物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知與控制

邵澤華， 權(quán)亞強， 梁永增

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川成都610100)

1 概述

天然氣是一種清潔能源，但天然氣同樣具有危險性，其可能造成的燃?xì)馐鹿蚀笾職w為3類：爆炸、燃燒、中毒[1]。伴隨天然氣消費群體的擴大，燃?xì)獍踩鹿拾l(fā)生的數(shù)量也在增多。據(jù)博燃網(wǎng)2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)：2018年我國戶內(nèi)安全事故占總?cè)細(xì)馐鹿时壤^50%。燃?xì)馐鹿实陌l(fā)生具有突發(fā)性，可能會釀成危及社會公共安全的重大事故。基于燃?xì)庑孤┑奈：π?，對燃?xì)猱惓顟B(tài)的及時感知和控制是預(yù)防燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生的重要手段。

2 燃?xì)猱惓顟B(tài)感知和控制技術(shù)

當(dāng)前，燃?xì)猱惓顟B(tài)感知和控制技術(shù)主要有：燃?xì)庑孤┌踩袛?、流量異常安全切斷以及壓力異常安全切斷等[2]。

① 燃?xì)庑孤┌踩袛?/p>

通過將燃?xì)庑孤﹫缶髋c智能燃?xì)獗磉B接，由燃?xì)庑孤﹫缶鳉怏w感知模組對環(huán)境氣體中的甲烷等氣體的濃度信息進(jìn)行感知。燃?xì)庑孤┌踩袛嗍且环N在燃?xì)庑孤┌l(fā)生后才能實現(xiàn)切斷燃?xì)夤?yīng)的技術(shù)，可細(xì)分為燃?xì)庑孤┌踩袛嗪突馂?zāi)安全切斷。

a.泄漏安全切斷。燃?xì)庑孤﹫缶髂軌蛲ㄟ^內(nèi)置的氣體感知模組對甲烷等可燃?xì)怏w的濃度變化情況進(jìn)行感知，當(dāng)所測氣體在空氣中的濃度持續(xù)、顯著、快速增高，達(dá)到所設(shè)定閾值時，則判斷發(fā)生了燃?xì)庑孤?，發(fā)出聲光報警，同時將燃?xì)庑孤┬畔鬏斀o燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器。燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器控制內(nèi)置切斷閥立刻切斷燃?xì)夤?yīng)，阻止燃?xì)饫^續(xù)泄漏，燃?xì)夤具h(yuǎn)程控制端也能通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到報警信息及時進(jìn)行處理。

b.火災(zāi)安全切斷。燃燒產(chǎn)生的二氧化碳會使環(huán)境中的二氧化碳濃度持續(xù)升高。燃?xì)庑孤﹫缶鳉怏w感知模組實時對空氣中的二氧化碳濃度變化情況進(jìn)行感知。當(dāng)空氣中二氧化碳濃度持續(xù)、顯著、快速增高時，則判斷燃?xì)獗硭幁h(huán)境有火災(zāi)發(fā)生，發(fā)出聲光報警，同時火災(zāi)信息傳輸給燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器。燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器控制內(nèi)置切斷閥切斷燃?xì)夤?yīng)，燃?xì)夤具h(yuǎn)程控制端也能通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到報警信息及時進(jìn)行處理。

② 流量異常安全切斷

流量異常安全切斷技術(shù)主要包括以下技術(shù)：流量過載(指流經(jīng)燃?xì)獗淼牧髁看笥?.2倍的燃?xì)獗碜畲罅髁?切斷、異常大流量(指流經(jīng)燃?xì)獗淼牧髁砍^了燃?xì)庥脩羰褂玫娜季咦畲筘?fù)荷流量)切斷、異常微小流量切斷、持續(xù)流量超時切斷、長期未使用切斷等。

流量感知技術(shù)是預(yù)防和阻止戶內(nèi)燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生的主要技術(shù)之一。若發(fā)現(xiàn)流量異常(超過預(yù)先設(shè)定的閾值)，燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器控制內(nèi)置切斷閥切斷燃?xì)夤?yīng)，燃?xì)夤?yīng)商遠(yuǎn)程控制端也能通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到報警信息及時進(jìn)行處理。

③ 壓力異常安全切斷

通過在燃?xì)獗韮?nèi)部安裝壓力傳感器，當(dāng)供氣壓力降至設(shè)定值(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃?xì)獗怼芬?guī)定為400 Pa)時，燃?xì)鈮毫Ξ惓Ｐ盘杺鬏斨寥細(xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器，由燃?xì)獗韮?nèi)置微電腦控制器控制內(nèi)置切斷閥切斷燃?xì)夤?yīng)，防止壓力過低而造成的燃?xì)庠O(shè)備熄火及漏氣現(xiàn)象，燃?xì)夤具h(yuǎn)程控制端通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到報警信息及時進(jìn)行處理。

3 燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)

為了最大程度發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制技術(shù)的作用，筆者團(tuán)隊研發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)(已申請國家發(fā)明專利)，在整合現(xiàn)有燃?xì)猱惓顟B(tài)感知和控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砑捌淇刂葡到y(tǒng)[3]聯(lián)合，使燃?xì)馐褂脿顟B(tài)時刻處于監(jiān)控之下。

① 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)集燃?xì)鉅顟B(tài)檢測、報警、模擬評估及控制為一體，主要功能包括異常狀態(tài)感知、異常狀態(tài)控制、燃?xì)馐褂冒踩珷顟B(tài)評估等功能。物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

各平臺的功能由相應(yīng)的物理實體實現(xiàn)。

a.對象平臺物理實體是指物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砑扇細(xì)猱惓顟B(tài)感知模塊和控制模塊，主要完成物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碛脷鉅顟B(tài)、所處環(huán)境信息的感知，接收和執(zhí)行控制信息。

b.傳感網(wǎng)絡(luò)平臺物理實體由傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、電信運營商通信平臺、物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)等組成，能夠傳輸和處理對象平臺獲取的感知信息及接收控制信息。傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器在物理空間上與燃?xì)夤揪C合管理服務(wù)器在一起，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)在小區(qū)放置。

c.燃?xì)夤揪C合管理平臺物理實體主要為燃?xì)夤揪C合管理服務(wù)器，統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)各平臺之間的聯(lián)系、合作以及資源共享，動態(tài)監(jiān)測整個物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。在擁有用戶授權(quán)的條件下，根據(jù)接收到的燃?xì)猱惓顟B(tài)感知信息內(nèi)容，代替用戶向表端發(fā)出控制指令。

d.服務(wù)平臺物理實體包括政府服務(wù)器、燃?xì)夤痉?wù)平臺服務(wù)器以及社會運營商服務(wù)器。燃?xì)夤痉?wù)平臺服務(wù)器具有一定的信息處理能力，能夠為燃?xì)庥脩籼峁┙涌?，向燃?xì)庥脩籼峁└鞣N燃?xì)夥?wù)信息，如燃?xì)鉅顟B(tài)信息、歷史消費信息等。同時，燃?xì)夤痉?wù)平臺服務(wù)器也能向政府服務(wù)器、社會運營商(門戶網(wǎng)站、社會信息分析機構(gòu)等)服務(wù)器提供脫敏的燃?xì)庑畔ⅲ谡蜕鐣妼θ細(xì)膺\行狀況的監(jiān)督。

e.用戶平臺物理實體包括各種自助終端、移動終端等，能以WEB或終端APP的形式將物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗磉\行狀態(tài)信息呈獻(xiàn)給燃?xì)庥脩?，并提供各種操作功能，實現(xiàn)用戶對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗肀矶说目刂啤?/p>

② 系統(tǒng)信息處理形式

根據(jù)泄漏信息的處理平臺不同，對泄漏信息的處理共有5種方式，物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)信息處理形式見圖2。

圖2中對象感知信息系統(tǒng)、對象控制信息系統(tǒng)分別存在于物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知模塊與控制模塊中。感知傳感、感知管理、感知服務(wù)信息系統(tǒng)及控制傳感、控制管理、控制服務(wù)信息系統(tǒng)分別存在于傳感網(wǎng)絡(luò)平臺、燃?xì)夤揪C合管理平臺及服務(wù)平臺對應(yīng)的各模塊中。用戶平臺存在多種終端，用于對感知控制信息進(jìn)行處理和呈現(xiàn)，相應(yīng)的信息系統(tǒng)統(tǒng)稱為用戶系統(tǒng)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)信息處理形式

a.對象平臺自主控制：物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碜鳛閷ο笃脚_的物理實體，是獲得各種感知信息的功能平臺。對象平臺的對象感知信息系統(tǒng)獲得燃?xì)鉅顟B(tài)信息后，通過對狀態(tài)信息進(jìn)行計算處理，確認(rèn)燃?xì)猱惓顟B(tài)發(fā)生的真實性，然后由對象控制信息系統(tǒng)生成控制信息，控制閥門關(guān)閥，并將燃?xì)猱惓顟B(tài)信息和處理結(jié)果上報給燃?xì)庥脩簟?/p>

b.傳感網(wǎng)絡(luò)平臺控制：對象平臺對象感知信息系統(tǒng)在獲得燃?xì)鉅顟B(tài)信息后，自身并不能確認(rèn)燃?xì)鉅顟B(tài)是否異常，需將燃?xì)鉅顟B(tài)信息傳輸給傳感網(wǎng)絡(luò)平臺感知傳感信息系統(tǒng)進(jìn)行計算處理，判斷燃?xì)獾恼鎸崰顟B(tài)，由控制傳感信息系統(tǒng)生成控制信息傳輸給對象控制信息系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的控制，并將控制結(jié)果反饋給對象感知信息系統(tǒng)。

c.管理平臺控制：對象平臺對象感知信息系統(tǒng)在獲得燃?xì)鉅顟B(tài)信息后，對象平臺和傳感網(wǎng)絡(luò)平臺均不能確認(rèn)燃?xì)鉅顟B(tài)是否異常，需將燃?xì)鉅顟B(tài)信息逐級傳輸給管理平臺感知管理信息系統(tǒng)進(jìn)行計算處理，判斷燃?xì)獾恼鎸崰顟B(tài)，由控制管理信息系統(tǒng)生成控制信息，通過傳感網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸給對象平臺對象控制信息系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的控制，并將控制結(jié)果反饋給對象感知信息系統(tǒng)。

d.服務(wù)平臺控制：對象平臺對象感知信息系統(tǒng)在獲得燃?xì)鉅顟B(tài)信息后，對象平臺、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺、管理平臺均不能確認(rèn)燃?xì)鉅顟B(tài)是否異常，需將燃?xì)鉅顟B(tài)信息逐級傳輸給服務(wù)平臺感知服務(wù)信息系統(tǒng)進(jìn)行計算處理，判斷燃?xì)獾恼鎸崰顟B(tài)，由控制服務(wù)信息系統(tǒng)生成控制信息，依次通過管理平臺、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸給對象平臺對象控制信息系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的控制，并將控制結(jié)果反饋給對象感知信息系統(tǒng)。

e.用戶平臺控制：對象平臺對象感知信息系統(tǒng)在獲得燃?xì)鉅顟B(tài)信息后，對象平臺、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺、管理平臺、服務(wù)平臺均無法確認(rèn)燃?xì)鉅顟B(tài)是否異常，為避免誤報，需將燃?xì)鉅顟B(tài)信息逐級傳輸給用戶平臺用戶系統(tǒng)，由燃?xì)庥脩舸_定燃?xì)獾恼鎸崰顟B(tài)，并生成相應(yīng)的控制信息依次經(jīng)過服務(wù)平臺、管理平臺、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸給對象平臺對象控制信息系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的控制，并將控制結(jié)果反饋給對象感知信息系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)鉅顟B(tài)信息的5種處理形式，對異常狀態(tài)信息反應(yīng)的及時性存在差異，越靠近對象平臺，對異常狀態(tài)信息的反應(yīng)越及時，越能及早對燃?xì)獗韴?zhí)行控制。對于燃?xì)庑孤﹫缶鞲兄降娜細(xì)庑孤┬畔⒑蛪毫鞲衅鞲兄降牡蛪毫π畔?，物?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砟軌蜃龅綔?zhǔn)確識別，可實現(xiàn)自主控制；對于流量信息，有時出現(xiàn)流量異常(如長時間使用)未必發(fā)生了燃?xì)庑孤┦鹿?，可能是燃?xì)庥脩粽Ｓ脷庑袨椋藭r表端無法精準(zhǔn)判斷燃?xì)獗泶藭r的工作狀態(tài)，為避免誤報，需將感知信息上傳，由其他功能平臺對感知信息作出判斷。有些感知信息在上報后，可能存在長時間未收到控制信息的情況，此時在表端應(yīng)設(shè)置時間閾值，在感知信息上報一定時間后，若未能收到控制指令，則默認(rèn)執(zhí)行切斷燃?xì)庵噶?，最大限度保證燃?xì)庥脩舻挠脷獍踩?/p>

無論物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)鉅顟B(tài)信息采用何種處理方式，控制信息在執(zhí)行后，燃?xì)飧兄畔⒑涂刂菩畔?zhí)行后的反饋信息均應(yīng)上報給燃?xì)夤竞腿細(xì)庥脩?，使二者了解物?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硭幑ぷ鳡顟B(tài)。

③ 燃?xì)馐褂冒踩δ軤顟B(tài)評估的重點內(nèi)容

對于物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砣細(xì)猱惓顟B(tài)感知和控制系統(tǒng)，燃?xì)庥脩裟軌蚪佑|到的主要是物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砗透鞣N用戶終端，而用戶終端與燃?xì)馐褂冒踩P(guān)聯(lián)性小，因此燃?xì)馐褂冒踩珷顩r評估主要是對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗矶?，即對對象平臺的燃?xì)馐褂冒踩δ軤顟B(tài)進(jìn)行評估。燃?xì)馐褂冒踩δ軤顟B(tài)評估的重點內(nèi)容見圖3。

圖3 燃?xì)馐褂冒踩δ軤顩r評估

燃?xì)馐褂冒踩δ軤顟B(tài)評估的重點內(nèi)容包括3個方面，分別為感知功能狀態(tài)檢測、控制功能狀態(tài)檢測以及環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度水平持續(xù)監(jiān)測功能狀態(tài)檢測。

a.感知功能狀態(tài)檢測

感知功能狀態(tài)檢測包括燃?xì)庑孤└兄δ軤顟B(tài)檢測、燃?xì)饬髁扛兄δ軤顟B(tài)檢測以及燃?xì)鈮毫Ω兄δ軤顟B(tài)檢測。感知功能狀態(tài)檢測的重點內(nèi)容包括但不限于：感知設(shè)備是否在線；是否能夠正確識別異常狀態(tài)；識別異常狀態(tài)后是否能夠及時將異常狀態(tài)信息傳輸給燃?xì)獗砜刂破鞯?。感知功能狀態(tài)檢測可實現(xiàn)對感知設(shè)備工作狀態(tài)和功能狀態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)存在的潛在問題，保障燃?xì)馐褂冒踩?/p>

b.控制功能狀態(tài)檢測

控制功能狀態(tài)檢測包括閥門控制功能狀態(tài)檢測和報警裝置控制功能狀態(tài)檢測?？刂乒δ軤顟B(tài)檢測內(nèi)容包括但不限于：控制設(shè)備是否在線；是否能夠正確接收異常狀態(tài)信息；是否能夠正確執(zhí)行控制信息等?？刂乒δ軤顟B(tài)檢測能夠?qū)崿F(xiàn)對控制設(shè)備工作狀態(tài)和功能狀態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)燃?xì)獗砜刂蒲b置的潛在問題，保障異常狀態(tài)發(fā)生時，能夠執(zhí)行有效控制。

c.環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度水平持續(xù)監(jiān)測功能狀態(tài)檢測

正常情況下，燃?xì)獗戆惭b環(huán)境中或多或少存在一定濃度的可燃?xì)怏w，濃度水平比較穩(wěn)定且處于極低水平。物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硭B接的報警器能夠?qū)諝庵械目扇細(xì)怏w濃度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和記錄，可對環(huán)境氣體中可燃?xì)怏w的濃度變化進(jìn)行分析，通過可燃?xì)怏w濃度變化曲線，判斷燃?xì)獍踩褂脿顟B(tài)。通過環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度水平持續(xù)監(jiān)測功能狀態(tài)檢測，能夠判別報警器的持續(xù)監(jiān)測功能是否正常，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，減少報警器誤報警或漏報警的可能性。

完成上述3方面的功能狀態(tài)檢測后，根據(jù)檢測結(jié)果給出評估結(jié)論，使燃?xì)夤竞腿細(xì)庥脩羟宄私馊細(xì)馐褂冒踩珷顩r，并可根據(jù)評估結(jié)論采取相應(yīng)措施，使燃?xì)馐褂酶影踩?/p>