燃氣PE管焊接質量控制與數據采集系統方案設計

蘇州燃氣集團燃氣工程有限公司 陳 前

聚乙烯PE管以其耐腐蝕、延展性好、施工方便等顯著優勢，在城市燃氣管網建設中被大規模應用。但是由于PE管焊縫的無損檢測技術尚未完全成熟，因此施工過程中對影響焊接質量的數據進行實時采集、動態分析、過程控制和壓力試驗，是保證PE管焊接質量的有效手段。對焊縫位置進行精確測繪定位，是促進PE燃氣管網智慧管理的重要途徑。

1 方案設計背景

1.1 影響PE管焊縫運營的主要數據

影響PE管安全運營的質量數據主要有焊工和焊機信息；材料管徑、材質等級、外徑壁厚比（SDR）、熔體質量流動速率（MFR）、生產日期；焊接時的壓力、溫度、時間；強度和氣密性試驗壓力、時間和結果。位置數據有：焊縫位置坐標、高程。

1.2 PE管焊縫數據管理易出現的問題

開工前，施工單位應按要求進行開工報驗，對人、材、機等進行報審。施工中，應對焊接質量執行工序自檢和報驗。竣工后，竣工資料應收集焊工證書、焊機校驗報告、材料質量證明文件、焊接數據、試壓記錄等數據，以及專業測繪單位的測繪定位成果。

但城市燃氣工程具有量多、地點分散、差異性大、施工時間靈活多變等特點，各參與方的人員素質、能力和管理投入力度也有差異，難以進行全程跟蹤旁站，質量管理容易存在盲區。竣工資料很多也不是真實的過程記錄，缺乏真實性和可追溯性，影響管網的安全運營。細化對施工過程的數據采集和過程控制，是保障城市燃氣PE管網安全運營的重要途徑。

2 方案基本原理和功能

本方案利用移動通信技術、藍牙等長距離和短距離的通信技術將燃氣PE管網施工中焊接、測繪及試壓設備進行互聯互通；通過圖像識別，掃碼采集記錄施工數據；數據上傳云端服務器進行存儲計算，以及與各終端進行數據交互。方案原理和功能如圖1所示。

圖1 方案原理和功能示意

在Web端，工程管理部門掃描證書，采集焊工指紋，向服務器錄入焊工和焊機信息并對項目統一編碼。材料部門掃描質量證明文件，錄入材料信息。

在焊機控制模塊，通過無線網絡和云端服務器進行雙向數據對接，本地存儲焊工和材料信息。開機后通過藍牙采集焊機信息，并進行環境溫度和設備狀態監控。通過對焊接數據實時分析，及時發現不合格焊縫。生成二維碼，記載合格焊縫信息。工程管理人員通過手機APP可調閱和審批各類數據。

通過測繪GNSS終端的手持設備掃描并識別焊縫二維碼，將測繪數據與焊縫編號綁定上傳，生成焊縫分布圖、埋深斷面圖。采集壓力記錄儀記錄的瞬時壓力，通過變化曲線判斷試壓結果，驗證焊縫的可靠性。

3 方案選用相關技術

3.1 移動通信技術

相比 4G，第五代移動通信技術（5G）數據流量會增長1000倍，聯網的終端設備數量會擴大100倍，達到600～1100億臺，峰值速率可達10 Gbit/s[1]，網絡延遲低于1 ms[2]。數據傳輸和響應速度更快，數據流量和容量也更大，為物聯網發展提供了強有力的通信支持。可快速實現設備間的互聯互通，以及數據的云端存儲計算。

3.2 藍牙通信技術

藍牙技術方便快捷、靈活安全、低功耗、低成本，能穿透阻礙物，無方向限制，支持點對多點的連接傳輸。這是小范圍內無線連接的主流技術之一，目前已經發展至5.0版本。藍牙4.0支持1 Mb/s數據傳播速率下的超短數據包，在高速模式下，可實現最高達24 Mbps傳輸速度[3]；還具備3 ms低延時，100 m以上長距離等優點[4]。完全可滿足施工現場設備間的短距離數據交互。

3.3 指紋識別和二維碼技術

每個人的指紋紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，呈唯一性且終生不變[5]。指紋識別設備外形小巧，可以集成在其他設備上，操作過程非常方便快捷。通過現場采集和核對指紋，可立即識別焊工信息，防止非合格焊工焊接。

二維碼技術的信息容量巨大，是非常方便的信息處理技術，可表示的數據類型也非常廣泛。還具有強大的容錯糾錯功能，因穿孔、污損等局部損壞時，照樣可以識讀，損毀面積達50%仍可恢復信息。譯碼可靠性高，誤碼率不超過千萬分之一[6]。條碼符號形狀、尺寸大小比例可變。成本低，易制作，持久耐用。非常適用于情況復雜的施工現場，可省去復雜的人工數據處理工作量，提高效率。

3.4 定位測繪技術

北斗系統采用三頻信號服務，定位的可靠性和抗干擾能力相對更強，并且國內的信號強，覆蓋面廣。RTK（Real-time kinematic，實時動態）載波相位差分技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，精度非常高，已經達厘米級。北斗RTK已廣泛應用于工程測繪，平面誤差僅1.6 cm，高程誤差僅4 cm[7]，完全可以滿足對施工現場PE焊縫的精確定位。

4 硬件系統方案

首先是數據服務器。租用云端服務器進行數據的計算和儲存，可實現快速部署。其優點是建設周期短，成本大大降低；而且能有效防護DDoS攻擊和阻止 ARP攻擊，數據安全性非常高；同時也有利于數據的彈性計算，后續的擴容非常方便。

其次是焊機控制模塊。這是施工現場控制焊機、輸入和采集數據、實行數據存儲和交互的重要設備。應有可視化界面和語音輸入功能，具備WiFi、4G/5G、藍牙 4.0以上的通信功能，并且可進行指紋識別和圖像掃描。采用具備上述功能的I3（2.6GHz）以上處理器、8GB以上內存的平板電腦（PAD）即可滿足需求，可以節省設計開發成本，縮短建設周期。

焊機可與設備廠家進行協商定制通用協議，支持藍牙4.0以上的藍牙控制、查詢功能即可。手持式二維碼噴碼槍需配置藍牙 4.0以上通信控制功能；壓力記錄儀應防水防塵，可記錄介質溫度，精度在0.2級以上且支持藍牙4.0以上或4G/5G移動通信功能，并支持通用協議；如果自帶管理軟件，應開放接口，以便采集和分析數據，判斷試壓結果；測繪手持設備需具備掃碼功能并開放二維碼接口，可與設備廠家協商定制焊口編碼規則。

5 軟件系統設計

5.1 系統架構

本方案設計的燃氣PE管焊接控制和數據采集系統采用Browser/Server架構，利用Web瀏覽器實現數據展示和人機交互，操作方便快捷。焊機控制模塊（PAD端）和手機工程管理模塊設計采用基于Android系統的 APP，采用邊緣計算模塊，降低了數據處理可能遇到的網絡延時問題，提高實時計算能力；方便施工現場進行快速的數據采集和錄入等處理；方便及時進行數據交互。

（1）數據庫采用分布式數據庫Spark SQL，可整合和分析不同來源的數據。兼容性強，計算效率高，可動態擴充；數據讀取方便，解析容易，系統流暢。

（2）開發工具采用Delphi語言開發業務系統（邊緣計算架構），以圖形用戶界面為開發環境，可視化的編程環境，編程過程非常方便快捷高效。服務器開發工具采用Eclipse平臺，是基于Java語言的可擴展集成開發平臺。采用Power Designer設計數據庫模塊，可直觀地進行數據庫建模和分析設計，實現業務和信息技術的結合，可以保證數據庫的高效快捷生成。采用Java和Tomcat開發服務端和后臺管理端（J2EE架構），簡單易用，信息延續性、可擴展性都比較好，是主流的開發環境。

5.2 模塊設計

由于城市燃氣公司的工程和材料管理往往分屬不同部門，所以應考慮將Web端的工程管理和材料管理的模塊分開設計，同時設計各自的后臺管理功能。

工程管理APP的主要功能是數據傳輸、調閱和審批。焊機控制模塊主要功能是數據采集、處理、存儲、交互。工程管理和焊機控制模塊各自的側重點不同，且開發和應用環境也不同，也應進行分開設計。

定位測繪、壓力記錄儀的數據，可以直接使用設備廠家的程序，但應做好數據的對接。

5.3 數據交互處理

數據交互處理流程見圖2。

圖2 數據交互

各個web端和APP端設置登錄權限。信息錄入應可以按權限進行修改和更新，同時還可將對應的圖片上傳和參數綁定保存。所上傳信息可以產生數據報表，設置查詢功能，以備信息查詢修改。常用參數盡量采用數據字典，選擇即可輸入。預留端口以備系統的后續擴充完善。數據需要修改的，應通過工程管理端授權才可以，以保證數據的嚴謹。數據處理流程見圖3。

圖3 數據處理流程

（1）項目管理模塊應錄入項目名稱、編號、管理人員等需和焊縫綁定的數據。竣工后，可對項目數據凍結，減少終端的顯示數量。

（2）焊工和焊機模塊可進行定期集中審核錄入。焊工模塊采集焊工證號、姓名、焊接方法、焊接范圍、有效期、指紋等信息存入數據庫。連續6個月未采集到焊接信息的焊工自動凍結，需重新審核錄入。每名焊工指紋采集不少于2個。焊機模塊采集焊機編號、品牌、型號、焊接范圍和年檢有效期等信息。

（3）材料模塊應接入掃碼設備，可直接掃描材料出廠的追溯二維碼。沿用廠家的編碼規則，錄入材料的批號、數量、管徑規格、材質等級、外徑壁厚比、熔體質量流動速率，電熔焊接時間、生產日期等信息。在施工單位領料時，通過和發料系統對接，自動關聯所發材料的使用項目、批號和數量。

（4）資料模塊可以調閱所有數據。壓力試驗前，需在生成的焊縫位置分布圖上圈出試壓管段，以便對采集的壓力數據進行綁定。資料人員可對數據審核，確認無誤后生成竣工資料需要的格式，下載打印。

此外，系統設置端口采集GNSS設備的手持設備數據，以實現和焊接數據綁定。工程管理APP端也可以按項目查閱各類數據，并可通過藍牙模塊采集壓力記錄儀記錄的試壓時間、介質溫度、介質壓力等數據，手動關聯到試壓管段后上傳至云端服務器。系統根據記錄的壓力和介質溫度，利用氣體狀態方程修正成標準狀況下的修正壓力，再生成以時間為坐標的曲線。APP可以調閱并判斷結果。

6 結語

本文通過對移動通信、圖像識別和互聯網技術在PE管焊接中的應用研究，建立了工程設備的物聯網模型，實現對PE管焊接數據的實時采集和對焊接質量的過程動態控制。利用衛星導航系統和RTK技術對焊縫位置進行精確定位，可有效解決PE管埋地位置難以探測的問題。通過采集和分析壓力試驗數據，控制試壓過程，驗證焊縫的可靠性。可追溯性的數據有力保證了PE管的施工質量，保證竣工資料的真實性。實現城市燃氣管網智能化管理的重要支撐。