物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知與控制

邵澤華， 權亞強， 梁永增

(成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川成都610100)

1 概述

天然氣是一種清潔能源，但天然氣同樣具有危險性，其可能造成的燃氣事故大致歸為3類：爆炸、燃燒、中毒[1]。伴隨天然氣消費群體的擴大，燃氣安全事故發生的數量也在增多。據博燃網2018年統計數據：2018年我國戶內安全事故占總燃氣事故比例超過50%。燃氣事故的發生具有突發性，可能會釀成危及社會公共安全的重大事故。基于燃氣泄漏的危害性，對燃氣異常狀態的及時感知和控制是預防燃氣泄漏事故發生的重要手段。

2 燃氣異常狀態感知和控制技術

當前，燃氣異常狀態感知和控制技術主要有：燃氣泄漏安全切斷、流量異常安全切斷以及壓力異常安全切斷等[2]。

① 燃氣泄漏安全切斷

通過將燃氣泄漏報警器與智能燃氣表連接，由燃氣泄漏報警器氣體感知模組對環境氣體中的甲烷等氣體的濃度信息進行感知。燃氣泄漏安全切斷是一種在燃氣泄漏發生后才能實現切斷燃氣供應的技術，可細分為燃氣泄漏安全切斷和火災安全切斷。

a.泄漏安全切斷。燃氣泄漏報警器能夠通過內置的氣體感知模組對甲烷等可燃氣體的濃度變化情況進行感知，當所測氣體在空氣中的濃度持續、顯著、快速增高，達到所設定閾值時，則判斷發生了燃氣泄漏，發出聲光報警，同時將燃氣泄漏信息傳輸給燃氣表內置微電腦控制器。燃氣表內置微電腦控制器控制內置切斷閥立刻切斷燃氣供應，阻止燃氣繼續泄漏，燃氣公司遠程控制端也能通過數據傳輸模塊接收到報警信息及時進行處理。

b.火災安全切斷。燃燒產生的二氧化碳會使環境中的二氧化碳濃度持續升高。燃氣泄漏報警器氣體感知模組實時對空氣中的二氧化碳濃度變化情況進行感知。當空氣中二氧化碳濃度持續、顯著、快速增高時，則判斷燃氣表所處環境有火災發生，發出聲光報警，同時火災信息傳輸給燃氣表內置微電腦控制器。燃氣表內置微電腦控制器控制內置切斷閥切斷燃氣供應，燃氣公司遠程控制端也能通過數據傳輸模塊接收到報警信息及時進行處理。

② 流量異常安全切斷

流量異常安全切斷技術主要包括以下技術：流量過載(指流經燃氣表的流量大于1.2倍的燃氣表最大流量)切斷、異常大流量(指流經燃氣表的流量超過了燃氣用戶使用的燃具最大負荷流量)切斷、異常微小流量切斷、持續流量超時切斷、長期未使用切斷等。

流量感知技術是預防和阻止戶內燃氣泄漏事故發生的主要技術之一。若發現流量異常(超過預先設定的閾值)，燃氣表內置微電腦控制器控制內置切斷閥切斷燃氣供應，燃氣供應商遠程控制端也能通過數據傳輸模塊接收到報警信息及時進行處理。

③ 壓力異常安全切斷

通過在燃氣表內部安裝壓力傳感器，當供氣壓力降至設定值(行業標準CJ/T 449—2014《切斷型膜式燃氣表》規定為400 Pa)時，燃氣壓力異常信號傳輸至燃氣表內置微電腦控制器，由燃氣表內置微電腦控制器控制內置切斷閥切斷燃氣供應，防止壓力過低而造成的燃氣設備熄火及漏氣現象，燃氣公司遠程控制端通過數據傳輸模塊接收到報警信息及時進行處理。

3 燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統

為了最大程度發揮物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制技術的作用，筆者團隊研發了物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統(已申請國家發明專利)，在整合現有燃氣異常狀態感知和控制技術的基礎上，通過與物聯網智能燃氣表及其控制系統[3]聯合，使燃氣使用狀態時刻處于監控之下。

① 系統結構

物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統集燃氣狀態檢測、報警、模擬評估及控制為一體，主要功能包括異常狀態感知、異常狀態控制、燃氣使用安全狀態評估等功能。物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統結構見圖1。

圖1 物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統結構

各平臺的功能由相應的物理實體實現。

a.對象平臺物理實體是指物聯網智能燃氣表集成燃氣異常狀態感知模塊和控制模塊，主要完成物聯網智能燃氣表用氣狀態、所處環境信息的感知，接收和執行控制信息。

b.傳感網絡平臺物理實體由傳感網絡管理服務器、電信運營商通信平臺、物聯網智能網關等組成，能夠傳輸和處理對象平臺獲取的感知信息及接收控制信息。傳感網絡管理服務器在物理空間上與燃氣公司綜合管理服務器在一起，物聯網智能網關在小區放置。

c.燃氣公司綜合管理平臺物理實體主要為燃氣公司綜合管理服務器，統籌、協調各平臺之間的聯系、合作以及資源共享，動態監測整個物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統中的數據。在擁有用戶授權的條件下，根據接收到的燃氣異常狀態感知信息內容，代替用戶向表端發出控制指令。

d.服務平臺物理實體包括政府服務器、燃氣公司服務平臺服務器以及社會運營商服務器。燃氣公司服務平臺服務器具有一定的信息處理能力，能夠為燃氣用戶提供接口，向燃氣用戶提供各種燃氣服務信息，如燃氣狀態信息、歷史消費信息等。同時，燃氣公司服務平臺服務器也能向政府服務器、社會運營商(門戶網站、社會信息分析機構等)服務器提供脫敏的燃氣信息，利于政府和社會公眾對燃氣運行狀況的監督。

e.用戶平臺物理實體包括各種自助終端、移動終端等，能以WEB或終端APP的形式將物聯網智能燃氣表運行狀態信息呈獻給燃氣用戶，并提供各種操作功能，實現用戶對物聯網智能燃氣表表端的控制。

② 系統信息處理形式

根據泄漏信息的處理平臺不同，對泄漏信息的處理共有5種方式，物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態信息處理形式見圖2。

圖2中對象感知信息系統、對象控制信息系統分別存在于物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知模塊與控制模塊中。感知傳感、感知管理、感知服務信息系統及控制傳感、控制管理、控制服務信息系統分別存在于傳感網絡平臺、燃氣公司綜合管理平臺及服務平臺對應的各模塊中。用戶平臺存在多種終端，用于對感知控制信息進行處理和呈現，相應的信息系統統稱為用戶系統。

圖2 物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態信息處理形式

a.對象平臺自主控制：物聯網智能燃氣表作為對象平臺的物理實體，是獲得各種感知信息的功能平臺。對象平臺的對象感知信息系統獲得燃氣狀態信息后，通過對狀態信息進行計算處理，確認燃氣異常狀態發生的真實性，然后由對象控制信息系統生成控制信息，控制閥門關閥，并將燃氣異常狀態信息和處理結果上報給燃氣用戶。

b.傳感網絡平臺控制：對象平臺對象感知信息系統在獲得燃氣狀態信息后，自身并不能確認燃氣狀態是否異常，需將燃氣狀態信息傳輸給傳感網絡平臺感知傳感信息系統進行計算處理，判斷燃氣的真實狀態，由控制傳感信息系統生成控制信息傳輸給對象控制信息系統，執行相應的控制，并將控制結果反饋給對象感知信息系統。

c.管理平臺控制：對象平臺對象感知信息系統在獲得燃氣狀態信息后，對象平臺和傳感網絡平臺均不能確認燃氣狀態是否異常，需將燃氣狀態信息逐級傳輸給管理平臺感知管理信息系統進行計算處理，判斷燃氣的真實狀態，由控制管理信息系統生成控制信息，通過傳感網絡平臺傳輸給對象平臺對象控制信息系統，執行相應的控制，并將控制結果反饋給對象感知信息系統。

d.服務平臺控制：對象平臺對象感知信息系統在獲得燃氣狀態信息后，對象平臺、傳感網絡平臺、管理平臺均不能確認燃氣狀態是否異常，需將燃氣狀態信息逐級傳輸給服務平臺感知服務信息系統進行計算處理，判斷燃氣的真實狀態，由控制服務信息系統生成控制信息，依次通過管理平臺、傳感網絡平臺傳輸給對象平臺對象控制信息系統，執行相應的控制，并將控制結果反饋給對象感知信息系統。

e.用戶平臺控制：對象平臺對象感知信息系統在獲得燃氣狀態信息后，對象平臺、傳感網絡平臺、管理平臺、服務平臺均無法確認燃氣狀態是否異常，為避免誤報，需將燃氣狀態信息逐級傳輸給用戶平臺用戶系統，由燃氣用戶確定燃氣的真實狀態，并生成相應的控制信息依次經過服務平臺、管理平臺、傳感網絡平臺傳輸給對象平臺對象控制信息系統，執行相應的控制，并將控制結果反饋給對象感知信息系統。

物聯網智能燃氣表燃氣狀態信息的5種處理形式，對異常狀態信息反應的及時性存在差異，越靠近對象平臺，對異常狀態信息的反應越及時，越能及早對燃氣表執行控制。對于燃氣泄漏報警器感知到的燃氣泄漏信息和壓力傳感器感知到的低壓力信息，物聯網智能燃氣表能夠做到準確識別，可實現自主控制；對于流量信息，有時出現流量異常(如長時間使用)未必發生了燃氣泄漏事故，可能是燃氣用戶正常用氣行為，此時表端無法精準判斷燃氣表此時的工作狀態，為避免誤報，需將感知信息上傳，由其他功能平臺對感知信息作出判斷。有些感知信息在上報后，可能存在長時間未收到控制信息的情況，此時在表端應設置時間閾值，在感知信息上報一定時間后，若未能收到控制指令，則默認執行切斷燃氣指令，最大限度保證燃氣用戶的用氣安全。

無論物聯網智能燃氣表燃氣狀態信息采用何種處理方式，控制信息在執行后，燃氣感知信息和控制信息執行后的反饋信息均應上報給燃氣公司和燃氣用戶，使二者了解物聯網智能燃氣表所處工作狀態。

③ 燃氣使用安全功能狀態評估的重點內容

對于物聯網智能燃氣表燃氣異常狀態感知和控制系統，燃氣用戶能夠接觸到的主要是物聯網智能燃氣表和各種用戶終端，而用戶終端與燃氣使用安全關聯性小，因此燃氣使用安全狀況評估主要是對物聯網智能燃氣表而言，即對對象平臺的燃氣使用安全功能狀態進行評估。燃氣使用安全功能狀態評估的重點內容見圖3。

圖3 燃氣使用安全功能狀況評估

燃氣使用安全功能狀態評估的重點內容包括3個方面，分別為感知功能狀態檢測、控制功能狀態檢測以及環境中可燃氣體濃度水平持續監測功能狀態檢測。

a.感知功能狀態檢測

感知功能狀態檢測包括燃氣泄漏感知功能狀態檢測、燃氣流量感知功能狀態檢測以及燃氣壓力感知功能狀態檢測。感知功能狀態檢測的重點內容包括但不限于：感知設備是否在線；是否能夠正確識別異常狀態；識別異常狀態后是否能夠及時將異常狀態信息傳輸給燃氣表控制器等。感知功能狀態檢測可實現對感知設備工作狀態和功能狀態的監控，及時發現存在的潛在問題，保障燃氣使用安全。

b.控制功能狀態檢測

控制功能狀態檢測包括閥門控制功能狀態檢測和報警裝置控制功能狀態檢測。控制功能狀態檢測內容包括但不限于：控制設備是否在線；是否能夠正確接收異常狀態信息；是否能夠正確執行控制信息等。控制功能狀態檢測能夠實現對控制設備工作狀態和功能狀態的監控，及時發現燃氣表控制裝置的潛在問題，保障異常狀態發生時，能夠執行有效控制。

c.環境中可燃氣體濃度水平持續監測功能狀態檢測

正常情況下，燃氣表安裝環境中或多或少存在一定濃度的可燃氣體，濃度水平比較穩定且處于極低水平。物聯網智能燃氣表所連接的報警器能夠對空氣中的可燃氣體濃度進行持續監控和記錄，可對環境氣體中可燃氣體的濃度變化進行分析，通過可燃氣體濃度變化曲線，判斷燃氣安全使用狀態。通過環境中可燃氣體濃度水平持續監測功能狀態檢測，能夠判別報警器的持續監測功能是否正常，及時發現存在的問題，減少報警器誤報警或漏報警的可能性。

完成上述3方面的功能狀態檢測后，根據檢測結果給出評估結論，使燃氣公司和燃氣用戶清楚了解燃氣使用安全狀況，并可根據評估結論采取相應措施，使燃氣使用更加安全。