基于Matlab GUI的埋地管道結構狀態監測數據分析系統

龔士林，馮 新，王子豪，韓 陽，劉 洋

大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116023

隨著我國經濟持續、快速發展，管道越來越廣泛地應用于石油、化工等工業領域以及城市的燃氣、供熱系統。管道由于輸送距離長并且大多經過人口稠密地區，因此一般采用埋地式。與裸露管道相比，埋地管道承受更復雜的受力狀態，且結構病害和隱患具有更強烈的隱蔽性，對公共安全的威脅更嚴重，因此對管道的結構狀態和損傷病害進行實時監測就顯得尤為重要[1-3]。

基于分布式光纖傳感器的埋地管道結構狀態監測方法，采用分布式光纖傳感技術，實現管道沿途任意位置應變和溫度的分布式測量，相比傳統管道定點監測方法顯現出一定優勢[4-7]。但正是因為采用分布式測量方法，實時在線監測會產生大量數據，而數據的后期處理過程十分繁瑣，耗費大量時間，并且容易出現由于人為疏忽而造成的誤差[8]。目前，在數據的統計、計算和圖形繪制方面，主要還是通過傳統的辦公軟件Excel來實現，該方法簡單直接、容易上手，已經被普遍接受[9]。但是，管道監測數據則具有實時采集的特征，人工處理無法滿足管道實時監測與結構評價的要求，因此需要考慮編制數據分析軟件實現大規模監測數據的實時獲取與自動處理。傳統的編程軟件如Fortran、SAS在編程操作、數據計算方面功能強大，但可視化功能較弱；VB、VC語言開發的可視化界面友好，但是數據計算方面又有所欠缺。而Matlab則是集數據分析、矩陣計算、圖形繪制和可視化功能于一體的計算軟件，已經在圖像處理、信號檢測和控制設計等方面得到廣泛應用，但是在管道監測數據分析方面應用較少[10]。

為了方便高效地處理監測數據，提高實際工程中埋地管道監測數據分析的效率，開發了基于Matlab的GUI（Graphic User Interface，圖形用戶界面）的埋地管道結構狀態監測數據分析系統。此系統涵蓋了從原始數據輸入、整理、儲存，到計算結果和圖像輸出的一套完整流程，使用者只需將測量獲得的原始數據導入系統數據庫，進行界面操作，就可以得到最終所需要的計算結果和分析圖像，進而實現管道結構狀態的評價及預警。

1 埋地管道分布式光纖監測方法

1.1 監測方案及數據獲取

基于Brillouin散射的分布式光纖傳感技術在測量應變方面有較高的靈敏度，但其對溫度和應力變化都很敏感，造成Brillouin散射的頻移不但與光纖受到的應變線性相關，還與光纖所處的環境溫度變化線性相關，所以在使用時常常需要進行溫度補償，即消除溫度影響得到真實的應變值。而Raman散射在感應溫度變化方面比較敏感，并且不容易受到外界環境的干擾，對溫度測量精準度較高[11]。因此，在本方法中，管道應變的分布式監測采用基于Brillouin散射的BOTDA應變傳感器和基于Raman散射ROTDR溫度傳感器。兩種類型的光纖傳感器平行布設在管道頂部，分別與監測儀相連，光纖會與管道產生一致的應變和相同的溫度變化，從而得到管道的應變和溫度監測數據。監測方案示意見圖1[12]。

圖1 基于分布式光纖傳感器的埋地管道結構狀態監測方案示意

1.2 管道結構狀態評估方法

由Brillouin分布式光纖傳感器的測量原理，將Brillouin頻移公式變形為：

管道截面的環向應力由內壓以及管道截面幾何參數確定：

式中：p為管道承受的內壓，MPa；D為管道的直徑，mm；t為管道壁厚，mm。

管道的軸向正應力σa（x）與管道的彎曲正應力σb（x）分別為：

式中：Ep為管材的彈性模量，MPa；αp為線膨脹系數，℃-1；νp為管材的泊松比。

管道的縱向正應力σL（x） 為：

考慮管道結構破壞標準及其所承受的彎曲效應，可以采用強度校核公式為：

式中：σc（x）為管道的當量應力，MPa；σs為管道的屈服強度，MPa。

通過以上分析發現，管道結構狀態的評估需要實時的應變、溫度監測數據，管道的幾何、材料參數，管道運行的內壓數據，還需進行當前數據與歷史數據的計算分析和可視化顯示；因此需要開發一套埋地管道分布式監測數據的分析系統。

2 Matlab的GUI開發環境及軟件系統介紹

2.1 Matlab的GUI開發環境

Matlab的GUI是由窗口、光標、按鍵、菜單、文字說明等對象構成的一個用戶界面，用戶必須對每一個對象進行界面布局和編程，從而使用戶在激活GUI每個對象時都能夠執行相應的行為，以此進行基于GUI二次開發自己的界面程序[13-15]。GUIDE將用戶保存設計好的GUI界面保存在一個FIG資源文件中，同時生成包含GUI初始化和組件界面布局控制代碼的M文件[16]。FIG文件包含系列化的圖形窗口對象，M文件包含GUI設計、控制函數及控件的回調函數，主要用來控制GUI展開時的各種特征。另外，Matlab具有強大的數據處理和圖像繪制功能，并且可以很方便地導入和輸出各種類型的數據文件，這也就保證了軟件可以快速打開并處理埋地管道的監測數據。

2.2 軟件系統介紹

管道結構狀態監測數據分析系統主要功能是管道監測數據的獲取、處理以及結果輸出和圖形繪制，包含數據導入、數據清除、BOTDA應變處理、ROTDR溫度處理、結構狀態評估五大模塊，系統的主界面如圖2所示。

圖2 埋地管道結構狀態監測數據分析系統主界面

2.2.1 數據導入模塊

通過分布式光纖傳感器的監測，將會得到大量的BOTDA監測儀輸出的STC格式的應變數據文件以及ROTDR監測儀輸出的TXT格式的溫度數據文件。數據導入模塊即是將這兩種格式文件批量導入系統中儲存為變量文件，并且將數據的監測日期作為變量名賦給變量文件，最后將這些變量文件保存在特定的MAT文件中備用。

具體實現方法是，通過使用uigetfile函數調用Matlab的“文件打開對話框”，用來選擇所需要的數據文件并且將其文件名保存，然后采用textread函數將數據文件讀取到系統中并且作為變量進行儲存。為了方便查找系統中的數據文件，從之前存儲的變量名中提取出數據文件的監測日期字段并且使用eval函數將其強制賦給相應的變量作為變量名，最后使用save函數將這些變量儲存在特定的MAT文件中。

2.2.2 數據清除模塊

數據導入系統之后會儲存在數據庫中，以后使用時無需再次導入，從數據庫直接調用即可。在管道安全監測過程中，有時會產生一些因受外界環境干擾而與事實不符的數據，這些數據會對后期的管道狀態評估產生較大影響，可以使用數據清除模塊將這些干擾數據刪除。

具體實現方法是：為了解決Matlab中不同工作區間中調用困難的問題，首先使用get函數獲取所選中的要清除的數據變量的名稱，并將其保存在新的變量中，再通過save函數將這個新的變量保存在之前的MAT文件中，然后使用load函數將這個MAT文件中所有變量載入到工作區中，這樣包括儲存名稱的變量在內的所有變量都出現在同一工作區間中。最后使用evalin和clear函數清除所選中的變量并將剩余的變量儲存在新的MAT文件中，以達到通過更新MAT文件方式來刪除數據的目的。

2.2.3 BOTDA應變處理模塊

該模塊的主要功能是對應變監測數據進行分析處理。將數據日期顯示在列表框中，當選中列表框中的一個或者多個日期選項時，就會將所選中日期的數據在表格框中顯示，同時數據對應的圖形也會在圖形框中顯示，所以在此模塊中可以查看、對比和運算任意日期的管道的應變數據。

具體實現方法是，首先通過 whos函數獲取MAT文件中所有應變變量的變量名并使用char函數將其轉換為字符換格式，然后使用set函數將以字符串表示的變量名輸出到列表框中，至此列表框中就會顯示所有應變數據的監測日期。當用戶選中列表框中想要查看的某些日期時，列表框的value值將會變成所選中日期的序號，再使用get函數獲取列表框的value值和string值，就可以得到所選中的日期名。最后evalin函數依次將所選中日期對應的變量數據從工作區調用到當前工作空間，使用plot函數和hold on函數將所選日期的應變圖像繪制在gui界面中的圖形框中。

2.2.4 ROTDR溫度處理模塊

主要功能是查看和對比任意日期的管道的溫度數據，實現過程與BOTDA應變處理模塊相似，將不再贅述。

2.2.5 結構狀態評估模塊

該模塊主要用于實現手動輸入和修改管道的材料、幾何參數以及內壓數據，并將應變和溫度數據同時讀取并按照管道應力狀態評估方法進行計算，最終得到管道的當量應力，通過校核公式判斷管道應力狀態是否符合要求。在此模塊中可以查看任意日期的管道彎曲應力、管頂和管底的縱向應力、當量應力的數據以及圖形，界面如圖3所示。

圖3 結構狀態評估模塊界面

具體實現方法與應變處理模塊相似，首先將所有應變所對應的日期輸出到列表框中，當用戶選中列表框中想要查看的某些日期時，使用循環語句依次獲取每個日期名，并強制讀取日期名稱所對應的應變變量和溫度變量。通過get函數獲取靜態文本中所輸入的管道參數，結合應變和溫度變量進行矩陣計算，得到當量應力。最后使用判斷語句，若管道應力符合要求，則在界面上顯示數據和圖形，若不符合要求，則通過msgbox函數彈出警告框進行提示。

3 應用實例

以某埋地燃氣管道為例，采用分布式光纖傳感器監測其溫度和應變的變化以分析管道的結構狀態。此工程采用型號為DN300的無縫鋼管（即管道外徑D=325 mm，壁厚t=8 mm），鋼材牌號為20#，對應的抗拉強度σb=410 MPa，屈服強度σs=245 MPa，彈性模量Ep=206 GPa，泊松比νp=0.3，線膨脹系數αp=1.1×10-5℃-1，管道的設計壓力p=1.6 MPa。該段管道于2016年6月24日開始投入運行并布設光纖傳感器進行監測，監測段長度為61.3 m，本文選取2016年6月24日至2016年10月27日期間的共17次代表性監測數據，導入本軟件系統中進行分析評估管道的結構狀態。

3.1 溫度監測數據分析

前文提到，管道監測過程中需要使用溫度光纖傳感器測量管道的溫度數據，用來對應變數據進行溫度補償，進而得到真實的管道的應變值，同時也可以對預測壓力管道泄漏提供參考依據。在本系統中ROTDR溫度處理模塊可以實現對溫度數據的處理，處理結果如圖4所示。圖4中，橫坐標是管道在分布式光纖溫度傳感器上所對應的位置。從圖4可以看出，每次測量的數據基本持平，也就是說在整個測量段管道的溫度是均勻的，表明管道沒有發生泄漏。

圖4 ROTDR溫度處理模塊中溫度數據曲線

3.2 應變監測數據分析

在使用分布式光纖應變傳感器監測管道應變時，首先需要獲得一個應變初值，在以后將每次測量得到的數據與初值相減，即可得到在此段時間內管道所產生的應變。在此實例中，即是將2016年6月24日所測得的應變數據作為初值。另外，由Brillouin頻移公式可知，由應變傳感器測得的應變值包括受溫度影響的光熱效應部分，因此需要借助溫度監測數據，將溫度造成的影響消除，即對應變值進行溫度補償。從本系統中的BOTDA應變處理模塊可以查看BOTDA應變傳感儀所輸出的原始應變曲線和溫度補償后的應變曲線，如圖5所示。其中，圖5（b） 中管頂彎曲拉應變的最大值約為250 μ ε，彎曲壓應變的最大值約為 -350 μ ε，相應的，管底彎曲拉應變的最大值約為350 μ ε，彎曲壓應變的最大值約為-250 μ ε。這些結果為后續的管道結構狀態評估提供依據。

3.3 管道結構狀態評估

在進行管道的溫度和應變數據處理之后，就可以根據管道結構狀態評估方法對管道狀態進行評估。在本系統的結構狀態評估模塊中，可以方便地輸入管道的材料、幾何參數以及內壓數據，然后借助溫度和應變數據，計算出管道的環向應力、軸向應力以及當量應力，進而確定管道結構狀態是否符合要求。管頂當量應力曲線如圖6所示，圖6中管頂的最大當量應力約為78 MPa，因而，表明管道的結構狀態處于安全范圍。

圖5 BOTDA應變處理模塊中的應變曲線

圖6 管道結構狀態評估模塊中當量應力曲線

4 結束語

管道結構狀態的安全監測是貫穿管道全壽命服役周期的長期過程，必將產生海量的監測數據，如何擺脫繁瑣的數據管理、數據分析和圖形繪制過程，實現監測數據高效的整合以及快速的分析計算和可視化是實際工程中需要解決的關鍵問題。本文基于Matlab GUI設計的埋地管道結構狀態監測數據分析系統，將Matlab強大的矩陣計算、圖形繪制以及可視化界面功能充分地應用到實際工程中，為管道的安全監測提供了一個高效的集成環境和友好的用戶界面，實現了監測數據的高效整合以及管道結構狀態的快速評估，為管道結構狀態監測中數據處理及分析提供了方便的操作平臺。

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