疏浚管道磨損遠程實時監測系統研究

王 珺，倪福生，蔣 爽

（1.河海大學 機電工程學院，江蘇常州213022；2.疏浚技術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節的主要組成部分，輸送高濃度、高壓力、大流量泥漿，尤其是珊瑚礁、巖石、硬質黏土等堅硬物料時，會對管道內壁產生較大磨損與沖擊［1］。在磨損作用下，疏浚管道極易產生疲勞，老化加速，甚至在較短的時間內被磨穿，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，另一方面使得整個工程停工，造成的經濟損失數以百萬元計。因此，如何及時獲取各段鋼管的磨損信息，以指導疏浚管道的更換工作，就變得尤為重要。現階段多根據項目部積累的工程經驗，結合現有鋼管的使用時間、本次預計的施工時間和輸送的土質特性等，判斷鋼管壁厚。有時為了避免爆管風險，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行定量或定性分析，但需工作人員定期到達各施工段進行監測，耗費人力物力，并且由于疏浚鋼管多位于大江大河或海面上，因此現場監測的難度和風險都很大［2-3］。

本文針對疏浚管道磨損檢測的現狀，利用超聲波測厚機理設計測厚終端，以SAE（Sina App Engine）云平臺作為數據中心，結合GPRS通信技術［4］、GPS定位技術，研發一套疏浚鋼管磨損遠程實時監測系統，以期較為準確地指導疏浚鋼管更換工作，有效延長鋼管壽命，降低爆管風險。

1 系統總體設計方案

疏浚管道磨損遠程實時監測系統主要由超聲波遠程實時測厚終端和監測中心兩部分組成（見圖1）。測厚終端設備采用脈沖反射式超聲波測量機理［5-6］，應用卡爾曼濾波理論［7］的降噪方法降低超聲回波中的噪聲干擾，并利用Matlab進行多點數據擬合校準來提高管道壁厚測量精度。測厚終端與監測中心采用GPRS通信方式實現數據交換。監測平臺以SAE云平臺［8-9］為服務器，接收并顯示遠程數據。系統總體設計方案見圖1。

圖1 系統總體設計方案

2 基于STM32的疏浚管道測厚裝置設計

疏浚管道磨損遠程實時監測系統的核心在于終端設備——超聲波測厚裝置的設計，包括硬件系統設計和軟件系統設計。總體上可分為人機交互模塊、單片微處理器控制模塊、超聲波信號調理電路、遠程通信及定位電路。測厚裝置的設計框架見圖2。

圖2 測厚裝置設計框架

系統以STM32F407ZGT6單片微處理器作為核心控制單元，具備復位、電源、時鐘、內部存儲等子電路。超聲波信號調理電路包括超聲波發射驅動電路、脈沖回波放大電路以及波形調制電路等，調制后的規則脈沖通過外部捕獲通道送入內部計數器單元。遠程通信及定位電路主要由GPRS通信模塊和GPS/北斗定位模塊構成，通過串口與STM32進行數據交換。人機交互模塊包括TFT LCD屏顯示電路和獨立輸入按鍵電路，其中 TFT LCD屏接在 STM32F407ZGT6的 FSMC總線接口上。

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

圖3 測厚裝置主程序框架

根據測厚裝置的硬件和軟件設計方案，進行疏浚管道壁厚測量裝置樣機的研制。從人機交互學的角度優化設計了薄膜按鍵面板，同時根據薄膜按鍵面板界面的設計對鋁盒進行開孔加工，定制了測量裝置樣機的鋁盒。薄膜面板及按鍵見圖4。

3 基于SAE云平臺的疏浚管道壁厚遠程監測平臺設計

3.1 總體設計方案

在線監測平臺的目的主要就是為了接收測厚裝置采集的遠程數據，以供用戶進行查看和分析。監測平臺的搭建主要包括服務器端設計和數據庫系統設計，其整體結構見圖5。首先，固定在管壁上的測厚裝置通過GPRS遠程通信模塊作為服務識別的硬件基礎，運用IP網絡協議中的HTTP GET方法發送壁厚數據。GPRS網絡與SAE云平臺通過端口號、IP地址等建立連接，使得SAE云平臺可以接收管道壁厚的相關數據信息，運用PHP技術解析數據，然后通過SAE內部集成的PHP MyAdmin管理工具將數據導入MySQL數據庫中，實現壁厚數據的讀取、整理與存儲。監測界面采用HTML CSS網頁編程技術并基于B/S［11］框架來設計，Web瀏覽器訪問顯示管道的壁厚、編號、位置和監測時間等信息。

圖4 薄膜面板及按鍵示意

圖5 監測平臺總體結構

3.2 數據庫及監測界面的設計

管道壁厚監測平臺采用MySQL數據庫存儲數據，將其部署在SAE云平臺中，并采用Navicat for MySQL作為云數據庫的管理與開發工具，管理者可在SAE云平臺共享型MySQL端對數據進行搜索、查詢及導出，也可以打印生成監測報表。基于監測平臺的用戶功能需求，設計了兩個數據表，分別為用戶信息表（User＿info）和疏浚管道壁厚信息表（Thickness＿msg）。 疏浚鋼管壁厚監測平臺的數據結構見圖6。

圖6 疏浚鋼管壁厚監測平臺的數據結構

根據數據結構圖，采用HTML語言結合CSS層疊樣式表［12］設計數據監測平臺的用戶登錄界面和數據監測界面，實現測厚終端監測數據的遠程顯示。數據監測界面見圖7。

圖7 數據監測界面

圖7的數據監測界面由兩個數據表組成，顯示了管道編號、緯度、經度、厚度測量值以及監測時間。第一個表顯示最近一次監測得到的數據，第二個表顯示歷史數據，最下方提示“共有11條記錄”為數據接收的記錄總數。

4 疏浚管道磨損遠程實時監測系統調試

4.1 樣機測量精度校準

在測厚終端監測精度的測試中，首先使用超聲波標準試塊進行測厚試驗，選取 1.5、3、5、7、10、12、20、24 mm共8個標準立方體試塊進行超聲波波形測試分析。利用示波器進行精準波形捕捉分析，得出不同厚度的規則脈沖波形。由波形測試結果可以看出，隨著所測試塊厚度不斷增大，規則脈沖的寬度也不斷增大，這與實際情況吻合。在程序設計中，采用84 MHz時鐘進行外部捕獲，現將試塊厚度、脈沖捕獲個數、對應的脈沖寬度以及測量初值列于表1，以便于測量數據的初步分析。

表1 測量數據初步分析

利用表1的試驗數據繪制試塊實際厚度與測量的厚度值曲線，見圖8。由圖8可以看出，測量厚度較實際厚度偏大，主要原因是在超聲波測厚裝置的軟件設計中，超聲波信號實際到達鋼管外壁的時間并不是所捕獲脈沖的實際入射時間，為了避免高壓窄帶脈沖之間的干擾現象，程序中將規則脈沖的前沿提前了約3 μs，同時電路延時以及系統程序運行上的極小偏差在監測結果中得到了體現。因此，需對標準試塊的測量值進行多點數據擬合校準。本文利用Matlab進行多點數據擬合校準，由校準結果可以看出，測量所得的厚度初值與標準試塊實際厚度的偏差基本成線性相關，可利用修正公式有效去除電路設計中的延時差值：

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 試塊實際厚度與測量初值對比

利用校準后的測厚裝置對各標準試塊進行進一步測量，測量偏差大大減小，精度提高，測量精度達到1%。

4.2 管道厚度監測試驗

為進一步驗證系統的可行性，利用擬合校準后的測厚裝置對磨損試驗平臺（見圖9）的管道磨損量進行檢測。在疏浚行業中，管路是開放式的，泵從水底吸入挖掘機具采掘的砂礫，再通過管道輸送到幾千米或十幾千米外的排泥區，所以始終都是新砂對管道造成磨損。因此，為了更加真實地模擬疏浚磨損環境，磨損試驗中每8 h換一次粗砂，盡量減少粗砂的粒徑變化。

圖9 管壁沖刷磨損試驗平臺

選取其中一處水平管段進行厚度監測，所測管段長300 mm，標稱壁厚為4 mm，現以25 mm為一個標記，對所測管段進行打點標注，對管道內壁軸向磨損形態進行多次測量，最后取其均值。經過總計120 h的磨損試驗，試驗管累計磨損質量為41.5 g。利用測厚儀對管道壁厚進行測量，以校驗儀器的精度及監測平臺的可靠性，結果見圖10。

圖10 試驗管測厚數據

由圖10可知，試驗管平均磨損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微厚度變化，且可滿足應用要求。圖中出現交叉的原因是鋼管卷制時有螺旋線，厚度不一，并不是絕對的整圓。樣機實測數據見表2。

表2 管道壁厚實測數據

試驗結果表明，測厚裝置的測量值與實際情況基本吻合。測厚終端設備將監測到的數據通過GPRS網絡上傳到網頁端并顯示在數據監測界面上，與實測數據對比可知，測厚終端與監測平臺完成了數據傳遞，沒有數據丟包問題，監測平臺是可靠的。

5 結 語

針對疏浚管道壁厚的測量現狀，研制了一套疏浚管道磨損遠程監測系統，包括測厚裝置的設計、樣機研制和遠程數據監測平臺的設計。經磨損試驗平臺的調試驗證，該系統基本實現了疏浚管道壁厚數據的測量及遠程實時監測功能，性能較為穩定，為進一步建立磨損模型、預測疏浚管道的磨損發展趨勢提供了精確的實時數據。下一步，將針對管道內壁沉積層對測量結果的影響、系統供電以及多臺測厚裝置同時發送數據時可能出現的服務器端數據堵塞、丟包等問題，對監測系統進行進一步改進。