李玉坤，陳 帥，廖昌建，張子秀，王東營(yíng)，彭啟鳳

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司，北京100000；3.中石化天津天然氣管道有限責(zé)任公司，天津 300450)

0 引言

油氣管道距離長(zhǎng)、跨度大，其中許多站場(chǎng)不得已建立在穩(wěn)定性差的地基上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后部分站場(chǎng)易產(chǎn)生不均勻基礎(chǔ)沉降，可造成管道傾斜、變形及破環(huán)，對(duì)站場(chǎng)造成極大的安全隱患，危害巨大[1-2]；由于站場(chǎng)面積大、管道復(fù)雜、基礎(chǔ)分布不規(guī)律，不均勻基礎(chǔ)沉降難以用肉眼分辨，當(dāng)變形累積到一定程度后管道極有可能已經(jīng)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的功能性障礙[3-5]，或者處于事故發(fā)生的臨界期。因此，目前亟需研究1種能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降的裝置。

通過(guò)調(diào)研可知，站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降的檢測(cè)采用專(zhuān)業(yè)人員定期檢測(cè)的方式，即在一定檢測(cè)周期內(nèi)布置多臺(tái)精密全站儀對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量[6]；根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量數(shù)據(jù)給出評(píng)價(jià)結(jié)論。但人工定期檢測(cè)的成本高且檢測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)，往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)站場(chǎng)存在的安全隱患。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究較少[7-10]，油氣站場(chǎng)作為1類(lèi)特殊的建筑物，可借鑒其他建筑物沉降檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，探索1種適用于監(jiān)測(cè)站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降的方法[11-14]。目前常見(jiàn)的3種檢測(cè)與分析技術(shù)的簡(jiǎn)介以及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，如表1所示。

表1 常見(jiàn)3種檢測(cè)與分析技術(shù)對(duì)比

對(duì)比可知，全站儀測(cè)距技術(shù)較為成熟，但需人工現(xiàn)場(chǎng)操作且成本較高，通常在檢修期內(nèi)進(jìn)行一次性的沉降量測(cè)量，不適用于站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，本文研制1套適用于站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，對(duì)站場(chǎng)安全運(yùn)行具有重要價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)總體包括硬件與軟件2大部分：硬件部分完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作；軟件部分完成數(shù)據(jù)的處理及站場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估和預(yù)警。

1.1 硬件部分

硬件部分如圖1所示，部件包括：步進(jìn)電機(jī)、激光測(cè)距模塊、激光測(cè)距模塊固定裝置、上頂板、下底板、電路控制板、電池、套筒、碰撞開(kāi)關(guān)、碰撞開(kāi)關(guān)固定裝置、電池固定裝置、開(kāi)關(guān)與充電頭固定裝置。各部件采用螺絲固定，電路控制板采用ATMEGA2560作為主控芯片。

圖1 站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)裝置硬件部分結(jié)構(gòu)

脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激光測(cè)距模塊從初始位置逐步向下移動(dòng)，且每產(chǎn)生1次脈沖，主軸可旋轉(zhuǎn)18°，帶動(dòng)激光測(cè)距模塊下移0.1 mm。

系統(tǒng)由脈沖個(gè)數(shù)推算激光測(cè)距模塊下降的距離；步進(jìn)電機(jī)的步距角和測(cè)得的距離信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，精度可達(dá)±0.1 mm；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)下降到標(biāo)識(shí)物下方時(shí)記錄數(shù)據(jù)并回到初始位置；單片機(jī)篩選、記錄有效距離信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送給主機(jī)，1個(gè)周期結(jié)束；其工作流程如圖2所示。

圖2 站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

硬件部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，讓站場(chǎng)每個(gè)基礎(chǔ)都處于全天候的監(jiān)測(cè)。

1.2 軟件部分

為提高裝置自動(dòng)化水平，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了1套集數(shù)據(jù)處理與安全評(píng)估預(yù)警功能于一體的軟件，具體工作流程如圖3所示。后臺(tái)由處理程序和評(píng)估程序組成，負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信模塊傳來(lái)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和評(píng)估。

圖3 軟件部分結(jié)構(gòu)圖及處理流程

前臺(tái)操作人員發(fā)出測(cè)量指令后，無(wú)線(xiàn)通訊模塊啟動(dòng)硬件，硬件采集距離信息，并返回原始數(shù)據(jù)交由處理程序處理，得到站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降量，評(píng)估程序評(píng)估沉降量并進(jìn)行預(yù)警。

數(shù)據(jù)處理方法如圖4所示，根據(jù)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的步距角，處理程序可得到垂直位移，以垂直位移為橫坐標(biāo)，激光測(cè)距模塊測(cè)得距離為縱坐標(biāo)繪制曲線(xiàn)；取照射在方形標(biāo)識(shí)物上所有點(diǎn)的橫坐標(biāo)求平均值，得出位移評(píng)估點(diǎn)Dn坐標(biāo)；與歷史數(shù)據(jù)比較，可得站場(chǎng)基礎(chǔ)的沉降量。

圖4 站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理

運(yùn)行評(píng)估方法：假定給某站場(chǎng)所有基礎(chǔ)共設(shè)置m個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，記作1,2,3,…,m，則站場(chǎng)沉降量的計(jì)算公式如式(1)所示：

Δm=Dmn-Dm1

(1)

式中：Δm為標(biāo)志物的相對(duì)沉降量，mm；Dm1為第m個(gè)裝置第1次測(cè)得位移評(píng)估點(diǎn)坐標(biāo)，mm；Dmn為第m個(gè)裝置第n次掃描測(cè)得位移評(píng)估點(diǎn)的坐標(biāo)，mm。

將Δm與預(yù)設(shè)臨界值δ比較，若大于臨界值，則系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)警告。

預(yù)警方法：建立基于歷史沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的一元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型，如式(2)所示：

(2)

在模擬實(shí)驗(yàn)條件下，采用前n(n≥q)次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)作為樣本，計(jì)算一元線(xiàn)性回歸參數(shù)的估計(jì)值。解正規(guī)方程組，如式(3)所示：

(3)

式中：yi為系統(tǒng)測(cè)得沉降量，mm；xi為監(jiān)測(cè)次數(shù)；a,b為未知常數(shù)。

得到a,b取值，進(jìn)而確定線(xiàn)性回歸方程。

軟件部分分析所得數(shù)據(jù)對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)一元線(xiàn)性回歸預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)基礎(chǔ)的沉降量，將預(yù)測(cè)值與臨界值δ進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)任一對(duì)應(yīng)臨界值則系統(tǒng)預(yù)警，即下一檢修期內(nèi)需要對(duì)站場(chǎng)做相應(yīng)檢修。其中臨界值δ的設(shè)置依據(jù)：

1)總結(jié)國(guó)內(nèi)外由于站場(chǎng)地基沉降、管道變形等因素引起站場(chǎng)故障的相關(guān)研究成果和工程實(shí)例，相關(guān)因素導(dǎo)致站場(chǎng)變形破壞的極限工況；

2)通過(guò)建立站場(chǎng)基礎(chǔ)與管線(xiàn)的等比例有限元模型，得到不同基礎(chǔ)在不威脅管線(xiàn)安全情況下的最大沉降量。

1.3 系統(tǒng)集成

站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體工作過(guò)程：裝置安裝完畢后打開(kāi)配套軟件，配置各項(xiàng)參數(shù)。被監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)安裝位置標(biāo)識(shí)物如圖5所示。裝置在接收主機(jī)發(fā)送的測(cè)量指令后，開(kāi)始按預(yù)先燒錄的程序依次執(zhí)行復(fù)位、下移測(cè)距、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；激光測(cè)距模塊在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下緩慢下移，激光照射至標(biāo)識(shí)物上不同點(diǎn)并記錄距離信息L1，L2，L3，…，完成1個(gè)周期掃描后回到初始位置；單片機(jī)接收、儲(chǔ)存該周期內(nèi)掃描得到的距離信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送到控制室主機(jī)，軟件系統(tǒng)分析得到基礎(chǔ)沉降量，進(jìn)而對(duì)站場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)做出評(píng)估和預(yù)警，如圖6所示。

圖5 位置標(biāo)識(shí)物

圖6 站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)裝置原理

2 裝置最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離實(shí)驗(yàn)

激光測(cè)距模塊的精度與測(cè)量距離有關(guān)，為確保系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需評(píng)定該系統(tǒng)在保障測(cè)量精度前提下的最遠(yuǎn)測(cè)試距離。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7所示，選擇3個(gè)站場(chǎng)基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M。共設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖8所示，通過(guò)改變沉降監(jiān)測(cè)裝置位置模擬監(jiān)測(cè)距離的變化。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖8 觀測(cè)點(diǎn)布置示意

位置標(biāo)識(shí)臺(tái)安裝在基礎(chǔ)上，如圖9所示，通過(guò)調(diào)整標(biāo)識(shí)物安裝高度模擬基礎(chǔ)沉降。

圖9 位置標(biāo)識(shí)臺(tái)正視圖與側(cè)視圖

在距位置標(biāo)識(shí)物一定距離S處安裝站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)裝置，位置標(biāo)識(shí)物依次下降一定距離d，每次下移后，啟動(dòng)裝置，測(cè)量標(biāo)識(shí)物下降距離，得到不同S下的測(cè)量值d′，與真實(shí)d對(duì)比，計(jì)算相對(duì)誤差δ并作圖分析，如圖10所示。

圖10 不同距離S下的相對(duì)誤差對(duì)比

當(dāng)S≤50 m時(shí)，相對(duì)誤差δ<5%，在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)得沉降值d′與位置標(biāo)識(shí)物實(shí)際下降值d一致；當(dāng)S>50 m時(shí)，相對(duì)誤差δ≥5%且波動(dòng)較大，即系統(tǒng)測(cè)得沉降值d′與位置標(biāo)識(shí)物實(shí)際下降值d相差較大。說(shuō)明系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與裝置和標(biāo)識(shí)物的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)誤差越大，且在距離S>50 m時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)精度低，可靠性差，所以本裝置測(cè)點(diǎn)距離裝置不應(yīng)大于50 m。

3 站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降模擬監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

站場(chǎng)投入運(yùn)行后實(shí)際沉降速率較慢，為保證模擬實(shí)驗(yàn)快速有效進(jìn)行，將沉降速率加快、測(cè)量周期縮短，設(shè)置測(cè)量周期為T(mén)=1 h。結(jié)合規(guī)范和模擬實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)置預(yù)設(shè)臨界值δ1=133 mm，δ2=30 mm，v=10 mm/h，并將其輸入系統(tǒng)中。標(biāo)識(shí)物下降dmi(i=1，2，3，…，n；m=1，2，3，4)后，獲取此時(shí)標(biāo)識(shí)物的位移評(píng)估點(diǎn)坐標(biāo)；系統(tǒng)將獲取的位置信息進(jìn)行處理，得到相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)的沉降量Dmi，如式(4)所示：

(4)

式中：Δmmax為m觀測(cè)點(diǎn)n次掃描后的最大相對(duì)沉降量，mm；Δ2max為相鄰觀測(cè)點(diǎn)最大相對(duì)沉降量，mm；vmmax為觀測(cè)點(diǎn)最大沉降速率，mm/s；q為初始沉降量，mm；Δ(m-1)max為m-1觀測(cè)點(diǎn)n次掃描后的最大沉降量，mm；Dmi為m裝置i次掃描測(cè)得位移評(píng)估點(diǎn)的坐標(biāo)，mm；T為測(cè)量周期。

為確保該系統(tǒng)對(duì)站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降量進(jìn)行有效的安全監(jiān)測(cè)，還需對(duì)下一檢修周期各觀測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)。以某1觀測(cè)點(diǎn)為例，前10次測(cè)得數(shù)據(jù)如圖11所示。在第10次測(cè)量后，系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出第11個(gè)周期觀測(cè)點(diǎn)1的沉降量，并結(jié)合所預(yù)測(cè)的沉降量和其他觀測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)沉降量，判斷下個(gè)檢修期內(nèi)是否需要對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)。

圖11 觀測(cè)點(diǎn)1數(shù)據(jù)記錄與預(yù)測(cè)

表2 評(píng)價(jià)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)論

1)管道站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距掃描標(biāo)識(shí)物，記錄標(biāo)識(shí)物的位置信息，比較位置信息的差異監(jiān)測(cè)標(biāo)識(shí)物所在基礎(chǔ)的沉降量。

2)系統(tǒng)安裝方便、運(yùn)行可靠、便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)距離為50 m，測(cè)量誤差不超過(guò)5%。

3)經(jīng)過(guò)模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行并作出預(yù)警，系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于站場(chǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)，還可廣泛應(yīng)用于其他重要大型建筑物沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，為其他同類(lèi)監(jiān)測(cè)問(wèn)題提供有效參考。