光纖通信在改進(jìn)通信質(zhì)量的應(yīng)用

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【摘要】中海油某管道公司三個(gè)閥室應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自建成以來(lái)，與系統(tǒng)平臺(tái)上的服務(wù)器通信頻繁中斷，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的應(yīng)力應(yīng)變信息。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分析，查找出引發(fā)通信中斷的原因?yàn)橐陨先齻€(gè)閥室位于鹽堿灘涂地帶，4G信號(hào)強(qiáng)度差，該系統(tǒng)終端與服務(wù)器的通信方式為4G通信。隨后將其通信方式由4G通信調(diào)整為光纖通信，最終很好地解決了這一問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)；4G；光纖通信

天然氣管道作為一種高效輸送天然氣的介質(zhì)，在天然氣長(zhǎng)距離、低成本運(yùn)輸過(guò)程中體現(xiàn)了很強(qiáng)的優(yōu)越性，在我國(guó)大力發(fā)展清潔能源之際，天然氣管道的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高峰期。然而，天然氣管道所經(jīng)路徑往往地質(zhì)條件復(fù)雜，管道容易出現(xiàn)移位、變形等狀況，如何有效監(jiān)測(cè)管道在高危地帶的形變量，需要我們?cè)诟呶５貛гO(shè)置一套能夠監(jiān)測(cè)管道移位、變形等參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這就是本文要介紹的應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)。

1應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)及其通信方式介紹

應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用通過(guò)有限元分析管土相互作用和地面運(yùn)動(dòng)模型通過(guò)特定的網(wǎng)站可以形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)生成管道應(yīng)變是否超過(guò)管道應(yīng)變能力，防止地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道造成破壞[1]。本項(xiàng)目管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)布設(shè)在管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的光纖光柵傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道應(yīng)變、溫度和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道變形的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，作為評(píng)價(jià)管道的安全狀態(tài)的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。管道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變信息是反映其結(jié)構(gòu)是否處于安全狀態(tài)最直接的評(píng)價(jià)和判斷指標(biāo)，因此采用光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)管道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。同時(shí)當(dāng)管道發(fā)生不均勻沉降時(shí)，布設(shè)的光纖光柵應(yīng)變傳感器也能監(jiān)測(cè)到管道的內(nèi)力變化，從而判斷不均勻沉降對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的影響。由于管道內(nèi)部流通天然氣，溫度變化對(duì)管道的影響是十分重要的參考指標(biāo)，同時(shí)管道溫度數(shù)據(jù)也能為管道結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真計(jì)算模擬提供更加全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。因此在管道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置處布設(shè)光纖光柵溫度傳感器以監(jiān)測(cè)管道結(jié)構(gòu)溫度變化情況。在自然環(huán)境各種因素的作用下，在野外布設(shè)的管道結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)局部懸跨，從而引起管道結(jié)構(gòu)的不均勻受力造成不均勻變形，同時(shí)在土體地殼運(yùn)動(dòng)和外力的影響下管道結(jié)構(gòu)的不均勻變形成為一個(gè)不可忽略的安全問(wèn)題，因此需要對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行不均勻變形監(jiān)測(cè)。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變、溫度和位移監(jiān)測(cè)；光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀和相應(yīng)的采集軟件進(jìn)行采集傳輸及存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通信以現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)閥室為輸入節(jié)點(diǎn)，以無(wú)線(xiàn)4G通信模塊為輸出節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)平臺(tái)作為各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚和處理的中心。如圖1所示，各傳感器的信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)焦饫w光柵解調(diào)儀后，對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行解析和處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后上傳給數(shù)據(jù)采集主機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步運(yùn)算和處理，轉(zhuǎn)換成實(shí)際的工程量，一方面將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地硬盤(pán)，另一方面將這些數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)信號(hào)發(fā)射器傳送至應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)平臺(tái)，在系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

自2019年5月開(kāi)始，三個(gè)閥室斷續(xù)向系統(tǒng)平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)失敗，登錄系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)法查看相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖2所示。隨后組織廠(chǎng)家工程師到現(xiàn)場(chǎng)檢查，廠(chǎng)家工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集主機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)平臺(tái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)間段不一致，某段時(shí)間內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主機(jī)已經(jīng)完成存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)平臺(tái)并未完成存儲(chǔ)，在系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)法讀取到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)后，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主機(jī)還能夠繼續(xù)存儲(chǔ)一段時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。綜合以上故障現(xiàn)象，經(jīng)與廠(chǎng)家工程師共同分析，總結(jié)出引發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)法讀取閥室應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)數(shù)據(jù)的原因可能有以下兩個(gè)方面：①閥室應(yīng)力應(yīng)變采集設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題；②傳輸設(shè)備或傳輸鏈路出了故障。鑒于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主機(jī)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)比系統(tǒng)平臺(tái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)間更新，說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸中斷后現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還能正常工作，但現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主機(jī)存儲(chǔ)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)后便不再存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，說(shuō)明此時(shí)數(shù)據(jù)采集主機(jī)已經(jīng)死機(jī)，無(wú)法正常工作。廠(chǎng)家工程師分析這是由于數(shù)據(jù)采集主機(jī)和系統(tǒng)平臺(tái)通信中斷后，不斷嘗試與系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行通信連接，但又無(wú)法連接上，長(zhǎng)時(shí)間的連接造成網(wǎng)絡(luò)端口擁堵，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集主機(jī)死機(jī)。結(jié)合閥室位于鹽堿灘涂，4G信號(hào)強(qiáng)度低，加之應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)4G無(wú)線(xiàn)通信模塊位于閥室設(shè)備間內(nèi)，4G信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，4G無(wú)線(xiàn)通信模塊無(wú)法連接到運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)。綜合以上分析，造成應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中斷的最終原因在數(shù)據(jù)傳輸鏈路上，閥室內(nèi)無(wú)線(xiàn)4G信號(hào)頻繁中斷造成無(wú)線(xiàn)通信模塊無(wú)法正常連接到4G網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而無(wú)法將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)。

3解決措施及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

隨后，經(jīng)過(guò)雙方技術(shù)人員的協(xié)商，決定利用已經(jīng)隨管道一同敷設(shè)的光纖作為傳輸媒介，將三個(gè)4G信號(hào)質(zhì)量差的閥室應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至4G信號(hào)質(zhì)量好的分輸站，在分輸站設(shè)置一臺(tái)數(shù)據(jù)采集主機(jī)，統(tǒng)一對(duì)三個(gè)閥室的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，再通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備將三個(gè)閥室經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)通信改造的具體實(shí)施方案如下：拆除該系統(tǒng)安裝在1#、2#和3#閥室的數(shù)據(jù)采集主機(jī)和無(wú)線(xiàn)4G通信模塊，在3#閥室安裝1臺(tái)光纖收發(fā)器，網(wǎng)口端與光纖光柵解調(diào)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(tái)光纖收發(fā)器，與3#閥室光纖收發(fā)器建立通信，設(shè)置1臺(tái)帶光換機(jī)，電口與光纖光柵解調(diào)儀、光纖收發(fā)器相連，光口與2芯去1#閥室光纖相連；在1#閥室安裝1臺(tái)光纖收發(fā)器，與分輸站光纖收發(fā)器建立通信，設(shè)置1臺(tái)帶光換機(jī)，電口與光纖光柵解調(diào)儀、光纖收發(fā)器相連，光口與2芯來(lái)自2#閥室光纖相連；在分輸站設(shè)置1臺(tái)光纖收發(fā)器，與1#閥室的光纖收發(fā)器建立通信。改造后的系統(tǒng)組網(wǎng)圖如圖3所示。

4應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

對(duì)三個(gè)閥室光纖光柵解調(diào)儀的IP地址進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，在分輸站對(duì)數(shù)據(jù)采集主機(jī)重新進(jìn)行配置，對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)重新配置后，三個(gè)閥室應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠正常傳輸至系統(tǒng)平臺(tái)，如圖4所示。經(jīng)過(guò)連續(xù)多日的觀(guān)察，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸中斷的情況，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。通過(guò)以上改造，在充分利用現(xiàn)有富裕光纖資源的同時(shí)，保證了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定，保障了系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為管道的平穩(wěn)安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊士梅.應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在凍土區(qū)原油管道中的應(yīng)用效果分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2020（1）.

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作者:吳耀興 單位:中海油華北天然氣管道有限公司