基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道安全監(jiān)控系統(tǒng)

左 磊，王 震，鄭顯豐，左玉婧，龔小飛，謝坤孝

(重慶燃氣集團股份有限公司，重慶 600917)

1 概述

天然氣管道作為社會發(fā)展和國民經(jīng)濟的生命線，其安全、高效、環(huán)保的特點是其他運輸方式不可替代的。隨著“十四五”的到來，國家將進一步推動打造全國“一張網(wǎng)”，天然氣管道敷設(shè)進程將進一步加快。根據(jù)住建部《2020城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，截至2020年，我國城市天然氣管道長度達到85.055×104km。天然氣管道敷設(shè)區(qū)域大多地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，經(jīng)常存在地質(zhì)滑坡的風險。天然氣管道的運營安全備受關(guān)注。

國內(nèi)外天然氣管道運營公司高度重視滑坡地質(zhì)災(zāi)害對管道的影響。如美國、英國、加拿大等歐美發(fā)達國家利用多種技術(shù)對管道滑坡災(zāi)害進行監(jiān)測，主要監(jiān)測技術(shù)有GPS法、自動測縫法、光纖光柵位移測量法、TDR監(jiān)測法以及管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測法等[1]。國內(nèi)近年來也在逐步開展管道滑坡災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。

常規(guī)監(jiān)測裝置安裝周期長、安裝過程復(fù)雜，適用于短期內(nèi)不會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的巖土體。對于已發(fā)生變形或者破壞的巖土體，常規(guī)監(jiān)測裝置難以在短時間內(nèi)快速安裝及實時采集數(shù)據(jù)，因此研發(fā)一套易安裝、低功耗、運行穩(wěn)定的一體化傳感設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)十分必要?；贜B-IoT通信模塊的傳感設(shè)備成本低、易于安裝、工作穩(wěn)定且壽命長。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)采用較低頻段通信，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、功耗低的特點，能夠滿足密集布設(shè)傳感設(shè)備的要求。依托通信運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，運營成本低[2]。本文對基于NB-IoT技術(shù)建立天然氣管道安全監(jiān)控系統(tǒng)進行分析。

2 基于NB-IoT技術(shù)的管道安全監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

對天然氣管道及其附屬構(gòu)筑物的監(jiān)測，要求長期穩(wěn)定運行，設(shè)備功耗低。鑒于天然氣管道監(jiān)測實際工程需求，結(jié)合NB-IoT技術(shù)特點，設(shè)計了基于NB-IoT技術(shù)的天然氣管道安全監(jiān)控系統(tǒng)，簡稱NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)主要包括設(shè)備層、中間層、應(yīng)用層。設(shè)備層包括能夠?qū)崿F(xiàn)對天然氣管道及其附屬構(gòu)筑物傾角、周邊土壤環(huán)境穩(wěn)定性實時監(jiān)測的前端監(jiān)測設(shè)備，具備NB-IoT網(wǎng)絡(luò)接入和無線通信功能。中間層主要由中國電信公司NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)成，實現(xiàn)設(shè)備管理、遠程維護等功能。應(yīng)用層由監(jiān)控平臺組成，監(jiān)控平臺由部署在阿里云端的監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器和軟件構(gòu)成，具備數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)預(yù)警等功能。前端監(jiān)測設(shè)備通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺，再將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)推送至監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺對數(shù)據(jù)分析處理后，經(jīng)用戶請求或主動推送，進行數(shù)據(jù)發(fā)布和監(jiān)控預(yù)警。NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)流程

2.2 前端監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)

基于低功耗、高性能、低成本原則，開發(fā)了基于NB-IoT技術(shù)的2種前端監(jiān)測設(shè)備：NB-IoT天然氣管道傾斜監(jiān)測一體機(簡稱傾斜監(jiān)測一體機，見圖2)和NB-IoT拉繩式深部位移監(jiān)測一體機(簡稱位移監(jiān)測一體機，見圖3)。

傾斜監(jiān)測一體機的監(jiān)測對象是天然氣管道及其附屬構(gòu)筑物，通過識別天然氣管道及其附屬構(gòu)筑物傾角變化來判斷其穩(wěn)定性。傾斜監(jiān)測一體機由微控制器、傾角傳感器、姿態(tài)傳感器、通信模塊、電源管理電路等組成。傾角傳感器可以高精度、低噪聲采集到傾角，是最重要的傳感器。姿態(tài)傳感器包括3軸加速度計和3軸陀螺儀，可以實時感知傳感器的姿態(tài)，防止人為擾動情況下采集到錯誤的傾角。傾斜監(jiān)測一體機通過MCU(Micro Controller Unit，微控制單元)采集傾角傳感器和姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)，并通過NB-IoT通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的采集和上傳。

位移監(jiān)測一體機的監(jiān)測對象是天然氣管道周邊土壤環(huán)境，通過識別嵌入基巖的拉繩的位移變化來判定土壤環(huán)境的穩(wěn)定性。位移監(jiān)測一體機通過MCU采集GNSS (Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))定位模組的數(shù)據(jù)，通過ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)采集拉繩的位移，經(jīng)NB-IoT通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器。

這2種前端監(jiān)測設(shè)備的低功耗主要通過控制MOS管(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的通斷，控制NB-IoT通信模塊、GNSS定位模組、傳感器電路的供電狀態(tài)來實現(xiàn)。

野外環(huán)境需要在滿足低功耗情況下，盡可能提高設(shè)備的性能，故采用STM8L151C6T6芯片作為傾斜監(jiān)測一體機和位移監(jiān)測一體機的主控核心芯片。實現(xiàn)了SPI接口(串行外設(shè)接口)、USART(通用同步/異步串行接收/發(fā)送器)接口和ADC接口的開發(fā)，完成了電壓檢測、傾角獲取、位移獲取、與外部設(shè)備連接等功能。

圖2 NB-IoT天然氣管道傾斜監(jiān)測一體機

圖3 NB-IoT拉繩式深部位移監(jiān)測一體機

2.3 前端監(jiān)測設(shè)備功耗測試

硬件開發(fā)完成后，對前端監(jiān)測設(shè)備功耗開展了測試與改進。將功耗較大的位移監(jiān)測一體機作為設(shè)備樣機，利用Keysight公司生產(chǎn)的N6705C-N6781A低功耗專用測試儀器(以下簡稱測試儀器)，對設(shè)備樣機進行功耗測試。采用測試儀器模擬電池給設(shè)備樣機供電，設(shè)備樣機進行數(shù)據(jù)采集、上傳等流程后，進入休眠待機。每個測試周期為10 min，運行1 min，休眠9 min?？倻y試時間為5 h，執(zhí)行30個測試周期。經(jīng)過多次功耗測試與電路改進，最終得到的功耗測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 設(shè)備樣機功耗測試數(shù)據(jù)

設(shè)備樣機在實際工作中，1 h只采集1次數(shù)據(jù)，按使用額定容量為19 A·h的電池計算，設(shè)備樣機可正常工作3 a，滿足管道監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)膽?yīng)用要求。

2.4 監(jiān)控平臺功能

① 設(shè)備管理

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API數(shù)據(jù)接口支撐，實現(xiàn)設(shè)備管理，具有對設(shè)備基本信息統(tǒng)計、設(shè)備類型管理、設(shè)備遠程命令下發(fā)、設(shè)備遠程升級等功能。

② 設(shè)備異常評估

監(jiān)控平臺具備設(shè)備工作狀態(tài)實時分析和故障預(yù)判的功能。通過對設(shè)備電量、環(huán)境溫度、數(shù)據(jù)通信丟包率、設(shè)備在線率、數(shù)據(jù)抖動等多種數(shù)據(jù)實時分析，對設(shè)備進行故障分析和評估。設(shè)備維護人員可通過頁面查看前端監(jiān)測設(shè)備工作狀況及數(shù)據(jù)情況，還可查看監(jiān)控平臺記錄的通信時間、設(shè)備MAC(設(shè)備物理地址)、狀態(tài)數(shù)據(jù)報文解析狀態(tài)、設(shè)備IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址)、報文源碼等信息。

③ 丟失數(shù)據(jù)填充

在數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況。針對這些丟失數(shù)據(jù)，采用LSTM(Long Short-Term Memory, 長短期記憶)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對丟失數(shù)據(jù)進行預(yù)測后填充。該算法估計性能較好，魯棒性較強。

④ 數(shù)據(jù)發(fā)布和監(jiān)控預(yù)警

監(jiān)控平臺將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時發(fā)布到監(jiān)測人員的展示平臺。將監(jiān)測到的異常情況通過微信、短信等方式推送給相關(guān)負責人員，達到預(yù)警作用。

監(jiān)控平臺提供了遠程控制、維護管理和預(yù)警等功能，能及時消除設(shè)備故障，從而盡可能保障設(shè)備的穩(wěn)定性，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量與可靠性，為分析、應(yīng)用、預(yù)測提供更準確的數(shù)據(jù)支撐。

3 工程應(yīng)用的對比

3.1 NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

在重慶燃氣集團股份有限公司轄區(qū)內(nèi)，針對位于坡面的一段長130 m、外直徑為711 mm的天然氣管道，進行NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用驗證。該處坡面出現(xiàn)滑移，坡頂出現(xiàn)貫穿張拉裂縫，裂縫長約30 m，最大寬度約10 cm；坡腳為滬渝高速公路，坡腳發(fā)現(xiàn)擠壓破壞土體。天然氣管道位于坡面中部，采用樁基結(jié)合混凝土溝槽跨越方式。受坡面滑移影響，混凝土溝槽出現(xiàn)不同程度裂縫、沉降、整體傾斜等變形跡象。

為實現(xiàn)該段管道的安全監(jiān)控，結(jié)合現(xiàn)場情況，布置了前端監(jiān)測設(shè)備，見圖4。選取6處樁基與混凝土溝槽交接處安裝6個傾斜監(jiān)測一體機；監(jiān)測點3-3、3-4孔深度為10 m，監(jiān)測點3-1、3-2孔深度為20 m，每個孔內(nèi)安裝1臺位移監(jiān)測一體機的拉繩，位移監(jiān)測一體機的其他設(shè)備位于相應(yīng)孔旁的地表位置。前端監(jiān)測設(shè)備1 h上傳1次數(shù)據(jù)到監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)顯示設(shè)備運行正常，數(shù)據(jù)上傳穩(wěn)定。

圖4 前端監(jiān)測設(shè)備布置

設(shè)有4級預(yù)警值以及對應(yīng)的4級預(yù)警等級。其中，預(yù)警值又分為參數(shù)預(yù)警值和參數(shù)日增量預(yù)警值，以達到的最高預(yù)警等級預(yù)警相關(guān)人員。1級藍色預(yù)警表示管道周邊土壤已經(jīng)出現(xiàn)輕微滑動現(xiàn)象，需要相關(guān)人員密切關(guān)注該處變化情況；2級黃色預(yù)警表示管道周邊土壤滑動現(xiàn)象進一步加劇，需要工作人員增加巡檢頻次，1日1巡；3級橙色預(yù)警表示管道周邊土壤滑動現(xiàn)象在持續(xù)加劇，需要工作人員進一步增加巡檢頻次，1日2巡，并按照應(yīng)急預(yù)案做好應(yīng)急搶險工作準備；4級紅色預(yù)警表示管道周邊土壤已經(jīng)出現(xiàn)明顯的滑動現(xiàn)象，需要立即采取補救措施。預(yù)警等級劃分標準見表2。

表2 預(yù)警等級劃分標準

3.2 RTK-GPS位移監(jiān)測方式

為了多角度、全方位、多領(lǐng)域監(jiān)測該天然氣管道，并對不同監(jiān)測方式效果進行對比，組織相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員成立RTK-GPS(基于GPS的實時動態(tài)監(jiān)測)位移監(jiān)測小組，利用當今成熟的GPS監(jiān)測技術(shù)進行位移監(jiān)測，稱為RTK-GPS位移監(jiān)測方式。監(jiān)測小組在滑坡段共設(shè)置24個監(jiān)測點(布置見圖5)，其中6個管道監(jiān)測點，編號為1#～6#；6個混凝土溝槽監(jiān)測點，編號為7#～12#；12個邊坡監(jiān)測點，編號為13#～24#。

圖5 RTK-GPS位移監(jiān)測方式的監(jiān)測點布置

3.3 人工巡檢

巡護人員按照規(guī)定對該管道開展日常巡檢工作。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式的監(jiān)測點5-2、5-3、3-3分別對應(yīng)RTK-GPS位移監(jiān)測方式的監(jiān)測點10#、9#、13#。截至2021年4月15日，NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)測點5-2、5-3、3-3出現(xiàn)了2級黃色預(yù)警。此時，3個監(jiān)測點的NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式監(jiān)測結(jié)果、RTK-GPS位移監(jiān)測方式監(jiān)測結(jié)果及人工巡檢結(jié)果對比見表3，表3中監(jiān)測點5-2、5-3通過NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式得到的位移為傾斜監(jiān)測一體機測得傾角后通過式(1)計算得到。

表3 3個監(jiān)測點的NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式監(jiān)測結(jié)果、RTK-GPS位移監(jiān)測方式監(jiān)測結(jié)果及人工巡檢結(jié)果對比

監(jiān)測點位移與傾角計算關(guān)系見圖6。假設(shè)監(jiān)測點A對應(yīng)的樁基底端為點O，點O與點A的距離為l。傾斜后，點A到達點B位置，傾角為α，則點A的實際位移應(yīng)為點A與點B的距離。設(shè)點B切線與OA延長線的交點為點C，為保證安全，認為線段BC為點A的位移d，以此值進行預(yù)警判斷。

圖6 監(jiān)測點位移與傾角計算關(guān)系

d=ltanα

(1)

式中d——監(jiān)測點的位移，mm

l——未傾斜時監(jiān)測點與樁基底端的距離，mm，此處為1×104mm

α——監(jiān)測點傾角，(°)

NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式得到監(jiān)測點5-2、5-3的傾角分別為0.271°、0.304°, 監(jiān)測點3-3的位移為34.5 mm，對照表1可知，監(jiān)測點5-2、5-3、3-3確實達到了2級黃色預(yù)警。

從表3可知，對于監(jiān)測點5-2、5-3，NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式和RTK-GPS位移監(jiān)測方式的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及人工巡檢結(jié)果一致，都檢測出存在滑坡現(xiàn)象。而對于監(jiān)測點3-3，相比RTK-GPS位移監(jiān)測方式和人工巡檢，NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測方式能夠監(jiān)測到土壤內(nèi)部發(fā)生的細微位移，說明NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度更高。

4 結(jié)語

① 相比RTK-GPS位移監(jiān)測方式和人工巡檢，NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)能監(jiān)測到土壤內(nèi)部發(fā)生的細微位移，監(jiān)測精度更高。

② NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)能實時、準確、高效、可靠地將天然氣管道受外力影響的危險情況，通過監(jiān)控平臺傳遞給管理人員，降低人工成本，有效預(yù)防管道安全事故發(fā)生。

③ NB-IoT監(jiān)控系統(tǒng)能及時分級預(yù)警，使管道燃氣企業(yè)根據(jù)預(yù)警等級采取合理措施。