CN114370929A - 一种基于分布式光纤的pccp管道断丝监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统和方法，包括光学系统、数据分析处理系统、敷设于PCCP管道表面的传感光纤。所述光学系统包括激光器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光纤布拉格光栅、环形器、光电探测器等单元，发射的光信号为脉冲信号；在PCCP管道出现断丝时，安装在管道表面的传感光纤接收后，经光学系统传输到数据分析处理主机，全面且系统的对事故进行处理，同时对历史断丝事故进行调用，分析定位PCCP管道断丝数量、断丝位置等数据并发出警报，科学合理的推测出事故发生的趋势，全面实时、在线监测PCCP管道的运行状态，方便后台工作人员做出详细的维修措施，避免爆管等恶性事故的发生。
Description
技术领域
本发明属于PCCP管道断丝监测技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统和方法。
背景技术
预应力钢筒混凝土管是指在带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管，它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材。
工程事故统计表明，断丝是PCCP爆管的主要事故模式。PCCP管在施工及运行中，多种原因会造成钢丝损伤或腐蚀，钢丝腐蚀到一定程度后断裂，所在部位管道强度下降。腐蚀进一步发展，同一部位出现更多断丝，强度显著降低，最终导致爆管，PCCP管道断丝及爆管监测的方法目前主要为电磁法，设备工作需在管线停运排空状态下进行，存在排查周期长、无法做到实时、在线监测。而PCCP爆管具有突发性、灾难性，事先没有征兆。爆发后，并不仅限于供水中断，还会引起交通、环境、财产损失。故有必要对PCCP管线进行实时断丝监测，及时掌握PCCP管道的运行安全，确定适宜的运行、维护和维修方案，确保不发生爆管的恶行安全事故。
现有技术中，已经有将分布式振动传感光缆应用到PCCP管道断丝监测的尝试，比如公布号CN111024210A中公开了一种PCCP管道断丝监测及爆管已经方法及系统，该专利中能够通过断丝位置来判断断丝发生趋势，并作出预警，但并未对整个事故以及前期多起事故做出系统的分析，只能通过对单次情况的分析，无法全面的对PCCP管道的振动情况做出全面且系统的归纳统计，导致后期对事故的发生情况无法做出具体的复盘，但是PCCP管道分布环境复杂，其他常见噪音或者布设本身问题造成的振动也不可避免存在，这就导致分布式振动传感光缆经常出现误报。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题之一。该系统无需对管线停运，可实时、在线监测管线的运行状态，起到安全预防作用，而且能够通过对以往监测信息的收集汇总，避免误报，从而节省实际施工损失，扩大PCCP管道断丝监测系统应用环境。
为实现上述目的，一方面，本发明提供如下技术方案：包括敷设于PCCP管道表面的传感光纤，所述传感光纤集传输与传感为一体，所述传感光纤输出端上连接有用于对PCCP管道断丝时的信号采集及反馈的光学系统，在所述光学系统的输出端上连接有用于采集断丝等事故监测信号的采集卡，在所述采集卡的输出端上连接有用于对断丝等监测信号数据分析处理的数据分析处理主机，在数据分析处理主机内部还内置有事故模拟演算模块，通过接收断丝初始时的速度、位置、断丝位置周边情况来预测出管道被破坏的范围。
本发明中，数据分析处理主机将最终的处理结果显示到可视化界面显示终端，所述光学系统发射的光信号为脉冲光信号，所述传感光纤的传感长度由所述光学系统中激光光源的线宽决定；
所述光学系统包括：
激光器：用于提供稳定的连续型光的传感光源；
声光调制器：是基于光弹效应的调制器，用于产生稳定的频移和将连续光调制成脉冲光；
掺饵光纤放大器：用于对传输及采集的光信号进行放大，增加系统的探测距离；
光纤布拉格光栅：用于过滤在系统信号放大过程中产生的噪声；
环形器：单向传输信号能量，用于对发送、采集信号传输进行“隔离”；
光电探测器：利用光电效应对断丝监测信号进行光电转换，以供数据分析处理系统分析。
作为本发明中一种优选的技术方案，所述数据分析处理主机包括：
损坏区域空间位置共同点分析单元，通过对PCCP管道所处的空间位置进行分析，并生成分析图表，得出PCCP管道在空间的何种位置上，并在后期处理中做出相对应调整；
损坏区域物理结构位置共同点分析单元，通过对PCCP管道采用的结构，断丝处是否与其他管道进行连接，并生成分析图表，得出PCCP管道自身结构以及与外部其他管道连接时出现事故的频率；
损坏区域断丝数量位置共同点分析单元，识别判断PCCP管道破损区域的钢丝断丝数量，并将结果反馈给数据分析处理主机；
数据备份存储模块将以往与现在的断丝事故数据反馈给数据分析处理主机，数据分析处理主机通过对多次事故的共同点进行分析，并将结果显示在可视化显示界面，供工程人员做出合理的规划及措施；
其中事故模拟演算模块具有最大优先级，用于在第一时间接收事故信息。
作为本发明中一种优选的技术方案，数据分析处理主机连接损坏区域物理结构位置共同点分析单元、损坏区域断丝数量位置共同点分析单元、损坏区域空间位置共同点分析单元及数据备份存储模块，具有断丝事件数据存储功能及报警功能；当断丝等事故发生时，通过对比历史断丝事故的数据并传输给数据分析处理主机，数据分析处理主机对多次断丝事故的位置、数量进行分析后将结果显示在可视化界面显示器上，以供工程人员及时做出相对应的预防措施。
作为本发明中一种优选的技术方案，所述光学系统分别与传感光纤、采集卡相连接；数据分析处理主机的输入端与采集卡的输出端相连接。
另外一方面，本发明还公开了一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测方法，包括以下步骤：
步骤一：将传感光缆敷设于PCCP管道的管壁；
步骤二：当PCCP管道内带预应力的钢丝绷断时，此时通过光学系统对断丝等事故的模拟信号传输反馈给采集卡；
步骤三：采集卡将事故模拟信号数字化后导入数据分析处理主机，数据分析处理主机中的事故模拟演算模块最先启动，并接收所有数据信号，并对数据信号进行分析，形成损坏范围、损坏数量的趋势图，供维护人员及时获知信息，并做出相应的措施；
步骤四：损坏区域空间位置共同点分析单元、损坏区域物理结构位置、损坏区域断丝数量位置共同点分析单元对断丝事件的位置、数量信息进行识别、分析，同时将结果反馈给数据分析处理主机；
步骤五、数据分析处理主机通过调用数据备份存储单元的历史断丝信息数据，汇总更新PCCP管道断丝位置及对应的断丝数量，并将结果显示在可视化界面显示器上，供工程人员及时做出决策判断。
作为本发明中一种优选的技术方案，所述振动式光纤设置在PCCP管道的内壁或外表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过本发明的设计，可以在PCCP管道出现断丝时，全面且系统地对断丝位置、数量进行定位及统计，及时发出警报的同时显示断丝信息，方便后台工作人员做出详细的维修措施，能够避免周围其他经常出现的环境共振引起的规律性误报，也能扩大检测的范围，使得其能够安装在地铁等持续共振持续存在的环境中。另外通过对比历史断丝等事故的数据并传输给数据分析模块，数据分析模块对多次事故的共同点进行分析，通过分析结构做出合理的规划；科学合理的推测处事故发生的原始因素，从而在问题根源上做出相对应的预防措施。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：包括光学系统、数据分析处理系统、敷设于PCCP管道表面的传感光纤，光学部分光源发射的光信号为脉冲光，传感光纤集传输与传感为一体，传感光纤的传感长度由所述光学系统中激光光源的线宽决定。光学系统的输出端上连接数据分析处理系统，包括采集卡、数据分析处理主机以及可视化界面显示器，数据分析处理主机数据分析处理主机连接损坏区域物理结构位置共同点分析单元、损坏区域断丝数量位置共同点分析单元、损坏区域空间位置共同点分析单元及数据备份存储模块，可以在PCCP管道出现断丝时，全面且系统的对事故进行报警并分析，包括断丝数量、断丝位置，同时对历史断丝事故进行调用，分析对比PCCP管道断丝数量、断丝周期等数据，科学合理的推测出事故发生的趋势，方便后台工作人员做出详细的维修措施，避免爆管等恶性事故的发生；数据分析处理主机的输出端上连接有可视化界面显示终端，在数据分析处理主机内部还内置有事故模拟演算模块，通过接收断丝初始时的速度、位置、断丝位置周边情况来预测出管道被破坏的范围，以便维护人员及时获取演算后的损坏结果，预先调取部分维护人员达到指定位置等待维修，实现快速维护的目的。
本实施例中，光学系统包括：激光器、声光调制器、掺饵光纤放大器、光纤布拉格光栅、环形器、光电探测器等单元；强相干的激光光源为连续光源，所以需经过声光调制器调制成脉冲信号，并由掺饵光纤放大器放大，以保证系统的监测距离；放大的脉冲进入光纤布拉格光栅滤除掺饵光纤放大器在信号放大的过程中产生的自发辐射噪声，经过环形器单项传输进入传感光纤；外界振动产生的压力作用于传感光纤某点时，该点处的干涉信号发生变化，通过采集多条瑞利曲线，获得该点的时域切线，即可得到作用于该点的振动信号；脉冲光在传感光纤中的后向瑞利散射光产生自干涉，经过环形器单项传输，经过掺饵光纤放大器对反馈信号放大后，进入光纤布拉格光栅滤除掺饵光纤放大器在信号放大过程中产生的自发辐射噪声，经过光电探测器对反馈的光信号转换为电信号、采集卡对电信号数字化后，最终被送往数据分析处理主机进行处理，并将处理结果反馈给可视化界面显示器，以提供相关工程人员处理。
本实施例中，数据分析模块用于将最近一次PCCP管道事故情况与以往事故情况进行分析，其中数据分析模块包括：损坏区域空间位置共同点分析单元，通过对PCCP管道所处的空间位置进行分析，并生成柱状图，得出PCCP管道在空间的何种位置上，并在后期处理中做出相对应调整；损坏区域物理结构位置共同点分析单元，能够与以往事故进行比对，科学合理的推测出事故发生的原始原因素，从而在问题根源上做出相对应的改进，使得监测系统的功能性和智能性得到提升，通过对PCCP管道采用的结构，破裂处是否与其他管道进行连接，形成连接节点进行分析，并生成柱状图，得出PCCP管道自身结构以及与外部其他管道连接时出现事故的频率；损坏区域液压位置共同点分析单元，通过对PCCP管道破损区域的液压大小来判断当管内液压在超过额定数值后，容易出现断裂，其中事故模拟演算模块具有最大优先级，用于在第一时间接收事故信息。
本实施例中，底层数据采集及分析模块的输出端与比对模块的输入端相连接。
本实施例中，数据对比模块连接底层数据采集及分析模块、数据备份模块，当断丝等事故发生时，通过对比历史断丝等事故的数据并传输给数据分析模块，数据分析模块对多次事故的共同点进行分析，通过分析结构做出合理的规划；科学合理的推测处事故发生的原始因素，从而在问题根源上做出相对应的预防措施,而且能够避免因为PCCP管道布设在地铁、火车轨道规律性振动环境中造成的持续性误报。
实施例2：本发明的监测方法
本发明的基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测方法，包括以下步骤：
步骤一：将传感光缆敷设于PCCP管道的管壁；
步骤二：当PCCP管道内带预应力的钢丝绷断时，钢丝脱离混凝土束缚的瞬间，会传递很大的振动能量给PCCP管道管壁，此时通过光学系统对断丝等事故的模拟信号传输反馈给采集卡；
步骤三：采集卡将事故模拟信号数字化后导入数据分析处理主机，数据分析处理主机中的事故模拟演算模块最先启动，并接收所有数据信号，并对数据信号进行分析，形成损坏范围、损坏数量的趋势图，供维护人员及时获知信息，并做出相应的措施；
步骤四：损坏区域空间位置共同点分析单元、损坏区域物理结构位置、损坏区域断丝数量位置共同点分析单元对断丝事件的位置、数量等信息进行识别、分析，同时将结果反馈给数据分析处理主机；
步骤五、数据分析处理主机通过调用数据备份存储单元的历史断丝信息数据，汇总更新PCCP管道断丝位置及对应的断丝数量，并将结果显示在可视化界面显示器上，供工程人员及时做出决策判断。
本实施例中，振动式光纤设置在PCCP管道的内壁或外表面。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统，其特征在于：包括敷设于PCCP管道表面的传感光纤，所述传感光纤集传输与传感为一体，所述传感光纤输出端上连接有用于对PCCP管道断丝时的信号采集及反馈的光学系统，在所述光学系统的输出端上连接有用于采集事故监测信号的采集卡，在所述采集卡的输出端上连接有用于对监测信号数据分析处理的数据分析处理主机，在数据分析处理主机内部还内置有事故模拟演算模块，通过接收断丝初始时的速度、位置、断丝位置周边情况来预测出管道被破坏的范围；所述光学系统包括：
激光器：用于提供稳定的连续型光的传感光源；
声光调制器：是基于光弹效应的调制器，用于产生稳定的频移和将连续光调制成脉冲光；
掺饵光纤放大器：用于对传输及采集的光信号进行放大，增加系统的探测距离；
光纤布拉格光栅：用于过滤在系统信号放大过程中产生的噪声；
环形器：单向传输信号能量，用于对发送、采集信号传输进行“隔离”；
光电探测器：利用光电效应对断丝监测信号进行光电转换，以供数据分析处理系统分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统，其特征在于：所述数据分析处理主机用于将最近一次PCCP管道断丝情况与以往断丝事故情况进行对比分析，并识别出是否为断丝事故，具有历史数据存储、报警功能，所述数据分析处理主机由以下几个单元组成：
损坏区域空间位置共同点分析单元，通过对断丝位置的PCCP管道所处的空间位置进行分析，并生成分析图表，得出PCCP管道在空间的何种位置上，并在后期处理中做出相对应调整；
损坏区域物理结构位置共同点分析单元，通过对断丝位置的PCCP管道采用的结构，断丝处是否与其他管道进行连接，并生成分析图表，得出PCCP管道自身结构以及与外部其他管道连接时出现事故的频率；
损坏区域断丝数量位置共同点分析单元，分析识别判断PCCP管道破损区域的钢丝断丝数量，并将结果反馈给数据分析处理主机；
数据备份存储模块将以往与现在的断丝事故数据反馈给数据分析处理主机，数据分析处理主机通过对多次事故的共同点进行分析，并将结果显示在可视化显示界面，供工程人员做出合理的规划及措施；
其中事故模拟演算模块具有最大优先级，用于在第一时间接收事故信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统，其特征在于：
所述采集卡采集光学系统中探测器输出的事故监测信号，从中识别出断丝信号，并将断丝数据存储在数据分析处理主机中，以供数据分析处理主机进行分析和处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测系统，其特征在于：
数据分析处理主机的输出端连接有可视化界面显示器，用于对事故监测结果数据的显示，供工程人员及时做出相应的对策。
5.一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将传感光缆敷设于PCCP管道的管壁；
步骤二：当PCCP管道内带预应力的钢丝绷断时，此时通过光学系统对事故的模拟信号传输反馈给采集卡；
步骤三：采集卡将事故模拟信号数字化后导入数据分析处理主机，数据分析处理主机中的事故模拟演算模块最先启动，并接收所有数据信号，并对数据信号进行分析，形成损坏范围、损坏数量的趋势图，供维护人员及时获知信息，并做出相应的措施；
步骤四：损坏区域空间位置共同点分析单元、损坏区域物理结构位置、损坏区域断丝数量位置共同点分析单元对断丝事件的位置、数量信息进行识别、分析，同时将结果反馈给数据分析处理主机；
步骤五、数据分析处理主机通过调用数据备份存储单元的历史断丝信息数据，汇总更新PCCP管道断丝位置及对应的断丝数量，并将结果显示在可视化界面显示器上，供工程人员及时做出决策判断。
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式光纤的PCCP管道断丝监测方法，其特征在于：所述传感光缆敷设在PCCP管道的内壁或外表面。
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