露天矿排水管道防冻防漏智能监测方案

海素峰，马忠云，王晗，张周爱，于海旭

（1.国家能源集团神宝能源有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.国家能源集团神华科技发展有限责任公司，北京 100240）

国内东北地区冬季严寒，最低气温可达-48 ℃，露天煤矿室外排水管道冬季易冻结冰或破漏，影响生产。尤其在冬季严寒气候环境下发生管道内部冻冰或破漏时，检修人员需沿着数公里长的管线凭经验沿途查找故障点，需要破除掉管道上面覆盖着的泥土层及煤层，很难准确找到故障点，给抢修工作带来极大的不便[1-3]。目前国内外对输水管道的监测仅停留在对整根管道系统的压力、温度及流量的显示，其目的是显示管道系统的运行情况，而不能作为一种检修查找管道内部介质运行故障的判断及处理手段[4-5]。为此，提出了一种排水管道智能检测方案。

1 智能化监控目的及预期目标

露天矿室外排水管道智能化监控的目的是在管路系统出现冻裂、泄露等问题的时候，能够实现管路系统主动定位报警，能正确分析管路系统中的异常状况，并把分析数据主动上传至检修人员，采用智能巡检机器人快速查找故障点，检修人员及时消缺，在冬季检修人员可避免长时间暴露在室外，造成冻伤事故和次生伤害。

实现远程各种智能化运行调度算法，可以根据监测到的温度、压力信息进行排水的预调节。通过远程不断的升级控制系统，将管道系统建设成一个动态升级的系统[6]。不断的升级和改进系统的趋势算法和服务器端的控制算法，提高事故点定位精度，利用机器人代替人工巡检，提供工作效率，降低人力成本。预期目标为：①对管道进行智能化配置，实现远程室内监控，利用智能机器人巡检，有效减轻检修维护工作强度，保障冬季运行的生产安全；②减少了值班维护工人数量，使人工成本得到有效降低，工作效率得到提高；③通过使用新型轻质管材替代厚重钢管，降低管道施工成本及维护成本；④使检修人员随时了解管道情况，对推广智能化生产手段、普及智能化知识、营造良好的科技氛围产生积极的促进作用；⑤总结极寒露天煤矿排水管道先进智能化监控涉及的相关技术，并形成专利。

2 智能化监控技术方案

技术研究方案涉及智能化监测、探测及多传感器智能融合、智能冻漏点预测及智能无损解冻技术等领域。利用管道上的测点，PLC 系统在电脑终端上显示整根管道的运行状态；系统采用自动监测、预警、报警提示功能，减少人员干预[7]；对露天煤矿排水管道系统实现云数据智能化值班检修；用户可以使用任意终端访问Web 服务来使用系统，展示手段分为Web 展示和APP 展示，Web 支持IE 常用浏览器，APP 支持Android 操作系统。

2.1 智能化监控系统

技术路线为以总长2 800 m 的排水管道为基础，管道规格型号：φ315mm×16 mm，管道压力2.0 MPa，采用质量轻、强度高、易施工的新型钢丝网骨架塑料管道，管道钢韧平衡性较高，连接方便，较钢管施工简单，适宜地埋长距离输送用的管道类型；管道表面加装光纤、压力、流量等测点，对管道进行远程监控；室外管道巡检采用履带式智能巡检机器人；室外的融冰解冻采用一种安全的快速无损解冻技术。直埋控制设备防护等级选择IP67，直埋电缆及光缆选择铠装缆并统一装入防水防潮线缆管，延管道铺设，连接器选择IP67 防护等级。管道压力、温度采集系统可采用物联网、互联网、云计算等多种智能技术监控手段[8]。

排水管道智能化监控系统包括：①计算机系统：主要包括处理数据和运行上位机的计算机、上位机软件、路由器、云端软件；②光电转换模块：包括光交换机和光纤收发器，其中光交换机负责将28 路光纤的信号转换为网络信号，光纤收发器将采集卡的网络信号转换为光纤信号；③线缆：包括光缆和电缆，光缆为60 芯，每路采集节点用2 芯光纤，共56 芯光纤，预留4 芯，电缆为2 芯，截面积为10 mm2，以保证较小的线阻给传感器供电；④传感器：节点共有28 个，每个节点包括1 个压力传感器、1 个温度传感器、1 个数据采集卡，这些传感器节点共同构成采集系统的核心；⑤供电系统：包括1 个500 W 的开关电源和28 个电压转换模块，开关电源电压为72 V，以保持较小的线损，电压转换模块选择宽电压输入，以保证全线路可靠电压转换。

2.2 室外履带式智能巡检机器人

室外智能巡检机器人具备自动扫描、自动避障、脱离保护、自主导航、双向对讲、设备检测等功能，机器人日常可在指定的区域，按照设定路线和速度进行24 h 全天候无间断自主巡逻，履带驱动，速度10 km/h，定位精度±2 cm。通过无线基站，把采集数据与检修室内主机信息互联，主机监控系统发出管道某点位故障报警（管内结冰，泄露，温度及压力会发生变化），会同时传到机器人无线接收器上，主机控制系统下达立即巡检行动指令，机器人可快速第一时间赶到管道事故点，机器人通过搭载的北斗导航定位系统和高清红外摄像平台，通过摄像头精确指出已埋设的管道内故障位置，传递回事故地段的现场影像，并发出刺耳声光报警，检修维护人员可随后驱车根据车载导航或智能手机上显示机器人的位置，辅以声光引导，快速找到机器人，对管道事故位置进行处置。

2.3 无损解冻技术

无损解冻技术是将设备电能转化为磁场能，磁场能转化热能的技术。技术方案采取将多个高功率卡箍式电磁环套在管道事故位置上，通过车载电池通电，电磁环形成了类似磁感应线圈的功能，磁场在中心位置强度最大，线圈产生的热量由管道中心沿管道径向变化，在一定时间内将管道内部的冰融化排出。此技术不破坏管道外层，可使冻堵管道处解冻恢复正常，解冻装置可以使用高效车载储能锂电池供电，冬季工人检修时，解冻装置设置好时间、温度等参数后，自动运行融冰，检修工人可在车内开着暖风休息，室外通电熔融管道堵点，车内检修人员手机或平板电脑上会显示管道冻堵处的压力、温度变化，待以上参数正常后，表明管道已疏通，可拆卸管道上的设备，回填管道外表处的保温土，即可开车离开，大大缩短了冬季户外检修时间。

3 控制系统功能及技术优势

3.1 控制系统功能优势

通过对管道内介质压力、温度等关键运行数据的连续采集、监测，分析数据变化趋势，定准故障点，及时向值班检修人员个人终端（智能手机）发出预警，基于智能手机的便携终端控制中心，可以方便地实现运行状态查询、调度指令会商、领导层对排水系统运行状况的关注等功能，实时显示故障位置图像，检修人员在冬季夜间宿舍内利用智能手机通过云端大数据平台可以交互信息实现人机互动对管道系统远程集中控制。冬季白天室内值班，管道运行情况可在PC 电脑上显示，利用智能机器人代替人工巡检，减少室外巡检时间，管道出现故障，机器人第一时间发现故障点，定时定点处理，采用新型融冰技术，减少室外检修时间，提高工作效率，减轻劳动强度，减少人身安全隐患。

3.2 控制系统技术优势

1）基于多传感器融合的冻点和漏点定位技术。该技术利用定位定向技术中常用的扩展卡尔曼滤波（EKF）以及支持向量机的方法（SVM）用于管线中的冻点和漏点进行趋势定位，通过融合压力和温度传感器的变化达到比较高的定位精度。

2）管道冻点和漏点智能预测技术。利用深度增强学习的方法，云端存储的历史数据集标签，训练基于时间和位置序列的上冻及漏水模型，提前预测可能产生的冻点和漏点。

3）系统根据需求设定报警参数的上下限，当测量值超过上下限时，自动上报报警数据，同时进行声光报警 为了保证系统的故障处理的及时性，对软件内的报警功能进行综合设计，在报警方式和模式上有多种方式，具体如下：报警信息种类，报警优先级，报警处理显示，报警警报，报警确认，报警记录。

4 结语

针对严寒地区露天煤矿室外排水管道冬季运行易冻堵、破漏，检修维护困难，提出了一种排水管道智能检测方案；通过云数据平台交互信息，人机互联，人工智能等技术的应用，利用智能机器人代替人工巡检，对发现问题可及时采取治理措施，快速消除故障及安全隐患。