葛 華，李開鴻，王壘超，陳 莎，徐 強(qiáng)，李自力

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610400; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 引言

管道在建設(shè)過(guò)程中，會(huì)進(jìn)入焊渣、砂石和泥土等雜物；管道投產(chǎn)后，管壁的腐蝕、變形會(huì)產(chǎn)生碎屑；管道中的介質(zhì)，會(huì)帶來(lái)泥漿、凝析液和蠟沉積等雜物[1-3]。這將導(dǎo)致管道堵塞、輸送效率降低、輸送產(chǎn)品質(zhì)量下降、損壞管線的儀器儀表和加速管道內(nèi)壁腐蝕等危害。因此，在管線投產(chǎn)前和運(yùn)行一段時(shí)間后，必須進(jìn)行清管[1]。清管過(guò)程中需要發(fā)射清管器，但由于地勢(shì)起伏，管道彎曲、變形、縮徑和管道內(nèi)沉積物的影響，清管器可能發(fā)生卡堵現(xiàn)象，造成損失[4-6]。因此，有必要掌握清管器工作時(shí)的位置，以便發(fā)生卡堵時(shí)及時(shí)采取措施，保證清管的順利進(jìn)行和管道的安全運(yùn)行[7]。此外，在試壓結(jié)束清管掃水過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)清管器位置可以及時(shí)調(diào)整管道出口背壓，防止發(fā)生水擊、氣阻等危險(xiǎn)。綜上所述，對(duì)清管器進(jìn)行跟蹤定位是十分必要的。

清管器跟蹤定位是指在清管作業(yè)過(guò)程中監(jiān)視清管器的運(yùn)動(dòng)或者查找其確切位置[8]?；跈C(jī)械、壓力、聲學(xué)、磁學(xué)等原理，研究人員開發(fā)了多種清管器跟蹤定位技術(shù)[8]。隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)清管工作的不斷研究，清管器跟蹤定位技術(shù)也經(jīng)歷了由“通過(guò)指示”到“精確定位”“循跡跟蹤”的過(guò)程。

1 通過(guò)指示

“通過(guò)指示”的定義為：清管器通過(guò)管道特定位置時(shí)發(fā)出特定提示[8]。典型的實(shí)現(xiàn)方法為機(jī)械法。

機(jī)械法的工作原理如圖1所示：可雙向觸發(fā)的撞針插入管道內(nèi)并緊挨管壁，當(dāng)清管器通過(guò)時(shí)，撞針被撥動(dòng)經(jīng)軸套中的連桿將動(dòng)作傳遞給儀表按鈕，觸發(fā)顯示儀表工作[9]?；跈C(jī)械法制成的設(shè)備稱為機(jī)械式清管通過(guò)指示器，又被稱為過(guò)球指示器。機(jī)械法原理簡(jiǎn)單，只需將過(guò)球指示器安裝在管道的收發(fā)球筒上即可判斷出清管器是否從球筒發(fā)出、是否到達(dá)球筒。由于觸發(fā)顯示儀表的為管道內(nèi)的觸發(fā)器針，如果清管器前推動(dòng)的是質(zhì)地堅(jiān)硬的混油段，也可能導(dǎo)致器針的觸發(fā)[10]，而清管器破損、管道內(nèi)壁污垢太厚等問(wèn)題也會(huì)導(dǎo)致器針不能觸發(fā)[8]，因此通球指示器具有誤報(bào)率高的特點(diǎn)[11]。此外，過(guò)球指示器需要安裝在管道上，因此可能會(huì)對(duì)防腐層造成損害?；跈C(jī)械法的原理，現(xiàn)場(chǎng)人員只能獲取清管器在收發(fā)球筒這一特定位置的信息，而不能獲取在收發(fā)球筒之間運(yùn)行時(shí)的位置信息。由于機(jī)械法的上述缺點(diǎn)，其在監(jiān)測(cè)長(zhǎng)輸管道清管器位置的作用，逐漸被功能更全面的技術(shù)替代，但改進(jìn)后的過(guò)球指示器仍可用于站場(chǎng)和閥室管道上清管球的通過(guò)指示。姜海斌等[10]對(duì)過(guò)球指示器進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)加裝彈簧和計(jì)數(shù)器，使得過(guò)球指示器的誤報(bào)率降低。也有研究人員開發(fā)出了具有數(shù)顯功能、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能的過(guò)球指示器，使其能滿足智能化、數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)需求[12-13]。

圖1 機(jī)械法工作原理圖

2 精確定位

為應(yīng)對(duì)清管器發(fā)生卡堵等情況，在“通過(guò)指示”的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)射機(jī)和接收機(jī)等信號(hào)接收設(shè)備[9]，可實(shí)現(xiàn)“精確定位”。精確定位的定義為：清管器卡堵在管道內(nèi)時(shí)，確定清管器的確切位置[8]。目前大多數(shù)的跟蹤定位技術(shù)都可實(shí)現(xiàn)此功能。典型的實(shí)現(xiàn)方法有磁學(xué)法、聲學(xué)法、壓力法。

2.1 磁學(xué)法

電磁脈沖法的工作原理為：在清管器上安裝電磁信號(hào)發(fā)射機(jī)，在管道外通過(guò)接收天線接收信號(hào)，之后將電磁脈沖信號(hào)通過(guò)電子儀器或者示波圖顯示出來(lái)，通過(guò)波形的變化來(lái)判斷清管器的位置[14-16]。由于信號(hào)具有方向性，接收天線的磁通量越大，接收機(jī)接收的信號(hào)就越強(qiáng)。因此，當(dāng)接收天線與磁感線平行時(shí)信號(hào)最強(qiáng)，接收機(jī)接收到的信號(hào)最強(qiáng)；當(dāng)接收線圈與磁感線垂直時(shí)信號(hào)最弱，接收機(jī)接收到的信號(hào)最小[17]。當(dāng)清管器卡堵需要判斷其位置時(shí)，如果在某一位置，接收天線與管道平行時(shí)接收到的信號(hào)最強(qiáng)，與管道垂直時(shí)接收到的信號(hào)最弱，則該位置即為清管器的卡堵位置，圖2、圖3為示意圖。

圖2 接收天線與管道平行時(shí)

圖3 接收天線與管道垂直時(shí)

電磁脈沖法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)穿透力強(qiáng)，可穿透管壁土壤等[7-8]，因此可應(yīng)用的場(chǎng)合多。由于操作者是靠接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成的波形圖來(lái)判斷清管器位置，因此發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的情況直接決定了定位的準(zhǔn)確度。發(fā)射信號(hào)的情況與發(fā)射機(jī)直接相關(guān)：發(fā)射機(jī)發(fā)射功率越大，則接收天線能接收到的信號(hào)越強(qiáng)，定位的準(zhǔn)確度就越高；但是發(fā)射功率一般與發(fā)射機(jī)體積成正比，發(fā)射機(jī)體積過(guò)大可能影響清管器的正常運(yùn)行。因此發(fā)射機(jī)有體積小、發(fā)射功率大和續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等要求。接收信號(hào)的情況與接收裝置的靈敏度有關(guān)，如果接收裝置靈敏度不高，而清管器運(yùn)行速度又過(guò)快，就會(huì)導(dǎo)致接收不到信號(hào)導(dǎo)致誤報(bào)的情況。因此，接收裝置有靈敏度高、響應(yīng)快和易攜帶等要求。電磁脈沖法對(duì)設(shè)備的要求較高，否則就會(huì)出現(xiàn)誤判率高、可靠性差等問(wèn)題[7-8]。閆曉茹等[18]設(shè)計(jì)的跟蹤定位系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)發(fā)射功率大且體積小，接收機(jī)靈敏度高，信號(hào)接收距離可大于10 m。

永磁鐵法的工作原理與電磁脈沖法類似：使清管器攜帶永磁鐵運(yùn)行，在管道外通過(guò)帶有霍爾元件的接收機(jī)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化來(lái)確定清管器的位置[8]。由于該方法不需要清管器攜帶發(fā)射機(jī)，因此對(duì)設(shè)備要求降低。但由于管道對(duì)磁場(chǎng)有嚴(yán)重的屏蔽作用，以及地球磁場(chǎng)噪音的干擾[19-20]，使得永磁鐵法的檢測(cè)范圍較小。

磁學(xué)法原理簡(jiǎn)單，使用方便，且具有一定的定位精度，符合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)清管器的跟蹤定位需求。近年來(lái)，磁學(xué)法結(jié)合GPS、GPRS等技術(shù),形成了基于磁場(chǎng)法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)[1-3,6,21-24]。任帥民等[23]利用電磁跟蹤設(shè)備和模糊定位算法對(duì)清管器進(jìn)行了跟蹤，結(jié)果表明：預(yù)測(cè)清管器到達(dá)時(shí)間和實(shí)際清管器的到達(dá)時(shí)間，最小誤差為1 min，最大誤差為82 min。李博等[2]設(shè)計(jì)了一種基于GPS和GSM的清管器跟蹤系統(tǒng)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果表明：當(dāng)處于森林等GSM信號(hào)覆蓋弱的地區(qū)時(shí)，跟蹤系統(tǒng)會(huì)有不超過(guò)72 s的延遲；140個(gè)中繼器共觸發(fā)131個(gè)。應(yīng)用結(jié)果表明，基于磁場(chǎng)法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)仍需要完善，如干擾問(wèn)題、誤報(bào)漏報(bào)問(wèn)題等。

2.2 聲學(xué)法

次聲波法的工作原理為：清管器在運(yùn)行時(shí)，會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生以聲能形式輻射的壓力波動(dòng)，從而形成一對(duì)同步反相的聲源。這對(duì)聲源產(chǎn)生的聲波稱為球前波和球后波，會(huì)同時(shí)向上下游傳遞。在上下游安裝次聲波傳感器，通過(guò)傳感器收到次聲信號(hào)的時(shí)間差即可推算出清管器的位置[4]。原理圖如圖4所示。田野[4]設(shè)計(jì)了一套基于次聲波法的跟蹤定位系統(tǒng)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)波形圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，次聲波法能有效地判斷出清管器的運(yùn)行狀態(tài)并能獲取其運(yùn)行速度，但由于清管器到站后會(huì)進(jìn)行收球操作，因此波形圖上會(huì)產(chǎn)生一定的干擾。

圖4 次聲波法工作原理圖

超聲波法的工作原理為：使清管器上攜帶超聲波發(fā)射器，在外部通過(guò)接收器接收超聲波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)清管器的跟蹤定位。據(jù)報(bào)道[7-8]，該方法監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)2 km，且使用遙控潛水器作為接收器時(shí)，定位精度可達(dá)5～10 m，具有監(jiān)測(cè)范圍廣、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)也十分明顯：超聲波在穿越土壤和其他隔離物時(shí)，信號(hào)會(huì)嚴(yán)重衰減，導(dǎo)致其不能應(yīng)用于埋地管道；聲波傳播需要液體作為介質(zhì)，因此該方法不能用于氣體和油氣混輸管道，因?yàn)榇朔N管道不能保證發(fā)射器與管壁之間充滿液體。目前，超聲波法多用于海底管道的清管器跟蹤定位。

噪音振動(dòng)法的工作原理為：清管器正常運(yùn)行和通過(guò)焊縫等特殊位置時(shí)，發(fā)出的聲波噪音不同，將噪音的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理后利用波形圖顯示出來(lái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)清管器的跟蹤定位。賈浩民等[25]對(duì)一套基于振動(dòng)檢測(cè)的清管器定位系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析。該系統(tǒng)在清管器上安裝振動(dòng)發(fā)生裝置，并結(jié)合清管器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波構(gòu)成振動(dòng)源；每隔一定間距埋設(shè)傳感器，根據(jù)傳感器收到的振動(dòng)波信號(hào)的時(shí)間差和傳播速度等參數(shù)計(jì)算清管器的位置。經(jīng)過(guò)可行性分析，當(dāng)埋設(shè)間隔為1 km時(shí)，清管器的定位精度可達(dá)到3 m。Giancarlo和Giuseppe[26]結(jié)合工程應(yīng)用案例報(bào)道了3種基于清管器聲音識(shí)別的清管器跟蹤定位方法：第1種方法提取了清管器兩側(cè)振動(dòng)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差數(shù)據(jù)并進(jìn)行互相關(guān)分析；第2種方法對(duì)清管器穿過(guò)焊縫時(shí)發(fā)出的聲波進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)管道構(gòu)造手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行映射；第3種方法在清管器啟動(dòng)和停止時(shí)使用，此時(shí)清管器所在的管段會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而振動(dòng)頻率與清管器在管道內(nèi)的位置有關(guān)。噪音振動(dòng)法具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、定位精度高、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)和結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)[27]，并且可聯(lián)合多種信號(hào)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和軟件，以減小其他噪音對(duì)信號(hào)的干擾，修正跟蹤定位結(jié)果。但與次聲波法類似，減少管道中其他噪音對(duì)采集信號(hào)的干擾仍然是需要深入研究的問(wèn)題。

2.3 壓力法

壓力法的工作原理分為正常運(yùn)行時(shí)定位和堵塞時(shí)定位。當(dāng)清管器正常運(yùn)行時(shí)，推動(dòng)清管器的動(dòng)力由管內(nèi)流體的壓力差提供，因此當(dāng)清管器未通過(guò)和已通過(guò)2個(gè)壓力變送器時(shí)，檢測(cè)到的壓力值相等；當(dāng)清管器在2個(gè)壓力變送器之間運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)到的壓力值會(huì)不同，以此實(shí)現(xiàn)清管器的定位[28]。當(dāng)清管器在某位置卡堵時(shí)，由于管內(nèi)流體遵循運(yùn)動(dòng)基本方程，壓力不能突變，因此會(huì)在管道中形成壓力波向上下游傳播，通過(guò)上下游檢測(cè)到的時(shí)間差值，即可實(shí)現(xiàn)清管器的定位[29]。壓力波法的定位精度可滿足現(xiàn)場(chǎng)定位需求。張紅兵等[30]提出了一種基于壓降方程和溫降方程定位清管器的模擬算法，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的定位結(jié)果誤差為1.17%。由壓力法的堵塞定位原理可知，檢測(cè)到的時(shí)間差直接影響定位精度。由于壓力波傳播速度較快，因此該方法對(duì)于變送器的靈敏度有要求，否則就會(huì)導(dǎo)致定位誤差大的情況。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)都會(huì)對(duì)壓力、流量等進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。由于壓力不能突變，因此清管器運(yùn)行時(shí)，壓力的變化會(huì)直觀地在波形圖上顯示。對(duì)每個(gè)時(shí)刻進(jìn)行定位，就變成了實(shí)時(shí)跟蹤。因此，壓力法逐漸成為實(shí)時(shí)跟蹤清管器的重要方法，并結(jié)合GPS等技術(shù)，形成了基于壓力法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位系統(tǒng)，應(yīng)用效果符合工程需求[11,29-34]。

3 循跡跟蹤

“精確定位”中介紹的技術(shù)雖然具有定位精度高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但該類技術(shù)一般只會(huì)在清管器發(fā)生卡堵事故時(shí)才會(huì)使用。對(duì)于工況日益復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)，掌握清管器的實(shí)時(shí)位置，就可以提前采取措施，降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等技術(shù)代替人工跟蹤，還可以降低操作人員可能遭遇的危險(xiǎn)，減少清管作業(yè)的成本。因此，開發(fā)出能掌握清管器實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)“循跡跟蹤”的清管器定位技術(shù)是必要的。循跡跟蹤的定義為：沿管道連續(xù)不斷地獲得清管器的位置，或者在一系列預(yù)先設(shè)定的地點(diǎn)逐個(gè)定位清管器[8]。文中已經(jīng)提到，伴隨新技術(shù)的應(yīng)用，磁場(chǎng)法和壓力法都可以實(shí)現(xiàn)“循跡跟蹤”功能。此外，近年來(lái)基于光纖振動(dòng)的清管器跟蹤定位技術(shù)也受到研究人員的關(guān)注[35-40]。

3.1 基于壓力法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)

基于壓力法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)與壓力法的工作原理相同。王海明等[11]設(shè)計(jì)的整體方案如下：壓力變送器將數(shù)據(jù)上傳給各個(gè)管段的現(xiàn)場(chǎng)終端；現(xiàn)場(chǎng)終端接收GPS衛(wèi)星的信號(hào)以進(jìn)行同步校時(shí)，并將數(shù)據(jù)打包借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心利用特定算法對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)清管器的通過(guò)特征進(jìn)行判定并定位清管器，之后將清管器的運(yùn)行信息發(fā)送至手機(jī)；操作人員可通過(guò)手機(jī)等通訊方式借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的信息交換。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此階段與處于“精確定位”階段時(shí)主要有以下不同：

(1)采用了輔助技術(shù)，如利用GPS技術(shù)對(duì)信號(hào)采集的時(shí)間進(jìn)行同步，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)打包、遠(yuǎn)傳。

(2)對(duì)于壓力數(shù)據(jù)的分析由人工判斷轉(zhuǎn)為智能判斷，利用特定算法對(duì)傳回的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和判斷，并采取相應(yīng)措施。

(3)采用的設(shè)備更先進(jìn)，壓力變送器采集頻率更高，以保證數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

(4)壓力數(shù)據(jù)的作用，由定位清管器變?yōu)楦櫱骞芷鳌?/p>

基于壓力波的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位系統(tǒng)不受外界因素影響，只與管道壓力變化有關(guān)，可獲取清管器的實(shí)時(shí)位置以及跟蹤高速清管器[8]，對(duì)于減少現(xiàn)場(chǎng)操作人員工作量、提高跟蹤定位精度具有重要意義。此外，研究人員設(shè)計(jì)的方案中提出利用壓力波法進(jìn)行清管器的跟蹤，利用超低頻電磁波法對(duì)清管器進(jìn)行定位[28,31-32,34]。王少平等[32]提出了一種聯(lián)合應(yīng)用壓力波和超低頻電磁波的跟蹤定位方法，并利用仿真模擬進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)波源的定位誤差為0.54%。如前所述，基于壓力法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)對(duì)于時(shí)間數(shù)據(jù)的測(cè)量要求高，包括利用GPS同步信號(hào)采集時(shí)間的誤差、壓力波到達(dá)上下游變送器的時(shí)間差等，提出減小誤差的解決方法可能是今后的研究方向。

3.2 基于磁場(chǎng)法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)

基于磁場(chǎng)法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)與磁場(chǎng)法的原理相同?；趬毫Ψê突诖艌?chǎng)法有區(qū)別：基于磁場(chǎng)法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)是通過(guò)對(duì)多個(gè)預(yù)先設(shè)定的信號(hào)接收器進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)清管器的跟蹤，獲取到的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的；基于壓力法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)是通過(guò)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，獲取到的數(shù)據(jù)是連續(xù)的。李博等[2]設(shè)計(jì)的整體方案如圖5所示：中繼器預(yù)先埋設(shè)在管道上方，并自動(dòng)接收GPS系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)間位置信息；當(dāng)接收到發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)后，中繼器將判定清管器通過(guò)，并將通過(guò)時(shí)間和GPS位置信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器供監(jiān)控中心和操作人員調(diào)閱。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此階段與處于“精確定位”階段時(shí)主要有以下不同：

(1)信號(hào)接收器的數(shù)量增加以實(shí)現(xiàn)對(duì)清管器的跟蹤，功能增加以實(shí)現(xiàn)清管器通過(guò)時(shí)間的獲取和上傳。

(2)清管器的跟蹤，由人工手持設(shè)備跟蹤變?yōu)榻邮掌髯詣?dòng)識(shí)別跟蹤。

(3)采用了輔助技術(shù)，如利用GPS技術(shù)確定接收器的時(shí)間信號(hào)和位置信息，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)打包、遠(yuǎn)傳。

基于磁場(chǎng)法的遠(yuǎn)程無(wú)線跟蹤定位技術(shù)進(jìn)一步提高了抗干擾能力和穩(wěn)定性，利用自動(dòng)識(shí)別的信號(hào)接收設(shè)備代替人工接力的跟蹤作業(yè)方式，減少了現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量，降低了跟蹤定位的成本[8]。李博等[2]使用該技術(shù)對(duì)清管器進(jìn)行跟蹤，140個(gè)接收設(shè)備成功觸發(fā)131個(gè)，表明利用自動(dòng)識(shí)別的信號(hào)接收設(shè)備代替人工接力的作業(yè)方式是可行的。對(duì)于該技術(shù)而言，對(duì)接收設(shè)備的研究和整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍然是關(guān)鍵，而這二者又相互關(guān)聯(lián)：只有保證接收設(shè)備有效工作，整個(gè)系統(tǒng)才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。與“精確定位”階段不同，該階段對(duì)于接收設(shè)備的要求更高，需要能準(zhǔn)確識(shí)別出清管器是否通過(guò)并對(duì)外部環(huán)境有一定的抗干擾，還要能接收GPS信號(hào)并將相關(guān)數(shù)據(jù)打包處理后進(jìn)行上傳。艾毅然等[1]對(duì)自制的電磁信號(hào)接收機(jī)進(jìn)行室外測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：未使用改進(jìn)采集電路的電磁信號(hào)接收設(shè)備在相距3.6 m后，信號(hào)被環(huán)境電磁和噪音干擾；采集電路改進(jìn)后的接收機(jī)測(cè)量范圍可達(dá)到10 m。因此，多關(guān)注地球物理、信息控制等交叉學(xué)科相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，利用更有效的技術(shù)對(duì)接收器和系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化是必要的[1,3,6,24]。

3.3 基于光纖振動(dòng)的在線跟蹤定位技術(shù)

該技術(shù)的工作原理為：在管道旁埋設(shè)一條光纖并搭建分布式光纖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)向光纖內(nèi)發(fā)射光脈沖信號(hào)并接收其產(chǎn)生的后向瑞利散射光。光纖未受到外界干擾時(shí)，散射光會(huì)相互干涉，干涉譜恒定；如果由于清管器運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)作用在光纖上，該處干涉譜會(huì)發(fā)生突變[35-41]。通過(guò)檢測(cè)突變信號(hào)并記錄其時(shí)間，即可通過(guò)公式計(jì)算清管器的位置，實(shí)現(xiàn)跟蹤定位功能。田孝忠等[37]設(shè)計(jì)的整體方案如圖6所示。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后可以得出，該技術(shù)監(jiān)控范圍可達(dá)到44 km[39-40]，如果配合中繼放大設(shè)備單邊監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)到60 m[38]，定位精度則可達(dá)到10 m[35]。目前該技術(shù)仍存在一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決：跟蹤定位的成本問(wèn)題，如工作原理中所示，該技術(shù)需要與管道同時(shí)鋪設(shè)一條光纖，并需要搭建分布式光纖傳感系統(tǒng)，這將顯著提高成本以及限制工程上的試驗(yàn)；對(duì)于信號(hào)接收系統(tǒng)、信號(hào)提取算法、光纖磨損問(wèn)題、振動(dòng)干擾問(wèn)題等仍需要進(jìn)一步研究。由于該技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)，上述問(wèn)題如果能得到合理的解決，該技術(shù)會(huì)成為跟蹤定位技術(shù)中重要的組成部分。

圖6 基于光纖振動(dòng)的在線跟蹤定位技術(shù)方案設(shè)計(jì)圖

4 總結(jié)與展望

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，本文回顧并總結(jié)了清管器跟蹤定位技術(shù)，介紹了相應(yīng)技術(shù)的原理、應(yīng)用特點(diǎn)和研究應(yīng)用現(xiàn)狀。可以看出，不同的跟蹤定位技術(shù)都有其特定的適用場(chǎng)合，在選擇時(shí)需綜合考慮定位效果、應(yīng)用難度和經(jīng)濟(jì)性因素。例如，負(fù)壓波法相較于其他技術(shù)來(lái)說(shuō)，跟蹤定位的精度會(huì)稍差，但是負(fù)壓波法既可跟蹤定位清管器，也可定位管道上的泄漏點(diǎn)，這對(duì)于管道運(yùn)行單位來(lái)說(shuō)是較方便的；光纖法跟蹤定位精度高且監(jiān)測(cè)范圍大，單就跟蹤定位這一項(xiàng)工作是最好選擇，但如果考慮工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，埋設(shè)光纖的額外成本會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降，此時(shí)光纖法就不一定是最好選擇。

由于單個(gè)跟蹤定位技術(shù)的使用局限性，類比油氣資源的多方法聯(lián)合開采技術(shù)，研究形成多個(gè)跟蹤定位技術(shù)的聯(lián)合方法是較可靠的解決措施與研究方向。形成多跟蹤定位技術(shù)聯(lián)合方法必然涉及到相應(yīng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論綜合與最新研究成果跟進(jìn)，因此現(xiàn)場(chǎng)工程人員與高校研究人員的交流學(xué)習(xí)應(yīng)更加緊密?，F(xiàn)場(chǎng)工程人員與高校研究人員，在理論研究精細(xì)程度和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)各有優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)交流學(xué)習(xí)更有助于雙方取長(zhǎng)補(bǔ)短和開拓思維，也為理論研究成果向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果的轉(zhuǎn)化打下基礎(chǔ)。

“十四五”規(guī)劃中對(duì)于石油行業(yè)做出了“加快建設(shè)天然氣主干管道，完善油氣互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)”“推動(dòng)煤礦、油氣田、電廠等智能升級(jí)”等明確規(guī)劃。規(guī)劃中多次提到“智能化”“大數(shù)據(jù)”等關(guān)鍵詞，這些關(guān)鍵詞也是未來(lái)清管器跟蹤定位技術(shù)、石油行業(yè)乃至整個(gè)能源行業(yè)的發(fā)展方向。我國(guó)的跟蹤定位技術(shù)目前處于“精確定位”和“循跡跟蹤”的過(guò)渡段：“精確定位”階段的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但其逐漸不能滿足現(xiàn)場(chǎng)日益智能化、數(shù)據(jù)化的發(fā)展趨勢(shì)，因此必須向“循跡跟蹤”階段過(guò)渡；“循跡跟蹤”階段的技術(shù)在國(guó)內(nèi)已有較多的研究和工程應(yīng)用實(shí)例，但各種技術(shù)仍存在需要解決的問(wèn)題，需要給出相應(yīng)問(wèn)題工程應(yīng)用級(jí)別的解決方法。結(jié)合文中內(nèi)容，“循跡跟蹤”階段技術(shù)的問(wèn)題可分為硬件設(shè)備方面和軟件設(shè)備方面：對(duì)于硬件設(shè)備，需要開發(fā)出自適應(yīng)性強(qiáng)、使用范圍廣和誤差范圍小的設(shè)備；對(duì)于軟件設(shè)備，需進(jìn)一步提升信息傳遞的速度，優(yōu)化相應(yīng)結(jié)構(gòu)算法的合理性，提高跟蹤定位精度、廣度和長(zhǎng)度，減少出錯(cuò)率和誤報(bào)率?！笆奈濉币?guī)劃明確指出“培育壯大人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全等新興數(shù)字產(chǎn)業(yè)，提升通信設(shè)備、核心電子元器件、關(guān)鍵軟件等產(chǎn)業(yè)水平”“構(gòu)建基于5G的應(yīng)用場(chǎng)景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在智能交通、智慧物流、智慧能源、智慧醫(yī)療等重點(diǎn)領(lǐng)域開展試點(diǎn)示范”。因此可以預(yù)見(jiàn)，以“十四五”規(guī)劃為主方向，以新型跟蹤定位設(shè)備和基于5G構(gòu)建的智能算法平臺(tái)為目標(biāo)，將是未來(lái)清管器跟蹤定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。