)一步掌握管道的運(yùn)行情況。系統(tǒng)操作日志維護(hù)提供了操作員的操作日志和設(shè)備的通訊情況日志，便于系統(tǒng)的維護(hù)和對操作員的監(jiān)督。管道愛護(hù)電位監(jiān)測智能電位采集儀智能電位采集儀應(yīng)用了無線通訊技術(shù)、低功耗技術(shù),實(shí)現(xiàn)了管道愛護(hù)電位的自動檢測、數(shù)據(jù)采集與傳輸。支持GPS、GSM無線數(shù)據(jù)通訊方式。每天定時自動采集和上傳數(shù)據(jù),支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲。支持連續(xù)檢測，采樣頻率達(dá)到1條/秒,能夠有效檢測雜散電流干擾。支持?jǐn)嚯姕y試檢測,采樣頻率達(dá)到0條秒。低功耗設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)1年內(nèi)無需更換電池。穩(wěn)定

10、可靠,主機(jī)同意埋地或在水下使用?，F(xiàn)場安裝形式多樣，滿足防盜需要,測試樁形式有水泥測試樁和鋼管測試樁。安裝方便,免維護(hù)。圖14 智能電位采集儀及其在西二線和川氣東送現(xiàn)場安裝圖恒電位儀遠(yuǎn)程監(jiān)控IHF數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀IHF數(shù)控高頻開關(guān)恒電位儀的要緊功能特點(diǎn)如下:采納全數(shù)字操縱高頻開關(guān)電源技術(shù)。數(shù)字通訊接口,易于聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。中文液晶顯示，操作簡便。工作參數(shù)自保持，可實(shí)現(xiàn)無人值守。操縱精度高,工作范圍寬。流經(jīng)參比電極電流小，參比電極抗干擾能力強(qiáng)。體積小、重量輕，約為相控電源的1/5 。整機(jī)效率較高，效率較可控硅提高20以上。電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性較好。使用維護(hù)方便 。陰極愛護(hù)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)關(guān)

11、鍵設(shè)計(jì)1)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)采納B/S架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采納SQLSRVE,地理信息系統(tǒng)采納ARCGS，專家系統(tǒng)采納RO,開發(fā)工具采納C.NET?？傮w設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)如下:將在線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（恒電位儀、智能電位采集儀等）隨時體現(xiàn)在用戶使用操作的GI平臺上,將靜態(tài)的GIS系統(tǒng),提升為動態(tài)系統(tǒng)，滿足使用與治理的需要。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，是通過設(shè)計(jì)專用的后臺服務(wù)程序，在完成數(shù)據(jù)通訊的同時,動態(tài)刷新S信息，將在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時呈現(xiàn)給用戶。專家系統(tǒng)與在線監(jiān)控系統(tǒng)的整合，是系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個關(guān)鍵。專家系統(tǒng)診斷功能是否方便,直接關(guān)系到系統(tǒng)的易用性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，提供多個專家系統(tǒng)的診斷入口，一是從用戶使用的GS

12、平臺上提供診斷入口,二是從系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)圖表及報(bào)表上提供入口。這兩種入口，均能夠?qū)⒐艿垃F(xiàn)有相關(guān)信息直接帶入專家診斷過程中,診斷效率高,操作簡便。三是相對獨(dú)立的診斷入口，診斷所需信息全部需要手工輸入，該方式十分靈活,不僅能夠診斷本管道的問題,也能夠分析診斷其他管道的信息。)專家診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目專家系統(tǒng)采納PRLOG開發(fā)平臺,總體架構(gòu)采納經(jīng)典的專家系統(tǒng)架構(gòu)，如下圖所示:圖 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖考慮到PROLO語言的特點(diǎn),結(jié)合本系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)呈現(xiàn)在用戶面前的內(nèi)容要緊包括：知識維護(hù)、故障診斷、故障統(tǒng)計(jì)三個要緊部分,其余的推理機(jī)、解釋器、知識獵取過程等，均在軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)通過知識維護(hù)模塊來獵取知識,通

13、過對現(xiàn)象、故障、條件的維護(hù)來豐富知識庫并設(shè)定知識庫中的規(guī)則;現(xiàn)象由故障組成,故障由條件來推斷其是否發(fā)生。故障診斷模塊是對故障進(jìn)行診斷，通過專家系統(tǒng)的提問以及用戶的回答,來匹配知識庫中的規(guī)則,從而確定故障是否發(fā)生。診斷時，依照現(xiàn)場的實(shí)際情況,先選中一條知識庫中差不多維護(hù)好的現(xiàn)象，然后增加一條診斷記錄。診斷記錄增加后能夠進(jìn)行診斷，依照系統(tǒng)的提問用戶進(jìn)行回答，最后得到可能發(fā)生的故障。故障統(tǒng)計(jì)模塊中通過對差不多診斷的故障進(jìn)行確認(rèn)，來統(tǒng)計(jì)故障發(fā)生的概率。確認(rèn)方式是當(dāng)現(xiàn)象被診斷后會得到可能發(fā)生的故障,用戶在現(xiàn)場實(shí)際排查故障時,假如通過專家系統(tǒng)診斷確認(rèn)的故障發(fā)生了，那么用戶需要在專家系統(tǒng)里面對故障進(jìn)行確認(rèn),

14、從而專家系統(tǒng)能夠積存診斷經(jīng)驗(yàn)。專家系統(tǒng)知識維護(hù)故障診斷故障統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象維護(hù)故障維護(hù)條件維護(hù)故障確認(rèn)故障正確率統(tǒng)計(jì)增加診斷監(jiān)控系統(tǒng)診斷過程保存故障圖1 專家系統(tǒng)界面架構(gòu)示意圖3)專家系統(tǒng)知識庫設(shè)計(jì)知識庫（Knowee Bse)是知識工程中結(jié)構(gòu)化，易操作，易利用,全面有組織的知識集群，是針對某一(或某些）領(lǐng)域問題求解的需要，采納某種(或若干)知識表示方式在計(jì)算機(jī)存儲器中存儲、組織、治理和使用的互相聯(lián)系的知識片集合。這些知識片包括與領(lǐng)域相關(guān)的理論知識、事實(shí)數(shù)據(jù)，由專家經(jīng)驗(yàn)得到的啟發(fā)式知識,以及常識性知識等?？紤]到陰極愛護(hù)知識的特點(diǎn)，如何獵取更多的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和典型案例，是擺在項(xiàng)目開發(fā)組面前的關(guān)鍵問題。為了保

15、證系統(tǒng)開發(fā)的順利進(jìn)行，由中石化管道儲運(yùn)分公司科技處牽頭，邀請了中石化、中石油、解放軍等十多個單位的二十多名專家組成專家顧問團(tuán),通過會議、函審、查閱科技文獻(xiàn)等方式，進(jìn)行知識的收集整理,確保了知識整理的質(zhì)量和覆蓋面,這一措施,為陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)的研制成功,提供了有力的保證。依照陰極愛護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，專家最終確定了陰極愛護(hù)知識庫的知識構(gòu)成,共有六大類，3小類,75個故障根源，4種典型故障曲線。六大類分不是管道、場站和閥室、自然環(huán)境、外部干擾源、犧牲陽極陰極愛護(hù)系統(tǒng)、強(qiáng)制電流陰極愛護(hù)系統(tǒng)，差不多涵蓋了長輸管道陰極愛護(hù)的所有方面。4）智能電位采集儀設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的要緊硬件設(shè)備為恒電位儀和智能電位采集儀

16、,多數(shù)恒電位儀在場站中,具備供電及通訊條件,容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。管道沿線電位采集現(xiàn)場則不具備這些條件，因此,智能電位采集儀的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。智能電位采集儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電源和通訊。管道沿線沒有電源,采納太陽能供電，容易損壞和丟失，因此,采集儀最終選用了“一次性電池供電低功耗”設(shè)計(jì)方案,在待機(jī)狀態(tài)下，功耗小于1微安,電池選用一次性高能電池,工作壽命超過10年。管道沿線沒有有線通訊條件，采納飛機(jī)遙感或衛(wèi)星通訊費(fèi)用較高，采納微波通訊可靠性無法保證，且頻率資源申請困難，目前公共無線通訊覆蓋范圍專門廣，大多數(shù)管道途徑區(qū)域均有無線信號,因此，最終選擇GPSSM無線通訊方式作為采集儀通訊手段，較好

17、的解決了數(shù)據(jù)通訊的問題。 小結(jié)陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對管道陰極愛護(hù)狀況的在線監(jiān)測,監(jiān)測人員能夠在室內(nèi)通過電子地圖實(shí)時地查看設(shè)備的狀態(tài)、位置、周邊環(huán)境以及相關(guān)的管道狀況，并可依照實(shí)際情況遠(yuǎn)程調(diào)整恒電位儀的工作狀態(tài)。配合專家系統(tǒng)，能夠?qū)﹃帢O愛護(hù)的狀態(tài)及故障進(jìn)行診斷分析，并給出處理意見。本系統(tǒng)采納網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，部門領(lǐng)導(dǎo)可同時在線查看整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對運(yùn)行數(shù)據(jù)的查詢可形成各種統(tǒng)計(jì)圖表和統(tǒng)計(jì)報(bào)表。針對管道陰極愛護(hù)治理的需要,本系統(tǒng)要緊解決了如下問題:(1)全線陰極愛護(hù)統(tǒng)一、集中治理使專業(yè)人員專注于專業(yè)事務(wù)陰極愛護(hù)在線監(jiān)控專家系統(tǒng)是一套集設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)自動存儲、數(shù)據(jù)查詢、故障診斷于一體的治理系統(tǒng)，便于治理單位的陰保專業(yè)工程師進(jìn)行全線陰極愛護(hù)的監(jiān)控與治理,能夠有效的掌握恒電位儀的運(yùn)行情況和被愛護(hù)體的愛護(hù)情況,從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、集中治理。系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)I(yè)人員從日常工作中解放出來,集中精力處理陰極愛護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題,提高陰極愛護(hù)系統(tǒng)的愛護(hù)效果，進(jìn)而延長埋地管道、儲罐及場站管網(wǎng)的安全運(yùn)行壽命。 （2)陰極愛護(hù)狀況科學(xué)決策分析給專業(yè)人員配備專業(yè)的助手系統(tǒng)內(nèi)部集成的陰極愛護(hù)專家系統(tǒng)，能夠在充分利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,有效地對陰極愛護(hù)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行診斷,并給出故障發(fā)生的緣故和相應(yīng)的處理意見，從而給故障排查和維修提供了依據(jù),提高了科學(xué)性和準(zhǔn)確性。（3）報(bào)警定位與重