基于物聯網技術的燃氣管道運行狀態實時監測研究

摘" 要：在當今能源基礎設施的運營中，燃氣管道的安全和效率至關重要。物聯網技術（Internet of Things technology），通過其網絡化的傳感器和設備，能夠提供關于燃氣管道運行狀態的實時數據，從而實現對管道系統的實時監控和管理。基于此，全面探討了物聯網技術在燃氣管道監測中的應用，詳細分析了監測系統的設計、關鍵技術的應用以及技術測試的執行，旨在展示物聯網如何增強燃氣管道的監控能力和管理效率。

關鍵詞：物聯網技術" 燃氣管道" 運行狀態" 實時監測

中圖分類號：TE978

Research on Real-Ttime Monitoring of Gas Pipeline Operation Status Based on Internet of Things Technology

SHAO Tingfu

Beijing Gas Group Co.， Ltd.， Beijing， 102600 China

Abstract： In today's energy infrastructure operation， the safety and efficiency of gas pipelines are crucial. The Internet of Things （IoT） technology， through its networked sensors and equipment， can provide real-time data about on the running status of gas pipelines， so as to realize achieve the real-time monitoring and management of the pipeline system. tThis paper comprehensively discusses the application of the Internet of Things technologyOT in the monitoring of the gas pipeline， and analyzes the design of the monitoring system， the application of the key technologies and the implementation of the technical testing in detail. It， aimsing to show how the Internet of ThingsOT can enhance the monitoring ability and management efficiency of the gas pipeline.

Key Wwords： Internet of Things technology; Gas pipeline; Operation status; Real-time monitoring

物聯網技術，通過其高度的網絡化傳感器和先進的數據處理能力，提供了一種創新的解決方案，能夠實時監測燃氣管道的運行狀態，包括壓力變化、流量異常、泄漏檢測和腐蝕評估，從而實現對燃氣管道系統全面的健康診斷與實時監控。這種技術不僅能夠提前識別潛在的風險，還可以優化燃氣流量和壓力管理，顯著提高能源利用效率和系統響應速度，減少因維護和事故處理導致的經濟損失。

1" 物聯網技術概述

物聯網技術是一種先進的信息技術應用，通過傳感器、通信網絡、數據處理平臺及其配套的控制系統，實現各種物體的互聯互通，具備數據采集、傳輸、分析和處理的功能，這一技術在燃氣管道運行狀態實時監測中的應用具有革命性意義。通過將傳感器部署在燃氣管道系統的關鍵節點，如閥門、連接部、主管道等位置，物聯網技術能夠實時收集關于管道壓力、流量、溫度及可能的泄露等關鍵運行數據。此外，物聯網技術支持的遠程監控和控制功能使得運營管理者可以在任何地點對燃氣管道系統進行實時監控和迅速響應，大幅度地提升了燃氣管道管理的效率和安全水平[1]。

2" 物聯網技術在燃氣管道監測中的應用

2.1" 物聯網監測系統的整體架構設計

物聯網監測系統的整體架構設計在燃氣管道運行狀態實時監測中扮演著核心角色，該系統采用分層架構策略以確保數據的高效流通和處理，包括感知層、網絡層、處理層和應用層4個主要部分。其中：感知層由各種傳感器組成，這些傳感器安裝在燃氣管道的關鍵位置，能夠實時捕捉管道壓力、流量、溫度及化學成分等數據，是系統數據收集的基礎；網絡層負責將感知層收集到的數據通過無線傳輸技術如LoRa、NB-IoT或5G等發送到更高級別的數據處理中心，確保數據傳輸的可靠性和實時性；處理層核心為數據中心，運用強大的計算資源對接收到的大量數據進行存儲、管理和分析，利用先進的數據處理算法和機器學習模型對數據進行深入分析，以識別數據中的異常模式和潛在風險，為決策提供科學依據；應用層則是將處理層分析的結果轉化為直觀的監控界面和報警系統，使操作人員能夠實時了解管道狀態并在必要時采取行動[2]。

2.2" 傳感器技術在燃氣管道監測中的應用

傳感器技術在燃氣管道監測中的應用是物聯網監測系統中不可或缺的一環，為確保燃氣管道的安全、高效運行提供了關鍵數據支持。在燃氣管道系統中，各類傳感器如壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、泄漏檢測傳感器和腐蝕速率傳感器被廣泛部署于管道的關鍵節點，包括閥門區域、泵站、管道中段、住宅入口處以及工業區等，這些傳感器實時收集管道的運行數據并通過物聯網技術進行傳輸和分析，壓力傳感器監測管道內的壓力變化，流量傳感器測量燃氣的流通速率，溫度傳感器記錄環境和燃氣的溫度，泄漏檢測傳感器偵測可能的泄漏點，腐蝕速率傳感器則用來評估管道的腐蝕狀況。這些數據被實時傳輸到中心處理系統，通過先進的數據分析軟件對收集到的信息進行處理和分析，系統能夠即時識別出異常狀態，如壓力異常升高或降低、流量突然變化、溫度異常、泄漏的化學物質超標以及腐蝕速率加快等，所有這些數據的實時分析和處理不僅增強了管道的監控能力，還大大提高了應對突發事件的速度和效率。具體情況如表1所示。

這些數據的及時獲取和分析為燃氣管道的安全運行提供了科學依據和技術支持，確保了燃氣供應的連續性和安全性[3]。

2.3" 數據傳輸與處理技術

在燃氣管道運行狀態實時監測的研究中，數據傳輸與處理技術是保證監測數據可用性和準確性的關鍵環節，物聯網技術的應用使得這一過程高效且可靠。數據從傳感器收集開始，通過加密的無線信道傳輸至數據處理中心，在此過程中，數據的完整性、安全性和實時性至關重要。數據傳輸采用高效的數據壓縮和加密算法確保信息安全同時減少傳輸延時，具體公式如下：

（1）

式（1）中：是原始數據長度；是壓縮后的數據長度；表示數據壓縮率。通過提高壓縮率，可以顯著減少數據在網絡中的傳輸時間和成本，同時保持數據的完整性不受影響。

一旦數據到達中心服務器，將通過先進的數據處理算法進行分析，關鍵算法包括異常檢測和預測算法，該算法基于時間序列分析，公式如下：

（2）

式（2）中：是預測值；是前一時間點的觀測值；是影響因素；和是模型參數；是誤差項。這一模型幫助分析歷史數據和實時數據，通過估計未來可能的狀態變化來實現預警和風險評估，確保燃氣管道系統的運行安全。

對于數據處理，還需要實施數據清洗和驗證過程，確保進入分析流程的數據是準確和可靠的，這一步驟對于避免錯誤決策和提高系統響應效率至關重要。

2.4" 燃氣管道監測的智能預警與自動化管理

燃氣管道監測的智能預警與自動化管理是物聯網技術的關鍵應用領域，旨在通過先進的監測技術和數據分析提高燃氣管道系統的安全性和效率。智能預警系統依賴于實時數據處理和分析，能夠對潛在的風險和異常狀態進行及時預警，而自動化管理則通過算法自動調整系統操作或啟動應急措施以防止事故發生。在此過程中，一種基于閾值的實時監測算法被廣泛使用，其公式如下：

（3）

式（3）中：表示在時間點的估計狀態；是前一時間點的狀態估計；是當前實測值；是平滑系數，用于調整歷史數據對當前估計的影響。通過這個公式，系統能夠有效地對管道狀態進行連續監測，實時更新狀態估計值，從而確保數據反映的是最新的管道運行狀況。

此外，智能預警系統將根據設定的安全閾值對進行評估：

（4）

閾值的設定基于歷史數據分析和安全標準，確保了監測系統的預警既敏感又具有針對性。這種方法使系統不僅能夠預警潛在的高風險狀態，如壓力過高或溫度異常，還能夠在達到臨界狀態之前采取預防措施。

系統的自動化管理部分通過接收來自智能預警系統的信號，自動執行如關閉閥門、調整壓力等控制命令，這些操作由控制算法決定，確保了響應的及時性和準確性[4]。

3" 技術應用測試

在本次實驗中，所選用的數據集是專門為系統功能測試設計并通過實驗收集的實測數據。這些數據是在控制室內模擬的燃氣管道環境中通過安裝在管道系統中的多種傳感器直接獲得的，確保了測試的實用性和科學性。使用這些數據的主要目的是進行系統的功能測試，驗證物聯網技術在燃氣管道監測中的實際應用效果，因此，所有收集到的數據都用于測試而非訓練模型。數據集共包含5個獨立的實驗數據，每個實驗數據都記錄了一系列關鍵的監測指標。整個測試進行了5次，每次實驗都在相同的條件下執行，以保證數據的一致性和比較的公平性。測試的主要指標包括壓力（psi）、流量（m3/h）、溫度（℃）、泄漏檢測（ppm）、腐蝕率（mm/yr）。這些指標分別代表了燃氣管道運行中的關鍵性能參數。壓力（psi）：測量燃氣在管道內的壓力，反映管道的密封性和燃氣的壓力安全水平。流量（m3/h）：記錄燃氣的流通速率，評估管道的輸送效率和潛在的流量異常。溫度（℃）：監測管道燃氣的溫度，重要的是溫度變化可能影響管道材料的物理性能和燃氣的安全運輸。泄漏檢測（ppm）：檢測燃氣泄漏的級別，是評估系統密封性和及時響應泄漏的關鍵指標。腐蝕率（mm/yr）：測量管道腐蝕速度，對于評估管道的壽命和維護周期至關重要。

實驗數據顯示，管道在不同實驗中的壓力、流量、溫度、泄漏和腐蝕率均保持在一定的范圍內，這反映了物聯網監測系統在燃氣管道實時監測中的高效性和準確性。所有實驗中泄漏檢測值均低于10 ppm，表明系統能夠有效監測并及時報告潛在泄漏，而腐蝕率的低值表明管道維護良好，未出現快速腐蝕。這些結果驗證了物聯網技術在燃氣管道監測中的應用效果，確保了燃氣輸送的安全與效率，同時也顯示了實時監測系統在預防事故和維護管道健康中的關鍵作用[5]。

4" 結語

總體來看，研究物聯網技術在燃氣管道監測中的應用顯著提升了能源行業的技術水平和管理能力，為燃氣管道的安全運營提供了強有力的技術支持和新的發展方向。通過這項研究，可以進一步探索物聯網技術在燃氣管道系統中的最佳實踐，為全球燃氣管道安全管理提供模式和參考，同時也為相關技術和策略的國際化推廣和應用奠定基礎。

參考文獻

[1] 蔣超.基于物聯網技術的燃氣管道監測系統設計與實現[J].科技創新與應用，2024，14（6）：104-107.

[2] 張煒，戴志向，夏太武，等.燃氣管道埋地閥井智能監控技術研究[J].石油與天然氣化工，2022，51（6）：132-138.

[3] 王曉敏.基于無線傳感器網絡和物聯網的人工神經網絡燃氣管道泄漏檢測[J].當代化工，2022，51（8）：1932-1937.

[4] 王宇.基于物聯網的家用燃氣管道防泄露裝置設計[J].中國科技信息， 2022（11）：88-89.

[5] 羅晨光.基于物聯網的燃氣閥門井泄漏報警監測系統研究[J].中國設備工程，2023（13）：11-13.