基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管道安全預(yù)警技術(shù)

文/宋合志

1 引言

管道運(yùn)輸己經(jīng)成為陸地上油、氣運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸方式。管道運(yùn)輸具有安全、經(jīng)濟(jì)、快捷的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展。隨著管道建設(shè)的不斷發(fā)展，第三方破壞事故已成為威脅管道安全最主要的影響因素，其易導(dǎo)致管道泄漏事故的發(fā)生，并引起火災(zāi)、爆炸、中毒等次生災(zāi)害，不僅帶來巨額直接經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成環(huán)境污染、人員傷亡等嚴(yán)重后果。近年來，管道安全事故時(shí)有發(fā)生，不僅影響正常的輸油生產(chǎn)，造成環(huán)境污染，而且嚴(yán)重的威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，安全事故的主要原因有：

（1）第三方破壞（打孔盜油和非法施工）；

（2） 自然災(zāi)害（山體滑坡、地震和泥石流等）；

（3） 材料腐蝕；

（4） 管道制造及安裝缺陷等。

其中，第三方破壞及自然災(zāi)害對(duì)管道的安全威脅最大，無論發(fā)生次數(shù)和所造成的損失均居前列。

對(duì)第三方破壞事故的原因進(jìn)行分析，并采取有效措施預(yù)防事故的發(fā)生，對(duì)保障管道的安全運(yùn)行意義重大。油氣管道第三方破壞事故具有多樣性、復(fù)雜性和不確定性的特點(diǎn)，因此，亟需有效的管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保障管道安全運(yùn)行。盡管管道安全管理人員定期進(jìn)行巡檢，但由于油氣管道大多鋪設(shè)于野外，地處偏僻，而且管道的距離都很長(zhǎng)，人工巡查的周期相對(duì)較長(zhǎng)，僅僅依靠管道安全管理人員的人工巡查效率太低，不能有效解決管道安全的防護(hù)問題。因此迫切需要建立一種可提前預(yù)警管道破壞活動(dòng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。到目前為止，由于國(guó)內(nèi)軟硬件設(shè)施還不夠成熟完善，而進(jìn)日設(shè)備成本高昂，所還沒有一套有效的管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在油氣管道上得到大面積推廣應(yīng)用。因此開發(fā)一種有效的管道安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，保障管線安全運(yùn)行是十分必要的。

圖1：管道光纖預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2：挖掘振動(dòng)波形

圖3：敲擊振動(dòng)波形

2 管道安全相關(guān)技術(shù)

目前應(yīng)用于管道安全監(jiān)測(cè)主要有泄漏監(jiān)測(cè)和光纖安全預(yù)警技術(shù)。在國(guó)外市場(chǎng)還出現(xiàn)了基于聲波傳感器的檢測(cè)技術(shù)，但在實(shí)施中采用多點(diǎn)定位的點(diǎn)狀分布結(jié)構(gòu)，工程施工復(fù)雜、造價(jià)十分昂貴，不適合中國(guó)管道安全生產(chǎn)的要求。

2.1 管道泄露監(jiān)測(cè)技術(shù)

管道泄露監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種事后監(jiān)測(cè)技術(shù)，是應(yīng)用于管道安全監(jiān)測(cè)的一種主要方法。目前可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的管道泄漏檢測(cè)／監(jiān)測(cè)方法主要有負(fù)壓波法、實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法、質(zhì)量平衡法、流量平衡法、分布式光纖檢測(cè)法等。

泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)造較簡(jiǎn)單、測(cè)量間距較大、易維護(hù)，可有效檢測(cè)到管道泄漏但其只有在管道運(yùn)行參數(shù)發(fā)生異常變化時(shí)。但當(dāng)?shù)谌狡茐男袨榧航?jīng)發(fā)生時(shí)，泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)才可根據(jù)泄漏情況的發(fā)生而判斷管道附近是否有第三方破壞行為，所具有明顯的滯后性，不能在管道遭到破壞前對(duì)破壞事件進(jìn)行預(yù)報(bào)，且報(bào)警準(zhǔn)確度和定位精度不能滿足油氣管道安全生產(chǎn)的要求，尤其不能滿足對(duì)大口徑、微漏、漸漏的監(jiān)測(cè)，所以沒有得到有效推廣。

2.2 管道光纖安全預(yù)警技術(shù)

管道光纖安全預(yù)警技術(shù)利用與管道同溝敷設(shè)的通信光纜中冗余的光纖構(gòu)成分布式光纖振動(dòng)傳感器，獲取管道沿途的振動(dòng)信號(hào)。通過振動(dòng)信號(hào)的分析，可以確定管道沿線的威脅事件，并準(zhǔn)確定位。圖1為管道光纖安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

伴隨激光和光纖技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究。目前國(guó)內(nèi)外較為常用的是基于M-Z的光纖干涉儀技術(shù)和基于相干瑞利光時(shí)域反射技術(shù)，其中基于相干瑞利光時(shí)域反射技術(shù)將是該領(lǐng)域的發(fā)展方向。這些項(xiàng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度受到本身固有的技術(shù)限制而只能達(dá)到十幾公里或者采用布點(diǎn)的方式，不適用于長(zhǎng)距離管道安全預(yù)警工程應(yīng)用。

管道光纖安全預(yù)警技術(shù)特點(diǎn)：監(jiān)測(cè)傳感元件為無源、防爆、抗干擾能力強(qiáng)，該技術(shù)采用與管道同溝敷設(shè)的一條光纖就可實(shí)現(xiàn)機(jī)械挖掘、人工挖掘等第三方破壞事故的檢測(cè)，但該技術(shù)不可應(yīng)用在沒有同溝敷設(shè)光纜的管道上，施工復(fù)雜、成本高。

3 管道破壞振動(dòng)信號(hào)的分析與識(shí)別技術(shù)

在分析各類管道安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警的技術(shù)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，本文提出利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)管道安全進(jìn)行事前預(yù)警的建設(shè)思想。基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的預(yù)警技術(shù)既可以對(duì)管道全線進(jìn)行安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，也可針對(duì)高后果區(qū)重點(diǎn)區(qū)域的安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

該方法的技術(shù)原理為：對(duì)人員、車輛經(jīng)過人工挖掘、機(jī)械挖掘以及敲擊管道進(jìn)行解析，通過安裝在管道周圍的高靈敏傳感器檢測(cè)異常振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)終端處理后，將事件特征信號(hào)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)進(jìn)行分析判斷安全事件發(fā)生，對(duì)非正常的事件進(jìn)行預(yù)警。挖掘、敲擊和車輛經(jīng)過振動(dòng)波形采集分析分別如圖2、圖3和圖4所示。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)管道安全預(yù)警實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)從物聯(lián)網(wǎng)角度由振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（包括數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）和診斷云平臺(tái)構(gòu)成。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由測(cè)試單元、zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、多互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)、數(shù)個(gè)服務(wù)器、分布式監(jiān)控終端、手持監(jiān)控設(shè)備組成。

系統(tǒng)工作過程：檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由zigbee接力傳遞到互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器接收到異常聲信號(hào)，立即分發(fā)給相關(guān)的監(jiān)控終端和手持設(shè)備、以及云服務(wù)平臺(tái)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖5和圖6所示。

4.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元

圖4：車輛經(jīng)過振動(dòng)波形

圖5：物聯(lián)網(wǎng)管道預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6：物聯(lián)網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

振動(dòng)監(jiān)測(cè)由很多振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元組網(wǎng)完成，監(jiān)測(cè)單元由振動(dòng)傳感器、放大電路、AD轉(zhuǎn)換、超低功耗MCU單片機(jī)、無線傳輸網(wǎng)組成。如圖7所示。

大地是振動(dòng)信號(hào)的良好傳輸導(dǎo)體，與大地充分耦合的振動(dòng)傳感器可以檢測(cè)到數(shù)百米甚至數(shù)千米外對(duì)大地?cái)_動(dòng)、破壞行為所產(chǎn)生的振動(dòng)。利用振動(dòng)傳感器采集這些振動(dòng)，對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和分類，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)針對(duì)輸油管網(wǎng)的破壞行為。及時(shí)做出應(yīng)急反應(yīng)。譬如派出無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝取證、警告、驅(qū)趕、追捕等。

超低功耗的MCU最低電流低至微安級(jí)，單次充電可續(xù)航半年至兩年。除被超過一定閥值的聲信號(hào)喚醒，及無線傳輸過來的信號(hào)喚醒，及定時(shí)器（隔一定的周期向遠(yuǎn)程服務(wù)器報(bào)到）喚醒，其它時(shí)間MCU處于深度睡眠狀態(tài)以降低功耗。MCU控制振動(dòng)傳感器放大電路的放大倍數(shù)，完成AD轉(zhuǎn)換，對(duì)信號(hào)做處理、篩選、存儲(chǔ)、無線傳輸、接受遠(yuǎn)程控制指令等?，F(xiàn)在滿足要求的超低功耗MCU很多，譬如stm32LXXX系列芯片、MSP430系列芯片，在低功耗上表現(xiàn)都很優(yōu)秀。

4.2 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

圖7：振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元

輸油氣管網(wǎng)跨度大，周圍環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，數(shù)據(jù)吞吐量較大，應(yīng)采用能應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee采用蜂窩組網(wǎng)技術(shù)，是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站，擴(kuò)展性非常好，最多可以擴(kuò)展到65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。ZigBee能夠自組織網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)通過彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。由于干擾或者場(chǎng)景變化，彼此間的聯(lián)絡(luò)也會(huì)發(fā)生變化，由于各種原因，往往并不能保證每一個(gè)無線通道都能夠始終暢通，某些通道可能會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)中斷，節(jié)點(diǎn)間通過重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，讓信息仍然可以通過其他道道到達(dá)目的地。

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，傳輸前，搜索所有可利用的路徑，分析它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，使用“梯度法”選擇路徑，即優(yōu)先選擇最近的通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用次近的通路進(jìn)行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā)生變化，或者因各種因素路徑被中斷了，或因繁忙而堵塞。動(dòng)態(tài)路由網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以很好解決地這個(gè)問題，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。

ZigBee的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于其高可靠性和可擴(kuò)展性，也在于其超低功耗，發(fā)射接收數(shù)據(jù)電流小于40mA，普通工作模式小于1uA，深度睡眠模式小于0.5uA，。一顆鋰電池可以工作6個(gè)月到2年,這是其它無線設(shè)備無法比擬的。圖8為管道安全預(yù)警系統(tǒng)中振動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

4.3 診斷云平臺(tái)

診斷云服務(wù)平臺(tái)由監(jiān)控處理計(jì)算機(jī)、無線通信模塊、信號(hào)分析及識(shí)別軟件和終端推送構(gòu)成，提供現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、濾波、積分、評(píng)估等在線數(shù)據(jù)管理分析功能，并作出安全預(yù)警和報(bào)警。

圖8：網(wǎng)路接點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖9：診斷云平臺(tái)

數(shù)據(jù)接收管理由數(shù)據(jù)庫(kù)及無線數(shù)據(jù)接收端口、內(nèi)部數(shù)據(jù)調(diào)用接口構(gòu)成，可在線接收來自現(xiàn)場(chǎng)的無線傳輸數(shù)據(jù)，統(tǒng)一存儲(chǔ)于振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)庫(kù)中，并為后續(xù)數(shù)據(jù)分析評(píng)估提供調(diào)用接口；數(shù)據(jù)處理分析單元由數(shù)據(jù)濾波模塊和加速度積分模塊構(gòu)成，前者采用卡爾曼濾波方法，剝離去除實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)中的雜波成分，后者采用時(shí)域-頻域混合積分方法，解譯測(cè)點(diǎn)動(dòng)位移信號(hào)，并存儲(chǔ)于振動(dòng)位移數(shù)據(jù)庫(kù)中；安全性評(píng)估單元根據(jù)聲屏障結(jié)構(gòu)類型及其動(dòng)位移時(shí)程曲線，采用故障診斷模型，開展安全診斷，并生成管道安全性評(píng)估預(yù)警和報(bào)告。 如圖9所示。

5 結(jié)論

在研究了管道安全相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)管道安全進(jìn)行事前預(yù)警的建設(shè)思想，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)管道安全預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)，通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)，提前發(fā)現(xiàn)針對(duì)輸油氣管網(wǎng)的破壞，特別是非法機(jī)械挖掘等行為所造成破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。隨著移動(dòng)互聯(lián)、智能制造等技術(shù)不斷成熟，使得信息傳輸?shù)统杀尽⒏呖煽?、低延時(shí)甚至實(shí)時(shí)成為現(xiàn)實(shí)；物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能四位一體發(fā)展，可將管道安全預(yù)警系統(tǒng)與安全防范系統(tǒng)相融合，通過智能識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控場(chǎng)所的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行更有效的分析，為管理決策提供依據(jù)。