光纖通信在改進通信質量的應用

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【摘要】中海油某管道公司三個閥室應力應變監測系統自建成以來，與系統平臺上的服務器通信頻繁中斷，無法實時監測管道的應力應變信息。經過多次實驗分析，查找出引發通信中斷的原因為以上三個閥室位于鹽堿灘涂地帶，4G信號強度差，該系統終端與服務器的通信方式為4G通信。隨后將其通信方式由4G通信調整為光纖通信，最終很好地解決了這一問題。

【關鍵詞】應力應變系統；4G；光纖通信

天然氣管道作為一種高效輸送天然氣的介質，在天然氣長距離、低成本運輸過程中體現了很強的優越性，在我國大力發展清潔能源之際，天然氣管道的建設進入了一個高峰期。然而，天然氣管道所經路徑往往地質條件復雜，管道容易出現移位、變形等狀況，如何有效監測管道在高危地帶的形變量，需要我們在高危地帶設置一套能夠監測管道移位、變形等參數的監測系統，這就是本文要介紹的應力應變系統。

1應力應變系統及其通信方式介紹

應變監測系統的應用通過有限元分析管土相互作用和地面運動模型通過特定的網站可以形成監測數據，隨時監測生成管道應變是否超過管道應變能力，防止地質災害對管道造成破壞[1]。本項目管道應力應變監測系統通過布設在管道監測點的光纖光柵傳感器，實現對管道應變、溫度和位移進行監測，進而實現對管道變形的監測和預警，作為評價管道的安全狀態的現實依據。管道結構構件的應力應變信息是反映其結構是否處于安全狀態最直接的評價和判斷指標，因此采用光纖光柵應變傳感器對管道結構關鍵部位進行應力應變監測以評價結構安全狀態。同時當管道發生不均勻沉降時，布設的光纖光柵應變傳感器也能監測到管道的內力變化，從而判斷不均勻沉降對管道結構安全狀態的影響。由于管道內部流通天然氣，溫度變化對管道的影響是十分重要的參考指標，同時管道溫度數據也能為管道結構的數值仿真計算模擬提供更加全面的基礎數據支持。因此在管道結構關鍵位置處布設光纖光柵溫度傳感器以監測管道結構溫度變化情況。在自然環境各種因素的作用下，在野外布設的管道結構往往會出現局部懸跨，從而引起管道結構的不均勻受力造成不均勻變形，同時在土體地殼運動和外力的影響下管道結構的不均勻變形成為一個不可忽略的安全問題，因此需要對管道結構進行不均勻變形監測。整個監測系統采用光纖光柵監測技術對管道結構進行應變、溫度和位移監測；光纖光柵傳感器數據通過光纖光柵解調儀和相應的采集軟件進行采集傳輸及存儲，數據通信以現場觀測閥室為輸入節點，以無線4G通信模塊為輸出節點，系統平臺作為各節點數據匯聚和處理的中心。如圖1所示，各傳感器的信號通過光纖傳輸到光纖光柵解調儀后，對光纖信號進行解析和處理，轉換成數字信號后上傳給數據采集主機，對數據進一步運算和處理，轉換成實際的工程量，一方面將處理后的數據存儲到本地硬盤，另一方面將這些數據通過4G無線信號發射器傳送至應力應變系統平臺，在系統平臺上進行存儲和分析。

2現場應用中出現的問題及原因分析

自2019年5月開始，三個閥室斷續向系統平臺傳輸數據失敗，登錄系統平臺無法查看相關數據，如圖2所示。隨后組織廠家工程師到現場檢查，廠家工程師到達現場檢查后發現數據采集主機存儲的數據與系統平臺存儲的數據時間段不一致，某段時間內，現場數據采集主機已經完成存儲的數據在系統平臺并未完成存儲，在系統平臺無法讀取到現場應力應變監測系統數據后，現場數據采集主機還能夠繼續存儲一段時間的應力應變數據。綜合以上故障現象，經與廠家工程師共同分析，總結出引發系統平臺無法讀取閥室應力應變系統數據的原因可能有以下兩個方面：①閥室應力應變采集設備出現問題；②傳輸設備或傳輸鏈路出了故障。鑒于現場數據采集主機儲存的數據比系統平臺存儲的數據時間更新，說明數據傳輸中斷后現場的數據采集系統還能正常工作，但現場數據采集主機存儲一段時間的數據后便不再存儲數據，說明此時數據采集主機已經死機，無法正常工作。廠家工程師分析這是由于數據采集主機和系統平臺通信中斷后，不斷嘗試與系統平臺進行通信連接，但又無法連接上，長時間的連接造成網絡端口擁堵，導致數據采集主機死機。結合閥室位于鹽堿灘涂，4G信號強度低，加之應力應變系統4G無線通信模塊位于閥室設備間內，4G信號強度進一步衰減，4G無線通信模塊無法連接到運營商4G網絡。綜合以上分析，造成應力應變系統數據傳輸中斷的最終原因在數據傳輸鏈路上，閥室內無線4G信號頻繁中斷造成無線通信模塊無法正常連接到4G網絡，進而無法將數據傳輸到系統平臺。

3解決措施及現場實施

隨后，經過雙方技術人員的協商，決定利用已經隨管道一同敷設的光纖作為傳輸媒介，將三個4G信號質量差的閥室應力應變監測系統數據傳輸至4G信號質量好的分輸站，在分輸站設置一臺數據采集主機，統一對三個閥室的數據進行處理和運算，再通過4G無線通信設備將三個閥室經過處理后的數據統一傳送至系統平臺。系統通信改造的具體實施方案如下：拆除該系統安裝在1#、2#和3#閥室的數據采集主機和無線4G通信模塊，在3#閥室安裝1臺光纖收發器，網口端與光纖光柵解調儀相連，光口與1芯去2#閥室的光纖相連；在2#閥室安裝1臺光纖收發器，與3#閥室光纖收發器建立通信，設置1臺帶光換機，電口與光纖光柵解調儀、光纖收發器相連，光口與2芯去1#閥室光纖相連；在1#閥室安裝1臺光纖收發器，與分輸站光纖收發器建立通信，設置1臺帶光換機，電口與光纖光柵解調儀、光纖收發器相連，光口與2芯來自2#閥室光纖相連；在分輸站設置1臺光纖收發器，與1#閥室的光纖收發器建立通信。改造后的系統組網圖如圖3所示。

4應用效果評價

對三個閥室光纖光柵解調儀的IP地址進行統一規劃，在分輸站對數據采集主機重新進行配置，對系統平臺重新配置后，三個閥室應力應變數據能夠正常傳輸至系統平臺，如圖4所示。經過連續多日的觀察，系統數據傳輸穩定，沒有出現過數據傳輸中斷的情況，整個系統運轉良好。通過以上改造，在充分利用現有富裕光纖資源的同時，保證了應力應變監測系統信號傳輸的穩定，保障了系統平臺對各個關鍵節點應力應變系統的實時監測，為管道的平穩安全運行提供了科學依據。

參考文獻

[1]楊士梅.應變監測系統在凍土區原油管道中的應用效果分析[J].中國石油和化工標準與質量，2020（1）.

[2]胡慶.光纖通信系統與網絡[M].北京：電子工業出版社，2014.

[3]張元斌.物聯網通信技術[M].成都：西南交通大學出版社，2018.

作者:吳耀興 單位:中海油華北天然氣管道有限公司