一种油气管道智能运维设备双向通讯系统及方法

本发明涉及油气管道完整性管理，具体涉及一种油气管道智能运维设备双向通讯系统及方法。

背景技术：

1、由于我国石油和天然气的储备地点与实际的消费地点之间相距很远,目前对油气的运输运用最广泛的便是管道运输。在油气管道运输过程中包含了管道清洗、管道检测、管道维抢修等作业。随着技术发展，上述作业逐步会采用智能化的运维设备来代替现有设备及技术，其目的在于提高效率、安全性，并实现实时监测、数据采集与分析，实现管道全生命周期完整性管理。然而，对于如管道封堵机器人，管道监测机器人，可调速清管器等智能设备而言，油气管道内外双向通讯技术是保证其能够安全、高效运行的关键。采用先进的双向通讯系统后，上述智能运维设备能够实现与远程数据中心、操作员和数据分析平台的数据交互、指令传输和反馈，并且可以实现实时监测、远程操作和数据分析，提高管道运维的效率和精准性。同时，双向通讯系统也可支持远程设备故障排查、固件升级等维护操作，降低对现场作业人员的依赖和风险。

2、针对油气管道智能运维设备所需的双向通讯系统，首先要确定其与地面平台的通讯方式。目前油气管道智能运维设备采用的通讯方式主要分为通过有线电缆控制通讯和通过单频道超低频电磁波进行无线通讯两种方式。然而这两种通讯方式都有各自的弊端，有线电缆通讯随着线缆长度的增加，线缆的重量也随之增加并且面临着电缆与管壁的摩擦问题，这会严重限制管道智能运维设备的作业距离以及作业工况；单频道电磁波无线通讯有通讯速度较慢、信号受干扰较大、带宽受到限制等弊端。同时，现有的管内运维设备的定位系统定位延时性较大，且存在一定的位置误差，在实际工作过程中带来诸多不便。油气管道智能运维设备在管道中移动的过程中，通常会遇到因障碍物而卡死的情况，例如现有的管道调速清管器只能在其被卡死后才能进行被动清堵，大多数管道智能运维设备无法做到主动预警并清除障碍的功能。

3、所发明的油气管道智能运维设备双向通讯系统需满足以下需求及功能：

4、1.受现场管道所处不确定环境及工况影响与干扰，油气管道智能运维设备需要一种能实现双向无线通讯且稳定可靠的双向通讯系统，其需具有通讯速度快、信号稳定、带宽幅度大等特点，同时其稳定性不会因油气管道厚度变化而影响。

5、2.由于油气管道的铺设历程长，管道智能运维设备在管道内运移时，需要一种能实时监测其位置的定位系统，其需要有准确的定位功能且能进行实时双向通讯。

6、3.对于油气管道建设场景复杂多变，内部结构出现的复杂情况，需要一种能够实时监测管道环境的防碰撞的双向通讯系统，该系统需实时准确的监测管道内的环境及工况变化，并对管内存在的障碍做出实时预警和反馈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对国内油气管道智能运维设备双向通讯系统所需要满足的工作需求，提出了一种油气管道智能运维设备双向通讯系统及方法，采用多频道超低频电磁波实现了地面平台与管道智能运维设备稳定可靠的双向无线通讯，解决了管道内低频电磁波通讯受干扰而不稳定的问题；提出了在管道铺设几何形状光纤，实现了对管道智能运维设备进行精确定位，解决了管道智能运维设备定位延时性大、准确性低的问题；提出了一种油气管道智能运维设备的防碰撞控制系统，实现了管道智能运维设备在管道行走过程中的安全可靠性能，解决了管道智能运维设备在管道中被卡死的问题。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种油气管道智能运维设备双向通讯系统，其特征在于，包括：地面通讯平台、油气管道智能运维设备、管内通讯平台、管内定位系统和防碰撞控制系统；所述的地面通讯平台包括上位机、第一信号发射平台、第一状态转换平台、第一信号接收平台、第一供电平台和多频道通信模块；所述的第一信号发射平台包括超低频电磁波信号发生器ⅰ、超低频电磁波发生器ⅱ、信号处理电路ⅰ和发射天线；所述的第一信号接收平台包括接收天线和信号处理电路ⅱ；所述的油气管道智能运维设备包括执行机构i、调节机构和执行机构ii；所述的管内通讯平台包括下位机、传感器、第二信号发射平台、第二状态转换平台、第二信号接收平台、第二供电平台、管内多频道通信模块和传感器；所述的第二信号发射平台包括超低频电磁波信号发生器ⅲ、超低频电磁波发生器ⅳ、管内信号处理电路ⅱ和管内发射天线；所述的第二信号接收平台包括管内接收天线和管内信号处理电路ⅰ；所述的管内定位系统包括几何形状光纤、管壁信号中转平台、光纤传感器、管内信号中转平台、光纤信号接收装置、信号处理装置和定位反馈模块；所述的管壁信号中转平台包括管壁信号接收天线和管壁信号发射天线；所述的管内信号中转平台包括管内定位系统发射天线和管内定位系统接收天线；所述的信号处理装置包括信号处理电路ⅲ和信号处理电路ⅳ；所述的防碰撞控制系统包括防碰撞通讯平台、信号处理装置、环境监测装置、清障装置和驱动控制模块；所述的防碰撞通讯平台包括多频道通讯装置ⅰ、多频道通讯装置ⅱ、防碰撞接收天线和防碰撞发射天线；所述的信号处理装置包括功率放大电路、信号处理电路ⅴ、信号处理电路ⅵ。

4、所述的发射20hz的超低频电磁波信号发生器ⅰ和发射30hz的超低频电磁波发生器ⅱ分别与信号处理电路ⅰ电连接。

5、所述方法是：

6、s1：管内外多频道双向通讯建立；

7、s101：当油气管道智能运维设备进入油气管道后，其与地面通讯平台(1)开始进行通讯，在第一信号发射平台(102)发出的多频道超低频电磁波经过信号处理电路ⅰ(102-3)处理后，被第二信号接收平台(304)进行接收；

8、s102：第二信号接收平台(304)接收到地面传来的信号后，管内信号处理电路1(304-2)对多频道通讯信号进行放大处理，让特定频率的低频信号通过，阻止其他频率的信号通过，同时尽可能减小脉动信号中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压波纹系数降低，波形变得比较平滑。同时，其将模拟信号转换为数字信号来实现数字信号的处理；

9、s103：多频道通讯信号被转换成模拟信号后，在管内通讯平台(3)上经过下位机(301)的处理后，与管内其他机构实施通讯；

10、s2：管内光纤精确定位建立：

11、s201：当油气管道智能运维设备即将到达封堵位置时，第一状态转换平台(103)、第二状态转换平台(303)的状态发生改变，此时管内定位系统(4)开始工作；

12、s202：管内定位系统(4)在接收到地面控制平台(1)发出的指令经由管内通讯平台(3)处理的信号后，管内定位系统发射天线(404-1)发出这一信号至管壁信号接收天线(402-1)处进行接收，接收到这一信号后光纤传感器(403)可以感知温度、压力、应变等物理量的变化，进而改变光纤中的光信号传输特性，光纤信号接收装置(405)接收到这一传输特性的变化后，信号处理电路ⅲ(406-1)来对此变化信号进行处理，处理后的信号经由定位反馈模块(407)反馈给管壁信号发射天线(402-2)，管内定位系统接收天线(404-2)在接受到这一位置变化信号后，经过信号处理电路ⅳ(406-2)后发送到管内通讯平台(3)；

13、s203：地面通讯平台(1)在与管内通讯平台(3)进行信息交互后，即可获得当前油气管道智能运维设备(2)的精确位置从而开展后续的微调和封堵工作；

14、s3：管内防碰撞检测建立：

15、s301：为了保障管道智能运维设备的安全性，防碰撞控制系统(5)实时监测管内环境。

16、s302：多频道通讯装置ⅰ(501-1)发出多种频段的电磁波至功率放大电路(502-1)进行处理，管内发射天线(302-4)接收到多频道信号后发射给防碰撞接收天线(501-3)，接收到地面的控制信号后红外传感器(503-1)和超声波传感器(503-2)开始检测前方是否有障碍，若有障碍，则通过清障装置(504)进行清除后再由驱动控制模块(505)来进行驱动，若无障碍，则直接驱动，将检测到的信息通过多频道通讯装置ⅱ(501-2)经由防碰撞发射天线(501-4)反馈给管内通讯平台(3)。

17、s303：地面通讯平台(1)在与管内通讯平台(3)进行信息交互后，即可确定当前管道运维设备所处的环境中是否存在对运维设备造成威胁的障碍，保障油气管道智能运维设备的安全性。

18、采用上述技术方案后，本发明具有如下有益效果：

19、1.采用多频道超低频电磁波无线通信方式可以克服单频道通信的通讯速度慢、抗干扰能力差、通讯距离短等缺点，提高了地面通信平台与油气管道智能运维设备之间通信的稳定性和可靠性，从而满足石油管道通信的需求。

20、2.在管道外壁铺设光纤，利用光纤传感技术非接触式定位、高精度和实时性强的优势，为管道智能运维设备在管道内的定位提供了可靠的支持，实现了油气管道智能运维设备管间的高精度和实时定位功能。这种定位方式为管道封堵作业提供了精准的导航和定位能力，提高了作业的效率和安全性。

21、3.提出了油气管道智能运维设备上的防碰撞控制系统，能够在油气管道智能运维设备工作过程中实时监测周围环境，在检测到障碍物时进行预警，避免了管道智能运维设备的卡死，提高了其安全性。