基于Matlab GUI的埋地管道结构状态监测数据分析系统

龚士林，冯 新，王子豪，韩 阳，刘 洋

大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116023

随着我国经济持续、快速发展，管道越来越广泛地应用于石油、化工等工业领域以及城市的燃气、供热系统。管道由于输送距离长并且大多经过人口稠密地区，因此一般采用埋地式。与裸露管道相比，埋地管道承受更复杂的受力状态，且结构病害和隐患具有更强烈的隐蔽性，对公共安全的威胁更严重，因此对管道的结构状态和损伤病害进行实时监测就显得尤为重要[1-3]。

基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法，采用分布式光纤传感技术，实现管道沿途任意位置应变和温度的分布式测量，相比传统管道定点监测方法显现出一定优势[4-7]。但正是因为采用分布式测量方法，实时在线监测会产生大量数据，而数据的后期处理过程十分繁琐，耗费大量时间，并且容易出现由于人为疏忽而造成的误差[8]。目前，在数据的统计、计算和图形绘制方面，主要还是通过传统的办公软件Excel来实现，该方法简单直接、容易上手，已经被普遍接受[9]。但是，管道监测数据则具有实时采集的特征，人工处理无法满足管道实时监测与结构评价的要求，因此需要考虑编制数据分析软件实现大规模监测数据的实时获取与自动处理。传统的编程软件如Fortran、SAS在编程操作、数据计算方面功能强大，但可视化功能较弱；VB、VC语言开发的可视化界面友好，但是数据计算方面又有所欠缺。而Matlab则是集数据分析、矩阵计算、图形绘制和可视化功能于一体的计算软件，已经在图像处理、信号检测和控制设计等方面得到广泛应用，但是在管道监测数据分析方面应用较少[10]。

为了方便高效地处理监测数据，提高实际工程中埋地管道监测数据分析的效率，开发了基于Matlab的GUI（Graphic User Interface，图形用户界面）的埋地管道结构状态监测数据分析系统。此系统涵盖了从原始数据输入、整理、储存，到计算结果和图像输出的一套完整流程，使用者只需将测量获得的原始数据导入系统数据库，进行界面操作，就可以得到最终所需要的计算结果和分析图像，进而实现管道结构状态的评价及预警。

1 埋地管道分布式光纤监测方法

1.1 监测方案及数据获取

基于Brillouin散射的分布式光纤传感技术在测量应变方面有较高的灵敏度，但其对温度和应力变化都很敏感，造成Brillouin散射的频移不但与光纤受到的应变线性相关，还与光纤所处的环境温度变化线性相关，所以在使用时常常需要进行温度补偿，即消除温度影响得到真实的应变值。而Raman散射在感应温度变化方面比较敏感，并且不容易受到外界环境的干扰，对温度测量精准度较高[11]。因此，在本方法中，管道应变的分布式监测采用基于Brillouin散射的BOTDA应变传感器和基于Raman散射ROTDR温度传感器。两种类型的光纤传感器平行布设在管道顶部，分别与监测仪相连，光纤会与管道产生一致的应变和相同的温度变化，从而得到管道的应变和温度监测数据。监测方案示意见图1[12]。

图1 基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方案示意

1.2 管道结构状态评估方法

由Brillouin分布式光纤传感器的测量原理，将Brillouin频移公式变形为：

管道截面的环向应力由内压以及管道截面几何参数确定：

式中：p为管道承受的内压，MPa；D为管道的直径，mm；t为管道壁厚，mm。

管道的轴向正应力σa（x）与管道的弯曲正应力σb（x）分别为：

式中：Ep为管材的弹性模量，MPa；αp为线膨胀系数，℃-1；νp为管材的泊松比。

管道的纵向正应力σL（x） 为：

考虑管道结构破坏标准及其所承受的弯曲效应，可以采用强度校核公式为：

式中：σc（x）为管道的当量应力，MPa；σs为管道的屈服强度，MPa。

通过以上分析发现，管道结构状态的评估需要实时的应变、温度监测数据，管道的几何、材料参数，管道运行的内压数据，还需进行当前数据与历史数据的计算分析和可视化显示；因此需要开发一套埋地管道分布式监测数据的分析系统。

2 Matlab的GUI开发环境及软件系统介绍

2.1 Matlab的GUI开发环境

Matlab的GUI是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面，用户必须对每一个对象进行界面布局和编程，从而使用户在激活GUI每个对象时都能够执行相应的行为，以此进行基于GUI二次开发自己的界面程序[13-15]。GUIDE将用户保存设计好的GUI界面保存在一个FIG资源文件中，同时生成包含GUI初始化和组件界面布局控制代码的M文件[16]。FIG文件包含系列化的图形窗口对象，M文件包含GUI设计、控制函数及控件的回调函数，主要用来控制GUI展开时的各种特征。另外，Matlab具有强大的数据处理和图像绘制功能，并且可以很方便地导入和输出各种类型的数据文件，这也就保证了软件可以快速打开并处理埋地管道的监测数据。

2.2 软件系统介绍

管道结构状态监测数据分析系统主要功能是管道监测数据的获取、处理以及结果输出和图形绘制，包含数据导入、数据清除、BOTDA应变处理、ROTDR温度处理、结构状态评估五大模块，系统的主界面如图2所示。

图2 埋地管道结构状态监测数据分析系统主界面

2.2.1 数据导入模块

通过分布式光纤传感器的监测，将会得到大量的BOTDA监测仪输出的STC格式的应变数据文件以及ROTDR监测仪输出的TXT格式的温度数据文件。数据导入模块即是将这两种格式文件批量导入系统中储存为变量文件，并且将数据的监测日期作为变量名赋给变量文件，最后将这些变量文件保存在特定的MAT文件中备用。

具体实现方法是，通过使用uigetfile函数调用Matlab的“文件打开对话框”，用来选择所需要的数据文件并且将其文件名保存，然后采用textread函数将数据文件读取到系统中并且作为变量进行储存。为了方便查找系统中的数据文件，从之前存储的变量名中提取出数据文件的监测日期字段并且使用eval函数将其强制赋给相应的变量作为变量名，最后使用save函数将这些变量储存在特定的MAT文件中。

2.2.2 数据清除模块

数据导入系统之后会储存在数据库中，以后使用时无需再次导入，从数据库直接调用即可。在管道安全监测过程中，有时会产生一些因受外界环境干扰而与事实不符的数据，这些数据会对后期的管道状态评估产生较大影响，可以使用数据清除模块将这些干扰数据删除。

具体实现方法是：为了解决Matlab中不同工作区间中调用困难的问题，首先使用get函数获取所选中的要清除的数据变量的名称，并将其保存在新的变量中，再通过save函数将这个新的变量保存在之前的MAT文件中，然后使用load函数将这个MAT文件中所有变量载入到工作区中，这样包括储存名称的变量在内的所有变量都出现在同一工作区间中。最后使用evalin和clear函数清除所选中的变量并将剩余的变量储存在新的MAT文件中，以达到通过更新MAT文件方式来删除数据的目的。

2.2.3 BOTDA应变处理模块

该模块的主要功能是对应变监测数据进行分析处理。将数据日期显示在列表框中，当选中列表框中的一个或者多个日期选项时，就会将所选中日期的数据在表格框中显示，同时数据对应的图形也会在图形框中显示，所以在此模块中可以查看、对比和运算任意日期的管道的应变数据。

具体实现方法是，首先通过 whos函数获取MAT文件中所有应变变量的变量名并使用char函数将其转换为字符换格式，然后使用set函数将以字符串表示的变量名输出到列表框中，至此列表框中就会显示所有应变数据的监测日期。当用户选中列表框中想要查看的某些日期时，列表框的value值将会变成所选中日期的序号，再使用get函数获取列表框的value值和string值，就可以得到所选中的日期名。最后evalin函数依次将所选中日期对应的变量数据从工作区调用到当前工作空间，使用plot函数和hold on函数将所选日期的应变图像绘制在gui界面中的图形框中。

2.2.4 ROTDR温度处理模块

主要功能是查看和对比任意日期的管道的温度数据，实现过程与BOTDA应变处理模块相似，将不再赘述。

2.2.5 结构状态评估模块

该模块主要用于实现手动输入和修改管道的材料、几何参数以及内压数据，并将应变和温度数据同时读取并按照管道应力状态评估方法进行计算，最终得到管道的当量应力，通过校核公式判断管道应力状态是否符合要求。在此模块中可以查看任意日期的管道弯曲应力、管顶和管底的纵向应力、当量应力的数据以及图形，界面如图3所示。

图3 结构状态评估模块界面

具体实现方法与应变处理模块相似，首先将所有应变所对应的日期输出到列表框中，当用户选中列表框中想要查看的某些日期时，使用循环语句依次获取每个日期名，并强制读取日期名称所对应的应变变量和温度变量。通过get函数获取静态文本中所输入的管道参数，结合应变和温度变量进行矩阵计算，得到当量应力。最后使用判断语句，若管道应力符合要求，则在界面上显示数据和图形，若不符合要求，则通过msgbox函数弹出警告框进行提示。

3 应用实例

以某埋地燃气管道为例，采用分布式光纤传感器监测其温度和应变的变化以分析管道的结构状态。此工程采用型号为DN300的无缝钢管（即管道外径D=325 mm，壁厚t=8 mm），钢材牌号为20#，对应的抗拉强度σb=410 MPa，屈服强度σs=245 MPa，弹性模量Ep=206 GPa，泊松比νp=0.3，线膨胀系数αp=1.1×10-5℃-1，管道的设计压力p=1.6 MPa。该段管道于2016年6月24日开始投入运行并布设光纤传感器进行监测，监测段长度为61.3 m，本文选取2016年6月24日至2016年10月27日期间的共17次代表性监测数据，导入本软件系统中进行分析评估管道的结构状态。

3.1 温度监测数据分析

前文提到，管道监测过程中需要使用温度光纤传感器测量管道的温度数据，用来对应变数据进行温度补偿，进而得到真实的管道的应变值，同时也可以对预测压力管道泄漏提供参考依据。在本系统中ROTDR温度处理模块可以实现对温度数据的处理，处理结果如图4所示。图4中，横坐标是管道在分布式光纤温度传感器上所对应的位置。从图4可以看出，每次测量的数据基本持平，也就是说在整个测量段管道的温度是均匀的，表明管道没有发生泄漏。

图4 ROTDR温度处理模块中温度数据曲线

3.2 应变监测数据分析

在使用分布式光纤应变传感器监测管道应变时，首先需要获得一个应变初值，在以后将每次测量得到的数据与初值相减，即可得到在此段时间内管道所产生的应变。在此实例中，即是将2016年6月24日所测得的应变数据作为初值。另外，由Brillouin频移公式可知，由应变传感器测得的应变值包括受温度影响的光热效应部分，因此需要借助温度监测数据，将温度造成的影响消除，即对应变值进行温度补偿。从本系统中的BOTDA应变处理模块可以查看BOTDA应变传感仪所输出的原始应变曲线和温度补偿后的应变曲线，如图5所示。其中，图5（b） 中管顶弯曲拉应变的最大值约为250 μ ε，弯曲压应变的最大值约为 -350 μ ε，相应的，管底弯曲拉应变的最大值约为350 μ ε，弯曲压应变的最大值约为-250 μ ε。这些结果为后续的管道结构状态评估提供依据。

3.3 管道结构状态评估

在进行管道的温度和应变数据处理之后，就可以根据管道结构状态评估方法对管道状态进行评估。在本系统的结构状态评估模块中，可以方便地输入管道的材料、几何参数以及内压数据，然后借助温度和应变数据，计算出管道的环向应力、轴向应力以及当量应力，进而确定管道结构状态是否符合要求。管顶当量应力曲线如图6所示，图6中管顶的最大当量应力约为78 MPa，因而，表明管道的结构状态处于安全范围。

图5 BOTDA应变处理模块中的应变曲线

图6 管道结构状态评估模块中当量应力曲线

4 结束语

管道结构状态的安全监测是贯穿管道全寿命服役周期的长期过程，必将产生海量的监测数据，如何摆脱繁琐的数据管理、数据分析和图形绘制过程，实现监测数据高效的整合以及快速的分析计算和可视化是实际工程中需要解决的关键问题。本文基于Matlab GUI设计的埋地管道结构状态监测数据分析系统，将Matlab强大的矩阵计算、图形绘制以及可视化界面功能充分地应用到实际工程中，为管道的安全监测提供了一个高效的集成环境和友好的用户界面，实现了监测数据的高效整合以及管道结构状态的快速评估，为管道结构状态监测中数据处理及分析提供了方便的操作平台。

[1]冯新，张宇，刘洪飞，等.基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法[J].油气储运，2017，36（11）：1 251-1 257.

[2]沈功田，景为科，左延田.埋地管道无损检测技术[J].无损检测，2006，28（3）：137-141.

[3]蒋晓斌，张晓灵，闫化云，等.海底管道泄漏监测系统可行性分析[J].石油工程建设，2017，43（1）：76-79.

[4]陈同彦，刘锦昆，谭勇，等.埕岛油田海底管道监测与预警技术研究[J].石油工程建设，2017，43（2）：75-79.

[5]FENG X，WU W，LI X，et al.Experimentalinvestigations on detecting lateral buckling for subsea pipelines with distributed fiber optic sensors[J].Smart Structures and Systems，2015，15（2）：245-258.

[6]INAUDI D，GLISIC B.Long-range pipeline monitoring by distributed fiberoptic sensing[J].JournalofPressure VesselTechnology，2010，132：1-9.

[7]FRINGS J，WALK T.Distributed fiber optic sensing enhances pipeline safety and security [J].Oil Gas European Magazine,2011，37（3）：132-136.

[8]周灵琳，李昕，周晶，等.海底管道健康监测和安全评价系统软件开发[J].石油工程建设，2009，35（6）：8-11.

[9]秦浩，李同春，唐繁，等.基于MATLAB GUI的水电工程安全监测数据处理界面设计[J].水利水电技术，2016，47（4）：70-74.

[10]宗节保，段柳云，王莹，等.基于MATLAB GUI软件制作方法的研究与实现[J].电子设计工程，2010，18（7）：54-56.

[11]李明，王晓霖，吕高峰，等.光纤传感及其在管道监测中应用的研究进展[J].当代化工，2014，43（1）：54-57.

[12]刘欣，刘红伟.长输管道检测技术发展现状[J].石油工程建设，2013，39（3）：4-6.

[13]邱金蕙，王矞辉，李振全.基于Matlab/GUI的新型界面开发方式[J].河北工业科技，2008，25（4）：233-254.

[14]张增荣，信昆仑，李树平，等.基于MATLAB的GUI绘制给水管网等压线和三维水压面[J].中国给水排水，2007，23（4）：51-54.

[15]王浩然，柳春芳，杨玲，等.基于Matlab软件GUI的机械波模拟[J].物理与工程，2017，27（2）：83-86.

[16]贾建科，韩团军，朱宁洲.基于Matlab GUI的模拟带通滤波器的设计[J].现代电子技术，2010（10）：58-62.