沈 云，何晶晶，晉成龍

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

長距離輸水管道的工程監(jiān)測一直是輸水工程的重要內(nèi)容，對工程安全運行起著至關(guān)重要的作用。近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市用水的需求量逐漸增多，對供水工程的安全運行提出了更高的要求。管道工程又是供水工程最容易出故障的環(huán)節(jié)，準確及時地發(fā)現(xiàn)管道故障位置，甚至提前判斷可能出現(xiàn)故障的位置，及時進行維修可以最大限度的減小事故影響范圍，保證居民用水安全。本文以引江濟淮亳州城市供水工程為例，結(jié)合輸水管線特點，提出了管道自動化系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 工程概況

亳州城市供水工程作為引江濟淮(安徽段)江水北送段的重要工程，建成后成為亳州市唯一的地上水源，有效改善了亳州水資源極度匱乏，長期開采深層地下水作為城市工業(yè)和生活用水水源的狀況，亳州將逐步封存地下水[1-2]。亳州城市供水工程主要由加壓站、供水管道及調(diào)蓄水庫3個部分組成，設(shè)計供水流量為5.0m3/s[3]。

亳州加壓站位于西淝河龍鳳新河河口處，加壓站抽水后沿龍鳳新河向北將水送至亳州調(diào)蓄水庫。輸水管道全線長約32km，為DN2000的PCCP管，單管輸水。

亳州城市供水管道工程輸水距離較長，沿線閥井數(shù)量眾多，但單體閥井內(nèi)需要監(jiān)測或控制的設(shè)備數(shù)量較少，數(shù)據(jù)的采集和上傳是本工程自動化系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，也是工程管理單位在后期運行維護時關(guān)注的重點。

2 自動化系統(tǒng)設(shè)計

亳州地處淮北平原，本工程為典型的平原地區(qū)長距離輸水工程。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和本工程特點，輸水管道沿線設(shè)置排水閥井、檢修閥井、流量計井、調(diào)壓塔井、空氣閥井、出口閥門井等設(shè)施，為實現(xiàn)對管道及閥井內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測，本工程設(shè)計了輸水管道自動化系統(tǒng)，主要內(nèi)容有：輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、管道預(yù)警系統(tǒng)。

2.1 輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)

2.1.1監(jiān)測對象

管道工程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控對象主要有：排氣閥井、檢修井、雙向調(diào)壓塔、流量計井，管道的泄露、爆管等。管道沿線監(jiān)測點情況見表1。

表1 管道沿線監(jiān)測點統(tǒng)計

2.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在32km輸水管道沿線范圍內(nèi)共設(shè)置54處監(jiān)控點，為保證系統(tǒng)的可靠性，主干網(wǎng)采用環(huán)形以太網(wǎng)。

本工程4處檢修閥井和1處出口閥井沿輸水管道均勻分布，故將檢修閥井和出口閥井位置設(shè)置為匯聚點，用工業(yè)交換機將檢修閥井前后監(jiān)測點數(shù)據(jù)匯聚到該閥井，極大減少了全線網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，優(yōu)化了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。管道監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

2.1.3系統(tǒng)功能

(1)實現(xiàn)對現(xiàn)地各類監(jiān)測傳感器的實測數(shù)據(jù)自動采集和處理，對超出限值的數(shù)據(jù)發(fā)出越限報警信號并作記錄。

(2)實現(xiàn)對檢修井、出口閥門井電動閥門等設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)測。

(3)實現(xiàn)對整個管道的泄露監(jiān)測、定位及報警。

(4)實現(xiàn)對現(xiàn)地數(shù)據(jù)采集單元(DAU)同時巡測或單臺巡測的控制。

(5)可顯示監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、監(jiān)測點位置、過程曲線和報警狀態(tài)等窗口。

(6)可在線打印實測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并評估工程的運行狀態(tài)。

(7)系統(tǒng)具有自診斷和自恢復(fù)功能。

2.2 輸水管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)

2.2.1監(jiān)視對象

管道工程視頻監(jiān)視系統(tǒng)對輸水管道沿線各流量計井、檢修閥井、空氣閥井、調(diào)壓塔、出口閥門井等重要設(shè)施設(shè)備全天候的視頻監(jiān)控，一旦發(fā)生爆管或人為破壞等情況，迅速向加壓站監(jiān)控中心發(fā)出報警信息。同時本系統(tǒng)能與其它子系統(tǒng)進行報警聯(lián)動，滿足對安全管理的要求。

2.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸水管道沿線視頻監(jiān)視系統(tǒng)分為前端感知(攝像頭)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和中心控制系統(tǒng)。

輸水管道沿線視頻監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)測信息通過交換機上傳到亳州加壓站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻數(shù)據(jù)查看、管理、分析、存儲統(tǒng)一由亳州加壓站視頻中心監(jiān)控系統(tǒng)完成。

輸水管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與管道監(jiān)側(cè)系統(tǒng)基本相同，主干網(wǎng)為環(huán)形以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并在4處檢修閥井和1處出口閥井位置設(shè)置匯聚點，利用工業(yè)交換機將匯聚點前后的視頻前端信息匯聚。管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖如圖2所示。

圖1 輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)拓撲圖

圖2 輸水管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)拓撲圖

2.2.3系統(tǒng)功能

(1)攝像機能適應(yīng)現(xiàn)場照明條件，有效、清晰地獲取圖像。顯示設(shè)備能清晰、穩(wěn)定顯示攝像機所采集的圖像。

(2)具有遠程瀏覽功能，用標準規(guī)約的以太網(wǎng)接口接入加壓站視頻監(jiān)視系統(tǒng)，以C/S和B/S模式提供遠程視頻監(jiān)視服務(wù)。授權(quán)用戶可遠程瀏覽管道視頻監(jiān)視系統(tǒng)的全部或者部分視頻圖像，也可對攝像機進行控制和操作。

(3)視頻顯示方式滿足安全管理要求，能實時監(jiān)視各監(jiān)測點的情況。圖像可設(shè)定為自動切換方式，即根據(jù)預(yù)定時間在預(yù)定顯示設(shè)備上顯示預(yù)定監(jiān)控點的圖像。

(4)監(jiān)視圖像上顯示有監(jiān)視畫面編號、位置、時間、日期等信息。

(5)系統(tǒng)軟件具有圖像切換、分割顯示功能；云臺控制、預(yù)置位，鏡頭變倍變焦、光圈調(diào)節(jié)、圖像參數(shù)調(diào)整等功能；視頻錄像、檢索和回放功能；提供快放、慢放、單幀播放功能，可實現(xiàn)圖像抓拍，放大等要求；具有開放的數(shù)據(jù)接口，能實現(xiàn)信息發(fā)布、報警聯(lián)動功能；具有多個操作員密碼，多個操作等級，滿足不同操作人員的需求。

2.3 輸水管道預(yù)警系統(tǒng)

2.3.1系統(tǒng)概述

對于長距離輸水工程，當管道中發(fā)生泄露或其它破壞時，通常會影響城鎮(zhèn)居民的生活和生產(chǎn)用水，社會影響較大。分布式光纖傳感技術(shù)可有效提高對大型PCCP的管道泄漏、外界環(huán)境破壞等情況監(jiān)測水平，預(yù)防管道事故發(fā)生，其系統(tǒng)定位精度小于3m，最長監(jiān)測長度超過50km[3-4]。本工程設(shè)計1套分布式光纖管道預(yù)警系統(tǒng)，用來實時監(jiān)測管道安全運行狀態(tài)。

分布式光纖管道預(yù)警系統(tǒng)利用特種光纖構(gòu)成輸水管道的微振動傳感器，鋪設(shè)在輸水管道外側(cè)附近，可全線監(jiān)測輸水管道的漏損、爆管、PCCP管斷絲、異常破壞產(chǎn)生的振動信號。當沿線管道因自身內(nèi)部發(fā)生爆管或外力因素發(fā)生破壞時，管道周圍產(chǎn)生的振動會被光纖傳感器接收，并上傳至計算機進行分析處理，能及時精確定位管道泄漏或遭到破壞位置，并發(fā)出報警信號。通過系統(tǒng)定位的故障點，工程運維人員能及時找到該管道進行維修或侵擾制止，能保證供水工程安全運行，有效控制管網(wǎng)漏損及外界侵害，防止事故繼續(xù)擴大。

2.3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸水管道預(yù)警系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，從層次結(jié)構(gòu)劃分，整個系統(tǒng)可以分為：監(jiān)測傳感層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、監(jiān)測應(yīng)用及管理層等4個層次。預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(1)監(jiān)測傳感層

輸水管道全線安裝埋設(shè)分布式光纖傳感器，通過光纖傳感器感知管道的泄漏或周圍振動情況。

(2)數(shù)據(jù)采集層

智能數(shù)據(jù)采集終端接收光纖傳輸?shù)男盘柟庠?，通過數(shù)據(jù)采集單元對所連接的各類傳感器進行信號采樣、信號處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、計算處理、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要負責(zé)各數(shù)據(jù)采集裝置與采集計算機間的信息傳輸與交互，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳及測控指令的下達。智能采集終端與上位機之間采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。

(4)應(yīng)用及管理層

應(yīng)用及管理層主要包括監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)服務(wù)器及監(jiān)測信息管理軟件等，負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行管理。主要包括數(shù)據(jù)采集、計算分析、監(jiān)控預(yù)警、安全評估等。為運行管理部門提供決策支持。

2.3.3系統(tǒng)功能

泄漏與破壞同步監(jiān)測：利用分布式光時域散射技術(shù)，探測管道故障點的振動和聲紋信息，判斷管道泄漏點或爆管位置。

自動實時檢測：24小時實時在線監(jiān)測輸水管道周圍的振動變化，當管道沿線某個點或多個點出現(xiàn)振動異常時，系統(tǒng)可立即定位報警，判斷該處可能存在泄漏、開挖或施工破壞。

網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動：當輸水管道發(fā)生異常振動警報時，可根據(jù)需要聯(lián)動聲光報警、短信報警等功能，預(yù)警系統(tǒng)可將報警信息推送到運維人員手機上，同時還可以通過監(jiān)測系統(tǒng)遠程查看現(xiàn)場報警狀態(tài)。

數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)可以有效監(jiān)測管道中水錘效應(yīng)和其他危害管道運行事件，為管理單位的運維提供決策支持。

圖3 分布式光纖管道預(yù)警系統(tǒng)圖

3 結(jié)語

本文根據(jù)亳州城市供水工程輸水線路長，輸水可靠性要求高等特點，結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)、視頻監(jiān)視技術(shù)、通信技術(shù)等，提出長距離管道輸水工程自動化系統(tǒng)設(shè)計的方案，闡述了各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)。通過監(jiān)測管道沿線設(shè)備、視頻監(jiān)視、管道預(yù)警等方法，實現(xiàn)輸水管道全線實時監(jiān)測。

該自動化系統(tǒng)能大大減少管理單位巡檢工作難度和強度，有效預(yù)防管道事故發(fā)生頻率，提前預(yù)警；在管道發(fā)生故障后，能快速、精準定位故障點，為管道的安全和可靠運行提供有力的技術(shù)支撐和保障，對提高管道的自動化運行管理水平具有重要意義，同時為平原地區(qū)類似的長距離管道輸水工程的自動化設(shè)計提供參考。