光纤通信在改进通信质量的应用

【摘要】中海油某管道公司三个阀室应力应变监测系统自建成以来，与系统平台上的服务器通信频繁中断，无法实时监测管道的应力应变信息。经过多次实验分析，查找出引发通信中断的原因为以上三个阀室位于盐碱滩涂地带，4G信号强度差，该系统终端与服务器的通信方式为4G通信。随后将其通信方式由4G通信调整为光纤通信，最终很好地解决了这一问题。

【关键词】应力应变系统；4G；光纤通信

天然气管道作为一种高效输送天然气的介质，在天然气长距离、低成本运输过程中体现了很强的优越性，在我国大力发展清洁能源之际，天然气管道的建设进入了一个高峰期。然而，天然气管道所经路径往往地质条件复杂，管道容易出现移位、变形等状况，如何有效监测管道在高危地带的形变量，需要我们在高危地带设置一套能够监测管道移位、变形等参数的监测系统，这就是本文要介绍的应力应变系统。

1应力应变系统及其通信方式介绍

应变监测系统的应用通过有限元分析管土相互作用和地面运动模型通过特定的网站可以形成监测数据，随时监测生成管道应变是否超过管道应变能力，防止地质灾害对管道造成破坏[1]。本项目管道应力应变监测系统通过布设在管道监测点的光纤光栅传感器，实现对管道应变、温度和位移进行监测，进而实现对管道变形的监测和预警，作为评价管道的安全状态的现实依据。管道结构构件的应力应变信息是反映其结构是否处于安全状态最直接的评价和判断指标，因此采用光纤光栅应变传感器对管道结构关键部位进行应力应变监测以评价结构安全状态。同时当管道发生不均匀沉降时，布设的光纤光栅应变传感器也能监测到管道的内力变化，从而判断不均匀沉降对管道结构安全状态的影响。由于管道内部流通天然气，温度变化对管道的影响是十分重要的参考指标，同时管道温度数据也能为管道结构的数值仿真计算模拟提供更加全面的基础数据支持。因此在管道结构关键位置处布设光纤光栅温度传感器以监测管道结构温度变化情况。在自然环境各种因素的作用下，在野外布设的管道结构往往会出现局部悬跨，从而引起管道结构的不均匀受力造成不均匀变形，同时在土体地壳运动和外力的影响下管道结构的不均匀变形成为一个不可忽略的安全问题，因此需要对管道结构进行不均匀变形监测。整个监测系统采用光纤光栅监测技术对管道结构进行应变、温度和位移监测；光纤光栅传感器数据通过光纤光栅解调仪和相应的采集软件进行采集传输及存储，数据通信以现场观测阀室为输入节点，以无线4G通信模块为输出节点，系统平台作为各节点数据汇聚和处理的中心。如图1所示，各传感器的信号通过光纤传输到光纤光栅解调仪后，对光纤信号进行解析和处理，转换成数字信号后上传给数据采集主机，对数据进一步运算和处理，转换成实际的工程量，一方面将处理后的数据存储到本地硬盘，另一方面将这些数据通过4G无线信号发射器传送至应力应变系统平台，在系统平台上进行存储和分析。

2现场应用中出现的问题及原因分析

自2019年5月开始，三个阀室断续向系统平台传输数据失败，登录系统平台无法查看相关数据，如图2所示。随后组织厂家工程师到现场检查，厂家工程师到达现场检查后发现数据采集主机存储的数据与系统平台存储的数据时间段不一致，某段时间内，现场数据采集主机已经完成存储的数据在系统平台并未完成存储，在系统平台无法读取到现场应力应变监测系统数据后，现场数据采集主机还能够继续存储一段时间的应力应变数据。综合以上故障现象，经与厂家工程师共同分析，总结出引发系统平台无法读取阀室应力应变系统数据的原因可能有以下两个方面：①阀室应力应变采集设备出现问题；②传输设备或传输链路出了故障。鉴于现场数据采集主机储存的数据比系统平台存储的数据时间更新，说明数据传输中断后现场的数据采集系统还能正常工作，但现场数据采集主机存储一段时间的数据后便不再存储数据，说明此时数据采集主机已经死机，无法正常工作。厂家工程师分析这是由于数据采集主机和系统平台通信中断后，不断尝试与系统平台进行通信连接，但又无法连接上，长时间的连接造成网络端口拥堵，导致数据采集主机死机。结合阀室位于盐碱滩涂，4G信号强度低，加之应力应变系统4G无线通信模块位于阀室设备间内，4G信号强度进一步衰减，4G无线通信模块无法连接到运营商4G网络。综合以上分析，造成应力应变系统数据传输中断的最终原因在数据传输链路上，阀室内无线4G信号频繁中断造成无线通信模块无法正常连接到4G网络，进而无法将数据传输到系统平台。

3解决措施及现场实施

随后，经过双方技术人员的协商，决定利用已经随管道一同敷设的光纤作为传输媒介，将三个4G信号质量差的阀室应力应变监测系统数据传输至4G信号质量好的分输站，在分输站设置一台数据采集主机，统一对三个阀室的数据进行处理和运算，再通过4G无线通信设备将三个阀室经过处理后的数据统一传送至系统平台。系统通信改造的具体实施方案如下：拆除该系统安装在1#、2#和3#阀室的数据采集主机和无线4G通信模块，在3#阀室安装1台光纤收发器，网口端与光纤光栅解调仪相连，光口与1芯去2#阀室的光纤相连；在2#阀室安装1台光纤收发器，与3#阀室光纤收发器建立通信，设置1台带光换机，电口与光纤光栅解调仪、光纤收发器相连，光口与2芯去1#阀室光纤相连；在1#阀室安装1台光纤收发器，与分输站光纤收发器建立通信，设置1台带光换机，电口与光纤光栅解调仪、光纤收发器相连，光口与2芯来自2#阀室光纤相连；在分输站设置1台光纤收发器，与1#阀室的光纤收发器建立通信。改造后的系统组网图如图3所示。

4应用效果评价

对三个阀室光纤光栅解调仪的IP地址进行统一规划，在分输站对数据采集主机重新进行配置，对系统平台重新配置后，三个阀室应力应变数据能够正常传输至系统平台，如图4所示。经过连续多日的观察，系统数据传输稳定，没有出现过数据传输中断的情况，整个系统运转良好。通过以上改造，在充分利用现有富裕光纤资源的同时，保证了应力应变监测系统信号传输的稳定，保障了系统平台对各个关键节点应力应变系统的实时监测，为管道的平稳安全运行提供了科学依据。

参考文献

[1]杨士梅.应变监测系统在冻土区原油管道中的应用效果分析[J].中国石油和化工标准与质量，2020（1）.

[2]胡庆.光纤通信系统与网络[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3]张元斌.物联网通信技术[M].成都：西南交通大学出版社，2018.

作者:吴耀兴 单位:中海油华北天然气管道有限公司