基于無線傳感器網絡的天然氣工業安全監測

李 娜 馬向陽 鐘志良 宋光紅 盧 靜

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中國石油塔里木油田公司庫車勘探開發項目經理部，新疆 庫爾勒 841000；

3.北京興油工程項目管理有限公司，北京 100085

0 前言

天然氣是優質高效、清潔環保的能源和重要的化工原料，廣泛應用于工業、商業和民用各個領域，在經濟社會發展和人民生活中具有重要作用。 在政府能源策略的大力支持下，中國天然氣在一次性能源結構中所占比例正在逐年攀升，現已達到2.5%［1］，但對比其他國家，如美國25.8%，英國38.1%，俄羅斯54.6%，可以發現，這只是縱向的升高， 和其他國家和地區相比仍處于較低水平。隨著中國在國內不斷勘探并開發新的天然氣田，在國外持續發展并加深與俄羅斯、中東、非洲等地的天然氣能源合作戰略，中國天然氣在一次性能源中所占的比例還將極大提高，天然氣的生產和應用具有非常廣闊的發展前景。 2008 年全球能源消耗對比見表1。

天然氣加工、儲備、運輸規模將不斷擴大，安全隱患也會相應增多。 天然氣儲藏事故、管道泄漏事故等時有發生，跨越廣域范圍的運輸管道也常有中途泄漏、敵意竊取、自然損壞、人為破壞等情況發生。 由此帶來的直接或間接經濟損失、環境污染都不可估量，對國家能源安全戰略也造成嚴重威脅。 在此情況下，不斷提高天然氣生產和運輸過程中的安全控制具有重要意義。

表1 2008年能源消耗構成對比

隨著無線傳感器節點以及WSN（Wireless Sensor Network，無線傳感器網絡）技術的成熟、類型的豐富、成本的降低和可靠性的提高［2］，美國、歐洲等地已經在開展采用WSN 實時監控工廠、管道狀態的應用研究，以求及時發現安全隱患、排除安全故障［3］。中國也在城市天然氣供給系統中逐步開展了這樣的試驗與應用。 但是，在國內的天然氣加工、儲存和運輸環節，仍缺少系統的隱患實時監測、故障快速排除機制［4］，常常是事故已發生后再去現場排查、解決問題，不僅不能防患于未然，而且事故發生后也難以迅速控制事故、減少損失。 將WSN 用于天然氣加工、儲存與運輸，建立大規模、全范圍、多方位的協同式無線傳感器監測系統，可以很好解決該問題。

1 安全監測網絡系統結構

安全監測網絡由后臺監管中心、WSN 網絡和被監測的管道、設備組成。

WSN 中的節點通常分為兩種：Sensor 節點和Sink 節點。Sensor 節點是感知節點，負責收集感知范圍內的某種特定信息，如氣體組成、溫度、壓力等。 Sink 節點是數據匯聚點，負責將Sensor 節點傳過來的信息通過某種指定的網絡傳遞到后端監控、處理網絡。

考慮到監測區域一般為廣域范圍，WSN 采用分層結構， 同時引入一種比Sink 節點更高級別的數據匯聚設備——匯聚節點。 Sensor 節點感知的數據由Sink 節點匯聚后，多個Sink 節點的數據再上交給匯聚節點進行再次匯聚、 融合， 最后通過廣域網絡（如Internet、GPRS、3G等）傳送到后臺監管中心，由監管中心進行實時分析與評測，見圖1。其中，壓力傳感器、氣體傳感器和溫度傳感器都屬于Sensor 節點。

圖1 安全監測網絡系統結構

2 WSN 安全監測系統實施方法

2.1 WSN 節點部署

2.1.1 Sensor 節點部署

Sensor 節點部署需根據具體監測環境與需求而設定。 一般而言，在生產、儲存環節，需要在廠房和儲存室內部署一定的氣體傳感器節點和溫度傳感器節點，對室內氣體含量和空氣溫度進行實時監控，并將這些信息通過傳感器網絡， 再由某種廣域網絡送到后臺監控系統。而壓力傳感器則可廣泛部署于生產、儲存、運輸和終端居民供給系統的管道中，通過對壓力變化的感知預測可能的危險，同時根據不同位置的壓力差，可以很容易地發現泄漏、破壞等事故。 溫度傳感器也可以在管道內適當部署，以增加對潛在危險的預測能力。

在故障率低、故障影響小的普通區域，可以對傳感器節點采用分段、采樣式的部署，根據若干個采樣點的數據來推斷整個區域的狀況。 在關鍵區域，可以采用全覆蓋式部署，即該區域所有Sensor 可監測范圍的并集等于該區域的面積。

2.1.2 Sink 節點部署

Sensor 節點采集到的信息， 周期性上報到Sink 節點，Sink 節點匯聚后，上報給更高級別的匯聚節點，通過某種類型的廣域網絡技術（Internet、GPRS、3G 等）向后臺監控系統發送。 在這個過程中，Sink 節點扮演了終端信息采集與后臺信息處理之間連接紐帶的角色， 其數量、位置的合理設置，對于整個WSN 網絡信息的通暢性、有效性有重要意義。為使用盡可能少的Sink 節點管理盡可能多的Sensor 節點，降低WSN 的部署成本，可根據同類型Sensor 節點的覆蓋范圍和拓撲結構進行分簇，每個簇的中心位置設置一個Sink 節點，該簇所有同類型Sensor節點采集的信息都向此Sink 節點匯集。Sink 節點的部署遵循以下原則：

a）1≤∑NSink<<∑NSensor，其中NSink為同類型Sink 節點的數量，NSensor為同類型傳感器節點的數量。 即各種類型的Sink 節點數量之和應該大于等于1， 并遠遠小于各種類型的Sensor 節點數量之和。

2.1.3 匯聚節點部署

匯聚節點與Sink 節點的關系， 類似于Sink 節點與Sensor 節點的關系。 在匯聚節點的部署中可以參考Sink節點的思路， 同時可以結合具體實施環境進行考慮，如便于接入廣域網、容易供電、便于配置等。

2.2 廣域網絡技術選擇

目前廣域范圍內可以有多種網絡技術可供選擇，主要包括專網、Internet、GPRS/EDGE、3G、B3G/4G 等。

專網技術是按照具體行業和單位需求建立的私有網絡。 這種技術廣泛應用于軍事、外交、金融等安全性與可靠性要求非常高的場合。 專網建設完成后僅供指定組織使用， 其他任何組織和用戶都無法共享該專網的資源。 專網技術可以保證很高的安全性、可靠性，時延、傳輸速率都在可控范圍之內。 專網的缺陷是造價高昂，尤其是石油、 天然氣行業廣域范圍監控中的專網布設，需要大量的網絡基礎設施與維護等方面的資金投入。

Internet，中文正式譯名為因特網，又叫做國際互聯網，是目前全球最大的廣域網絡。 Internet 采用分組傳送技術，網絡資源不再由某一部分用戶占用，而是由全部用戶動態、實時共享。 天然氣監測中WSN 的數據匯聚到Sink 節點之后， 由Sink 節點通過有線或者無線 （如WLAN，wireless Local Area Network，無線局域網）方式傳送到Internet， 再通過Internet 向后端的監測處理網絡傳送。 這種方式的缺點是Internet 骨干網和核心接入網通常是有線連接，無法延伸到某些區域，如地形條件特殊的區域，諸如山區、沙漠等，而這些類型的區域通常是天然氣加工、儲存、運輸中經常涉及的區域。

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務） 是在第二代移動通信技術GSM （Global System of Mobile Communication，全球移動通訊系統）網絡基礎上，應用戶需求發展而來的數據服務方式。WSN 的數據匯集到sink 節點以后，通過GPRS 經過GSM 傳送到后臺監控處理終端網絡。 目前GSM 覆蓋在全國范圍內比較完善，在GSM 基礎上使用GPRS 服務不需要進行新的基礎設施建設，接入方式靈活，不受固有條件和線纜的限制。 缺陷是GPRS 速度較慢，一般在幾kbps 到幾十kbps。EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增強型數據速率GSM 演進技術）對此進行了改進，信息傳輸速率可以達到GPRS 的4 倍以上。

3G 網絡以及正在發展中的B3G/4G 網絡是基于分組的蜂窩網技術， 相對于2G GSM 網絡的優勢在于全部采用分組交換技術，網絡資源的利用更加充分，并且在物理層、傳輸層采用了更多的新技術，使得網絡傳輸速率可以達到GPRS/EDGE 的幾十倍到幾百倍。 在目前網絡向無線化、高帶寬發展的趨勢下，3G/B3G/4G 網絡將會是非常有競爭力的廣域傳送技術。

2.3 數據融合技術

天然氣監測涉及加工、儲存、運輸等各個環節，在每個環節的監測中也涉及多種信息，如氣體組成、溫度、壓力等， 各個環節的多種信息流量如果直接注入廣域網，則對現有網絡的壓力很大。 同時，天然氣監測往往不會關注某一個Sensor 節點的信息，而是關注某個區域內所有Sensor 節點的信息。 比如，在某個區域出現了漏氣事故，則該區域內的所有壓力傳感器節點感知到的壓力都會相應降低。 此時只需要把此區域內的整體壓力變化傳送到后端監控網絡，即可獲知泄漏信息，而不需要把每個節點的壓力數值都傳送過去。 這種思路即為數據融合技術， 采用融合技術可以極大降低傳輸網絡的數據負擔。

傳統的數據融合方法通常只針對單一業務，以減少報文數量和長度為目標進行融合，其算法僅適用于特定業務，不具有擴展性。 天然氣監測傳感器網絡中業務種類繁多，融合算法和融合要求也各不相同，并且同一種業務還可能跨越區域分布在多個WSN 子網中。 目前傳統的數據融合方法既沒有針對多種業務的統一融合方法，也無法對不同區域內的同種業務進行充分融合。 因此， 不僅要從各個協議層次上減少報文的長度和數量，還要對數據進行分類轉發，使相同業務類型的數據盡可能沿靠近其業務區的路徑傳遞，以便進行更加充分的融合。

數據融合方式可分為粗融合和細融合。 粗融合負責對數據進行簡單的融合加工，例如在鏈路層通過進行數據包頭部信息的壓縮，合并多個發往同一目的地的數據包，減少信息報文的傳遞和信道競爭等。 細融合負責對數據進行細致融合， 根據天然氣安全監測業務特點，越靠近核心業務節點，匯聚節點對該類業務數據的融合度越高。 匯聚節點根據數據類型、實時性、路由信息及帶寬等決定是否進行細融合，并針對業務種類選擇不同的應用層融合算法。 與傳統的單一業務數據融合方式相比，這種分級數據融合模型提高了網絡對信息融合處理的靈活性與擴展性。 為了在匯聚節點統一處理各種業務的數據融合，可采用一種基于可重構中間件的數據融合框架，見圖2。 對每種業務類型，融合中間件將采用不同的融合處理方式。 對每種業務而言，當時延、剩余帶寬等約束條件變化時， 同一種業務的融合算法也會隨之變化。可重構融合中間件，方便地實現多種融合算法的動態加載和替換，滿足上述各種應用需求，提高匯聚節點的靈活性。

圖2 可重構融合中間件

2.4 數據存儲與查詢

由于每個Sensor 節點的計算資源、存儲資源以及能量有限， 網絡中的通信帶寬也非常有限， 傳統的基于Sensor 節點的分布式存儲策略不適用于這種廣域的傳感器監測網絡［5］。同時，用戶對傳感器網絡所搜集的各種數據有不同查詢頻度，數據自身的容遲度也有差異，因此需要針對數據屬性的差異進行分級分布式存儲，以提高查詢效率。

基于上述考慮，可采用分級、分布式時空存儲查詢策略。 該存儲查詢策略除了可以提供基于數據類型的快速事件查詢外，還可以在不增加復雜度的前提下實現基于地理區域的快速信息查詢。 在該策略中，將采用以下三級存儲結構將數據存儲于不同層次的節點上。

第一級——Sink 節點：Sink 節點可存儲網絡中優先級（與查詢概率和容遲特性有關的度量參量）高的信息，并管理信息匯聚網中的數據存儲，例如：根據事件計算各種觀察屬性數據的最優存儲位置，計算各種屬性（信息類型）的存儲查詢路由、數據遷移路由等。

第二級——匯聚節點：匯聚節點負責存儲優先級較低的信息（除Sink 節點存儲的類型之外的信息）。存儲的數據根據查詢應用不同，分為兩種：一種是由Sink 節點根據最優存儲映射算法決定的某種或多種類型的數據，這些數據來自于整個網絡；另一種是該匯聚節點所有下屬Sensor 節點經過匯聚融合后的數據，以提供基于地理區域的快速信息查詢。

第三級——Sensor 節點： 存儲本節點一定時限范圍內的歷史感知數據。 Sensor 節點并不是將所有感知數據發送到匯聚節點，而是根據當前感知的數據和存儲的歷史數據進行判斷，決定是否需要將感知信息更新到上級匯聚節點，減少不必要的通信。

由于傳感器網絡是以數據為中心的網絡，第一級和第二級的數據存儲采用以數據為中心的分布式存儲方式進行管理。 由于分布式存儲和查詢功能主要在匯聚節點和Sink 節點實現， 而傳感器節點的相關功能大為簡化，故可極大降低WSN 的整體組網成本。 第三級可以采用傳統的本地存儲方式。

3 WSN 安全檢測系統應用前景

3.1 應用范圍

WSN 可廣泛應用于天然氣安全監測的各個環節，包括加工、儲存和運輸的各種安全信息采集與實時狀況監測。 在天然氣加工環節，可以對生產工況進行實時監測，及時發現異常狀況， 為實時的流程控制提供必需的數據；在天然氣儲存環節，可以實時監測儲存設備內部的溫度、壓力等關鍵參數，對異常狀態進行及時的匯報與預警；在天然氣運輸環節，通過對溫度、壓力、流量及氣體組成等參數的監測，及時發現已有（或潛在）的中途泄漏、敵意竊取、自然損壞、人為破壞等安全問題。在此基礎上，迅速、有針對性地采取合適措施，防范潛在事故的發生，控制已發事故的擴大，將損失降低到最小限度。

3.2 與現有系統的結合

在天然氣工業領域，目前應用最為廣泛的數據采集與監視控制系統是SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統［6］。 該系統是以計算機為基礎的分布式控制與自動化監控系統，采用有線方式，對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等功能。

將WSN 與SCADA 結合使用，可以充分發揮兩者的優勢，避免各自的缺陷：WSN 節點成本較低，可對關鍵地區進行全覆蓋的監測，也可用于穿越沙漠、森林等特殊條件下的儲運設備與管道， 避免了SCADA 系統監測點少、 部分環境下部署成本高等問題；SCADA 系統在監測之外，還可以根據監測的情況或者生產需求，對現場的設備進行參數調節、實時控制等操作，彌補了WSN 只能單向監測，無法反向控制的缺陷。

3.3 應用示例

WSN 用于天然氣工業及同類工業監測， 如石油運輸、暖氣供應等都可取得良好效果。 以山東臨濟管線泄露監測系統（圖3）為例，該系統由一首站、臨南站、臨濟3站及化2 站的四個采集點組成，臨濟3 站又分為南、北兩個子系統。 各子系統可完成各站點的壓力、流量、溫度等工況信息的實時采集處理，利用無線傳輸技術將監測信息傳送到檢測中心， 由檢測中心進行綜合數據處理，實現自動報警和泄露點定位。 該管道監測系統的實施可在安全隱患爆發前發出安全預警，極大地提高管線系統的安全性與可靠性。

圖3 山東臨濟管線泄露檢測系統示意圖

4 結論

WSN 應用于天然氣工業安全監測的各個環節，可提高對安全事故的預警，并降低已發生事故的損失。 廣域范圍的天然氣加工安全監測， 需要采用大規模分層WSN，收集天然氣加工各環節的各種信息，將這些信息通過廣域網傳送到后端監控中心，由監控中心進行數據分析與預警。Sink 節點、Sensor 節點與匯聚節點的合理部署可以提高改善監測的覆蓋范圍、 提高監測的有效性，并降低網絡成本。 監測數據的分層融合模型可大大降低通過廣域網傳送的數據量，減少網絡負載，提高數據的準確度和有效性；分級查詢模型能夠將大量的數據分布式存儲，降低各級節點的負擔，并提高查詢定位的精確度，減少查詢時間。

WSN 在天然氣工業安全監測中的應用，必將有效提高天然氣工業安全的可控性， 減少各種安全事故的發生，創造巨大的經濟效應，為國家能源戰略的順利進行保駕護航。

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