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1、长输管道阴阴极保护护监测与诊诊断系统统引言长输管道阴阴极保护护是管道道日常管管理的重重要工作作内容，主主要包括括两个方方面的工工作，既既阴极保保护运行行数据的的采集和和阴极保保护运行行数据的的分析。长期以来，由由于线路路长、监监测点分分散、交交通不便便，监测测工作实实施与管管理难度度高，工工作量大大，为此此，国外外在上世世纪700800年代首首先开始始进行远远程监测测方面的的研究，主主要采用用的技术术方案是是飞机遥遥测和卫卫星通讯讯遥测，这这些技术术的运用用，在一一定程度度上，达达到了提提高监测测效率，降降低劳动动强度的的目标，但但高昂的的数据采采集成本本限制了了此类技技术的应应用。在数据分析
2、析方面，美国环境总署曾经组织了有关的专家，建立一套阴极保护系统的运行维护软件，该软件包括：腐蚀防护的教育和智能性专家诊断系统，可实现数据记录、智能性专家诊断、设备查询、日常管理确定敏感地区的管道位置，以便发生故障时，及时提供相关的详细资料。同时也可提供管道事故的预警信息。便于管理部门及时准确的了解有关的阴极保护信息，也便于具体执行人员的自检和系统阴极保护的信息积累。阴极保护技技术具有有较强的的专业性性，当前前国内管道道管理部部门的阴阴极保护护专业工工程技术术人员不不足，而而需要管管理的管管道却在在不断增增加，因因此，通通过采用用新技术术手段，提提高阴极极保护管管理的水水平成为为发展的的必然。1
3、长输管道道阴极保保护监测测与诊断断系统架架构阴极保护在在线监控控专家系系统是一一套面向向阴极保保护领域域的无线线远程智智能在线线监控和和专家决决策支持持系统。该该系统以以地理信信息系统统（GIIS）为为管理平平台，以以SQLLSERRVERR数据库库作为系系统统一一的数据据库，以以公共无无线数据据通讯方方式（GGPRSS/GSSM）和和其他有有线通讯讯方式相相结合的的方式为为数据传传输手段段，以低低成本的的方式实实现遥测测和遥控控；该系系统实现现了对管管道等被被保护体体保护状状况的在在线检测测，同时时可以通通过远程程监控方方式随时时监视并并调整恒恒电位仪仪的工作作状态，配配合阴极极保护在在线监
4、控控专家系系统进行行辅助分分析，可可以使得得整个阴阴极保护护系统处处于最佳佳的工作作状态，最最大限度度的起到到保护的的作用。1）系统工工作流程程l 用户通过GGIS应应用程序序提供的的电子地地图、图图表和报报表，可可以直观观的观察察到管道道沿线保保护情况况，同时时可以通通过专家家系统进进行辅助助决策，帮帮助用户户分析阴阴极保护护系统中中相关部部分故障障的原因因和应对对措施。l 恒电位仪数数据通过过有线通通讯方式式，利用用用户原原有通讯讯网络传传送到异异地的中中心机房房服务器器，最后后通过服服务器中中对应的的后台服服务程序序完成数数据处理理。对于于没有有有线通讯讯条件的的恒电位位仪，其其数据通通
5、过GPPRS无无线通讯讯方式进进行传输输。l 智能电位采采集终端端将采集集的电位位数据通通过GPPRS无无线通讯讯方式传传送到IINTEERNEET网上上，通讯讯协议采采用TCCP/IIP，数数据通过过INTTERNNET网网传送到到服务器器中，最最后通过过服务器器中对应应的后台台服务程程序完成成数据处处理。l 后台服务程程序在数数据处理理时，同同时完成成数据的的存储、通通讯和与与GISS系统的的信息交交换工作作。在GGIS系系统不工工作时，可可以实现现自动的的数据接接受和信信息下发发功能。满满足数据据采集无无人的要要求。图1 系系统软件件架构示示意图图2 系系统拓扑扑结构示示意图2）系统构构
6、成(1) 管理中心服服务器系系统软件： 阴极保保护远程程监控专专家系统统软件 1套 Winndowws SSeveer 220033 1套 SQLLSevver220088 1套硬件： 服务器器1台 1个IInteerneet静态态IP地地址的宽宽带接入入1条 （GPPRS通通讯）短信接收模模块及短短信中心心手机卡卡 1套 （GSSM通讯讯）(2) 阴保站恒电电位仪系系统每个阴极保保护站需需要配备备一套阴阴极保护护电源系系统，每每套阴极极保护电电源系统统由如下下设备构构成： IHFF数控高高频开关关恒电位位仪 2台 YHSS-1控控制柜1台 恒恒电位仪仪通讯转转换器视视现场情情况确定定。(3)
7、 智能电位采采集系统统每个电位采采集点需需要配备备一套智智能电位位采集系系统，每每套智能能电位采采集系统统由以下下设备构构成： 智能电电位采集集仪1台 长效参参比电极极 1只 水泥桩桩或钢桩桩 1个2长输管道道阴极保保护监测测与诊断断系统主主要功能能阴极保护在在线监控控专家系系统结合合地理信信息系统统（GIIS）技术、专专家系统统（Prroloog）技术、无无线通讯讯（GPPRS/GSMM）技术术和数据据库技术术，实现现了被保保护体及及其附属属设施的的维护、终终端设备备的远程程监控和和遥控、图图形化的的管理、数数据的查查询与分分析以及及对出现现的故障障进行诊诊断等功功能。在在线监控控专家系系统
8、的主主界面如如下图，从从界面中中可以直直观的查查看管道道的走向向、设备备的位置置以及异异常检测测点的特特殊显示示，从而而有利于于及时掌掌握阴极极保护的的运行情情况。图4阴极保保护在线线监控专专家系统统主界面面其主要功能能包括：(1) 专家诊断系系统系统内部集集成的阴阴极保护护专家系系统，能能够在充充分利用用监控数数据的基基础上，有有效地对对阴极保保护运行行过程中中出现的的问题进进行诊断断，并给给出故障障发生的的原因和和相应的的处理意意见，从从而给故故障排查查和维修修提供了了依据，提提高了科科学性和和准确性性。图4在GIIS界面面直接调调用专家家诊断功功能图5 统计查查询界面面中关联联诊断功功能
9、图6 图形对对比诊断断界面图7 故障诊诊断界面面图8 故障诊诊断报告告(2) 报警功能及及动态响响应设备自动上上传的数数据，管管理软件件自动检检测报警警状态，当当超出限限定值时时，标记记该记录录为报警警记录，同同时在电电子地图图中相应应的设备备图标标标记为红红色，以以警示管管理者对对该监测测点附近近管道的的运行情情况进行行排查。(3) 数据汇总统统计系统提供了了对历史史数据的的报表统统计和图图表统计计的功能能，图表表分为时时间图表表和里程程图表。时时间图表表反应某某检测点点电位的的历史变变化情况况，里程程图表通通过管道道沿线各各监测点点的数据据能够反反映整条条管道保保护效果果的变化化趋势。图9
10、 智能电电位采集集仪保护护电位-时间图图表图10 智能能电位采采集仪交交流干扰扰电压-时间图图表图11 恒电电位仪输输出电压压、电流流、保护护电位综综合图表表图12 管道道沿线保保护电位位-里程程图表图13 管道道沿线恒恒电位仪仪输出电电压-里里程图表表(4) 设备监控管管理以管道、管管段的分分类方式式对设备备进行分分组管理理，实现现设备信信息的维维护，设设备包括括智能采采集仪、恒恒电位仪仪、牺牲牲阳极、普普通电流流桩、普普通电位位桩等，其其中能对对智能电电位采集集仪和恒恒电位仪仪进行远远程遥控控，远程程控制命命令包括括设备对对时、参参数设置置、即时时采样、采采样时间间设置等等。(5) 地理信
11、息系系统平台台地理信息包包括地图图的基本本操作（地地图缩放放、移动动、面积积和距离离测量、图图元设备备的选择择和移动动等），管管道的绘绘制、监监测设备备的选择择及注释释信息的的维护等等功能；属性信信息包含含操作员员管理、权权限管理理、基础础数据管管理等功功能。(6) 阴极保护日日常记录录维护系统中提供供了常数数管线日日常维护护记录的的录入和和保存功功能，如如管道防防腐层绝绝缘电阻阻检测记记录、管管道防腐腐层大修修记录、土土壤理化化性分析析记录等等，通过过查询、分分析日常常记录能能进一步步掌握管管道的运运行情况况。(7) 系统操作日日志维护护提供了操作作员的操操作日志志和设备备的通讯讯情况日日志
12、，便便于系统统的维护护和对操操作员的的监督。(8) 管道保护电电位监测测智能能电位采采集仪智能电位采采集仪应应用了无无线通讯讯技术、低低功耗技技术，实实现了管管道保护护电位的的自动检检测、数数据采集集与传输输。l 支持GPRRS、GGSM无无线数据据通讯方方式。l 每天定时自自动采集集和上传传数据，支持数数据存储储。l 支持连续检检测，采采样频率率达到11条/秒秒，能够够有效检检测杂散散电流干干扰。l 支持断电测测试检测测，采样样频率达达到300条/秒秒。l 低功耗设计计，设计计指标110年内内无需更更换电池池。l 稳定可靠，主主机允许许埋地或或在水下下使用。l 现场安装形形式多样样，满足足防
13、盗需需要，测测试桩形形式有水水泥测试试桩和钢钢管测试试桩。l 安装方便，免免维护。图14 智能能电位采采集仪及及其在西西二线和和川气东东送现场场安装图图(9) 恒电位仪远远程监控控IHHF数控控高频开开关恒电电位仪IHF数控控高频开开关恒电电位仪的的主要功功能特点点如下：l 采用全数字字控制高高频开关关电源技技术。l 数字通讯接接口，易易于联网网和远程程监控。l 中文液晶显显示，操操作简便便。l 工作参数自自保持，可可实现无无人值守守。l 控制精度高高，工作作范围宽宽。l 流经参比电电极电流流小，参参比电极极抗干扰扰能力强强。l 体积小、重重量轻，约约为相控控电源的的1/55 。l 整机效率较
14、较高，效效率较可可控硅提提高200以上上。l 电网适应能能力强，环环境适应应性较好好。l 使用维护方方便 。3阴极保护护监控与与诊断系系统关键键设计1）系统总总体设计计系统总体架架构采用用B/SS架构，数数据库采采用SQQLSEERVEER，地地理信息息系统采采用ARRCGIIS，专专家系统统采用PPROLLOG，开开发工具具采用VVC.NNET。总总体设计计的关键键要点如如下：l 将在线监控控系统的的数据（恒恒电位仪仪、智能能电位采采集仪等等）随时时体现在在用户使使用操作作的GIIS平台台上，将将静态的的GISS系统，提提升为动动态系统统，满足足使用与与管理的的需要。实实现这一一目标，是是通
15、过设设计专用用的后台台服务程程序，在在完成数数据通讯讯的同时时，动态态刷新GGIS信信息，将将在线监监控数据据及时呈呈现给用用户。l 专家系统与与在线监监控系统统的整合合，是系系统总体体架构设设计的另另一个关关键。专专家系统统诊断功功能是否否方便，直直接关系系到系统统的易用用性。在在系统设设计时，提提供多个个专家系系统的诊诊断入口口，一是是从用户户使用的的GISS平台上上提供诊诊断入口口，二是是从系统统的统计计图表及及报表上上提供入入口。这这两种入入口，均均可以将将管道现现有相关关信息直直接带入入专家诊诊断过程程中，诊诊断效率率高，操操作简便便。三是是相对独独立的诊诊断入口口，诊断断所需信信息
16、全部部需要手手工输入入，该方方式十分分灵活，不不仅可以以诊断本本管道的的问题，也也可以分分析诊断断其他管管道的信信息。2）专家诊诊断系统统设计本项目专家家系统采采用PRROLOOG开发发平台，总总体架构构采用经经典的专专家系统统架构，如如下图所所示：图15 专家家系统结结构示意意图考虑到PRROLOOG语言言的特点点，结合合本系统统的要求求，系统统呈现在在用户面面前的内内容主要要包括：知识维维护、故故障诊断断、故障障统计三三个主要要部分，其其余的推推理机、解解释器、知知识获取取过程等等，均在在软件内内实现。本系统通过过知识维维护模块块来获取取知识，通通过对现现象、故故障、条条件的维维护来丰丰富
17、知识识库并设设定知识识库中的的规则；现象由由故障组组成，故故障由条条件来判判断其是是否发生生。故障诊断模模块是对对故障进进行诊断断，通过过专家系系统的提提问以及及用户的的回答，来来匹配知知识库中中的规则则，从而而确定故故障是否否发生。诊诊断时，根根据现场场的实际际情况，先先选中一一条知识识库中已已经维护护好的现现象，然然后增加加一条诊诊断记录录。诊断断记录增增加后可可以进行行诊断，根根据系统统的提问问用户进进行回答答，最后后得到可可能发生生的故障障。故障统计模模块中通通过对已已经诊断断的故障障进行确确认，来来统计故故障发生生的概率率。确认认方式是是当现象象被诊断断后会得得到可能能发生的的故障，
18、用户在现场实际排查故障时，如果通过专家系统诊断确认的故障发生了，那么用户需要在专家系统里面对故障进行确认，从而专家系统可以积累诊断经验。专家系统知识维护故障诊断故障统计现象维护故障维护条件维护故障确认故障正确率统计增加诊断监控系统诊断过程保存故障图16 专家家系统界界面架构构示意图图3）专家系系统知识识库设计计知识库(KKnowwleddge Basse)是是知识工工程中结结构化，易易操作，易易利用，全全面有组组织的知知识集群群，是针针对某一一(或某某些)领领域问题题求解的的需要，采采用某种种(或若若干)知知识表示示方式在在计算机机存储器器中存储储、组织织、管理理和使用用的互相相联系的的知识片
19、片集合。这这些知识识片包括括与领域域相关的的理论知知识、事事实数据据，由专专家经验验得到的的启发式式知识，以及常常识性知知识等。考虑到阴极极保护知知识的特特点，如如何获取取更多的的现场经经验和典典型案例例，是摆摆在项目目开发组面面前的关关键问题题。为了了保证系系统开发发的顺利利进行，由中石化管道储运分公司科技处牵头，邀请了中石化、中石油、解放军等十多个单位的二十多名专家组成专家顾问团，通过会议、函审、查阅科技文献等方式，进行知识的收集整理，确保了知识整理的质量和覆盖面，这一措施，为阴极保护在线监控专家系统的研制成功，提供了有力的保证。根据阴极保保护系统统的特点点，专家家最终确确定了阴阴极保护护
20、知识库库的知识识构成，共共有六大大类，333小类类，755个故障障根源，114种典典型故障障曲线。六六大类分分别是管管道、场站和阀室、自然环环境、外部干干扰源、牺牲阳阳极阴极极保护系系统、强制电电流阴极极保护系系统，基基本涵盖盖了长输输管道阴阴极保护护的所有有方面。4）智能电电位采集集仪设计计本系统的主主要硬件件设备为为恒电位位仪和智智能电位位采集仪仪，多数数恒电位位仪在场场站中，具具备供电电及通讯讯条件，容容易实现现远程监监控。管管道沿线线电位采采集现场场则不具具备这些些条件，因因此，智智能电位位采集仪仪的设计计是系统统硬件设设计的关关键环节节。智能电位采采集仪设设计的关关键是电电源和通通讯
21、。管道沿线没没有电源源，采用用太阳能能供电，容容易损坏坏和丢失失，因此此，采集集仪最终终选用了了“一次性性电池供供电低低功耗”设计方方案，在在待机状状态下，功功耗小于于10微微安，电电池选用用一次性性高能电电池，工工作寿命命超过110年。管道沿线没没有有线线通讯条条件，采采用飞机机遥感或或卫星通通讯费用用较高，采采用微波波通讯可可靠性无无法保证证，且频频率资源源申请困困难，目目前公共共无线通通讯覆盖盖范围很很广，大大多数管管道途径径区域均均有无线线信号，因因此，最最终选择择GPRRS/GGSM无无线通讯讯方式作作为采集集仪通讯讯手段，较较好的解解决了数数据通讯讯的问题题。4小结阴极保护在在线监
22、控控专家系系统实现现了对管管道阴极极保护状状况的在在线监测测，监测测人员可可以在室室内通过过电子地地图实时时地查看看设备的的状态、位位置、周周边环境境以及相相关的管管道状况况，并可可根据实实际情况况远程调调整恒电电位仪的的工作状状态。配配合专家家系统，可可以对阴阴极保护护的状态态及故障障进行诊诊断分析析，并给出出处理意意见。本本系统采采用网络络架构，部部门领导导可同时时在线查查看整个个系统的的运行情情况，对对运行数数据的查查询可形形成各种种统计图图表和统统计报表表。针对管道阴阴极保护护管理的的需要，本本系统主主要解决决了如下下问题：（1）全线线阴极保保护统一一、集中中管理使专专业人员员专注于于
23、专业事事务阴极保护在在线监控控专家系系统是一一套集设设备监控控、数据据自动采采集、数数据自动动存储、数数据查询询、故障障诊断于于一体的的管理系系统，便便于管理理单位的的阴保专专业工程程师进行行全线阴阴极保护护的监控控与管理理，能够够有效的的掌握恒恒电位仪仪的运行行情况和和被保护护体的保保护情况况，从而而实现统统一、集集中管理理。系统的应用用，可以以将专业业人员从从日常工工作中解解放出来来，集中中精力处处理阴极极保护系系统的关关键问题题，提高高阴极保保护系统统的保护护效果，进进而延长长埋地管管道、储储罐及场场站管网网的安全全运行寿寿命。 （2）阴极极保护状状况科学学决策分分析给专业业人员配配备专
24、业业的助手手系统内部集集成的阴阴极保护护专家系系统，能能够在充充分利用用监控数数据的基基础上，有有效地对对阴极保保护运行行过程中中出现的的问题进进行诊断断，并给给出故障障发生的的原因和和相应的的处理意意见，从从而给故故障排查查和维修修提供了了依据，提提高了科科学性和和准确性性。（3）报警警定位与与重点监监测及时准准确监控系统具具有自动动数据分分析功能能，当数数据异常常时系统统会自动动报警，同同时结合合GISS平台，能能够及时时、准确确的定位位报警点点。对于已知的的干扰部部位，能能够通过过连续监监测等手手段，详详细监测测重点区区段运行行情况，为为诊断分分析提供供有效信信息。（4）阴极极保护数数据自动动采集，智智能采集集仪免维维护简单方方便智能电位采采集仪和和恒电位位仪自动动化的数数据采集集，能够客客观的反反应阴极极保护状状况的实实际情况况，能够够有效的的杜绝人人为的测测量误差差，长期期的连续续监测过过程能够够实现阴阴极保护护的数据据积累，便便于掌握握管网的的阴极保保护状况况和反应应阴极保保护状况况的历史史变化趋趋势。智能电位采采集仪设设计指标标10年年免维护护，大大大减轻了了系统后后期管理理的工作作量，方方便了用用户的使使用。