北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

李彥爽

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100035)

1 概述

燃?xì)庾鳛槌鞘械闹匾A(chǔ)設(shè)施,近年來(lái)使用規(guī)模增長(zhǎng)迅猛,截至2021年底,全國(guó)城市用氣人口已經(jīng)超過(guò)6.67×108人,使用普及率約98%。與此同時(shí),燃?xì)獍踩娘L(fēng)險(xiǎn)日益凸顯,截至2021年底,已有近10×104km城市燃?xì)夤艿莱霈F(xiàn)不同程度的老化,燃?xì)獍踩媾R極大挑戰(zhàn)。

燃?xì)庑孤┑臋z測(cè)和預(yù)防,能夠有效防止事故發(fā)生,將事后處置轉(zhuǎn)換為事前預(yù)防。隨著新技術(shù)、新設(shè)備、新算法不斷引入,燃?xì)庑孤z測(cè)精度和效率持續(xù)提升。本文介紹北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱檢測(cè)系統(tǒng))的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)原理,試驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)由北斗定位裝置、泄漏檢測(cè)裝置、用戶終端和云服務(wù)平臺(tái)4部分構(gòu)成,架構(gòu)見(jiàn)圖1。泄漏檢測(cè)裝置與北斗定位裝置分別獲取泄漏燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)和泄漏點(diǎn)位置,將各自收集的數(shù)據(jù)在用戶終端進(jìn)行集合分析,為用戶提供燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)的判別依據(jù)。云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各終端內(nèi)部數(shù)據(jù)共享。

圖1 北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 設(shè)備

① 北斗定位裝置

包括定位模塊和通信模塊。定位模塊通過(guò)北斗信號(hào)接收機(jī)獲取北斗時(shí)空位置信息,實(shí)時(shí)計(jì)算泄漏點(diǎn)的三維位置與時(shí)間;通信模塊通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù),將各類(lèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艚K端。

② 泄漏檢測(cè)裝置

包括傳感器模塊和通信模塊。傳感器模塊結(jié)合先進(jìn)的激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)及其他輔助技術(shù),采集甲烷、乙烷體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù),并通過(guò)通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳回用戶終端。

③ 用戶終端

包括處理器、顯示器、存儲(chǔ)器和通信模塊。北斗定位裝置與泄漏檢測(cè)裝置收集的數(shù)據(jù),通過(guò)用戶終端的處理器進(jìn)行集合、計(jì)算、分析,結(jié)合內(nèi)嵌地圖軟件,可得出甲烷泄漏的范圍,并在顯示器上直觀呈現(xiàn)。存儲(chǔ)器主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的本地化保存,通信模塊主要用于接收前端(北斗定位裝置、泄漏檢測(cè)裝置)數(shù)據(jù)。燃?xì)夤究墒褂弥悄苁謾C(jī)或平板電腦作為用戶終端,以保證其可操作性和便捷性。

④ 云服務(wù)平臺(tái)

云服務(wù)平臺(tái)設(shè)在系統(tǒng)客戶(檢測(cè)系統(tǒng)使用單位),以確保檢測(cè)數(shù)據(jù)安全。北京燃?xì)饧瘓F(tuán)利用自有服務(wù)器搭建了云服務(wù)平臺(tái)。結(jié)合各用戶終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)和圖像,通過(guò)云服務(wù)平臺(tái),可以看到整個(gè)區(qū)域內(nèi)的泄漏檢測(cè)狀況。各用戶終端也可以在內(nèi)嵌地圖軟件上看到其他用戶終端實(shí)時(shí)上傳的更新結(jié)果,便于協(xié)同作業(yè)。北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)效果見(jiàn)圖2,顏色越接近紅色表示測(cè)得的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)越高。

圖2 北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)效果

3 技術(shù)原理

北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)和激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合,為燃?xì)庑孤└呔珳?zhǔn)檢測(cè)提供了有力支撐。

① 北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已成為國(guó)家科技實(shí)力與競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng))是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要,自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。相較于其他定位系統(tǒng),北斗系統(tǒng)具有精準(zhǔn)授時(shí)功能,能夠保證數(shù)據(jù)信息安全,為城市燃?xì)庑袠I(yè)數(shù)字化建設(shè)提供時(shí)空數(shù)據(jù)支持。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)不斷發(fā)展,北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)已經(jīng)成為一種非常成熟的技術(shù),可以消除衛(wèi)星鐘差、用戶接收機(jī)鐘差以及電離層延遲的影響,可以實(shí)現(xiàn)cm級(jí)的定位精度。在復(fù)雜環(huán)境下,例如在城市高樓、山區(qū)等環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)定位,對(duì)于燃?xì)馄髽I(yè)的運(yùn)行、維護(hù)、安全管理具有非常重要的意義。例如,在巡檢過(guò)程中,通過(guò)北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備的實(shí)時(shí)定位、監(jiān)測(cè)和管理,從而提高生產(chǎn)效率和安全性。

北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)的基本原理是利用測(cè)距交會(huì)法[2],原理見(jiàn)圖3,坐標(biāo)系采用北斗坐標(biāo)系。

圖3 測(cè)距交會(huì)法原理

北斗衛(wèi)星播放測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文,導(dǎo)航電文中包括衛(wèi)星的位置信息。目標(biāo)點(diǎn)P在同一時(shí)刻接收到3顆衛(wèi)星(分別用S1、S2、S3表示)信號(hào),測(cè)量出目標(biāo)點(diǎn)至3顆衛(wèi)星的距離,利用導(dǎo)航電文計(jì)算出該時(shí)刻衛(wèi)星的空間坐標(biāo),最終計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo),即確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。

目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)計(jì)算式為:

(1)

(2)

(3)

式中x、y、z--目標(biāo)點(diǎn)P的三維坐標(biāo),m

x1、y1、z1--衛(wèi)星S1的三維坐標(biāo),m

x2、y2、z2--衛(wèi)星S2的三維坐標(biāo),m

x3、y3、z3--衛(wèi)星S3的三維坐標(biāo),m

d1、d2、d3--目標(biāo)點(diǎn)P與衛(wèi)星S1、S2、S3的距離,m

自2012年以來(lái),北京燃?xì)?、中?guó)燃?xì)?、華潤(rùn)燃?xì)狻⑿聤W燃?xì)?、昆侖燃?xì)狻⒏廴A燃?xì)?、深圳燃?xì)狻⒅貞c燃?xì)獾绕髽I(yè)以燃?xì)夤?yīng)業(yè)務(wù)為核心,根據(jù)各自的發(fā)展理念,應(yīng)用北斗系統(tǒng)開(kāi)展了廣泛的業(yè)務(wù)延伸和市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng),逐漸形成差異化的產(chǎn)品特點(diǎn)和發(fā)展特征[3]。

② 激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)

燃?xì)庑孤z測(cè)技術(shù)主要分為化學(xué)成分分析法、聲學(xué)分析法、光學(xué)測(cè)量法、分布式光纖傳感器法、智能球法。激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)作為光學(xué)測(cè)量法的一種,具有靈敏度高、氣體選擇性好、可原位在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于天然氣、石油、化工等領(lǐng)域,可對(duì)甲烷、乙烷等燃?xì)膺M(jìn)行快速、準(zhǔn)確檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)庑孤┑膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)是基于激光吸收光譜技術(shù),利用特定波長(zhǎng)激光束對(duì)待測(cè)燃?xì)鈷呙钑r(shí),共振于分子躍遷波長(zhǎng)的光會(huì)被待測(cè)燃?xì)馕?從而在探測(cè)器上觀察到透射光強(qiáng)度的衰減,測(cè)量燃?xì)夥肿拥墓庾V吸收特性,從而確定燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)。傳統(tǒng)的激光吸收光譜技術(shù)受限于光電探測(cè)噪聲,無(wú)法有效檢測(cè)出微小泄漏。由此,靈敏度更高、抗干擾能力更強(qiáng)的基于光學(xué)腔的激光吸收光譜技術(shù)得以發(fā)展。

目前精度最高的兩種車(chē)載泄漏檢測(cè)系統(tǒng)均采用光學(xué)腔增強(qiáng)的激光吸收光譜(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy,CEAS)技術(shù),分別是基于光腔衰蕩光譜技術(shù)(Cavity Ring-Down Spectroscopy,CRDS)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)與基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù)(Integrated Cavity Output Spectroscopy,ICOS)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)[4],對(duì)甲烷、乙烷體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè)分度值都可達(dá)到10-9級(jí),結(jié)合內(nèi)置算法軟件,分析計(jì)算燃?xì)庑孤┣闆r并定位燃?xì)庑孤┪恢谩?/p>

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

① 檢測(cè)試驗(yàn)區(qū)域

在2018-2020年期間,北京燃?xì)饧瘓F(tuán)選取北京市M區(qū)作為檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)區(qū)域,將北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)和激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在檢測(cè)車(chē)上進(jìn)行燃?xì)庑孤z測(cè),并將3年的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

② 設(shè)備選型

在北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)應(yīng)用方面,試驗(yàn)選用華測(cè)導(dǎo)航CGI-210高精度組合導(dǎo)航接收機(jī)(見(jiàn)圖4),接收北斗衛(wèi)星信號(hào),并進(jìn)行位置坐標(biāo)的計(jì)算。接收機(jī)采用差分定位技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù),內(nèi)置4G通信模塊,接入北斗精準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng)(由覆蓋全國(guó)的北斗精準(zhǔn)服務(wù)站組成,可大幅縮小定位誤差),實(shí)時(shí)解算出高精度的檢測(cè)車(chē)位置、速度等信息,可實(shí)現(xiàn)城市峽谷、隧道橋梁等衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量差環(huán)境下的持續(xù)高精度定位。

圖4 華測(cè)導(dǎo)航CGI-210高精度組合導(dǎo)航接收機(jī)

在激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù)方面,試驗(yàn)選用基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù)和軟件算法的ABB AbilityTM高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng),是目前精度最高的車(chē)載泄漏檢測(cè)系統(tǒng)之一。該設(shè)備基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù),利用離軸積分腔衰蕩,通過(guò)測(cè)量腔體內(nèi)部氣體吸收激光衰減的時(shí)間,反演出腔體內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù),能檢測(cè)出非常微小的燃?xì)庑孤?/p>

③ 設(shè)備安裝

車(chē)載北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的安裝見(jiàn)圖5。氣體采樣口安裝在車(chē)前端;北斗定位裝置與泄漏檢測(cè)分析儀安裝在車(chē)的后備箱中,隨著車(chē)行進(jìn)實(shí)時(shí)定位并進(jìn)行燃?xì)庑孤z測(cè)分析;超聲波風(fēng)速儀安裝在車(chē)頂,測(cè)量出風(fēng)速,以便排除風(fēng)速干擾,對(duì)燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)進(jìn)行精確判斷;用戶終端放置在車(chē)內(nèi),由燃?xì)夤竟ぷ魅藛T實(shí)時(shí)查看檢測(cè)情況。在車(chē)行駛過(guò)程中,北斗定位裝置一直在進(jìn)行定位,實(shí)時(shí)記錄車(chē)行駛的軌跡;泄漏檢測(cè)裝置也在實(shí)時(shí)檢測(cè)燃?xì)庑孤┣闆r,一旦檢測(cè)到燃?xì)庑孤?系統(tǒng)通過(guò)疊加風(fēng)速、風(fēng)向來(lái)判斷泄漏距離和方向,再與該時(shí)間點(diǎn)的位置信息進(jìn)行結(jié)合,計(jì)算出泄漏點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。車(chē)載北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)載北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)

1-北斗定位裝置; 2-泄漏檢測(cè)分析儀; 3-氣體采樣口; 4-用戶終端; 5-超聲波風(fēng)速儀。圖5 車(chē)載北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的安裝

④ 試驗(yàn)結(jié)果與分析

檢測(cè)覆蓋了北京市M區(qū)的主要街道和附近小區(qū),每年檢測(cè)4次。在2018-2020年所有檢測(cè)過(guò)程中,車(chē)輛和設(shè)備運(yùn)行正常。檢測(cè)過(guò)程中,有燃?xì)庑孤﹫?bào)警指示,經(jīng)核驗(yàn)確認(rèn)存在泄漏,已通知相關(guān)部門(mén)進(jìn)行處理。2018-2020年燃?xì)庑孤﹫?bào)警點(diǎn)數(shù)量對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 北京市M區(qū)2018-2020年燃?xì)庑孤﹫?bào)警點(diǎn)數(shù)量對(duì)比

每次檢測(cè)完成后,用戶終端均會(huì)生成泄漏風(fēng)險(xiǎn)云圖,見(jiàn)圖6,顏色越接近紅色表示測(cè)得的燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)越高。

圖6 用戶終端生成的泄漏風(fēng)險(xiǎn)云圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn):

a.檢測(cè)系統(tǒng)較好地進(jìn)行了多技術(shù)融合。結(jié)合北斗高精準(zhǔn)定位技術(shù)和激光甲烷泄漏檢測(cè)技術(shù),能夠敏銳發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨p微泄漏,并結(jié)合云服務(wù)技術(shù),將燃?xì)庑孤w積分?jǐn)?shù)通過(guò)燃?xì)馄髽I(yè)內(nèi)部專網(wǎng)直觀共享。

b.檢測(cè)系統(tǒng)能夠保障城市燃?xì)獍踩１本┦蠱區(qū)2018-2020年期間,燃?xì)庑孤﹫?bào)警點(diǎn)數(shù)量逐年減少,檢測(cè)系統(tǒng)能輔助燃?xì)夤竟ぷ魅藛T快速找到泄漏點(diǎn),及時(shí)消除安全隱患。

c.檢測(cè)系統(tǒng)兼具高效和穩(wěn)定性。在北京市M區(qū)的泄漏檢測(cè)中,2018-2020年這3年均實(shí)現(xiàn)了利用30個(gè)工作日進(jìn)行了4次檢測(cè),檢測(cè)高效且穩(wěn)定。

5 檢測(cè)系統(tǒng)主要特點(diǎn)

① 高靈敏度。檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)出非常微小的燃?xì)庑孤?檢測(cè)分度值達(dá)到了10-9級(jí)。

② 高準(zhǔn)確性。檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的燃?xì)庑孤z測(cè),對(duì)于燃?xì)馄髽I(yè)的安全管理具有非常重要的意義。甲烷和乙烷雙激光分析,有利于減少沼氣引起的誤報(bào)干擾,減少無(wú)效的人工復(fù)測(cè)工作。

③ 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)和報(bào)警,對(duì)于燃?xì)庑孤┑念A(yù)防和控制具有非常重要的意義。

④ 易于使用。檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),最大車(chē)載檢測(cè)覆蓋范圍均達(dá)到檢測(cè)車(chē)兩側(cè)150 m,使用起來(lái)非常方便。

⑤ 數(shù)字化程度高。檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)自帶的泄漏檢測(cè)算法,可將多次檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)情況并自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告,生成甲烷、乙烷體積分?jǐn)?shù)分析圖、泄漏風(fēng)險(xiǎn)云圖等。

⑥ 高效且穩(wěn)定性強(qiáng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖睦匣粩嗉觿?更加高效、精準(zhǔn)的燃?xì)庑孤z測(cè)技術(shù)成為城鎮(zhèn)燃?xì)獍踩\(yùn)行的有力保障。試驗(yàn)證明,北斗高精準(zhǔn)燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)在燃?xì)庑孤z測(cè)性能和精度上均能滿足要求。

此外,北斗系統(tǒng)作為國(guó)之重器,已進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、國(guó)際化發(fā)展新階段,為燃?xì)忸I(lǐng)域創(chuàng)新化發(fā)展、精細(xì)化管理帶來(lái)嶄新機(jī)遇,對(duì)于燃?xì)馄髽I(yè)精準(zhǔn)定位燃?xì)庑孤c(diǎn)、應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)前期偵查、排查燃?xì)庑孤╇[患均有重要作用,為實(shí)現(xiàn)智慧燃?xì)饨ㄔO(shè)、強(qiáng)化企業(yè)運(yùn)營(yíng)本質(zhì)安全提供有力保障。未來(lái),應(yīng)持續(xù)推動(dòng)“燃?xì)?北斗”融合創(chuàng)新,推動(dòng)更多典型應(yīng)用場(chǎng)景落地。