楊遠(yuǎn) 王尉軍 茍華新 盛興隆

摘要：城市地下綜合管廊管線主要包含燃?xì)夤艿馈㈦娏﹄娎|和給排水管道，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。然而管線所處的環(huán)境惡劣，不可避免會(huì)出現(xiàn)各種故障，于是文章對(duì)其故障診斷進(jìn)行研究。首先分析數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)測(cè)，然后使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行計(jì)算，得到管線發(fā)生故障的原因和位置。通過仿真實(shí)驗(yàn)得知，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確對(duì)管線進(jìn)行故障診斷，從而能夠提高管線的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：管廊管線;數(shù)據(jù)采集;故障診斷

中圖分類號(hào)：TU99

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）06-0184-05

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市地下綜合管廊管線變得越發(fā)的復(fù)雜，如果出現(xiàn)故障，對(duì)其進(jìn)行故障排除效率非常低，就會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，于是對(duì)其進(jìn)行故障診斷非常重要，可以較大程度降低經(jīng)濟(jì)損失[1]。于是文章通過對(duì)管線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，然后進(jìn)行故障診斷研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的主要目的就可對(duì)城市地下綜合管廊管線進(jìn)行故障診斷。在對(duì)城市地下綜合管廊進(jìn)行研究時(shí)，很多系統(tǒng)的作用僅僅只是對(duì)管廊進(jìn)行檢測(cè)，并不能對(duì)其發(fā)生的問題進(jìn)行故障診斷，于是本系統(tǒng)能夠分析判斷出管道出現(xiàn)問題的原因，并且準(zhǔn)確判斷出管廊管線出現(xiàn)問題的位置。達(dá)到該該目的需要收集城市地下綜合管廊管線的各種數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到故障診斷的依據(jù)。圖1即為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路圖。

1.1 采集數(shù)據(jù)

在我國(guó)科學(xué)技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)時(shí)，對(duì)城市地下綜合管廊管線進(jìn)行數(shù)據(jù)收集采用的是人工在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行收集相關(guān)數(shù)據(jù)，使用這種不方式，不僅效率低、投人大，還會(huì)造成收集數(shù)據(jù)存在較大誤差的現(xiàn)象[23]。為了能夠改善這些問題，于是在城市地下綜合管廊管線中安裝不同的檢測(cè)設(shè)備，從而代替人工進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的方式。這些設(shè)備包含著采樣設(shè)備、傳感器等。使用這種方式大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率，而且還有攝像機(jī)等工具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效解決了對(duì)管廊管線的日常巡檢工作，搜集到的數(shù)據(jù)將會(huì)更加豐富，更有助于故障診斷的分析。

由于城市地下綜合管廊長(zhǎng)度過長(zhǎng)，僅僅安裝一套檢測(cè)設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)比較有限，于是根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)范圍將管廊管線長(zhǎng)200m劃分為一個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中都需要安裝一套監(jiān)測(cè)設(shè)備。進(jìn)行區(qū)域劃分之后，不僅有利于檢測(cè)數(shù)據(jù)的收集，還有利于區(qū)域管理。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本文研究的不是整個(gè)城市地下綜合管廊，而是研究其中的各類管線，所以只需對(duì)管線進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。各類管管主要包含著電纜、燃?xì)夤艿篮徒o排水管。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備收集到數(shù)據(jù)之后將其傳送給地上的控制中心。于是可以對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，通過與歷史的數(shù)據(jù)相比較從而可以得到數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，從而發(fā)現(xiàn)更為中的管廊管線信息。對(duì)每種管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，不同管線監(jiān)測(cè)的內(nèi)容不一樣，下面將對(duì)3種管線進(jìn)行介紹。

1）給排水管道運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[4]：給排水管道主要負(fù)責(zé)水的傳輸，如果其中出現(xiàn)漏水或者積水過深就會(huì)造成一定的問題，所以需要對(duì)出水、如水還有積水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外，還需要通過監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)漏水情況進(jìn)行檢查，選擇城市地下綜合管廊中容易積水的地方的查看是否出現(xiàn)積水現(xiàn)象，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過限定值之后需要立即關(guān)閉閥門，然后發(fā)出警報(bào)。最后對(duì)監(jiān)測(cè)到不正常的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究其發(fā)生問題的原因。

2）電力電纜運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)[4]：電力電纜主要負(fù)責(zé)運(yùn)輸和分配電能，所以需要對(duì)其電流、電壓進(jìn)行檢測(cè)，另外，電能還會(huì)受到環(huán)境的溫度、濕度等的影響，所以也需對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。而且電力電纜需要進(jìn)行保護(hù)措施，以防其出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)造成更大設(shè)備損壞。對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過了規(guī)定值，要能立即關(guān)閉閥門，然后出現(xiàn)報(bào)警反應(yīng)。最后就是對(duì)其進(jìn)行分析研究，找到數(shù)據(jù)發(fā)生問題的原因。

3）燃?xì)夤艿肋\(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)[4]：燃?xì)夤艿赖淖饔镁褪秦?fù)責(zé)燃?xì)獾膫鬏敚鄬?duì)于其他兩種管道而言，當(dāng)其出現(xiàn)問題時(shí)沒有進(jìn)行及時(shí)處理時(shí)，就會(huì)造成較大的安全事故，所以對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常有必要。燃?xì)夤艿赖谋O(jiān)測(cè)主要為是否出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象、漏氣嚴(yán)重程度等。如果發(fā)現(xiàn)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)超過規(guī)定值之后，需要立即關(guān)閉閥門，并發(fā)出警報(bào)。最后對(duì)漏氣情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找到漏氣的位置，然后分析其造成漏氣的原因。

城市地下綜合管廊因其所處的地方陰暗潮濕，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸上來使用有線方式不適合，容易造成線路出現(xiàn)各種損傷。所以使用無線通訊方式最為適合，尤其是當(dāng)前5G的使用，使的數(shù)據(jù)傳輸效率更高。于是可以利用地下安置的報(bào)警器和傳感器，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)使用無線通訊方式傳到地上控制中心，從而可以達(dá)到數(shù)據(jù)檢測(cè)和收集的作用。

上文已經(jīng)提到過城市地下綜合管廊管線需要化分為不同的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，所以在用戶的界面上需要能夠顯示不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域[5]。然后將每個(gè)區(qū)域中安裝一個(gè)工業(yè)交換機(jī)，最后將所有設(shè)備收集到的不同信息集中傳輸?shù)降厣系目刂浦行闹?，比如視頻信息、監(jiān)控主機(jī)收集到的數(shù)據(jù)等。

城市地下綜合管廊管線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成之后，還需要對(duì)地上的監(jiān)控中心設(shè)置管理系統(tǒng)，其主要宗旨就是方便對(duì)地下的不同監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行集中管理。控制中心有以下兩點(diǎn)作用：

①登陸到控制中心的管理系統(tǒng)之后，就可以查看到每個(gè)區(qū)域中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)的發(fā)現(xiàn)地下管廊光線是否出現(xiàn)問題。

②控制中心能夠?qū)Φ叵碌挠跋駭?shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)管理，將每個(gè)影像生成歷史數(shù)據(jù)，通過控制中心就可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和查詢。

2 故障診斷

由于地下的各種管線對(duì)整個(gè)城市的生活生產(chǎn)有著直接的影響，當(dāng)其中管線發(fā)生問題就會(huì)造成不同程度的影響，較為常見的就是帶給人類停電、停水的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成爆炸危害。所以需要保證地下綜合管廊管線的安全運(yùn)行。然而隨之時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，管線發(fā)生問題難以避免，于是需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為了能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題，并且對(duì)其進(jìn)行修理，從而避免造成較大的安全事故。

上文中主要分析了對(duì)管廊管線的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測(cè)，并且在監(jiān)測(cè)過程中如有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值就會(huì)關(guān)閉閥門，發(fā)出預(yù)警，于是可以降低事故發(fā)生的嚴(yán)重程度。通過控制中心對(duì)地下傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理分析，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的原理，并且確定出故障發(fā)生的位置，即故障診斷，就可快速對(duì)出現(xiàn)問題的管線作出反應(yīng)，從而高效率解決發(fā)生的故障問題，并且有助于今后該故障的發(fā)生概率，從而提高地下綜合管廊管線的安全運(yùn)行。

對(duì)管廊管線進(jìn)行故障診斷時(shí)，不僅需要完成上述數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)測(cè)，還需要了解不同管線的常見故障，然后再通過故障診斷檢測(cè)方式判斷管線的問題所在，具體的操作方式如下。

2.1 電力電纜常見故障

電力電纜常年處于地下潮濕的環(huán)境，隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，必然會(huì)受到環(huán)境的影響和自身因素的影響造成電力電纜出現(xiàn)問題。電力電纜常見的故障有如下三種狀況：

2.1.1 保護(hù)層損壞

因?yàn)殡娏﹄娎|處于城市地下，成年累月見不到陽光，受到潮濕環(huán)境影響，而且地下會(huì)有各種化學(xué)物質(zhì)，電力電纜長(zhǎng)時(shí)間的處于這種環(huán)境，其表現(xiàn)的保護(hù)層雖然具有一定的抵抗能力，但是時(shí)間長(zhǎng)了之后抵抗能力就會(huì)減弱，造成表面發(fā)生侵蝕，保護(hù)層就會(huì)損壞，可能就會(huì)造成電力電纜短路、斷裂等現(xiàn)象。

2.1.2 承受壓力較大

由于電纜本身會(huì)承受很大的電壓，在鋪設(shè)電力電纜過程中，如果沒有將其鋪設(shè)到同一個(gè)水平面，就會(huì)造成電力電纜起伏現(xiàn)象，就會(huì)較為容易的發(fā)生短路，短路的電纜就會(huì)承受非常大的電壓，超過了電纜的承受范圍，于是就會(huì)造成燒毀現(xiàn)象，發(fā)生這種情況之后的危險(xiǎn)性會(huì)很高[6]。

2.1.3 電纜本身質(zhì)量問題

電力電纜本身不僅要能夠在潮濕的地下環(huán)境中長(zhǎng)存，而且還需要受到高強(qiáng)度的電壓，當(dāng)電力電纜本身采用的是劣質(zhì)材料，表面處理不光滑，電纜的絕緣層容易出現(xiàn)破損現(xiàn)象，就會(huì)造成短路等故障。

2.2 燃?xì)夤艿莱Ｒ姽收?/p>

燃?xì)夤艿镭?fù)責(zé)運(yùn)輸作用，所以不能出現(xiàn)泄漏和堵塞的情況，不然就會(huì)造成安全事故。所以在燃?xì)夤艿乐休^為常見的故障有兩種，分別為泄漏和堵塞[7]。下面將對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

2.2.1 燃?xì)夤艿赖男孤?/p>

由于地下具有各種酸堿化學(xué)物質(zhì)，再加上地下環(huán)境潮濕，對(duì)燃?xì)夤艿谰哂休^大的腐蝕作用，腐蝕嚴(yán)重之后就會(huì)造成管道出現(xiàn)缺口，或者是燃?xì)夤艿朗┕ぐ惭b過程中出現(xiàn)失誤現(xiàn)象，造成管道出現(xiàn)缺口，在管道中就會(huì)造成天然氣泄漏，從而可以引發(fā)其他嚴(yán)重問題。

2.2.2 燃?xì)夤艿蓝氯?/p>

管道發(fā)生堵塞現(xiàn)象，天然氣就難以運(yùn)輸?shù)侥康牡兀欢鹑細(xì)夤艿蓝氯那闆r比較多，比如有常見的雜質(zhì)堵塞、水化物堵塞、煤氣膠堵塞和碳酸銨鹽堵塞，不同類型發(fā)生堵塞的原因如表1所示。

2.3 故障診斷的測(cè)試方式

本文對(duì)城市地下綜合管廊管線進(jìn)行故障診斷時(shí)使用到的算法為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其中包含著輸入層、隱層和輸出層[8]。該算法的輸入層為電纜的電壓、溫度、電流、濕度。需要設(shè)定誤差范圍，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過誤差值時(shí)，則需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向傳輸，然后對(duì)相關(guān)的誤差和權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，像這種方式不停的進(jìn)行反復(fù)傳輸，直至誤差復(fù)合規(guī)定。圖2即為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖中的第1豎排為輸入層，有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，n=3，第2排為隱層，第3層即為輸出層，q和m為各種的節(jié)點(diǎn)數(shù)。其涉及的各種公式如下所以：

隱層的輸出為：

其中η為學(xué)習(xí)率，f1和f2分別表示隱層和輸出層的激活函數(shù)。

首先通過輸入信息，然后就會(huì)產(chǎn)生各種輸出信息，通過不斷的計(jì)算之后可以將誤差和權(quán)重進(jìn)行調(diào)整到合適的值，從而確定地下綜合管廊管線發(fā)生故障的原因，即可以進(jìn)行故障診斷。

3 仿真和結(jié)果分析

通過上述的診斷方式可以進(jìn)行仿真研究，看是否能夠起到故障診斷作用。本文通過使用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。如果在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉閥門，并且發(fā)生預(yù)警。圖3即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)構(gòu)圖。

為了得到有效的參數(shù)，需要對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行多次的反復(fù)訓(xùn)練，于是得到如圖4所示的波形和均方誤差曲線。圖中藍(lán)色表示為系統(tǒng)的正常波形，于是將正常波形和仿真的波形進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)不相符的現(xiàn)象，就會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的紅色曲線，從而可以判斷出管廊管線出現(xiàn)了故障。即使對(duì)于波動(dòng)非常小的變化，系統(tǒng)也能發(fā)現(xiàn)出故障。

從圖4中的右圖中可以看出，剛開始時(shí)誤差迅速減小，后來保持在平穩(wěn)的變化，當(dāng)訓(xùn)練程度大約達(dá)到550次時(shí)，誤差又會(huì)發(fā)生迅速的減小，后來當(dāng)隨著訓(xùn)練次數(shù)的不斷增多誤差逐漸降低，直到誤差為10-3時(shí)滿足預(yù)先設(shè)定的值，此時(shí)的訓(xùn)練次數(shù)達(dá)到了712次。

然后通過使用仿真得到的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將其訓(xùn)練誤差設(shè)定為10^-3，其訓(xùn)練次數(shù)可以盡量設(shè)置大一點(diǎn)，設(shè)置為3000次，然后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，最后得到如圖5所示的結(jié)果。

從圖中可以看出來，能夠檢測(cè)到管廊管線發(fā)生故障為電壓失衡，并且通過數(shù)據(jù)分析得到出現(xiàn)這種故障的原因?yàn)閿嗑€和接地系統(tǒng)不夠完善。于是就可以針對(duì)具體問題及時(shí)的對(duì)其進(jìn)行解決。于是通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究可以得到通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以對(duì)管線進(jìn)行故障診斷，能夠提高診斷效率，降低事故危險(xiǎn)程度。

4 結(jié)語

城市地下綜合管廊管線安全運(yùn)行至關(guān)重要，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷。文章通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集進(jìn)行分析，然后使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)能夠有較好的故障診斷作用，能夠保障城市地下綜合管廊管線的安全運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：楊遠(yuǎn)（1982-），男，貴州貴陽人，工程師，主要從事主網(wǎng)輸電電纜運(yùn)維檢修管理工作。