CN113670208B - 一种采空塌陷区油气管道位移监测*** - Google Patents
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Abstract
一种采空塌陷区油气管道位移监测***，数据采集传输***包括管体应变监测装置、管体相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置、初步数据处理装置和能源供应及定位装置；初步数据处理装置包括下位机、光纤光栅解调仪、光开关和光纤接线盒；下位机与第一无线通信模块和光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪通过光开关与光纤接线盒连接；能源供应及定位装置包括太阳能电池板和定位装置；太阳能电池板安装在支撑架的上端，并通过充电模板与蓄电池连接；数据接收处理***包括故障能源管理***、安全定位管理***、数据分析处理显示***、通信单元和智能移动端；通信单元包括第二无线通信模块和通信主机。该***能有效解决供电问题，便于故障定位。
Description
技术领域
本发明属于油气管道位移监测技术领域，具体涉及一种采空塌陷区油气管道位移监测***。
背景技术
面对众多的采空塌陷灾害，管道运营公司虽然采取了积极的工程防护措施，但目前的这些措施中存在一些弊端。首先，这些措施的成本较高，其次，现有措施的防护工程并不能达到“一劳永逸”的目的，不仅因为设计施工环节中的不确定因素较多，还因为防护治理的周期长，且治理时机不易掌握。对油气管道的位移监测是一种作为防治采空塌陷灾害的主要方式，也是一种高效、低成本的防治措施。
传统的采空区土体变形采用经纬仪、水准仪、钢尺、支距尺和全站仪或GPS等方法，这些方法的实时性都较差，均是对地表已经塌陷这一既有现象进行结果监测，难以满足采空区监测超前预报、长期和实时在线的要求。传统的管道应变监测以电阻式应变计、振弦式应变计为主，在耐腐蚀、抗干扰方面较差，稳定性也难以满足要求。近几年兴起的分布式光纤传感技术（以BOTDR为代表）在管体监测方面已有了一定的应用。
目前的这些监测方式均局限于对采空塌陷（致灾体）或管道（承灾体）进行独立监测，还未对采空塌陷变形及其影响下的管道进行***的联合监测，也没有对采空塌陷区土体变形信息的超前监测和管土相对位移监测。联合监测不仅能超前判断采空塌陷作用的活动情况、发育发展规律和破坏机理，还能查明采空塌陷对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道的应力位移变化规律，判断管道的安全状态，为防治时机的确定提供有效依据。综合以上的信息，就能对采空塌陷区管道进行安全预警，提前预报采空区的稳定状态以及管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。联合监测代表了采空塌陷区管道监测的新趋势。
光纤光栅是近几年发展出来的最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性，如易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等优点。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的应用前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩（扭应力）、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数和振动等特点，其中一部分光纤光栅传感***已经得到实际应用。
现有技术中的用于采空塌陷区油气管道监测***存在以下问题，其供电问题不易解决，尤其是安装在较为偏僻的位置时，同时，不便于进行故障的检修和维护，无法保证监测***的长期、有效、稳定运行。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采空塌陷区油气管道位移监测***，该***能有效解决偏远环境中的供电问题，并能降低供电成本，利于环保；同时，能便于维护人员准确迅速的找到故障发生地，能便于对运行中故障的快速检测和维护。
为了实现上述目的，本发明提供一种采空塌陷区油气管道位移监测***，包括埋设于采空塌陷区中的管道、数据采集传输***和数据接收处理***，所述数据采集传输***的数量至少为一个，并与数据接收处理***通过通信网络连接；所述数据采集传输***包括管体应变监测装置、管体相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置、初步数据处理装置和能源供应及定位装置；所述管体应变监测装置为光纤光栅应变传感器，其埋设于管道中；所述管体相对位移监测装置为管土相对位移传感器，其贴合地安装在管道的外表面；所述采空塌陷区水平变形监测装置为光纤光栅传感网，光纤光栅传感网水平地安装在管道的上方；初步数据处理装置包括下位机、第一无线通信模块、光纤光栅解调仪、光开关和光纤接线盒；所述下位机分别与管土相对位移传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅传感网、第一无线通信模块和光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪通过串接在第三光缆上的光开关与光纤接线盒连接，所述光纤接线盒通过第一光缆与光纤光栅应变传感器连接，通过第二光缆与光纤光栅传感网连接；
所述能源供应及定位装置包括支撑架、太阳能电池板、充电模板、蓄电池和定位装置；所述支撑架支设在地面上，所述太阳能电池板安装在支撑架的上端，并通过充电模板与蓄电池连接，蓄电池分别与下位机、第一无线通信模块、光纤光栅解调仪和光开关连接；所述定位装置与下位机连接；
所述数据接收处理***包括故障能源管理***、安全定位管理***、数据分析处理显示***、通信单元和智能移动端；所述故障能源管理***用于根据上位机的控制显示出现故障的数据采集传输***的所在位置，并进行故障的实时示警；所述安全定位管理***用于根据上位机的控制实时显示各个数据采集传输***的位置信息，便于维护人员快速的进行故障的准确定位和查找；所述数据分析处理显示***为上位机；所述通信单元包括第二无线通信模块和通信主机；上位机分别与故障能源管理***、安全定位管理***、第二无线通信模块和通信主机连接；所述智能移动端的数量至少为一个，并通过无线通信的方式与通信主机连接。
进一步，为了保护用电设备，所述初步数据处理装置还包括位于地面上的防护壳体，所述光开关、光纤光栅解调仪、下位机和第一无线通信模块均位于防护壳体内；所述支撑架的下端固定连接在防护壳体的上端。
进一步，为了保证定位装置和蓄电池，所述能源供应及定位装置还包括位于支撑架内部的蓄电池防护盒，所述定位装置、蓄电池和充电模板均设置在蓄电池防护盒中。
进一步，为了便于实现对太阳能电池板的固定，同时，也为了增加太阳能电池板支撑的稳定性，所述能源供应及定位装置还包括防护板，所述防护板固定连接在支撑架的上端，所述太阳能电池板安装在防护板的上端。
进一步，为了保护光纤接线盒，所述初步数据处理装置还包括防护罩，所述防护罩罩设在光纤接线盒的外部。
作为一种优选，所述智能移动端通过GPRS通信网络与通信主机连接；
作为一种优选，所述通信网络为GPRS通信网络或/和Internet网。
本发明通过能源供应及定位装置装置的设置可利用绿色能源发电并为数据采集传输***提供能源供应，大幅解决了数据采集传输***位于偏远环境中的供电问题，同时能够降低供电成本，利于环保；通过在数据接收处理***中设置了智能移动端，可使相关工作人员对于相关的数据能够及时了解，突破了现有技术中仅仅在特定的工作室才可查看相关数据的限制；通过定位装置便于进行数据采集传输***的定位，再配合安全定位管理***的设置能实时显示各数据采集传输***的位置信息，从而可以方便相关工作人员准确迅速的找到数据采集传输***所在的位置，大幅提升了应急响应的速度，同时便于实现防盗，可有效的提升安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中数据采集传输***的结构示意图；
图3是本发明的原理框图。
图中：1、采空塌陷区，2、管道，3、管土相对位移传感器，4、光纤光栅应变传感器，5、光纤光栅传感网，6、第一光缆，7、第二光缆，8、光纤接线盒，101、防护壳体，102、支撑架，103、防护板，104、太阳能电池板，105、防护罩，106、蓄电池防护盒，107、蓄电池，108、充电模板，109、定位装置，201、光开关，202、光纤光栅解调仪，203、下位机，204、第一无线通信模块，301、第二无线通信模块，302、上位机，303、通信主机，304、智能移动端。
实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种采空塌陷区油气管道位移监测***，包括埋设于采空塌陷区1中的管道2、数据采集传输***和数据接收处理***，所述数据采集传输***的数量至少为一个，并与数据接收处理***通过通信网络连接；所述数据采集传输***包括管体应变监测装置、管体相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置、初步数据处理装置和能源供应及定位装置；所述管体应变监测装置为光纤光栅应变传感器4，其埋设于管道中；所述管体相对位移监测装置为管土相对位移传感器3，其贴合地安装在管道的外表面；所述采空塌陷区水平变形监测装置为光纤光栅传感网5，光纤光栅传感网5水平地安装在管道2的上方；初步数据处理装置包括下位机203、第一无线通信模块204、光纤光栅解调仪202、光开关201和光纤接线盒8；所述下位机203分别与管土相对位移传感器3、光纤光栅应变传感器4、光纤光栅传感网5、第一无线通信模块204和光纤光栅解调仪202连接，所述光纤光栅解调仪202通过串接在第三光缆上的光开关201与光纤接线盒8连接，所述光纤接线盒8通过第一光缆6与光纤光栅应变传感器4连接，通过第二光缆7与光纤光栅传感网5连接；
所述能源供应及定位装置包括支撑架102、太阳能电池板104、充电模板108、蓄电池107和定位装置109；所述支撑架102支设在地面上，所述太阳能电池板104安装在支撑架102的上端，并通过充电模板108与蓄电池107连接，用于将太阳能转化为电能；蓄电池107分别与下位机203、第一无线通信模块204、光纤光栅解调仪202和光开关201连接，用于用电的供应；所述定位装置109与下位机203连接，作为一种优选，所述定位装置109为GPS定位模块；通过定位装置109的设置可得知数据采集传输***所在的位置，通过安全定位管理***可得知数据采集传输***所在的位置，从而可以便于故障排除人员的准确定位和快速查找，同时，也能在电能不足时进行及时的报警，便于维保人员和故障排除人员及时排除故障或对蓄电池107进行电能的补充，电能补充的方式可以是携带移动电源对蓄电池107进行充电的方式。
所述数据接收处理***包括故障能源管理***、安全定位管理***、数据分析处理显示***、通信单元和智能移动端304；所述故障能源管理***用于根据上位机302的控制显示出现故障的数据采集传输***的故障类型，并进行故障的实时示警；所述安全定位管理***用于根据上位机302的控制实时显示各个数据采集传输***的位置信息，便于维护人员快速的进行故障的准确定位和查找；所述数据分析处理显示***为上位机302；所述通信单元包括第二无线通信模块301和通信主机303；上位机302分别与故障能源管理***、安全定位管理***、第二无线通信模块301和通信主机303连接；所述智能移动端304的数量至少为一个，并通过无线通信的方式与通信主机303连接。
为了对光电设备进行保护，所述初步数据处理装置还包括位于地面上的防护壳体101，所述光开关201、光纤光栅解调仪202、下位机203和第一无线通信模块204均位于防护壳体101内；所述支撑架102的下端固定连接在防护壳体101的上端。
为了对蓄电池107、充电模板108和定位装置109进行保护，所述能源供应及定位装置还包括位于支撑架102内部的蓄电池防护盒106，所述定位装置109、蓄电池107和充电模板108均设置在蓄电池防护盒106中。
为了便于实现对太阳能电池板的固定，同时，也为了增加太阳能电池板支撑的稳定性，所述能源供应及定位装置还包括防护板103，所述防护板103固定连接在支撑架102的上端，所述太阳能电池板104安装在防护板103的上端。
为了保护光纤接线盒，所述初步数据处理装置还包括防护罩105，所述防护罩105罩设在光纤接线盒8的外部。
作为一种优选，所述智能移动端304通过GPRS通信网络与通信主机303连接；
所述通信网络为GPRS通信网络或/和Internet网。具体地，可根据数据采集传输***的实际位置选择合适的网络通信方式，当较为偏远时，即可选择使用GPRS网络，当所处位置采用Internet网更方便时，即可采用Internet网。
工作原理：智能移动端304便于携带，其具有上位机302的全部或部分功能，具体的功能可由本领域技术人员进行确定，也可根据不同的账号设置不同的功能和权限，便于进行管理，同时便于相关工作人员及时掌握相关的信息，相关工作人员包括维保人员和故障排除人员。
管土相对位移传感器3的设置可以采集管土相对位移信号并实时发送给下位机3；光纤光栅应变传感器4可采集管体应变信号并实时发送给下位机3；光纤光栅传感网5的设置可以采集采空塌陷区水平变形信号并实时发送给下位机3；定位装置109的设置可以便于对数据采集传输***进行定位，并将定位信号实时发送给下位机3；传感器采集到的数据信号经过第一光缆6、第二光缆7传递到光纤接线盒8，然后信号通过光纤接线盒8和第三光缆传递到光开关201，再经光开关201传至光纤光栅解调仪202进行解调，解调后的信号传至下位机203，下位机203内设置有用于对信号采集和预处理的处理模块，以实现对所接收信号的预处理，下位机203还用于实现对光开关201和光纤光栅解调仪202的控制；预处理后的数据和定位装置109发出的定位信息通过第一无线通信模块204向外发送，第二无线通信模块301在接收到预处理信号后传输给上位机302，上位机302对预处理信号进行进一步的分析处理，判断出管道2的受力变形状态及管土相对位移情况，并结合管道的变形和管土相对位移的分析结果，判断采空塌陷区管道的安全状态及采空区土体的塌陷情况，在发现某一个或某几个数据采集传输***存在故障时，控制能源管理***显示数据采集传输***的故障类型，并进行故障的实时示警，同时，控制安全定位管理***显示各个故障数据采集传输***的位置信息。
作为一种优选，数据采集传输***还包括与蓄电池连接的电压传感器，电压传感器用于实时采集蓄电池的电压信号，并实时发送给下位机，下位机根据电压信号获得蓄电池的电压值，并将电压值通过第一无线通信模块、第二无线通信模块发送给上位机，上位机在发现对应的数据采集传输***的蓄电池电压低于设定值时通过故障能源管理***进行故障的显示。
Claims (7)
1.一种采空塌陷区油气管道位移监测***，包括埋设于采空塌陷区（1）中的管道（2）、数据采集传输***和数据接收处理***，所述数据采集传输***的数量至少为一个，并与数据接收处理***通过通信网络连接；其特征在于；
所述数据采集传输***包括管体应变监测装置、管体相对位移监测装置、采空塌陷区水平变形监测装置、初步数据处理装置和能源供应及定位装置；所述管体应变监测装置为光纤光栅应变传感器（4），其埋设于管道（2）中；所述管体相对位移监测装置为管土相对位移传感器（3），其贴合地安装在管道（2）的外表面；所述采空塌陷区水平变形监测装置为光纤光栅传感网（5），光纤光栅传感网（5）水平地安装在管道（2）的上方；初步数据处理装置包括下位机（203）、第一无线通信模块（204）、光纤光栅解调仪（202）、光开关（201）和光纤接线盒（8）；所述下位机（203）分别与管土相对位移传感器（3）、光纤光栅应变传感器（4）、光纤光栅传感网（5）、第一无线通信模块（204）和光纤光栅解调仪（202）连接，所述光纤光栅解调仪（202）通过串接在第三光缆上的光开关（201）与光纤接线盒（8）连接，所述光纤接线盒（8）通过第一光缆（6）与光纤光栅应变传感器（4）连接，通过第二光缆（7）与光纤光栅传感网（5）连接；
所述能源供应及定位装置包括支撑架（102）、太阳能电池板（104）、充电模板（108）、蓄电池（107）和定位装置（109）；所述支撑架（102）支设在地面上，所述太阳能电池板（104）安装在支撑架（102）的上端，并通过充电模板（108）与蓄电池（107）连接，蓄电池（107）分别与下位机（203）、第一无线通信模块（204）、光纤光栅解调仪（202）和光开关（201）连接；所述定位装置（109）与下位机（203）连接；
所述数据接收处理***包括故障能源管理***、安全定位管理***、数据分析处理显示***、通信单元和智能移动端（304）；所述故障能源管理***用于根据上位机（302）的控制显示出现故障的数据采集传输***的所在位置，并进行故障的实时示警；所述安全定位管理***用于根据上位机（302）的控制实时显示各个数据采集传输***的位置信息，便于维护人员快速的进行故障的准确定位和查找；所述数据分析处理显示***为上位机（302）；所述通信单元包括第二无线通信模块（301）和通信主机（303）；上位机（302）分别与故障能源管理***、安全定位管理***、第二无线通信模块（301）和通信主机（303）连接；所述智能移动端（304）的数量至少为一个，并通过无线通信的方式与通信主机（303）连接。
2. 根据权利要求1 所述的一种采空塌陷区油气管道位移监测***，其特征在于，所述初步数据处理装置还包括位于地面上的防护壳体（101），所述光开关（201）、光纤光栅解调仪（202）、下位机（203）和第一无线通信模块（204）均位于防护壳体（101）内；所述支撑架（102）的下端固定连接在防护壳体（101）的上端。
3. 根据权利要求1 或2所述的一种采空塌陷区油气管道位移监测***，其特征在于，所述能源供应及定位装置还包括位于支撑架（102）内部的蓄电池防护盒（106），所述定位装置（109）、蓄电池（107）和充电模板（108）均设置在蓄电池防护盒（106）中。
4.根据权利要求3所述的一种采空塌陷区油气管道位移监测***，其特征在于，所述能源供应及定位装置还包括防护板（103），所述防护板（103）固定连接在支撑架（102）的上端，所述太阳能电池板（104）安装在防护板（103）的上端。
5.根据权利要求4所述的一种采空塌陷区油气管道位移监测***，其特征在于，所述初步数据处理装置还包括防护罩（105），所述防护罩（105）罩设在光纤接线盒（8）的外部。
6.根据权利要求5所述的一种采空塌陷区油气管道位移监测***，其特征在于，所述智能移动端（304）通过GPRS通信网络与通信主机（303）连接。
7.根据权利要求6所述的一种采空塌陷区油气管道位移监测***，其特征在于，所述通信网络为GPRS通信网络或/和Internet网。
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| 基于光纤光栅静力水准传感器的管道变形监测技术;何欣;;山西建筑(第09期);全文 * |
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