疏浚管道磨損遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)研究

王 珺，倪福生，蔣 爽

（1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州213022）

疏浚管道是挖泥船水力輸送環(huán)節(jié)的主要組成部分，輸送高濃度、高壓力、大流量泥漿，尤其是珊瑚礁、巖石、硬質(zhì)黏土等堅(jiān)硬物料時(shí)，會(huì)對管道內(nèi)壁產(chǎn)生較大磨損與沖擊［1］。在磨損作用下，疏浚管道極易產(chǎn)生疲勞，老化加速，甚至在較短的時(shí)間內(nèi)被磨穿，通常疏浚鋼管工作0.5～1.0 a就需要更換。磨損老化的疏浚管道在高壓輸送環(huán)境下，很容易破裂造成爆管事故，一方面易造成人身傷害，另一方面使得整個(gè)工程停工，造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以百萬元計(jì)。因此，如何及時(shí)獲取各段鋼管的磨損信息，以指導(dǎo)疏浚管道的更換工作，就變得尤為重要。現(xiàn)階段多根據(jù)項(xiàng)目部積累的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有鋼管的使用時(shí)間、本次預(yù)計(jì)的施工時(shí)間和輸送的土質(zhì)特性等，判斷鋼管壁厚。有時(shí)為了避免爆管風(fēng)險(xiǎn)，不得不提早更換；也有采用便攜式探測儀表或敲擊的方式對磨損量進(jìn)行定量或定性分析，但需工作人員定期到達(dá)各施工段進(jìn)行監(jiān)測，耗費(fèi)人力物力，并且由于疏浚鋼管多位于大江大河或海面上，因此現(xiàn)場監(jiān)測的難度和風(fēng)險(xiǎn)都很大［2-3］。

本文針對疏浚管道磨損檢測的現(xiàn)狀，利用超聲波測厚機(jī)理設(shè)計(jì)測厚終端，以SAE（Sina App Engine）云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)中心，結(jié)合GPRS通信技術(shù)［4］、GPS定位技術(shù)，研發(fā)一套疏浚鋼管磨損遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，以期較為準(zhǔn)確地指導(dǎo)疏浚鋼管更換工作，有效延長鋼管壽命，降低爆管風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

疏浚管道磨損遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要由超聲波遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測厚終端和監(jiān)測中心兩部分組成（見圖1）。測厚終端設(shè)備采用脈沖反射式超聲波測量機(jī)理［5-6］，應(yīng)用卡爾曼濾波理論［7］的降噪方法降低超聲回波中的噪聲干擾，并利用Matlab進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合校準(zhǔn)來提高管道壁厚測量精度。測厚終端與監(jiān)測中心采用GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。監(jiān)測平臺(tái)以SAE云平臺(tái)［8-9］為服務(wù)器，接收并顯示遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 基于STM32的疏浚管道測厚裝置設(shè)計(jì)

疏浚管道磨損遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的核心在于終端設(shè)備——超聲波測厚裝置的設(shè)計(jì)，包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。總體上可分為人機(jī)交互模塊、單片微處理器控制模塊、超聲波信號調(diào)理電路、遠(yuǎn)程通信及定位電路。測厚裝置的設(shè)計(jì)框架見圖2。

圖2 測厚裝置設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片微處理器作為核心控制單元，具備復(fù)位、電源、時(shí)鐘、內(nèi)部存儲(chǔ)等子電路。超聲波信號調(diào)理電路包括超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、脈沖回波放大電路以及波形調(diào)制電路等，調(diào)制后的規(guī)則脈沖通過外部捕獲通道送入內(nèi)部計(jì)數(shù)器單元。遠(yuǎn)程通信及定位電路主要由GPRS通信模塊和GPS/北斗定位模塊構(gòu)成，通過串口與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機(jī)交互模塊包括TFT LCD屏顯示電路和獨(dú)立輸入按鍵電路，其中 TFT LCD屏接在 STM32F407ZGT6的 FSMC總線接口上。

從軟件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，主要有主程序框架及時(shí)序分析、回波脈沖數(shù)據(jù)采集單元、GPRS通信單元和GPS/北斗定位單元軟件設(shè)計(jì)。測厚主程序的主要功能是判斷是否接收到回波以及進(jìn)行厚度脈沖的計(jì)數(shù)處理（見圖3），時(shí)序分析用來輔助測厚軟件的設(shè)計(jì)；對于回波脈沖數(shù)據(jù)采集，則采用STM32的內(nèi)部輸入捕獲功能直接進(jìn)行計(jì)數(shù)，免去計(jì)數(shù)器電路的設(shè)計(jì)工作；通信及定位模塊的軟件根據(jù)模塊特點(diǎn)和功能要求進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

圖3 測厚裝置主程序框架

根據(jù)測厚裝置的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行疏浚管道壁厚測量裝置樣機(jī)的研制。從人機(jī)交互學(xué)的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)了薄膜按鍵面板，同時(shí)根據(jù)薄膜按鍵面板界面的設(shè)計(jì)對鋁盒進(jìn)行開孔加工，定制了測量裝置樣機(jī)的鋁盒。薄膜面板及按鍵見圖4。

3 基于SAE云平臺(tái)的疏浚管道壁厚遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

在線監(jiān)測平臺(tái)的目的主要就是為了接收測厚裝置采集的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，以供用戶進(jìn)行查看和分析。監(jiān)測平臺(tái)的搭建主要包括服務(wù)器端設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)見圖5。首先，固定在管壁上的測厚裝置通過GPRS遠(yuǎn)程通信模塊作為服務(wù)識(shí)別的硬件基礎(chǔ)，運(yùn)用IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的HTTP GET方法發(fā)送壁厚數(shù)據(jù)。GPRS網(wǎng)絡(luò)與SAE云平臺(tái)通過端口號、IP地址等建立連接，使得SAE云平臺(tái)可以接收管道壁厚的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用PHP技術(shù)解析數(shù)據(jù)，然后通過SAE內(nèi)部集成的PHP MyAdmin管理工具將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MySQL數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)壁厚數(shù)據(jù)的讀取、整理與存儲(chǔ)。監(jiān)測界面采用HTML CSS網(wǎng)頁編程技術(shù)并基于B/S［11］框架來設(shè)計(jì)，Web瀏覽器訪問顯示管道的壁厚、編號、位置和監(jiān)測時(shí)間等信息。

圖4 薄膜面板及按鍵示意

圖5 監(jiān)測平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫及監(jiān)測界面的設(shè)計(jì)

管道壁厚監(jiān)測平臺(tái)采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將其部署在SAE云平臺(tái)中，并采用Navicat for MySQL作為云數(shù)據(jù)庫的管理與開發(fā)工具，管理者可在SAE云平臺(tái)共享型MySQL端對數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索、查詢及導(dǎo)出，也可以打印生成監(jiān)測報(bào)表。基于監(jiān)測平臺(tái)的用戶功能需求，設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)據(jù)表，分別為用戶信息表（User＿info）和疏浚管道壁厚信息表（Thickness＿msg）。 疏浚鋼管壁厚監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 疏浚鋼管壁厚監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖，采用HTML語言結(jié)合CSS層疊樣式表［12］設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺(tái)的用戶登錄界面和數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，實(shí)現(xiàn)測厚終端監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示。數(shù)據(jù)監(jiān)測界面見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

圖7的數(shù)據(jù)監(jiān)測界面由兩個(gè)數(shù)據(jù)表組成，顯示了管道編號、緯度、經(jīng)度、厚度測量值以及監(jiān)測時(shí)間。第一個(gè)表顯示最近一次監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，第二個(gè)表顯示歷史數(shù)據(jù)，最下方提示“共有11條記錄”為數(shù)據(jù)接收的記錄總數(shù)。

4 疏浚管道磨損遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試

4.1 樣機(jī)測量精度校準(zhǔn)

在測厚終端監(jiān)測精度的測試中，首先使用超聲波標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行測厚試驗(yàn)，選取 1.5、3、5、7、10、12、20、24 mm共8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行超聲波波形測試分析。利用示波器進(jìn)行精準(zhǔn)波形捕捉分析，得出不同厚度的規(guī)則脈沖波形。由波形測試結(jié)果可以看出，隨著所測試塊厚度不斷增大，規(guī)則脈沖的寬度也不斷增大，這與實(shí)際情況吻合。在程序設(shè)計(jì)中，采用84 MHz時(shí)鐘進(jìn)行外部捕獲，現(xiàn)將試塊厚度、脈沖捕獲個(gè)數(shù)、對應(yīng)的脈沖寬度以及測量初值列于表1，以便于測量數(shù)據(jù)的初步分析。

表1 測量數(shù)據(jù)初步分析

利用表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試塊實(shí)際厚度與測量的厚度值曲線，見圖8。由圖8可以看出，測量厚度較實(shí)際厚度偏大，主要原因是在超聲波測厚裝置的軟件設(shè)計(jì)中，超聲波信號實(shí)際到達(dá)鋼管外壁的時(shí)間并不是所捕獲脈沖的實(shí)際入射時(shí)間，為了避免高壓窄帶脈沖之間的干擾現(xiàn)象，程序中將規(guī)則脈沖的前沿提前了約3 μs，同時(shí)電路延時(shí)以及系統(tǒng)程序運(yùn)行上的極小偏差在監(jiān)測結(jié)果中得到了體現(xiàn)。因此，需對標(biāo)準(zhǔn)試塊的測量值進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合校準(zhǔn)。本文利用Matlab進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合校準(zhǔn)，由校準(zhǔn)結(jié)果可以看出，測量所得的厚度初值與標(biāo)準(zhǔn)試塊實(shí)際厚度的偏差基本成線性相關(guān)，可利用修正公式有效去除電路設(shè)計(jì)中的延時(shí)差值：

式中：f（x）為修正后的測量值，即試塊厚度；x為未修正下的測量初值。

圖8 試塊實(shí)際厚度與測量初值對比

利用校準(zhǔn)后的測厚裝置對各標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行進(jìn)一步測量，測量偏差大大減小，精度提高，測量精度達(dá)到1%。

4.2 管道厚度監(jiān)測試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，利用擬合校準(zhǔn)后的測厚裝置對磨損試驗(yàn)平臺(tái)（見圖9）的管道磨損量進(jìn)行檢測。在疏浚行業(yè)中，管路是開放式的，泵從水底吸入挖掘機(jī)具采掘的砂礫，再通過管道輸送到幾千米或十幾千米外的排泥區(qū)，所以始終都是新砂對管道造成磨損。因此，為了更加真實(shí)地模擬疏浚磨損環(huán)境，磨損試驗(yàn)中每8 h換一次粗砂，盡量減少粗砂的粒徑變化。

圖9 管壁沖刷磨損試驗(yàn)平臺(tái)

選取其中一處水平管段進(jìn)行厚度監(jiān)測，所測管段長300 mm，標(biāo)稱壁厚為4 mm，現(xiàn)以25 mm為一個(gè)標(biāo)記，對所測管段進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)注，對管道內(nèi)壁軸向磨損形態(tài)進(jìn)行多次測量，最后取其均值。經(jīng)過總計(jì)120 h的磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)管累計(jì)磨損質(zhì)量為41.5 g。利用測厚儀對管道壁厚進(jìn)行測量，以校驗(yàn)儀器的精度及監(jiān)測平臺(tái)的可靠性，結(jié)果見圖10。

圖10 試驗(yàn)管測厚數(shù)據(jù)

由圖10可知，試驗(yàn)管平均磨損0.25 mm，在圖中能較明顯地看出頂部和底部的差別，磨損掉的管壁厚度與質(zhì)量基本一致，說明利用該儀器完全可以測量出由磨損所造成的細(xì)微厚度變化，且可滿足應(yīng)用要求。圖中出現(xiàn)交叉的原因是鋼管卷制時(shí)有螺旋線，厚度不一，并不是絕對的整圓。樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 管道壁厚實(shí)測數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，測厚裝置的測量值與實(shí)際情況基本吻合。測厚終端設(shè)備將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)頁端并顯示在數(shù)據(jù)監(jiān)測界面上，與實(shí)測數(shù)據(jù)對比可知，測厚終端與監(jiān)測平臺(tái)完成了數(shù)據(jù)傳遞，沒有數(shù)據(jù)丟包問題，監(jiān)測平臺(tái)是可靠的。

5 結(jié) 語

針對疏浚管道壁厚的測量現(xiàn)狀，研制了一套疏浚管道磨損遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，包括測厚裝置的設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺(tái)的設(shè)計(jì)。經(jīng)磨損試驗(yàn)平臺(tái)的調(diào)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了疏浚管道壁厚數(shù)據(jù)的測量及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，性能較為穩(wěn)定，為進(jìn)一步建立磨損模型、預(yù)測疏浚管道的磨損發(fā)展趨勢提供了精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。下一步，將針對管道內(nèi)壁沉積層對測量結(jié)果的影響、系統(tǒng)供電以及多臺(tái)測厚裝置同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可能出現(xiàn)的服務(wù)器端數(shù)據(jù)堵塞、丟包等問題，對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。