基于傳感器的管道自主監控與維護系統

張虹蕾

(沈陽市水務事務服務與行政執法中心，遼寧 沈陽 110011)

天然氣、石油、清水和污水管道已經成為生活中不可缺少的一部分[1-2]。為保持管道健康，進行積極監測和頻繁檢查至關重要[3]，管道的部署、監測和維護還應保證成本效益、具備可擴展性和易于定制。

目前已經有許多技術可以監測、控制和維護各種管道運行[4]。這些技術大多依賴某種通信網絡，將從管道內外收集的數據傳輸到控制站，使用不同網絡架構提供可靠的通信，并支持管道監控[5]。但網絡架構應基于可靠性因素，如網絡的連通性、供電的連續性和網絡的可維護性。管道監控系統應提供快速、無縫地從故障中恢復的機制，并將問題及其位置報告給要處理的控制站。

由于Ad-hoc模式和傳感器網絡迅速發展，傳感器網絡在環境監測、生態、農業、自動化等各種應用中日益受到關注[6]。傳感器技術的進步使得管道系統健康狀況的自動實時監控成為可能。目前也開發了許多基于機器人代理的技術來監控并維護管道，這些技術旨在檢測和定位泄漏、損壞或腐蝕。同時，大量手動控制的基于機器人的系統已被提出，并開始研究半自主/自主解決方案。

本文旨在設計一種經濟有效的管道維護與監控系統，為此提出了SPAMMS系統，結合傳感器技術和自動化技術的新方法，用于有效的事件定位和主動糾正監測任何類型的管道。

1 SPAMMS系統總覽

管道監控和維護系統應檢查管道健康狀況并定期向控制站報告事故，并且有助于從任何泄漏、損壞或腐蝕管道中恢復系統健康。目前現存的管道監控和維護系統受到各種限制，而一個健康的管道監測和維護系統應能提供主動的監控和恢復操作，具有成本效益、易于定制、可擴展，允許動態檢查管道的功能和軟件，并且實施有效的定位技術。

SPAMMS系統主要由三個組件構成:固定傳感器、移動傳感器和自主機器人代理。

SPAMMS的第一個組件是由一組固定的無線傳感器組成，這些傳感器由RFID(射頻識別技術)系統實現，用于為移動傳感器提供管道拓撲中的位置信息。為實現有效的定位，一組可擴展的 RFID 系統以均勻分布的方式集成在管道內，并且相鄰間隔的RFID距離可有效定位可接受的誤差控制。存儲在RFID 中的信息可以被該 RFID 附近的任何移動傳感器或機器人代理讀取。

SPAMMS 的第二個組件由一組有限的移動傳感器組成。通過分析管道的可用地理空間信息和檢查需求，將移動傳感器部署在重要位置。一旦使用中的管道部署了移動傳感器，管道傳輸的流體將提供傳感器移動性。移動傳感器通常配備不同種類的檢測能力，用于管道檢測。這些功能與移動傳感器連接后，可以同時發揮不同的作用，如移動傳感器集成定位與其他組件通信的功能。移動傳感器的第一個實現基于MICA1系統節點，并允許集成用于讀取和寫入RFID標簽的RFID讀取器和寫入器的模塊化架構。

SPAMMS的第三個組件是機器人代理，集成了RFID讀寫器，目標是實現拓撲感知和完全自主。根據檢測和維修的需要，可配置不同類型的執行器來修復管道損壞，完全可移動。在射頻識別技術和移動傳感器的幫助下，能夠在管道事故被識別和定位后對其進行修復。SPAMMS 監測和維護示意圖如圖1所示。

圖1 SPAMMS 監測和維護示意圖

2 SPAMMS系統設計

射頻識別系統由兩個主要組件組成：標簽和閱讀器。射頻識別標簽是應用于物體的無線條形碼標簽，通常貼在跟蹤物體上，使用閱讀器來跟蹤標記的對象。包絡檢測是指，當集成移動傳感器的射頻識別閱讀器發出載波信號時，射頻識別標簽會充電并記錄其相關數據，閱讀器讀取調制數據。此外，射頻識別標簽有一個發射無線電信號的天線，以激活標簽并向其讀取/寫入數據。許多射頻識別實現沖突檢測/解決機制，并允許在同一區域查詢多個標簽。而傳感器網絡用于通過感知聲音、溫度、光等來感知和監測物理、化學和生物環境。只要貼上射頻識別標簽，任何物體都可以被跟蹤或感知。

在SPAMMS中，RFID作為固定傳感器工作，其標簽集成在管道內，兩個相鄰設備之間具有合理的間隔；RFID讀寫器集成在移動傳感器和機器人代理中在操作中讀寫可用的RFID標簽，收集存儲在中間固定傳感器上的事件歷史記錄，并在需要時清理固定傳感器的內容。在SPAMMS中使用的RFID標簽是被動的，它們沒有自己的電池，而是利用讀取器/寫入器廣播的傳入無線電波為它們的響應提供動力。除了與傳感相關的歷史信息外，RFID標簽中可用的、可重寫持久存儲用于存儲與移動傳感器、運動相關的有用信息，因此可以在捕獲情況下幫助定位移動傳感器。

SPAMMS中使用的每個RFID標簽，有限的持久存儲容量被分為三種類型的區域，以允許存儲用于管道監控和維護以及移動傳感器跟蹤的必要信息的數據結構。除了識別RFID單元的數據外，表1、2和3中給出了SPAMMS用于RFID標簽的數據和控制結構。

表1 RFID標簽控制結構

表1給出的數據結構用于控制需要從RFID標簽讀取/寫入的數據。該控制結構的主要領域有:冗余校驗位(RCB)，用于確定RFID標簽中所有可用的塊是否為空；15個塊控制位(BCB)，用于確定在各自的塊中可用的數據是否可以讀寫。

表2中給出的數據結構用于存儲移動傳感器通過RFID標簽位置的歷史信息。該數據結構的主要字段是：移動傳感器ID(MSID)，它標識已經越過RFID 標簽位置的移動傳感器；時間戳(TS)，它決定了通過RFID標簽位置的時刻。

表2 RFID標簽歷史結構

表3中給出的數據結構用于存儲事件信息。該數據結構中出現的主要字段包括：RFID ID(FSID)，它標識處理持久存儲的固定傳感器；時間戳(TS)，它決定了RFID中事件存儲的時刻；事件位置(Eloc)，它包含分隔事件位置和事件存儲的RFID段的數量；事件類型(Etype)和事件信息(Einfo)，報告檢測到的事件。RFID閱讀器一旦識別標簽，閱讀器就可以從該標簽讀取數據或向其寫入數據。

表3 RFID標簽事件結構

本文在此展示的第一個移動傳感器設計基于MICA，它使用運行4兆赫茲的 Atmega128芯片。該芯片是一個8位微控制器，符合大量管道相關應用程序的需求。

除了MICA提供的一些傳感功能外，還增加了兩個功能。其一是允許移動傳感器讀取 RFID 的內容，并將與它們收集的事件和接近 RFID 的通過時間戳相關的報告寫入 RFID；其二是允許移動傳感器清理、刪除和寫入事件并驗證標準。

SPAMMS的機器人代理是完全自主的拓撲感知機器人，它攜帶訪問任何管道區域所需的模塊，運行用于導航和事故分析的控制程序，同時可使用機載資源對事故做出反應。

機器人代理有四個履帶車，分為三個部分：前框架、中框架和后框架。如圖2所示，前端和末端框架連接到每一側的中間框架，最大可彎曲60°，提高了轉彎和穿越障礙物的靈活性。中間框架有四個可收縮軸，為履帶框架提供支撐。履帶框架還可以收縮其可收縮履帶軸長度的50%，使機器人能夠靈活地用于檢查各種尺寸的管道，如圖3所示。

圖2 可伸縮履帶側視圖

圖3 機器人代理的剖面圖

3 方法實現

為保證效率，推遲一些功能實現的基礎上(例如分段和可彎曲的履帶和先進的傳感功能)，我們設計了一個原型，主要包括一個RFID系統；基于MICA1的移動傳感器；集成傳感功能的履帶機器人和標簽讀取能力。

本文建造原型的目標是驗證在設計過程中引入的各個方面。為移動傳感器提供的原型如圖4所示。它實現了一個集成在兩種容器中的基于MICA1的設備，一種是膠囊型，一種是球形。容器保護設備并提供浮動功能，且外形直徑不超過50mm。該設備包含一個配備有通信模塊的處理器、一個標簽讀取器和兩個傳感功能(光和聲音傳感器)。

圖4 基于MICA1的移動傳感器原型

機器人代理的原型如圖5b所示，有4個可擴展單節履帶車，允許水平、垂直移動，可以改變方向。安裝了一個射頻識別讀寫器來收集存儲在標簽水平的信息，一個化學罐和噴霧器用于驅動，兩個鋰離子電池，以及一個CCD攝像頭。該機器人原型設計具有高處理能力、大內存和多種傳感功能。此外，機器人有4個可擴展的外部接口，用于添加不同的模塊來滿足管道檢測需求，如圖3所示。

用于自主拓撲感知機器人的管道拓撲如圖 5a 所示。這種拓撲結構包括線性段、水平和垂直L形彎曲。拓撲中使用的管道是150mm的下水道管，每500mm附有一個 RFID 標簽。機器人如圖5c和5d所示，其中機器人分別在管道內執行水平運動和垂直運動。

圖5 管道拓撲和機器人原型圖

4 實驗

為了驗證SPAMMS的性能，本文進行了多項實驗。驗證隨著時間的推移檢查分析標簽信息的大小，并比較SPAMMS與不使用移動傳感器和RFID系統的效率。

SPAMMS模擬中使用的管道系統示意圖如圖6所示。它由26個管道段、一個上游站和一個末端泵站組成。假設RFID標簽在管道檢查過程中存儲歷史和事件信息的容量有限(50個條目)。移動傳感器從上游站漂移到管道，其運動由通過管道傳輸的流體提供。漂移的移動傳感器用于事件定位和末端泵站的進一步處理。

圖6 管道系統圖

在與標簽占用大小相關的實驗中，先推導每段管道應安裝的固定傳感器數量(s/s)、可容納的檢查歷史信息數量(H)、移動傳感器數量(n)的最佳值，以及在檢測到事件信息時最適合存儲事件信息的跳數(Hop)。本文實現了移動傳感器嘗試寫入第一個可用的RFID標簽，直到Hop/2，之后基于某個隨機數生成器隨機選擇一個標簽，并通過刪除其最舊的條目來存儲在剩余距離內的標簽上。

圖7和圖8顯示了RFID標簽有限持久存儲中的平均占用情況。標簽的負載隨著H和n的增加而增加，對于給定數量的移動傳感器，標簽負載隨H顯著增加，并隨傳感器的數量(s/s)而減少，顯示了負載與H和s/s的乘積之間的權衡。假設H=5，s/s=10，Hop=6，圖9描述了隨機生成12個事件并使用20個移動傳感器時所有RFID標簽的負載，該圖表明RFID 標簽位于就在事件具有更高的負載之后，隨后的RFID標簽的負載隨著它們與事件之間的距離而減小。

圖7 RFID標簽在不同歷史設置下持久存儲的平均占用率

圖8 不同歷史和固定傳感器/段中RFID標簽持久存儲的平均占用率

圖9 12起事件的RFID條目濃度

第二組實驗旨在比較機器人在三種情況下進行的跳躍距離(根據從上游站行進的段數)以找到報告的事件：①機器人知道事件位置(由系統提供)；②機器人應用深度優先策略定位事件；③機器人嘗試隨機游走。為了比較顯著，隨機游走重復多次，之后計算平均跳躍距離。圖10描述了每10個分段有10個的網格管道的跳躍距離比較。可以觀察到該方法可給出最少跳躍距離。其他兩種方法計算的平均跳躍距離與我們的方法相比非常高，并且前一跳躍距離隨著事件發生段的位置顯著增加。

圖10 三種方案比較

5 結論

本文提出了一種新型的成本效益高、可擴展、可定制和自主的基于傳感器的系統，稱為SPAMMS，它將傳感技術與基于機器人代理的技術相結合，可有效地定位管道健康相關事件，允許主動、糾正監控并且維護管道系統。實驗以及基于原型管道系統的移動傳感器和機器人代理的原型設計活動證明了SPAMMS的可行性、成本效益和可擴展性。更詳細的研究RFID系統中容錯信息的存儲以及移動傳感器和機器人代理中流體速度的影響仍然是未來的工作。