海素峰，馬忠云，王晗，張周愛，于海旭

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

國內(nèi)東北地區(qū)冬季嚴寒，最低氣溫可達-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)。尤其在冬季嚴寒氣候環(huán)境下發(fā)生管道內(nèi)部凍冰或破漏時，檢修人員需沿著數(shù)公里長的管線憑經(jīng)驗沿途查找故障點，需要破除掉管道上面覆蓋著的泥土層及煤層，很難準確找到故障點，給搶修工作帶來極大的不便[1-3]。目前國內(nèi)外對輸水管道的監(jiān)測僅停留在對整根管道系統(tǒng)的壓力、溫度及流量的顯示，其目的是顯示管道系統(tǒng)的運行情況，而不能作為一種檢修查找管道內(nèi)部介質(zhì)運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方案。

1 智能化監(jiān)控目的及預(yù)期目標

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、泄露等問題的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)管路系統(tǒng)主動定位報警，能正確分析管路系統(tǒng)中的異常狀況，并把分析數(shù)據(jù)主動上傳至檢修人員，采用智能巡檢機器人快速查找故障點，檢修人員及時消缺，在冬季檢修人員可避免長時間暴露在室外，造成凍傷事故和次生傷害。

實現(xiàn)遠程各種智能化運行調(diào)度算法，可以根據(jù)監(jiān)測到的溫度、壓力信息進行排水的預(yù)調(diào)節(jié)。通過遠程不斷的升級控制系統(tǒng)，將管道系統(tǒng)建設(shè)成一個動態(tài)升級的系統(tǒng)[6]。不斷的升級和改進系統(tǒng)的趨勢算法和服務(wù)器端的控制算法，提高事故點定位精度，利用機器人代替人工巡檢，提供工作效率，降低人力成本。預(yù)期目標為：①對管道進行智能化配置，實現(xiàn)遠程室內(nèi)監(jiān)控，利用智能機器人巡檢，有效減輕檢修維護工作強度，保障冬季運行的生產(chǎn)安全；②減少了值班維護工人數(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成本；④使檢修人員隨時了解管道情況，對推廣智能化生產(chǎn)手段、普及智能化知識、營造良好的科技氛圍產(chǎn)生積極的促進作用；⑤總結(jié)極寒露天煤礦排水管道先進智能化監(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、探測及多傳感器智能融合、智能凍漏點預(yù)測及智能無損解凍技術(shù)等領(lǐng)域。利用管道上的測點，PLC 系統(tǒng)在電腦終端上顯示整根管道的運行狀態(tài)；系統(tǒng)采用自動監(jiān)測、預(yù)警、報警提示功能，減少人員干預(yù)[7]；對露天煤礦排水管道系統(tǒng)實現(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2 800 m 的排水管道為基礎(chǔ)，管道規(guī)格型號：φ315mm×16 mm，管道壓力2.0 MPa，采用質(zhì)量輕、強度高、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，較鋼管施工簡單，適宜地埋長距離輸送用的管道類型；管道表面加裝光纖、壓力、流量等測點，對管道進行遠程監(jiān)控；室外管道巡檢采用履帶式智能巡檢機器人；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)備防護等級選擇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 防護等級。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計算機系統(tǒng)：主要包括處理數(shù)據(jù)和運行上位機的計算機、上位機軟件、路由器、云端軟件；②光電轉(zhuǎn)換模塊：包括光交換機和光纖收發(fā)器，其中光交換機負責將28 路光纖的信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，光纖收發(fā)器將采集卡的網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為光纖信號；③線纜：包括光纜和電纜，光纜為60 芯，每路采集節(jié)點用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)點共有28 個，每個節(jié)點包括1 個壓力傳感器、1 個溫度傳感器、1 個數(shù)據(jù)采集卡，這些傳感器節(jié)點共同構(gòu)成采集系統(tǒng)的核心；⑤供電系統(tǒng)：包括1 個500 W 的開關(guān)電源和28 個電壓轉(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器人

室外智能巡檢機器人具備自動掃描、自動避障、脫離保護、自主導(dǎo)航、雙向?qū)χv、設(shè)備檢測等功能，機器人日?？稍谥付ǖ膮^(qū)域，按照設(shè)定路線和速度進行24 h 全天候無間斷自主巡邏，履帶驅(qū)動，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)主機信息互聯(lián)，主機監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出管道某點位故障報警（管內(nèi)結(jié)冰，泄露，溫度及壓力會發(fā)生變化），會同時傳到機器人無線接收器上，主機控制系統(tǒng)下達立即巡檢行動指令，機器人可快速第一時間趕到管道事故點，機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，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)場影像，并發(fā)出刺耳聲光報警，檢修維護人員可隨后驅(qū)車根據(jù)車載導(dǎo)航或智能手機上顯示機器人的位置，輔以聲光引導(dǎo)，快速找到機器人，對管道事故位置進行處置。

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)化為磁場能，磁場能轉(zhuǎn)化熱能的技術(shù)。技術(shù)方案采取將多個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，磁場在中心位置強度最大，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能鋰電池供電，冬季工人檢修時，解凍裝置設(shè)置好時間、溫度等參數(shù)后，自動運行融冰，檢修工人可在車內(nèi)開著暖風休息，室外通電熔融管道堵點，車內(nèi)檢修人員手機或平板電腦上會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間。

3 控制系統(tǒng)功能及技術(shù)優(yōu)勢

3.1 控制系統(tǒng)功能優(yōu)勢

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

3.2 控制系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

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

2）管道凍點和漏點智能預(yù)測技術(shù)。利用深度增強學習的方法，云端存儲的歷史數(shù)據(jù)集標簽，訓(xùn)練基于時間和位置序列的上凍及漏水模型，提前預(yù)測可能產(chǎn)生的凍點和漏點。

3）系統(tǒng)根據(jù)需求設(shè)定報警參數(shù)的上下限，當測量值超過上下限時，自動上報報警數(shù)據(jù)，同時進行聲光報警 為了保證系統(tǒng)的故障處理的及時性，對軟件內(nèi)的報警功能進行綜合設(shè)計，在報警方式和模式上有多種方式，具體如下：報警信息種類，報警優(yōu)先級，報警處理顯示，報警警報，報警確認，報警記錄。

4 結(jié)語

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