基于物聯網技術管道安全預警技術

王紅軍，張勝國

（青島雅合科技發展有限公司，山東 青島 266000）

物聯網架構第一層級是感知層，包括傳感單元和傳感終端兩部分，完成對數據的初步辨識和收集，為實現物體與互聯網之間的互聯奠定了基礎。第二個層級是網絡層，以互聯網為主要載體，與網管系統、云計算終端等一起構成了該層級，并對所收集到的對象信息進行處理、計算和分析。第三個層級是應用層，針對不同使用者的不同需要，有差別地進行接口設計，以便能夠適應各種應用需求，實現智能化，這正是物聯網技術運用的目標。近年來，物聯網監測技術逐步替代了傳統的手工監測，并在21 世紀初期，西方國家初步建立起了以物聯網為基礎的管線監測系統，并將其用于遠距離液化氣管線的監測[1]。

1 基于物聯網技術管道安全預警技術使用背景

目前，油氣運輸已逐漸發展為陸上運輸油氣。由于其安全、經濟、快捷等優點，近年來在世界范圍內發展迅速。隨著管線工程的快速發展，第三方事故事件已經成為危害管線安全的重要原因，極有可能引發火災、爆炸、中毒等次生災難，造成巨大的直接經濟損失，還會引起環境污染和人員傷亡等重大危害。近年來，油氣輸送中出現了許多重大的安全問題，這些問題不但影響了石油開采的正常進行，還對人民群眾的人身和財產帶來了極大的危害。根據調查，造成這些工程項目的安全隱患有：（1）第三方損害（鉆孔偷油、違法建設）；（2）自然災難（滑坡、地震、泥石流）；（3）材料腐蝕；（4）管線的制作和裝配方面的問題。在這些事故中，由于外部因素的影響，以及由于各種原因導致的經濟損失，對管線的影響是最大的。因此，深入剖析造成第三方破壞的因素，制定相應的防范對策，對于保證管線的安全運營具有十分重要的作用。油氣天然氣管線第三方損害具有多樣性、復雜性和不確定性等特征，迫切需要高效的管線在線監控體系來保證管線的安全運營。管線的安全工作需要專人進行巡視，但是，由于大部分管線位于偏遠地區，管線間距遠，人工巡視的時間比較久，單憑現場的保護檢查，效率低下，無法有效地保障管線的安全。為此，急需開發一套能夠對管線破壞行為進行早期預警的監控體系。當前，我國油氣管線尚未形成高效的管線安全監控和早期預警體系，多是因為軟件和硬件條件尚不完備，且投入費用較高，無法在油氣管線中進行大規模的監控和預警。針對目前我國油氣輸送管道的現狀，本文以我國油氣管網為研究對象，采用無線傳感器、故障診斷等多種手段，對天然氣管網的安全性進行了深入研究，并以此為基礎，建立了天然氣管網的安全監控體系[2]。

2 基于物聯網技術管道安全預警技術的原理

2.1 正常模式

大多數情況下，裝置終端都是處于正常狀態。終端設備是利用壓力傳感器來測量煤氣管線中的壓力。在主界面上，可以看到目前的氣體濃度、管線的壓力以及溫度。若檢測環境中的氣體濃度或管線壓力超過警戒范圍，則可使電磁閥停止工作，并啟動風扇，產生聲、光、電等警報，將探測到的數據傳輸至后臺監測平臺。

2.2 安檢模式

第一次安裝和定期安全檢查時，需要采用手動安全檢查方式。在開啟手動安全檢查方式之后，該終端裝置將電磁線圈閉合。這種情況下，燃氣管道處于高壓下，通過測量管內氣壓變化，可以確定管道有無滲漏或微小滲漏。如果管道中的氣壓在一段時間后緩慢降低，則表示有泄露的危險，這時，控制裝置就會發出聲、光、電信號，使風扇打開，防止意外，并向后臺的監測平臺發送安全檢查報告[3]。

2.3 平臺監控系統

將警報控制裝置傳來的各項數據資料分類、匯總，形成各種使用報告，并以圖形的方式形象地展示出來，對其進行趨勢分析。對于出現的故障，要在最醒目的情況下及時發出警報，集中控制中心的工作人員要及時趕到現場，進行故障診斷和處置。

3 基于物聯網技術管道安全預警關鍵技術的應用

3.1 短距離無線通信技術

在1895 年，意大利人馬可尼發明了無線電通訊。無線地下傳感網是近年來興起的一種新型地下環境監控體系，短距離無線通信覆蓋廣泛區域，一般情況下，只要是在比較遠的距離上，利用無線電波傳輸信息的方法都可以被稱為短距離無線通信，其中比較常用的是無線寬頻、紫蜂、超寬帶、藍牙、近距離通訊。以上5 項技術基本上覆蓋了目前的市場需要，并在各自的行業中扮演著重要的角色。近距離移動通訊具有三大特點：低成本、低功耗和點對點通訊[4]。

3.2 低功耗設備

隨著科技和力量的持續發展，同壽命的設計思想也越來越受到關注，比如單片機，需要確保工作系統中的電池和整體裝置使用壽命相同，因此，要將系統功耗維持在可控范圍之內，從設計角度出發，達到節能的目的。在物聯網系統中，降低能耗是其中至關重要的環節，同時也是難點問題。以單片機為中心的器件，其功耗主要包含MCU 的功率消耗和與之關聯的電路功率消耗，因此要從硬件和軟件兩個角度來減少器件的能耗。

3.3 GPRS 技術

GPRS 系統是根據客戶的實際業務所傳送的數據流量來進行收費，最高傳送率為114 比特率。通過GPRS技術，移動用戶能夠快速、高效地構建起網絡連接。GPRS 通信通常被稱作“2.5G”，介于2G 與3G 的中間，采用GSM 的時分復用來實現數據傳輸，因為有了基站的支持，因此，GPRS 不需要其它無線模式所需要的媒介轉換器，連結與傳送更加容易。基于中國移動GPRS通信的特點，采用GPRS 技術實現對通信設備的遠程控制與數據傳送，可保證設備的安全、可靠、實時。

4 基于物聯網技術管道安全預警系統的實現

4.1 系統需求及總體概述

本研究基于物聯網的長輸管線監控與預警方法，需確定管線監控與報警設定閥值，研究嵌入式數據采集、存儲、傳輸和控制等關鍵技術，構建管線的模塊化監控與預警技術體系。以管道智能監控、GPS 巡線人員監控、氣象監測等為核心，通過對管線地理信息坐標、陰極保護開/斷電位、雜散電流等進行在線監測，并將其與已有的管線完好性管理系統進行有機結合，其中一些監測信息還可以通過自身的GIS 進行檢索與顯示。最終，將建立一套完整的石油管線監控與早期預警技術體系，以解決傳統離線探測手段的缺陷，從而有效地保障管線的安全、可靠[5]。

4.2 監測儀器主供電源

為了確保該監測儀能長期工作，達到設計要求，必須要有大容量的電池組作為電源，如：鋰電池、蓄電池等，其輸出的電壓通常超過9V，因此必須經過線路進行降壓。其降壓方式有：一種是采用線性穩壓，另一種是直流-直流變換。線性穩壓具有低紋波、高穩定性等優點，但是電路功率消耗較大，發熱較大。而直流-直流變換功率損耗低、效率高，但其輸出紋波相對較大，若采取適當的濾波方法仍可達到穩定電壓的線性特性。針對監控設備長期運行的要求，需使用硬件設備降低能耗，利用TPS61233，可以輸出3A 負載電流，并且當GPRS 通訊模塊開始工作時，瞬時發射功率較大，且電流消耗可以達到2A，因此這款芯片能夠很好地解決在系統峰值功耗情況下的供電問題，防止GPRS 模塊因為電源不足而關閉。GPRS 模塊對電源有很高的需求，如果不能達到，就會在不能正常工作的情況下關閉，直接關系到系統的穩定。GPRS 模塊的電源電壓一般為3.0～4.8 之間,射頻模式下的最大流量損耗一般為2A。一種方案就是將其接入外部的電源，通過線性穩壓器來提供4.0V 的電壓，但是這樣做的代價比較大，效率也比較差，外加供電電源的輸出也非常不平穩。第二種方法是通過將系統電源主供芯片接入，通過二極管進行降壓，將其與GPRS 組件相連，但是這樣做對供電主供芯片和二極管的性能有很高的要求，選型起來比較麻煩。本文以TPS62133 為主控芯片，設計了一種新型的電力驅動控制電路，可以保證3A 平穩負載電流，使二極管可以達到2A 以上的正向電壓，并且正向壓降不低于0.5V、不超過IV[6]。

4.3 電壓監測模塊

采用ARM 的STM32F103VET6 內部DMA 功能，可實現對該電路電壓進行檢測的目的。首先，將采樣節點上的GND 連接到極化探頭的基準電極上，實現了測量系統最小電位的統一。（1）斷電電位將一路AD 與繼電器相連，另外一條線路連接到極化探頭的極化測試電纜上，在要進行切斷操作時，立即將該保護線路上的對應位置上提，這時AD就會脫離管線，測量到斷電電位。（2）自腐蝕電位：將一條AD連接到自然腐蝕測試電纜上，得到的數據就是自腐蝕電位。（3）通電電位將一條線連接到極化探頭的極化測試電纜上，測量結果就是上電電位。（4）上述三路AD 輪詢監控流程要求測量三個電壓，因此采用三通道AD 輪詢模式，并由DMA 直接讀出。油氣輸送過程中，由于輸送距離的增大，管線中的氣體和液體溫度也會隨之變化，由于管線內部的空間是固定的，當氣溫變化時，管線中的油、氣的壓力也會隨之而變，形成非平衡的壓力波。運用物聯網感知技術對輸送管線進行監控，能夠對輸送管線的運行狀態進行實時監控，從而保障輸送管線的運行安全。由于管地電位的改變幅度較大，因此電壓測量需要設計合適的自動衰減電路。管地測量包含AC 電位的測試、直流電位的檢測，對該裝置的檢測能力提出了更高的要求，需要對其進行自動辨識。但是，不管是交流電位，還是直流電位，其幅值都已經超出了AD 轉換器的輸出極限，因此在進行電壓檢測時，需要考慮到損耗因素，需要設計適當的電壓衰減電路。在此基礎上，對被監控的電壓信號進行放大，并對其進行濾波處理，將其送入下一級的AD 轉換器。在這一過程中，直流干擾程度的判斷指標如表1。

表1 直流干擾程度的判斷指標

4.4 信息采集及陰極保護

陰極保護技術的發展體現在數據采集、儲存、分析以及在外部電流防護下的變壓器和整流裝置開發。其中，強制電流和犧牲陽極兩種方法是陰極保護的主要方法，主要用于大口徑長距離管線的保護。其工作原理是：當一個回路接到直流電源后，再由副陽極與要被保護的管線相連，從而形成受保護的金屬管線的陰極。本文在上述研究成果的指導下，提出了符合國內實際情況的管線陰極保護體系。以GPRS 為主要的無線傳輸方式，將各監控節點的狀態實時傳輸至監控中心，最終實現對各節點的集中、實時監控。在完成了通用硬件架構之后，將協議轉化程序應用到了系統軟件層面，按照工業規范進行協議變換，并具有自定義的協議變換功能。以確保將硬件資料轉化為標準協議資料，然后由數據包裝程序將數據包裝成標準的封裝分組，經由資料處理傳輸芯片傳遞程序送到匯集的節點。

5 結論

本項目以油氣管線的安全性為研究對象，以物聯網技術為核心，以管線運行過程中的振動信號作為檢測手段，建立管線運行狀態下的監測與預警體系，實現管線運行狀態的實時監控與預警。隨著移動互聯和智能制造等科技的日趨完善，實現了低成本、高可靠性、低延遲、高實時性的信息傳輸，物聯網、大數據、云計算、人工智能等四個方面的技術，可以把管線的安全預警和安防體系結合起來，利用智能化的標識體系，更加高效地分析關鍵監測區域的運行狀況，為企業的經營決策提供參考。