基于NB-IoT通信方式的燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)

范 濤，楊 江，夏界寧，楊厚麗，盧建旗，陳智慧

(1.湖北省地震局，地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 2.武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司，湖北 咸寧 437100；3.湖北省重大工程地震監(jiān)測(cè)與預(yù)警處置工程技術(shù)研究中心， 湖北 咸寧 437100; 4.中國(guó)地震局地震工程力學(xué)研究所，中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

中國(guó)是地震多發(fā)地區(qū)，平均每年發(fā)生5級(jí)以上地震約20次，6級(jí)以上地震約4次；平均每3年發(fā)生約2次7級(jí)以上地震，平均每十幾年發(fā)生約1次8級(jí)以上地震[1]。隨著城市化進(jìn)程，世界范圍內(nèi)地震引發(fā)的燃?xì)庑孤┰斐傻幕馂?zāi)等次生災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[2-5]。最為典型的事件有1995年日本阪神(Han-Shin)7.2級(jí)地震，神戶市(Kobe)高中壓管線破壞106處，低壓管線破壞26459處，燃?xì)庑孤┲苯右鸬幕馂?zāi)有8起，供氣系統(tǒng)的災(zāi)后重建歷時(shí)85天[5-6]。《中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法》對(duì)油氣管道應(yīng)布設(shè)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施有明確要求，并明確了建設(shè)資金和運(yùn)行經(jīng)費(fèi)由建設(shè)單位承擔(dān)。各個(gè)省和自治區(qū)防震減災(zāi)條例也都對(duì)油田等重大工程的地震監(jiān)測(cè)做了明確規(guī)定。

傳統(tǒng)的燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)是由強(qiáng)震監(jiān)測(cè)設(shè)備和電磁閥為基礎(chǔ)組成，或由機(jī)械式地震緊急處置裝置為基礎(chǔ)組成。日本對(duì)燃?xì)獾牡卣鸨O(jiān)測(cè)和緊急處置起步較早。1994年，日本東京燃?xì)夤窘ǔ闪嗣簹夤芫W(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)(SIGNAL)[5-7]，系統(tǒng)包含331個(gè)譜烈度計(jì)等地震監(jiān)測(cè)設(shè)施以及相應(yīng)各個(gè)管道匹配的緊急切斷閥門。阪神地震后，日本進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，新增了3 800個(gè)新型譜烈度計(jì)，構(gòu)成了超高密度燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)(SUPREME)，系統(tǒng)已經(jīng)在多次地震中發(fā)揮作用，發(fā)揮明顯的減災(zāi)效果[7-8]。上述系統(tǒng)采用的日本的新型SI傳感器，該設(shè)備需用市電，功耗在12V供電的情況下，輸出功率為4-20mA，具有功耗較高、通訊成本較高的缺點(diǎn)。2013年，土耳其伊斯坦布爾燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)正式運(yùn)行，系統(tǒng)主要通過(guò)110個(gè)安裝在調(diào)壓站的強(qiáng)震儀來(lái)進(jìn)行震后的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估給出處置措施[9]，與日本的SUPREME系統(tǒng)類似。我國(guó)對(duì)燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)的研究還處在研究和示范應(yīng)用階段，未達(dá)到真正意義的商用[10-12]。中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所是我國(guó)最早從事燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)研究的單位，開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的燃?xì)獾卣鹁o急處置開(kāi)關(guān)[13-21]，并在河北唐山進(jìn)行了示范應(yīng)用，但是無(wú)數(shù)據(jù)回傳，恢復(fù)較麻煩，是一種非智能的緊急處置裝置。云南省地震局研究員崔建文在該局家屬區(qū)進(jìn)行了示范應(yīng)用，具體來(lái)講，利用簡(jiǎn)易烈度計(jì)作為地震緊急處置裝置安裝在省地震局家屬區(qū)燃?xì)庖肟谶M(jìn)行地震安全處置，利用美國(guó)加州地震安全產(chǎn)品公司生產(chǎn)的Northridge2000 M75型機(jī)械式地震燃?xì)忾y在用戶側(cè)進(jìn)行地震安全控制，系統(tǒng)原理和日本SUPREME類似[22]，同時(shí)也采用了機(jī)械式燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。目前，NB-IoT技術(shù)在地震行業(yè)應(yīng)用暫時(shí)未報(bào)道得到應(yīng)用。本文介紹了一種新型燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，較好的解決了現(xiàn)有燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)非智能、高功耗、通訊成本高三大痛點(diǎn)。

1 新型燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置的原理和基本結(jié)構(gòu)

新型燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置(新型裝置)在觸發(fā)后，根據(jù)內(nèi)置的加速度傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及地震預(yù)警、地震速報(bào)和地震烈度速報(bào)全鏈條信息，利用燃?xì)庀到y(tǒng)震害評(píng)估技術(shù)自動(dòng)劃分震后風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并立刻做出相應(yīng)的緊急處置措施，避免在破壞性地震下發(fā)生因燃?xì)庑孤┱T發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害。裝置在震后的工作流程圖如圖1。

圖1 新型裝置在震后的工作流程圖Fig.1 Work flow chart of the new device after the earthquake

該裝置的研發(fā)主要包括四大方面研究?jī)?nèi)容：(1)核心器件選型；(2)超低功耗自供電硬件設(shè)計(jì)；(3)嵌入式程序開(kāi)發(fā)；(4)設(shè)備測(cè)試。其中，關(guān)鍵點(diǎn)主要在于超低功耗自供電硬件設(shè)計(jì)。

新型裝置超低功耗自供電硬件設(shè)計(jì)功能框圖如圖2所示。

圖2 超低功耗自供電硬件設(shè)計(jì)功能框圖Fig.2 Functional block diagram of low-power-consumption and self-powered hardware design

新型裝置硬件功能設(shè)計(jì)描述如下：

(a)采用3.6V7000mah鋰電池為加速度傳感器ADXL362、主控模塊ADuCM3029和通信模塊HC7020E供電。該電池的電量可滿足設(shè)備正常工作至少3年。

(b)ADXL362通過(guò)SPI(串行外圍接口)與ADuCM3029進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)WAKE引腳實(shí)現(xiàn)振動(dòng)自喚醒功能。

(c)HC7020E通過(guò)UART(通用串行數(shù)據(jù)總線)與ADuCM3029進(jìn)行異步數(shù)據(jù)通信；并通過(guò)負(fù)載開(kāi)關(guān)TPS22916實(shí)現(xiàn)通信模塊的啟動(dòng)控制，保證系統(tǒng)超低功耗需求。

(d)ADuCM3029通過(guò)升壓模塊TPS61096和負(fù)載開(kāi)關(guān)TPS22810實(shí)現(xiàn)燃?xì)怆姶砰y的控制。

設(shè)備啟動(dòng)后，加速度傳感器系統(tǒng)進(jìn)入休眠監(jiān)測(cè)模式，ADXL362以6Hz采樣率進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有3個(gè)連續(xù)測(cè)量點(diǎn)(可設(shè)置)超過(guò)喚醒閾值時(shí)，喚醒主控模塊ADuCM3029，同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入振動(dòng)監(jiān)測(cè)模式，ADXL362以100Hz采樣率進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。若監(jiān)測(cè)30s時(shí)間設(shè)備監(jiān)測(cè)峰值未超過(guò)報(bào)警閾值則設(shè)備重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過(guò)通信模塊上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。若監(jiān)測(cè)30s時(shí)間設(shè)備監(jiān)測(cè)峰值超過(guò)報(bào)警閾值則主控模塊將通過(guò)升壓電路驅(qū)動(dòng)電磁閥切斷燃?xì)?，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過(guò)通信模塊上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。

研發(fā)的新型燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置樣機(jī)和電磁閥開(kāi)關(guān)如圖3所示，緊急處置裝置在破壞性地震作用下驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作切斷燃?xì)狻?/p>

圖3 新型燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置樣機(jī)和電磁閥Fig.3 Prototype of new seismic emergency handing device for gas and electromagnetic valve

基于新型裝置搭建的燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)架構(gòu)按照終端層(NB-IoT緊急處置裝置)、網(wǎng)絡(luò)層、IoT平臺(tái)和應(yīng)用層4個(gè)部分組成，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)將各個(gè)部分整合統(tǒng)一為有機(jī)的整體，構(gòu)成燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 新型燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of new gas seismic emergency handing system

(1) 終端層

終端層包含一定數(shù)量的地震緊急處置開(kāi)關(guān)，該智能終端通過(guò)集成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)模組，與NB-IoT基站連接來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊能力，智能終端通過(guò)NB-IoT基站將信息傳給IoT平臺(tái)。終端采用自供電，并采用本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)，避免接入市電對(duì)燃?xì)獍踩挠绊憽?/p>

(2) 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的通訊基礎(chǔ)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)承載燃?xì)獾卣鹁o急處置功能，具有低功耗、低成本、廣覆蓋的特點(diǎn)，符合NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通訊的需求，其抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面均有高安全性保障。

(3) IoT平臺(tái)

IoT平臺(tái)提供連接管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理等基礎(chǔ)功能，支持多種燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置-智能終端設(shè)備接入。平臺(tái)提供連接感知、連接診斷、連接控制等連接狀態(tài)查詢及管理功能；通過(guò)統(tǒng)一的協(xié)議與接口實(shí)現(xiàn)不同終端的接入，接入的終端的數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層平臺(tái)。平臺(tái)提供靈活高效的數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)采集、分類、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)調(diào)用、使用量基本分析。

(4) 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是針對(duì)燃?xì)獾卣鹁o急處置的行業(yè)需求，聚焦行業(yè)自身的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。應(yīng)用層通過(guò)IoT平臺(tái)獲取來(lái)自設(shè)備層的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一管理燃?xì)獾卣鹁o急處置開(kāi)關(guān)。當(dāng)平臺(tái)分析核心軟件-燃?xì)獾卣鸢踩L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估給出高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，相應(yīng)區(qū)域的燃?xì)獾卣痖_(kāi)關(guān)將收到關(guān)閉閥門的指令，采取緊急切斷閥門的動(dòng)作，避免和減輕因?yàn)槿細(xì)庑孤?dǎo)致的火災(zāi)等次生災(zāi)害。

2 新型裝置與傳統(tǒng)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

傳統(tǒng)的燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置一般有兩類，一種為純機(jī)械式燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置，另一種為基于強(qiáng)震儀的燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置。新型裝置和傳統(tǒng)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比如表1。

表1 新型裝置與傳統(tǒng)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表Table 1 Specification of the new device and traditional devices

由表格可知，新型裝置在功耗上具有很大的提高，具有更廣的應(yīng)用前景，安裝一塊普通的家庭水表用鋰電池，可以維持設(shè)備正常工作5年以上。其中，動(dòng)態(tài)范圍90dB對(duì)于緊急處置來(lái)說(shuō)足夠，隨著MEMS傳感器技術(shù)的提高可進(jìn)一步提升。量程上滿足現(xiàn)有強(qiáng)震監(jiān)測(cè)的需求，而且可選。供電方式上，新型裝置可使用普通的智能水表或智能燃?xì)庥?.6V鋰電池即可，相比傳統(tǒng)強(qiáng)震儀無(wú)需外接市電，對(duì)于安裝在燃?xì)夤艿乐苓叺难b置更加安全。頻帶范圍上，新型裝置對(duì)于地震關(guān)注較多的0.1-20 Hz實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，相比傳統(tǒng)強(qiáng)震儀具有更寬的頻帶。

3 示范應(yīng)用

基于NB-IoT的新型燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)在北京平谷的某小區(qū)進(jìn)行了示范應(yīng)用安裝，共安裝了96套用戶側(cè)燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置。目前試運(yùn)行狀態(tài)正常。示范應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖5所示，緊急處置裝置通過(guò)膨脹螺絲固定在燃?xì)獗砀浇膲γ嫔希ㄟ^(guò)報(bào)警輸出接口控制線與電磁閥連接，當(dāng)輸出報(bào)警信號(hào)時(shí)可控制電磁閥的關(guān)閉。

圖5 示范應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)安裝照片F(xiàn)ig.5 Installation photos of demonstration application site

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)燃?xì)獾卣鸢踩枨?，基于NB-IoT通信技術(shù)研發(fā)的新型燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置提出了燃?xì)獾卣鹁o急處置系統(tǒng)，系統(tǒng)全智能自動(dòng)判斷燃?xì)夤芫W(wǎng)安全性，若經(jīng)過(guò)本地報(bào)警或應(yīng)用層評(píng)估為高風(fēng)險(xiǎn)，自動(dòng)發(fā)送指令給燃?xì)獾卣鹁o急處置開(kāi)關(guān)關(guān)閉高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)燃?xì)忾y門，達(dá)到切斷燃?xì)?或其它流體)的流動(dòng)，避免次生災(zāi)害的發(fā)生。介紹了燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置的研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)-超低功耗自供電硬件設(shè)計(jì)。

新型設(shè)備與傳統(tǒng)的地震儀搭建的處置系統(tǒng)相比具有低成本、低功耗、廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于燃?xì)獾卣鹱饔孟碌木o急處置。

(1) 新型設(shè)備的售價(jià)可控制在千元級(jí)別，而現(xiàn)有的強(qiáng)震儀的售價(jià)都是萬(wàn)元級(jí)別的。

(2) 新型設(shè)備的待機(jī)功耗優(yōu)于50μA，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有強(qiáng)震儀的0.5A級(jí)別。

(3) 新型設(shè)備采用最新的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要技術(shù)指標(biāo)包括：廣覆蓋(20dB增益)，大連接(50k終端)，便于設(shè)備的大面積布設(shè)。

目前，本項(xiàng)目的研究已經(jīng)取得了階段性研究成果，并開(kāi)始在北京平谷地區(qū)的某小區(qū)用戶側(cè)進(jìn)行示范應(yīng)用，但是運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，缺少真實(shí)地震的檢驗(yàn)。燃?xì)獾牡卣鹁o急處置還存在其他風(fēng)險(xiǎn)，需要從頂層設(shè)計(jì)上進(jìn)行綜合考慮。還需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題有如下幾個(gè)方面：

(1)如何避免燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置的誤觸發(fā)問(wèn)題，如家庭裝修時(shí)，可能導(dǎo)致新型設(shè)備誤觸發(fā)而切斷燃?xì)狻?/p>

(2)破壞性地震發(fā)生后，對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)可能破壞區(qū)域的緊急切斷，需要符合一定的切斷優(yōu)先級(jí)，保證燃?xì)獾墓?yīng)壓力安全和防止次生災(zāi)害的發(fā)生。

(3)破壞性地震發(fā)生后，如何合理應(yīng)用地震預(yù)警信息和現(xiàn)地燃?xì)獾卣鹁o急處置裝置進(jìn)行燃?xì)獾木o急控制還有待進(jìn)一步研究，利用地震預(yù)警信息進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的范圍還需要進(jìn)一步分析和論證。

(4)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方興未艾，目前多選擇有重大應(yīng)用效益的領(lǐng)域，如無(wú)人駕駛、人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等，應(yīng)用在小概率事件、罕遇地震發(fā)生時(shí)燃?xì)庀到y(tǒng)安全如何評(píng)價(jià)，也是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

致謝：感謝北京市燕山工業(yè)燃?xì)庠O(shè)備有限公司提供的現(xiàn)場(chǎng)安裝照片，感謝中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所、北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司有關(guān)專家給與的技術(shù)指導(dǎo)，感謝審稿專家提出的寶貴意見(jiàn)。