基于RFID技術(shù)的在網(wǎng)PE閥門巡查管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)

孫志強，楊其華，劉鋼海，童津金

(1. 寧波恒元精工管閥科技有限公司，浙江 寧波 315400； 2. 中國計量大學，浙江 杭州 310018)

聚乙烯材質(zhì)的PE管閥產(chǎn)品擁有耐腐蝕、長壽命、流阻小、重量輕等的一系列特點，且管網(wǎng)建設中施工方便、連接可靠，整體管道具有較好的柔潤性和抗震性。因此，PE閥門、管件、管材已在城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)建設中得到廣泛應用。

燃氣管道屬于國家強制監(jiān)察管控的承壓類設備，因燃氣的易燃易爆特點，對管網(wǎng)建設所需的閥門、連接件、管材、儀表設備等都有嚴格的產(chǎn)品質(zhì)量要求，對管網(wǎng)建設施工質(zhì)量保障和管網(wǎng)運行中的日常維護同樣也有相應的規(guī)范要求。PE燃氣管網(wǎng)的質(zhì)量安全，涉及管網(wǎng)建設的相關(guān)產(chǎn)品組件、管網(wǎng)施工質(zhì)量管控及管網(wǎng)日常巡查維護等管理環(huán)節(jié)；核心組件的產(chǎn)品質(zhì)量管理，則應涵蓋材料、產(chǎn)品部件、裝配、（半）成品等產(chǎn)品形成的全生命周期。

PE閥門是PE管網(wǎng)中的核心組件，因其在管網(wǎng)中的功能地位和結(jié)構(gòu)特點，也是產(chǎn)品質(zhì)量管控的重要對象。現(xiàn)有PE閥門成品，一般以鋼印碼及紙質(zhì)條碼方式標識產(chǎn)品，形成產(chǎn)品出廠檢驗相關(guān)質(zhì)量數(shù)據(jù)在廠商數(shù)據(jù)庫中的對應綁定。但從產(chǎn)品用戶角度看，無論是鋼印碼還是紙質(zhì)條碼，管網(wǎng)現(xiàn)場都極易受污染而難以讀取；即使產(chǎn)品標識可讀取，產(chǎn)品質(zhì)量追溯仍需依賴生產(chǎn)廠商是否建有完善的質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。

現(xiàn)有的（非固定和固定式）球閥結(jié)構(gòu)PE閥門，即要求球體與閥體之間有保障密封性的緊配合，又提出了球閥開閉扭矩的上限。一般以裝配柔性密封圈及涂敷潤滑油脂方式協(xié)調(diào)兩者之間的矛盾，但隨之也帶來了在網(wǎng)PE球閥因長期靜止而導致開閉扭矩顯著增加的問題。解決此問題的方法，是將針對PE球閥的定期開閉操作納入管網(wǎng)巡查維護制度之中，而制度執(zhí)行的有效性，則有賴于技術(shù)支撐下的管理體系建設。

以RFID標簽植入PE閥門部件，可在PE閥門生產(chǎn)過程，尤其在閥門成品出廠質(zhì)檢環(huán)節(jié)將檢驗對象與質(zhì)量數(shù)據(jù)庫記錄一一對應，并且可以將自有的產(chǎn)品質(zhì)量信息寫入閥門內(nèi)嵌的RFID標簽，為產(chǎn)品出廠后質(zhì)量追溯提供便利。此舉也為后續(xù)燃氣管網(wǎng)巡查運維的數(shù)據(jù)化管理創(chuàng)造條件。

1 RFID標簽應用于PE球閥

無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)主要由射頻讀寫器、電子標簽、應用系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中的電子標簽分為有源和無源兩類。由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率（無源標簽多為UHF頻段）的射頻信號，當電子標簽進入有效工作區(qū)域時耦合產(chǎn)生感應電流，從而激活內(nèi)置電路將電子標簽內(nèi)編碼信息通過標簽自帶天線發(fā)射出去。而讀寫器的接收天線接收到從標簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線的調(diào)制器傳送到讀寫器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后得到有效信息，進而傳送到后臺主機系統(tǒng)進行相關(guān)處理，控制讀寫器完成讀操作；寫操作則是反向信息傳輸?shù)倪^程。

在PE球閥生產(chǎn)過程中，閥球、閥桿、閥體、閥座等主要組件均為批量加工，密封圈多為特定供應商供貨，因此，組件一般按批次標識實施檢測檢驗，抽檢或全檢質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄到廠商數(shù)據(jù)中。組裝完成的PE球閥成品，必須擁有唯一性數(shù)碼標簽，而采用射頻電子標簽，相比以往的鋼印碼、紙質(zhì)條碼，具有可承載更多的信息、持久性、（批量）快速易讀性等一系列優(yōu)點。每個球閥成品的電子標簽，可在質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫中與各組件批次號及質(zhì)量信息、球閥成品結(jié)構(gòu)或工藝信息、球閥出廠檢驗及性能試驗信息等，均綁定為一條可備查記錄。

考慮到閥門內(nèi)置RFID標簽在閥門安裝于管網(wǎng)中的拓展利用，標簽應布局閥門正上方易于感應對接的部位。在不改變PE閥門安全結(jié)構(gòu)前提下，閥體上方、閥桿（帽）上端均可為RFID標簽布置可選部位，但在選用非特別定制的標準RFID標簽時，必須考慮到標簽的安裝可靠性與信息讀寫可靠性問題。

2 在網(wǎng)PE閥門巡查專用工具

針對在網(wǎng)的特定閥門，巡查任務界定為：閥門實地開閉操作n次（如球閥0～90°開閉操作3次）。專用巡查工具的設計功能性目標是：能自動讀取包含在網(wǎng)閥門地理位置的閥門電子標簽內(nèi)置信息；能適當提示并保障閥門規(guī)范化巡查操作；能采集閥門開閉操作角度等信息；能連接外部通訊終端或直接連接遠端系統(tǒng)服務器。

PE球閥內(nèi)嵌RFID標簽。專用工具結(jié)構(gòu)示意見圖1，T型專用工具下端裝有標簽讀取器，主電路安裝于T型工具上部。主要單元電路構(gòu)成見圖2。

圖1 專用工具結(jié)構(gòu)示意

圖2 專用工具電路單元組成

工具電路中自帶藍牙或WIFI通訊，可與智能手機對接。借助手機APP軟件或微信小程序，實現(xiàn)與管線巡查計劃銜接、巡查位置定位及閥門標簽信息綁定、操作中采集工具旋轉(zhuǎn)角度信息顯示、操作規(guī)范性提示及預判等。利用智能手機的數(shù)據(jù)通訊功能，與遠端系統(tǒng)管理服務器建立通訊及數(shù)據(jù)交互。

工具在現(xiàn)場開閉閥門，人工巡查有效操作的前提是必須事先讀取到閥門內(nèi)置的標簽，并核準為在網(wǎng)工作閥門。為保障在閥門閥桿上端面受污染（潮濕泥土少量覆蓋）等情況下可靠地讀取RFID標簽，工具與閥門閥桿對接帽進行了深度部分的尺寸優(yōu)化及彈性耦合面設計；讀取器也進行了電路工作參數(shù)優(yōu)化。

3 在網(wǎng)PE閥門巡查系統(tǒng)管理軟件

以在網(wǎng)PE閥門為核心對象設計的巡查系統(tǒng)，包含管網(wǎng)中全部閥門、巡查操作工具、巡查者隨身攜帶的智能手機、管網(wǎng)管理者服務器終端，以及符合相關(guān)制度、規(guī)程要求的手機端軟件和服務器端應用軟件，RFID讀寫軟件整合于操作工具MCU軟件及終端數(shù)據(jù)庫軟件之中。

CJJ51《城鎮(zhèn)燃氣設施運行、維護和搶修安全技術(shù)規(guī)程》要求確定對燃氣管道進行巡查、檢查的周期，并應做好 巡查、檢查記錄；在巡查、檢查中發(fā)現(xiàn)問題應及時上報并采取有效的處理措施。特別規(guī)定了“對閥門要定期進行啟閉操作和維護保養(yǎng)，對無法啟閉或關(guān)閉不嚴的閥門需維修或更換”。圖3給出了在網(wǎng)PE閥門巡查管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件架構(gòu)，兼顧了規(guī)程要求下巡查管理實施層面任務計劃、人員分派、現(xiàn)場數(shù)據(jù)半自動采集或人工輸入、巡查過程提示和監(jiān)督、數(shù)據(jù)分析及綜合評估等需要，更進一步，可將數(shù)據(jù)利用延伸至閥門產(chǎn)品質(zhì)量追溯。

圖3 在網(wǎng)PE閥門巡查管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

系統(tǒng)管理軟件中的數(shù)據(jù)來源于幾個方面：

（1）管網(wǎng)建設階段形成的基礎數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、閥門在管線上的分布及其地理坐標（GIS）、每個閥門內(nèi)嵌RFID標簽中的身份及質(zhì)量信息等。其中每個在網(wǎng)閥門的GIS數(shù)據(jù)可在管網(wǎng)建設完成后依據(jù)GPS坐標寫入閥門RFID標簽內(nèi)，作閥門應用管線場地的對應綁定，同時也可在遠端系統(tǒng)管理服務器軟件中按管線將分布的閥門實現(xiàn)位置信息記錄。

（2）按規(guī)程或管理制度要求，擬定的巡查管理流程、工作/派工計劃、各種數(shù)據(jù)綜合臺賬等的標準輸出文檔。也可包含其它計劃、管理、評估/考核類終端之間的傳輸數(shù)據(jù)。

（3）巡查中現(xiàn)場實時采集、手工輸入的數(shù)據(jù)，包括專用工具從PE閥門RFID標簽中讀取的數(shù)據(jù)、工具啟閉閥門操作時獲取的轉(zhuǎn)角綜合數(shù)據(jù)及時間信息、人工感知扭矩和泄漏的模糊評估記錄等。

在系統(tǒng)管理軟件依托內(nèi)置數(shù)學模型對相關(guān)數(shù)據(jù)進行綜合比較分析和評估后，將對隱患問題給出處置意見，可進一步形成分類質(zhì)量追溯數(shù)據(jù)鏈。

4 結(jié)語

本文以PE閥門內(nèi)置RFID標簽，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)中現(xiàn)場巡查維護管理中被維護閥門對象與操作工具之間的有效綁定，創(chuàng)新設計PE閥門現(xiàn)場巡查專用工具，構(gòu)建起符合《城鎮(zhèn)燃氣設施運行、維護和搶修安全技術(shù)規(guī)程》要求的在網(wǎng)PE閥門巡查管理系統(tǒng)，解決了以往閥門巡查工作中過程監(jiān)管缺失、沒有數(shù)據(jù)積累、問題處置責任難以分清等問題，并為提供產(chǎn)品質(zhì)量延伸追溯打下基礎。本文主要針對燃氣管網(wǎng)中的PE閥門巡查需要闡述技術(shù)系統(tǒng)及管理數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，但顯然也可將管網(wǎng)中其它巡查對象及工作內(nèi)容納入管理系統(tǒng)之中。在針對PE閥門操作的專用工具設計中，后期改進可將閥門啟閉的扭矩信號采集，乃至閥門泄漏信號采集納入其中，以進一步提高查維工作效率。