基于NB-IoT技術的天然氣管道安全監控系統

左 磊，王 震，鄭顯豐，左玉婧，龔小飛，謝坤孝

(重慶燃氣集團股份有限公司，重慶 600917)

1 概述

天然氣管道作為社會發展和國民經濟的生命線，其安全、高效、環保的特點是其他運輸方式不可替代的。隨著“十四五”的到來，國家將進一步推動打造全國“一張網”，天然氣管道敷設進程將進一步加快。根據住建部《2020城市建設統計年鑒》，截至2020年，我國城市天然氣管道長度達到85.055×104km。天然氣管道敷設區域大多地質環境復雜多樣，經常存在地質滑坡的風險。天然氣管道的運營安全備受關注。

國內外天然氣管道運營公司高度重視滑坡地質災害對管道的影響。如美國、英國、加拿大等歐美發達國家利用多種技術對管道滑坡災害進行監測，主要監測技術有GPS法、自動測縫法、光纖光柵位移測量法、TDR監測法以及管道應力應變監測法等[1]。國內近年來也在逐步開展管道滑坡災害預警監測系統的研究和應用。

常規監測裝置安裝周期長、安裝過程復雜，適用于短期內不會發生地質災害的巖土體。對于已發生變形或者破壞的巖土體，常規監測裝置難以在短時間內快速安裝及實時采集數據，因此研發一套易安裝、低功耗、運行穩定的一體化傳感設備及監控系統十分必要?；贜B-IoT通信模塊的傳感設備成本低、易于安裝、工作穩定且壽命長。NB-IoT網絡采用較低頻段通信，具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、功耗低的特點，能夠滿足密集布設傳感設備的要求。依托通信運營商的NB-IoT網絡進行數據傳輸，運營成本低[2]。本文對基于NB-IoT技術建立天然氣管道安全監控系統進行分析。

2 基于NB-IoT技術的管道安全監控系統

2.1 系統架構

對天然氣管道及其附屬構筑物的監測，要求長期穩定運行，設備功耗低。鑒于天然氣管道監測實際工程需求，結合NB-IoT技術特點，設計了基于NB-IoT技術的天然氣管道安全監控系統，簡稱NB-IoT監控系統。該系統架構主要包括設備層、中間層、應用層。設備層包括能夠實現對天然氣管道及其附屬構筑物傾角、周邊土壤環境穩定性實時監測的前端監測設備，具備NB-IoT網絡接入和無線通信功能。中間層主要由中國電信公司NB-IoT物聯網平臺構成，實現設備管理、遠程維護等功能。應用層由監控平臺組成，監控平臺由部署在阿里云端的監測數據服務器和軟件構成，具備數據發布、數據分析、數據預警等功能。前端監測設備通過NB-IoT網絡將數據上傳至NB-IoT物聯網平臺，再將數據通過互聯網推送至監控平臺，監控平臺對數據分析處理后，經用戶請求或主動推送，進行數據發布和監控預警。NB-IoT監控系統流程見圖1。

圖1 NB-IoT監控系統流程

2.2 前端監測設備的開發

基于低功耗、高性能、低成本原則，開發了基于NB-IoT技術的2種前端監測設備：NB-IoT天然氣管道傾斜監測一體機(簡稱傾斜監測一體機，見圖2)和NB-IoT拉繩式深部位移監測一體機(簡稱位移監測一體機，見圖3)。

傾斜監測一體機的監測對象是天然氣管道及其附屬構筑物，通過識別天然氣管道及其附屬構筑物傾角變化來判斷其穩定性。傾斜監測一體機由微控制器、傾角傳感器、姿態傳感器、通信模塊、電源管理電路等組成。傾角傳感器可以高精度、低噪聲采集到傾角，是最重要的傳感器。姿態傳感器包括3軸加速度計和3軸陀螺儀，可以實時感知傳感器的姿態，防止人為擾動情況下采集到錯誤的傾角。傾斜監測一體機通過MCU(Micro Controller Unit，微控制單元)采集傾角傳感器和姿態傳感器數據，并通過NB-IoT通信模塊將采集到的數據傳輸到監測數據服務器，完成數據的采集和上傳。

位移監測一體機的監測對象是天然氣管道周邊土壤環境，通過識別嵌入基巖的拉繩的位移變化來判定土壤環境的穩定性。位移監測一體機通過MCU采集GNSS (Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統)定位模組的數據，通過ADC(模擬數字轉換器)采集拉繩的位移，經NB-IoT通信模塊將數據傳輸到監測數據服務器。

這2種前端監測設備的低功耗主要通過控制MOS管(金屬-氧化物半導體場效應晶體管)的通斷，控制NB-IoT通信模塊、GNSS定位模組、傳感器電路的供電狀態來實現。

野外環境需要在滿足低功耗情況下，盡可能提高設備的性能，故采用STM8L151C6T6芯片作為傾斜監測一體機和位移監測一體機的主控核心芯片。實現了SPI接口(串行外設接口)、USART(通用同步/異步串行接收/發送器)接口和ADC接口的開發，完成了電壓檢測、傾角獲取、位移獲取、與外部設備連接等功能。

圖2 NB-IoT天然氣管道傾斜監測一體機

圖3 NB-IoT拉繩式深部位移監測一體機

2.3 前端監測設備功耗測試

硬件開發完成后，對前端監測設備功耗開展了測試與改進。將功耗較大的位移監測一體機作為設備樣機，利用Keysight公司生產的N6705C-N6781A低功耗專用測試儀器(以下簡稱測試儀器)，對設備樣機進行功耗測試。采用測試儀器模擬電池給設備樣機供電，設備樣機進行數據采集、上傳等流程后，進入休眠待機。每個測試周期為10 min，運行1 min，休眠9 min?？倻y試時間為5 h，執行30個測試周期。經過多次功耗測試與電路改進，最終得到的功耗測試數據見表1。

表1 設備樣機功耗測試數據

設備樣機在實際工作中，1 h只采集1次數據，按使用額定容量為19 A·h的電池計算，設備樣機可正常工作3 a，滿足管道監測數據采集及傳輸的應用要求。

2.4 監控平臺功能

① 設備管理

基于物聯網平臺提供的API數據接口支撐，實現設備管理，具有對設備基本信息統計、設備類型管理、設備遠程命令下發、設備遠程升級等功能。

② 設備異常評估

監控平臺具備設備工作狀態實時分析和故障預判的功能。通過對設備電量、環境溫度、數據通信丟包率、設備在線率、數據抖動等多種數據實時分析，對設備進行故障分析和評估。設備維護人員可通過頁面查看前端監測設備工作狀況及數據情況，還可查看監控平臺記錄的通信時間、設備MAC(設備物理地址)、狀態數據報文解析狀態、設備IP(互聯網協議地址)、報文源碼等信息。

③ 丟失數據填充

在數據分析中，發現經常出現數據丟失情況。針對這些丟失數據，采用LSTM(Long Short-Term Memory, 長短期記憶)神經網絡算法對丟失數據進行預測后填充。該算法估計性能較好，魯棒性較強。

④ 數據發布和監控預警

監控平臺將監測數據實時發布到監測人員的展示平臺。將監測到的異常情況通過微信、短信等方式推送給相關負責人員，達到預警作用。

監控平臺提供了遠程控制、維護管理和預警等功能，能及時消除設備故障，從而盡可能保障設備的穩定性，提高監測數據質量與可靠性，為分析、應用、預測提供更準確的數據支撐。

3 工程應用的對比

3.1 NB-IoT監控系統的應用

在重慶燃氣集團股份有限公司轄區內，針對位于坡面的一段長130 m、外直徑為711 mm的天然氣管道，進行NB-IoT監控系統的應用驗證。該處坡面出現滑移，坡頂出現貫穿張拉裂縫，裂縫長約30 m，最大寬度約10 cm；坡腳為滬渝高速公路，坡腳發現擠壓破壞土體。天然氣管道位于坡面中部，采用樁基結合混凝土溝槽跨越方式。受坡面滑移影響，混凝土溝槽出現不同程度裂縫、沉降、整體傾斜等變形跡象。

為實現該段管道的安全監控，結合現場情況，布置了前端監測設備，見圖4。選取6處樁基與混凝土溝槽交接處安裝6個傾斜監測一體機；監測點3-3、3-4孔深度為10 m，監測點3-1、3-2孔深度為20 m，每個孔內安裝1臺位移監測一體機的拉繩，位移監測一體機的其他設備位于相應孔旁的地表位置。前端監測設備1 h上傳1次數據到監控平臺，監控平臺數據顯示設備運行正常，數據上傳穩定。

圖4 前端監測設備布置

設有4級預警值以及對應的4級預警等級。其中，預警值又分為參數預警值和參數日增量預警值，以達到的最高預警等級預警相關人員。1級藍色預警表示管道周邊土壤已經出現輕微滑動現象，需要相關人員密切關注該處變化情況；2級黃色預警表示管道周邊土壤滑動現象進一步加劇，需要工作人員增加巡檢頻次，1日1巡；3級橙色預警表示管道周邊土壤滑動現象在持續加劇，需要工作人員進一步增加巡檢頻次，1日2巡，并按照應急預案做好應急搶險工作準備；4級紅色預警表示管道周邊土壤已經出現明顯的滑動現象，需要立即采取補救措施。預警等級劃分標準見表2。

表2 預警等級劃分標準

3.2 RTK-GPS位移監測方式

為了多角度、全方位、多領域監測該天然氣管道，并對不同監測方式效果進行對比，組織相關專業技術人員成立RTK-GPS(基于GPS的實時動態監測)位移監測小組，利用當今成熟的GPS監測技術進行位移監測，稱為RTK-GPS位移監測方式。監測小組在滑坡段共設置24個監測點(布置見圖5)，其中6個管道監測點，編號為1#～6#；6個混凝土溝槽監測點，編號為7#～12#；12個邊坡監測點，編號為13#～24#。

圖5 RTK-GPS位移監測方式的監測點布置

3.3 人工巡檢

巡護人員按照規定對該管道開展日常巡檢工作。

3.4 監測數據對比分析

NB-IoT監控系統監測方式的監測點5-2、5-3、3-3分別對應RTK-GPS位移監測方式的監測點10#、9#、13#。截至2021年4月15日，NB-IoT監控系統中，監測點5-2、5-3、3-3出現了2級黃色預警。此時，3個監測點的NB-IoT監控系統監測方式監測結果、RTK-GPS位移監測方式監測結果及人工巡檢結果對比見表3，表3中監測點5-2、5-3通過NB-IoT監控系統監測方式得到的位移為傾斜監測一體機測得傾角后通過式(1)計算得到。

表3 3個監測點的NB-IoT監控系統監測方式監測結果、RTK-GPS位移監測方式監測結果及人工巡檢結果對比

監測點位移與傾角計算關系見圖6。假設監測點A對應的樁基底端為點O，點O與點A的距離為l。傾斜后，點A到達點B位置，傾角為α，則點A的實際位移應為點A與點B的距離。設點B切線與OA延長線的交點為點C，為保證安全，認為線段BC為點A的位移d，以此值進行預警判斷。

圖6 監測點位移與傾角計算關系

d=ltanα

(1)

式中d——監測點的位移，mm

l——未傾斜時監測點與樁基底端的距離，mm，此處為1×104mm

α——監測點傾角，(°)

NB-IoT監控系統監測方式得到監測點5-2、5-3的傾角分別為0.271°、0.304°, 監測點3-3的位移為34.5 mm，對照表1可知，監測點5-2、5-3、3-3確實達到了2級黃色預警。

從表3可知，對于監測點5-2、5-3，NB-IoT監控系統監測方式和RTK-GPS位移監測方式的監測數據以及人工巡檢結果一致，都檢測出存在滑坡現象。而對于監測點3-3，相比RTK-GPS位移監測方式和人工巡檢，NB-IoT監控系統監測方式能夠監測到土壤內部發生的細微位移，說明NB-IoT監控系統的監測精度更高。

4 結語

① 相比RTK-GPS位移監測方式和人工巡檢，NB-IoT監控系統能監測到土壤內部發生的細微位移，監測精度更高。

② NB-IoT監控系統能實時、準確、高效、可靠地將天然氣管道受外力影響的危險情況，通過監控平臺傳遞給管理人員，降低人工成本，有效預防管道安全事故發生。

③ NB-IoT監控系統能及時分級預警，使管道燃氣企業根據預警等級采取合理措施。