基于物聯(lián)網(wǎng)的長(zhǎng)距離油氣運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張小倚， 肖述輝， 南磊剛

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）管道運(yùn)輸公司， 陜西 延安 716000）

0 引言

因管道運(yùn)輸具有低成本和高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前其早已成為長(zhǎng)距離油氣運(yùn)輸?shù)氖走x。但受到各種客觀因素的影響，在長(zhǎng)距離的油氣管道運(yùn)輸過程中，其仍有可能受到安全威脅引起油氣泄漏。針對(duì)此類問題，在以往的工作中通常在事后進(jìn)行檢測(cè)和定位，其難以從根本上解決損失問題。為此，就需要基于物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息技術(shù)，構(gòu)建面向長(zhǎng)距離油氣運(yùn)輸工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，做到防患于未然，確保油氣管道始終處于安全狀態(tài)[1]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際需要，本次以無線物聯(lián)網(wǎng)為核心，整合各類軟硬件對(duì)長(zhǎng)距離油氣運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 長(zhǎng)距離油氣運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框架下，首先由傳感器對(duì)油氣運(yùn)輸管道的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，并經(jīng)由匯聚節(jié)點(diǎn)等方式傳入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳入服務(wù)器和用戶終端，以此實(shí)現(xiàn)信息交換的目的[2]。

2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣運(yùn)輸管道主要運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，本次傳感器元件全部應(yīng)用無線傳感器，由此對(duì)各類傳感器進(jìn)行選型，選型結(jié)果如表1 所示。

表1 傳感器選型結(jié)果

在傳感器選型完成后，對(duì)傳感器進(jìn)行統(tǒng)一整合，以進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用NesC 語言對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先設(shè)定相關(guān)參數(shù)的閾值，并讀取傳感器數(shù)據(jù)，如超出閾值則將其傳輸給射頻模塊進(jìn)行發(fā)送[3]。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)是連接無線物聯(lián)網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)該部分的功能，在設(shè)計(jì)工作中，通過CC25330 視頻模塊，使之與傳感器節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過無線模塊以及Internet、信息中心等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[4]。

在匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)工作中，主要分為“看門狗”初始化、CC2530 初始化和數(shù)據(jù)傳輸三部分。在具體運(yùn)行流程中[5]，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通電初始化處理，此時(shí)微處理器將直接進(jìn)入到發(fā)送模式當(dāng)中，由微處理器向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步信號(hào)幀和確認(rèn)幀，再進(jìn)入到接收模式。當(dāng)微處理器進(jìn)入接收模式后，其將按照時(shí)隙對(duì)不同傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行接收，當(dāng)接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，通過串行口將該數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至管理節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，此周期處理完成后則進(jìn)入下一個(gè)周期，往復(fù)循環(huán)，從而最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。

2.3 無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位功能設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確識(shí)別可能出現(xiàn)的異常節(jié)點(diǎn)，本環(huán)節(jié)對(duì)節(jié)點(diǎn)定位功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮到油氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸管道在布局上的復(fù)雜性，本次選用極大似然估計(jì)法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位，其基本原理圖如圖3 所示，圖中淺色表示用于定位的傳感器節(jié)點(diǎn)，深色表示確定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置。

圖3 極大似然估計(jì)法的基本原理

基于該定位原理，本次在已有傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為其配備GPS 裝置，GPS 裝置自動(dòng)發(fā)送定位信息，其作為參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布置；同時(shí)增設(shè)部分移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過參考節(jié)點(diǎn)來確定自身的位置。此外，設(shè)置少量網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其主要作用包括配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，以及接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置將其發(fā)送給Web服務(wù)器，當(dāng)Web 服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)后即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問及控制。

據(jù)此，確定節(jié)點(diǎn)定位的主要流程如下：首先，如傳感器數(shù)據(jù)異常（即檢測(cè)到泄漏），則應(yīng)用負(fù)壓力波法，對(duì)泄漏點(diǎn)位置與傳感器之間的距離進(jìn)行計(jì)算，確定該傳感器的類型，如是參考節(jié)點(diǎn)則應(yīng)用GPS 相關(guān)信息進(jìn)行定位，否則應(yīng)用參考節(jié)點(diǎn)GPS 位置信息、參考節(jié)點(diǎn)與待定位傳感器節(jié)點(diǎn)跳數(shù)、傳感器布設(shè)間距三方面的參數(shù)，以此確定待定位傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息，最終確定發(fā)生泄漏的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本次數(shù)據(jù)庫選用MySQL 型數(shù)據(jù)庫，使之與服務(wù)器對(duì)接，并結(jié)合實(shí)際工作需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)信息表

在此基礎(chǔ)上，本次采用AES 加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)以提升數(shù)據(jù)庫信息安全性，該加密算法應(yīng)用DS420j 型儲(chǔ)存器。在該算法運(yùn)行后，所有數(shù)據(jù)不僅可得到加密處理，且數(shù)據(jù)形式也可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

2.5 終端界面展示功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)油氣管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息在終端界面的實(shí)時(shí)顯示，本次以GIS 技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)終端界面展示功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次GIS 信息以IEC61968/61970 模型為基礎(chǔ)，并在GIS 子系統(tǒng)中補(bǔ)充實(shí)際情況下的更多數(shù)據(jù)，以完成初步的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。而后這些數(shù)據(jù)信息將通過信息總線，傳輸至系統(tǒng)中，格式相應(yīng)變更為油氣管線的圖形信息，最終在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端顯示器上建立統(tǒng)一的圖形顯示界面。此外，主站系統(tǒng)也把實(shí)時(shí)采集到的系統(tǒng)通過信息總線傳輸至GIS 子系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS 系統(tǒng)的信息支撐。

3 系統(tǒng)仿真測(cè)試

在本次基于物聯(lián)網(wǎng)的油氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)完成后，為初步判斷其實(shí)際應(yīng)用可行性，應(yīng)用TinyOS 程序中的TOSSIM 仿真平臺(tái)，對(duì)本次系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。其仿真實(shí)現(xiàn)過程主要分為以下幾個(gè)步驟：

1）啟動(dòng)TOSSIM仿真平臺(tái)中的cygwin 應(yīng)用程序，并依次輸入指令make pc 和export 并運(yùn)行；

2）進(jìn)一步運(yùn)行指令“build/pc/main.exe-gui”，并通過幫助文檔確定相關(guān)參數(shù)；

3）開啟一個(gè)新的cygwin 應(yīng)用程序，且確保原cygwin 應(yīng)用程序仍保持運(yùn)行；

4）運(yùn)行圖形仿真環(huán)境。

基于上述步驟運(yùn)行后，即可得到該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如圖4 所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可正常顯示，圖中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)則對(duì)應(yīng)傳感器的布置點(diǎn)，證明該系統(tǒng)在理論上能夠?qū)Ω鱾€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步仿真測(cè)試該系統(tǒng)的性能，本次模擬1 000 個(gè)用戶同時(shí)訪問系統(tǒng)的情況，以進(jìn)行壓力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)仍可動(dòng)態(tài)顯示，對(duì)于用戶指令的最高響應(yīng)時(shí)間為2.5 s，丟包率為0%，表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在理論上取得了較優(yōu)的性能。

5 結(jié)語

整體來看，在本次研究中，結(jié)合油氣管道長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)膶?shí)際需要，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，整合傳感器技術(shù)等內(nèi)容，對(duì)面向長(zhǎng)距離油氣管道運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。從仿真測(cè)試環(huán)節(jié)來看，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能并取得較優(yōu)的性能參數(shù)，證明其設(shè)計(jì)取得了初步成功。當(dāng)然在今后的工作中，還需要對(duì)該系統(tǒng)做進(jìn)一步的實(shí)際測(cè)試和后續(xù)優(yōu)化，以確保該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。