天然氣管網泄漏監測系統設計

盧 軍

(合肥學院 先進制造工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在城市建設中，天然氣管網工程是一項重要的基礎設施建設。伴隨著城市化進程的不斷加快，天然氣管道越來越多，天然氣管網使用規模及管道鋪設越來越長，其發揮的作用也越來越重要。然而對于天然氣管網的風險安全評價和安全監測尤為重要[1，2]，若天然氣管網出現泄漏事故，則可能導致一系列惡性安全事故的發生，嚴重威脅到居民的生命財產安全。針對天然氣泄漏監測，當前主要采用人工巡檢的方式，該方式存在速度慢、對巡檢者經驗依賴較強以及無法連續實時在線監測等缺點，基于上述研究背景，本課題提出了一種天然氣管網泄漏監測系統的設計方案，可以實現24h實時在線監測。

1 系統設計

1.1 整體方案設計

課題所設計的天然氣管網泄露監測系統綜合運用了電子測量技術、計算機技術和無線通信技術的發展[3～6]，系統主要由上位機、通信轉換裝置、中繼裝置和監測裝置構成。由于天然氣管網組網區域較大，因此各中繼裝置與上位機的通信轉換裝置之間通過GPRS進行數據傳輸，中繼裝置與監測裝置通過LORA無線通信傳輸數據。系統上位機通過通信轉換裝置獲取中繼裝置數據，通信轉換裝置將GPRS獲取的數據通過串口傳輸給上位機。

監測裝置實時采集天然氣管網的濃度數據、溫濕度數據，若干監測裝置自組網，并將實時采集的天然氣濃度、溫濕度、采集時間和監測裝置ID號數據進行打包統一發送給相應區域內的中繼裝置。中繼裝置與監測裝置之間通過LORA無線模塊傳輸監測數據，系統整體功能結構框圖如圖1所示。

系統上位機由用戶管理、主界面顯示、歷史數據查詢和報警查詢模塊構成。監測裝置實時采集管網的天然氣濃度、溫濕度等參數，當通信異常時將采集的數據以時間順序進行存儲，恢復通信時將存儲的數據重新發送。中繼裝置實時獲取監測裝置采集的數據信息、時間和位置ID號，通過GPRS將數據傳輸給通信轉換裝置，上位機讀取通信轉換裝置數據并對獲取的數據進行數據處理、故障判斷、數據顯示和數據存儲，當監測的數據異常時，上位機進行實時報警并提示報警管道的ID位置信息。

圖1 系統整體功能結構框圖

1.2 上位機設計

上位機對獲取的數據進行處理、顯示、存儲、故障判定和報警。主要通過圖形化方式顯示整個區域的天然氣管網狀態。當各區域管網狀態正常時，主界面各區域狀態顯示為綠色，當某一區域管網某個監測節點數據異常時，主界面彈出報警信息。上位機主界面某區域狀態顯示為紅色，用鼠標雙擊該區域即可查看具體管網信息。某區域的某一管網實時狀態顯示示意局部圖如圖2所示。

圖2 某一區域某一管網實時狀態顯示示意局部圖

1.3 通信轉換裝置與中繼裝置設計

通信轉換裝置與中繼裝置通過GPRS模塊實時傳輸數據，主要完成各節點數據收集、分類匯總和上傳。中繼裝置是實現數據傳輸的紐帶，主要由主控制器、GPRS模塊、無線模塊和電源模塊構成。中繼裝置通過LORA無線模塊與監測裝置進行數據傳輸，實時獲取數據；同時中繼裝置通過GPRS模塊向通信轉換裝置傳輸獲取的數據，實現數據的遠程傳輸。中繼裝置GPRS模塊電路圖如圖3所示。

圖3 中繼裝置GPRS模塊電路圖

1.4 監測裝置設計

監測裝置實時監測天然氣管道外天然氣濃度、溫濕度等參數，主要由主控制器、天然氣監測模塊、溫濕度監測模塊、存儲模塊、無線模塊、時鐘模塊和電源模塊構成。監測裝置以若干個監測裝置為單位自組網，統一將實時采集的燃氣濃度、溫濕度、采集時間和監測裝置ID打包上傳給中繼裝置，監測裝置之間、監測裝置與中繼裝置之間通過LORA無線模塊進行數據傳輸。監測裝置無線模塊電路圖如圖4所示，天然氣監測模塊電路圖如圖5所示。

圖4 監測裝置無線模塊電路圖 圖5 天然氣監測模塊電路圖

1.5 數據處理算法設計

中值濾波算法有很強的抗毛刺干擾能力，但抗噪聲干擾能力一般；而一階滯后濾波算法抗毛刺干擾能力一般，抗噪聲干擾能力強。課題所設計系統中監測裝置采樣數據的穩定性和準確性至關重要。因此為提高監測裝置數據采樣穩定性和準確性，采用中值濾波算法和一階滯后濾波算法相結合的方式對采樣數據進行處理，算法處理過程如下：

首先，連續n次采樣得到n個數據樣本，通過中值濾波算法取n個數據樣本的中間值；

an={a1,a2,…,an}

(1)

其次，獲取n個數據樣本中的中間值數據amid，經過實驗測試，選擇n=5較為適合；

amid=Mid(a1,a2,…,an)

(2)

最后，獲取公式(2)中的amid數據，再通過一階滯后濾波算法對每次中值濾波算法的數據進行一次一階滯后濾波計算，一階滯后濾波算法公式如公式(3)所示：

yn=kxn+(1-k)yn-1

(3)

其中，xn為本次采樣值即amid，yn-1為上次濾波輸出值，k為濾波系數，yn為本次濾波輸出，通過實驗測試，k=0.15時效果最佳。

通過將中值濾波算法和一階滯后濾波算法的結合使用，提高了數據采集的穩定性和準確性。

2 軟件設計

系統上位機可以實現用戶登陸管理、數據接收、數據處理、數據顯示、數據存儲、泄漏異常報警和歷史數據查詢功能。通信轉換裝置實時接收中繼裝置數據，并對數據進行分類、匯總和上傳。通信轉換裝置主程序流程圖如圖6所示。中繼裝置通過LORA無線模塊實時獲取監測裝置數據，并通過GPRS模塊實時向通信轉換裝置傳輸數據，中繼裝置主程序流程圖如圖7所示。

圖6 通信轉換裝置主程序流程圖 圖7 中繼裝置主程序流程圖

監測裝置實時采集天然氣濃度數據、溫濕度數據、記錄采集時間，同時監測裝置自組網相互傳輸數據，以某一終端監測裝置向中繼裝置上傳本網絡內所有監測裝置數據，監測裝置主程序流程圖如圖8所示。

圖8 監測裝置主程序流程圖

3 結論

基于電子測量技術、計算機技術和無線通信技術完成了天然氣管網泄漏監測系統的設計，結合中值濾波算法和一階滯后濾波算法，提高了系統數據采樣準確性和穩定性。該系統較好地解決了當前天然氣管網泄漏監測方式存在的弊端。通過測試，系統數據采樣穩定、準確，系統能夠進行天然氣管網在線實時監測。隨著信息技術的進一步發展革新和城市化進程的擴大，本系統可應用于地下管廊以及其他行業領域。