基于傳感器的管道自主監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)

張虹蕾

(沈陽市水務(wù)事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110011)

天然氣、石油、清水和污水管道已經(jīng)成為生活中不可缺少的一部分[1-2]。為保持管道健康，進(jìn)行積極監(jiān)測和頻繁檢查至關(guān)重要[3]，管道的部署、監(jiān)測和維護(hù)還應(yīng)保證成本效益、具備可擴(kuò)展性和易于定制。

目前已經(jīng)有許多技術(shù)可以監(jiān)測、控制和維護(hù)各種管道運行[4]。這些技術(shù)大多依賴某種通信網(wǎng)絡(luò)，將從管道內(nèi)外收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂普荆褂貌煌W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供可靠的通信，并支持管道監(jiān)控[5]。但網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)基于可靠性因素，如網(wǎng)絡(luò)的連通性、供電的連續(xù)性和網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性。管道監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)提供快速、無縫地從故障中恢復(fù)的機(jī)制，并將問題及其位置報告給要處理的控制站。

由于Ad-hoc模式和傳感器網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、自動化等各種應(yīng)用中日益受到關(guān)注[6]。傳感器技術(shù)的進(jìn)步使得管道系統(tǒng)健康狀況的自動實時監(jiān)控成為可能。目前也開發(fā)了許多基于機(jī)器人代理的技術(shù)來監(jiān)控并維護(hù)管道，這些技術(shù)旨在檢測和定位泄漏、損壞或腐蝕。同時，大量手動控制的基于機(jī)器人的系統(tǒng)已被提出，并開始研究半自主/自主解決方案。

本文旨在設(shè)計一種經(jīng)濟(jì)有效的管道維護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)，為此提出了SPAMMS系統(tǒng)，結(jié)合傳感器技術(shù)和自動化技術(shù)的新方法，用于有效的事件定位和主動糾正監(jiān)測任何類型的管道。

1 SPAMMS系統(tǒng)總覽

管道監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)檢查管道健康狀況并定期向控制站報告事故，并且有助于從任何泄漏、損壞或腐蝕管道中恢復(fù)系統(tǒng)健康。目前現(xiàn)存的管道監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)受到各種限制，而一個健康的管道監(jiān)測和維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能提供主動的監(jiān)控和恢復(fù)操作，具有成本效益、易于定制、可擴(kuò)展，允許動態(tài)檢查管道的功能和軟件，并且實施有效的定位技術(shù)。

SPAMMS系統(tǒng)主要由三個組件構(gòu)成:固定傳感器、移動傳感器和自主機(jī)器人代理。

SPAMMS的第一個組件是由一組固定的無線傳感器組成，這些傳感器由RFID(射頻識別技術(shù))系統(tǒng)實現(xiàn)，用于為移動傳感器提供管道拓?fù)渲械奈恢眯畔?。為實現(xiàn)有效的定位，一組可擴(kuò)展的 RFID 系統(tǒng)以均勻分布的方式集成在管道內(nèi)，并且相鄰間隔的RFID距離可有效定位可接受的誤差控制。存儲在RFID 中的信息可以被該 RFID 附近的任何移動傳感器或機(jī)器人代理讀取。

SPAMMS 的第二個組件由一組有限的移動傳感器組成。通過分析管道的可用地理空間信息和檢查需求，將移動傳感器部署在重要位置。一旦使用中的管道部署了移動傳感器，管道傳輸?shù)牧黧w將提供傳感器移動性。移動傳感器通常配備不同種類的檢測能力，用于管道檢測。這些功能與移動傳感器連接后，可以同時發(fā)揮不同的作用，如移動傳感器集成定位與其他組件通信的功能。移動傳感器的第一個實現(xiàn)基于MICA1系統(tǒng)節(jié)點，并允許集成用于讀取和寫入RFID標(biāo)簽的RFID讀取器和寫入器的模塊化架構(gòu)。

SPAMMS的第三個組件是機(jī)器人代理，集成了RFID讀寫器，目標(biāo)是實現(xiàn)拓?fù)涓兄屯耆灾鳌８鶕?jù)檢測和維修的需要，可配置不同類型的執(zhí)行器來修復(fù)管道損壞，完全可移動。在射頻識別技術(shù)和移動傳感器的幫助下，能夠在管道事故被識別和定位后對其進(jìn)行修復(fù)。SPAMMS 監(jiān)測和維護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 SPAMMS 監(jiān)測和維護(hù)示意圖

2 SPAMMS系統(tǒng)設(shè)計

射頻識別系統(tǒng)由兩個主要組件組成：標(biāo)簽和閱讀器。射頻識別標(biāo)簽是應(yīng)用于物體的無線條形碼標(biāo)簽，通常貼在跟蹤物體上，使用閱讀器來跟蹤標(biāo)記的對象。包絡(luò)檢測是指，當(dāng)集成移動傳感器的射頻識別閱讀器發(fā)出載波信號時，射頻識別標(biāo)簽會充電并記錄其相關(guān)數(shù)據(jù)，閱讀器讀取調(diào)制數(shù)據(jù)。此外，射頻識別標(biāo)簽有一個發(fā)射無線電信號的天線，以激活標(biāo)簽并向其讀取/寫入數(shù)據(jù)。許多射頻識別實現(xiàn)沖突檢測/解決機(jī)制，并允許在同一區(qū)域查詢多個標(biāo)簽。而傳感器網(wǎng)絡(luò)用于通過感知聲音、溫度、光等來感知和監(jiān)測物理、化學(xué)和生物環(huán)境。只要貼上射頻識別標(biāo)簽，任何物體都可以被跟蹤或感知。

在SPAMMS中，RFID作為固定傳感器工作，其標(biāo)簽集成在管道內(nèi)，兩個相鄰設(shè)備之間具有合理的間隔；RFID讀寫器集成在移動傳感器和機(jī)器人代理中在操作中讀寫可用的RFID標(biāo)簽，收集存儲在中間固定傳感器上的事件歷史記錄，并在需要時清理固定傳感器的內(nèi)容。在SPAMMS中使用的RFID標(biāo)簽是被動的，它們沒有自己的電池，而是利用讀取器/寫入器廣播的傳入無線電波為它們的響應(yīng)提供動力。除了與傳感相關(guān)的歷史信息外，RFID標(biāo)簽中可用的、可重寫持久存儲用于存儲與移動傳感器、運動相關(guān)的有用信息，因此可以在捕獲情況下幫助定位移動傳感器。

SPAMMS中使用的每個RFID標(biāo)簽，有限的持久存儲容量被分為三種類型的區(qū)域，以允許存儲用于管道監(jiān)控和維護(hù)以及移動傳感器跟蹤的必要信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。除了識別RFID單元的數(shù)據(jù)外，表1、2和3中給出了SPAMMS用于RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)和控制結(jié)構(gòu)。

表1 RFID標(biāo)簽控制結(jié)構(gòu)

表1給出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于控制需要從RFID標(biāo)簽讀取/寫入的數(shù)據(jù)。該控制結(jié)構(gòu)的主要領(lǐng)域有:冗余校驗位(RCB)，用于確定RFID標(biāo)簽中所有可用的塊是否為空；15個塊控制位(BCB)，用于確定在各自的塊中可用的數(shù)據(jù)是否可以讀寫。

表2中給出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于存儲移動傳感器通過RFID標(biāo)簽位置的歷史信息。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要字段是：移動傳感器ID(MSID)，它標(biāo)識已經(jīng)越過RFID 標(biāo)簽位置的移動傳感器；時間戳(TS)，它決定了通過RFID標(biāo)簽位置的時刻。

表2 RFID標(biāo)簽歷史結(jié)構(gòu)

表3中給出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于存儲事件信息。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的主要字段包括：RFID ID(FSID)，它標(biāo)識處理持久存儲的固定傳感器；時間戳(TS)，它決定了RFID中事件存儲的時刻；事件位置(Eloc)，它包含分隔事件位置和事件存儲的RFID段的數(shù)量；事件類型(Etype)和事件信息(Einfo)，報告檢測到的事件。RFID閱讀器一旦識別標(biāo)簽，閱讀器就可以從該標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)或向其寫入數(shù)據(jù)。

表3 RFID標(biāo)簽事件結(jié)構(gòu)

本文在此展示的第一個移動傳感器設(shè)計基于MICA，它使用運行4兆赫茲的 Atmega128芯片。該芯片是一個8位微控制器，符合大量管道相關(guān)應(yīng)用程序的需求。

除了MICA提供的一些傳感功能外，還增加了兩個功能。其一是允許移動傳感器讀取 RFID 的內(nèi)容，并將與它們收集的事件和接近 RFID 的通過時間戳相關(guān)的報告寫入 RFID；其二是允許移動傳感器清理、刪除和寫入事件并驗證標(biāo)準(zhǔn)。

SPAMMS的機(jī)器人代理是完全自主的拓?fù)涓兄獧C(jī)器人，它攜帶訪問任何管道區(qū)域所需的模塊，運行用于導(dǎo)航和事故分析的控制程序，同時可使用機(jī)載資源對事故做出反應(yīng)。

機(jī)器人代理有四個履帶車，分為三個部分：前框架、中框架和后框架。如圖2所示，前端和末端框架連接到每一側(cè)的中間框架，最大可彎曲60°，提高了轉(zhuǎn)彎和穿越障礙物的靈活性。中間框架有四個可收縮軸，為履帶框架提供支撐。履帶框架還可以收縮其可收縮履帶軸長度的50%，使機(jī)器人能夠靈活地用于檢查各種尺寸的管道，如圖3所示。

圖2 可伸縮履帶側(cè)視圖

圖3 機(jī)器人代理的剖面圖

3 方法實現(xiàn)

為保證效率，推遲一些功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上(例如分段和可彎曲的履帶和先進(jìn)的傳感功能)，我們設(shè)計了一個原型，主要包括一個RFID系統(tǒng)；基于MICA1的移動傳感器；集成傳感功能的履帶機(jī)器人和標(biāo)簽讀取能力。

本文建造原型的目標(biāo)是驗證在設(shè)計過程中引入的各個方面。為移動傳感器提供的原型如圖4所示。它實現(xiàn)了一個集成在兩種容器中的基于MICA1的設(shè)備，一種是膠囊型，一種是球形。容器保護(hù)設(shè)備并提供浮動功能，且外形直徑不超過50mm。該設(shè)備包含一個配備有通信模塊的處理器、一個標(biāo)簽讀取器和兩個傳感功能(光和聲音傳感器)。

圖4 基于MICA1的移動傳感器原型

機(jī)器人代理的原型如圖5b所示，有4個可擴(kuò)展單節(jié)履帶車，允許水平、垂直移動，可以改變方向。安裝了一個射頻識別讀寫器來收集存儲在標(biāo)簽水平的信息，一個化學(xué)罐和噴霧器用于驅(qū)動，兩個鋰離子電池，以及一個CCD攝像頭。該機(jī)器人原型設(shè)計具有高處理能力、大內(nèi)存和多種傳感功能。此外，機(jī)器人有4個可擴(kuò)展的外部接口，用于添加不同的模塊來滿足管道檢測需求，如圖3所示。

用于自主拓?fù)涓兄獧C(jī)器人的管道拓?fù)淙鐖D 5a 所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括線性段、水平和垂直L形彎曲。拓?fù)渲惺褂玫墓艿朗?50mm的下水道管，每500mm附有一個 RFID 標(biāo)簽。機(jī)器人如圖5c和5d所示，其中機(jī)器人分別在管道內(nèi)執(zhí)行水平運動和垂直運動。

圖5 管道拓?fù)浜蜋C(jī)器人原型圖

4 實驗

為了驗證SPAMMS的性能，本文進(jìn)行了多項實驗。驗證隨著時間的推移檢查分析標(biāo)簽信息的大小，并比較SPAMMS與不使用移動傳感器和RFID系統(tǒng)的效率。

SPAMMS模擬中使用的管道系統(tǒng)示意圖如圖6所示。它由26個管道段、一個上游站和一個末端泵站組成。假設(shè)RFID標(biāo)簽在管道檢查過程中存儲歷史和事件信息的容量有限(50個條目)。移動傳感器從上游站漂移到管道，其運動由通過管道傳輸?shù)牧黧w提供。漂移的移動傳感器用于事件定位和末端泵站的進(jìn)一步處理。

圖6 管道系統(tǒng)圖

在與標(biāo)簽占用大小相關(guān)的實驗中，先推導(dǎo)每段管道應(yīng)安裝的固定傳感器數(shù)量(s/s)、可容納的檢查歷史信息數(shù)量(H)、移動傳感器數(shù)量(n)的最佳值，以及在檢測到事件信息時最適合存儲事件信息的跳數(shù)(Hop)。本文實現(xiàn)了移動傳感器嘗試寫入第一個可用的RFID標(biāo)簽，直到Hop/2，之后基于某個隨機(jī)數(shù)生成器隨機(jī)選擇一個標(biāo)簽，并通過刪除其最舊的條目來存儲在剩余距離內(nèi)的標(biāo)簽上。

圖7和圖8顯示了RFID標(biāo)簽有限持久存儲中的平均占用情況。標(biāo)簽的負(fù)載隨著H和n的增加而增加，對于給定數(shù)量的移動傳感器，標(biāo)簽負(fù)載隨H顯著增加，并隨傳感器的數(shù)量(s/s)而減少，顯示了負(fù)載與H和s/s的乘積之間的權(quán)衡。假設(shè)H=5，s/s=10，Hop=6，圖9描述了隨機(jī)生成12個事件并使用20個移動傳感器時所有RFID標(biāo)簽的負(fù)載，該圖表明RFID 標(biāo)簽位于就在事件具有更高的負(fù)載之后，隨后的RFID標(biāo)簽的負(fù)載隨著它們與事件之間的距離而減小。

圖7 RFID標(biāo)簽在不同歷史設(shè)置下持久存儲的平均占用率

圖8 不同歷史和固定傳感器/段中RFID標(biāo)簽持久存儲的平均占用率

圖9 12起事件的RFID條目濃度

第二組實驗旨在比較機(jī)器人在三種情況下進(jìn)行的跳躍距離(根據(jù)從上游站行進(jìn)的段數(shù))以找到報告的事件：①機(jī)器人知道事件位置(由系統(tǒng)提供)；②機(jī)器人應(yīng)用深度優(yōu)先策略定位事件；③機(jī)器人嘗試隨機(jī)游走。為了比較顯著，隨機(jī)游走重復(fù)多次，之后計算平均跳躍距離。圖10描述了每10個分段有10個的網(wǎng)格管道的跳躍距離比較?？梢杂^察到該方法可給出最少跳躍距離。其他兩種方法計算的平均跳躍距離與我們的方法相比非常高，并且前一跳躍距離隨著事件發(fā)生段的位置顯著增加。

圖10 三種方案比較

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的成本效益高、可擴(kuò)展、可定制和自主的基于傳感器的系統(tǒng)，稱為SPAMMS，它將傳感技術(shù)與基于機(jī)器人代理的技術(shù)相結(jié)合，可有效地定位管道健康相關(guān)事件，允許主動、糾正監(jiān)控并且維護(hù)管道系統(tǒng)。實驗以及基于原型管道系統(tǒng)的移動傳感器和機(jī)器人代理的原型設(shè)計活動證明了SPAMMS的可行性、成本效益和可擴(kuò)展性。更詳細(xì)的研究RFID系統(tǒng)中容錯信息的存儲以及移動傳感器和機(jī)器人代理中流體速度的影響仍然是未來的工作。