基于无线传感器网络的天然气工业安全监测

李 娜 马向阳 钟志良 宋光红 卢 静

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中国石油塔里木油田公司库车勘探开发项目经理部，新疆 库尔勒 841000；

3.北京兴油工程项目管理有限公司，北京 100085

0 前言

天然气是优质高效、清洁环保的能源和重要的化工原料，广泛应用于工业、商业和民用各个领域，在经济社会发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，中国天然气在一次性能源结构中所占比例正在逐年攀升，现已达到2.5%［1］，但对比其他国家，如美国25.8%，英国38.1%，俄罗斯54.6%，可以发现，这只是纵向的升高， 和其他国家和地区相比仍处于较低水平。随着中国在国内不断勘探并开发新的天然气田，在国外持续发展并加深与俄罗斯、中东、非洲等地的天然气能源合作战略，中国天然气在一次性能源中所占的比例还将极大提高，天然气的生产和应用具有非常广阔的发展前景。 2008 年全球能源消耗对比见表1。

天然气加工、储备、运输规模将不断扩大，安全隐患也会相应增多。 天然气储藏事故、管道泄漏事故等时有发生，跨越广域范围的运输管道也常有中途泄漏、敌意窃取、自然损坏、人为破坏等情况发生。 由此带来的直接或间接经济损失、环境污染都不可估量，对国家能源安全战略也造成严重威胁。 在此情况下，不断提高天然气生产和运输过程中的安全控制具有重要意义。

表1 2008年能源消耗构成对比

随着无线传感器节点以及WSN（Wireless Sensor Network，无线传感器网络）技术的成熟、类型的丰富、成本的降低和可靠性的提高［2］，美国、欧洲等地已经在开展采用WSN 实时监控工厂、管道状态的应用研究，以求及时发现安全隐患、排除安全故障［3］。中国也在城市天然气供给系统中逐步开展了这样的试验与应用。 但是，在国内的天然气加工、储存和运输环节，仍缺少系统的隐患实时监测、故障快速排除机制［4］，常常是事故已发生后再去现场排查、解决问题，不仅不能防患于未然，而且事故发生后也难以迅速控制事故、减少损失。 将WSN 用于天然气加工、储存与运输，建立大规模、全范围、多方位的协同式无线传感器监测系统，可以很好解决该问题。

1 安全监测网络系统结构

安全监测网络由后台监管中心、WSN 网络和被监测的管道、设备组成。

WSN 中的节点通常分为两种：Sensor 节点和Sink 节点。Sensor 节点是感知节点，负责收集感知范围内的某种特定信息，如气体组成、温度、压力等。 Sink 节点是数据汇聚点，负责将Sensor 节点传过来的信息通过某种指定的网络传递到后端监控、处理网络。

考虑到监测区域一般为广域范围，WSN 采用分层结构， 同时引入一种比Sink 节点更高级别的数据汇聚设备——汇聚节点。 Sensor 节点感知的数据由Sink 节点汇聚后，多个Sink 节点的数据再上交给汇聚节点进行再次汇聚、 融合， 最后通过广域网络（如Internet、GPRS、3G等）传送到后台监管中心，由监管中心进行实时分析与评测，见图1。其中，压力传感器、气体传感器和温度传感器都属于Sensor 节点。

图1 安全监测网络系统结构

2 WSN 安全监测系统实施方法

2.1 WSN 节点部署

2.1.1 Sensor 节点部署

Sensor 节点部署需根据具体监测环境与需求而设定。 一般而言，在生产、储存环节，需要在厂房和储存室内部署一定的气体传感器节点和温度传感器节点，对室内气体含量和空气温度进行实时监控，并将这些信息通过传感器网络， 再由某种广域网络送到后台监控系统。而压力传感器则可广泛部署于生产、储存、运输和终端居民供给系统的管道中，通过对压力变化的感知预测可能的危险，同时根据不同位置的压力差，可以很容易地发现泄漏、破坏等事故。 温度传感器也可以在管道内适当部署，以增加对潜在危险的预测能力。

在故障率低、故障影响小的普通区域，可以对传感器节点采用分段、采样式的部署，根据若干个采样点的数据来推断整个区域的状况。 在关键区域，可以采用全覆盖式部署，即该区域所有Sensor 可监测范围的并集等于该区域的面积。

2.1.2 Sink 节点部署

Sensor 节点采集到的信息， 周期性上报到Sink 节点，Sink 节点汇聚后，上报给更高级别的汇聚节点，通过某种类型的广域网络技术（Internet、GPRS、3G 等）向后台监控系统发送。 在这个过程中，Sink 节点扮演了终端信息采集与后台信息处理之间连接纽带的角色， 其数量、位置的合理设置，对于整个WSN 网络信息的通畅性、有效性有重要意义。为使用尽可能少的Sink 节点管理尽可能多的Sensor 节点，降低WSN 的部署成本，可根据同类型Sensor 节点的覆盖范围和拓扑结构进行分簇，每个簇的中心位置设置一个Sink 节点，该簇所有同类型Sensor节点采集的信息都向此Sink 节点汇集。Sink 节点的部署遵循以下原则：

a）1≤∑NSink<<∑NSensor，其中NSink为同类型Sink 节点的数量，NSensor为同类型传感器节点的数量。 即各种类型的Sink 节点数量之和应该大于等于1， 并远远小于各种类型的Sensor 节点数量之和。

2.1.3 汇聚节点部署

汇聚节点与Sink 节点的关系， 类似于Sink 节点与Sensor 节点的关系。 在汇聚节点的部署中可以参考Sink节点的思路， 同时可以结合具体实施环境进行考虑，如便于接入广域网、容易供电、便于配置等。

2.2 广域网络技术选择

目前广域范围内可以有多种网络技术可供选择，主要包括专网、Internet、GPRS/EDGE、3G、B3G/4G 等。

专网技术是按照具体行业和单位需求建立的私有网络。 这种技术广泛应用于军事、外交、金融等安全性与可靠性要求非常高的场合。 专网建设完成后仅供指定组织使用， 其他任何组织和用户都无法共享该专网的资源。 专网技术可以保证很高的安全性、可靠性，时延、传输速率都在可控范围之内。 专网的缺陷是造价高昂，尤其是石油、 天然气行业广域范围监控中的专网布设，需要大量的网络基础设施与维护等方面的资金投入。

Internet，中文正式译名为因特网，又叫做国际互联网，是目前全球最大的广域网络。 Internet 采用分组传送技术，网络资源不再由某一部分用户占用，而是由全部用户动态、实时共享。 天然气监测中WSN 的数据汇聚到Sink 节点之后， 由Sink 节点通过有线或者无线 （如WLAN，wireless Local Area Network，无线局域网）方式传送到Internet， 再通过Internet 向后端的监测处理网络传送。 这种方式的缺点是Internet 骨干网和核心接入网通常是有线连接，无法延伸到某些区域，如地形条件特殊的区域，诸如山区、沙漠等，而这些类型的区域通常是天然气加工、储存、运输中经常涉及的区域。

GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务） 是在第二代移动通信技术GSM （Global System of Mobile Communication，全球移动通讯系统）网络基础上，应用户需求发展而来的数据服务方式。WSN 的数据汇集到sink 节点以后，通过GPRS 经过GSM 传送到后台监控处理终端网络。 目前GSM 覆盖在全国范围内比较完善，在GSM 基础上使用GPRS 服务不需要进行新的基础设施建设，接入方式灵活，不受固有条件和线缆的限制。 缺陷是GPRS 速度较慢，一般在几kbps 到几十kbps。EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，增强型数据速率GSM 演进技术）对此进行了改进，信息传输速率可以达到GPRS 的4 倍以上。

3G 网络以及正在发展中的B3G/4G 网络是基于分组的蜂窝网技术， 相对于2G GSM 网络的优势在于全部采用分组交换技术，网络资源的利用更加充分，并且在物理层、传输层采用了更多的新技术，使得网络传输速率可以达到GPRS/EDGE 的几十倍到几百倍。 在目前网络向无线化、高带宽发展的趋势下，3G/B3G/4G 网络将会是非常有竞争力的广域传送技术。

2.3 数据融合技术

天然气监测涉及加工、储存、运输等各个环节，在每个环节的监测中也涉及多种信息，如气体组成、温度、压力等， 各个环节的多种信息流量如果直接注入广域网，则对现有网络的压力很大。 同时，天然气监测往往不会关注某一个Sensor 节点的信息，而是关注某个区域内所有Sensor 节点的信息。 比如，在某个区域出现了漏气事故，则该区域内的所有压力传感器节点感知到的压力都会相应降低。 此时只需要把此区域内的整体压力变化传送到后端监控网络，即可获知泄漏信息，而不需要把每个节点的压力数值都传送过去。 这种思路即为数据融合技术， 采用融合技术可以极大降低传输网络的数据负担。

传统的数据融合方法通常只针对单一业务，以减少报文数量和长度为目标进行融合，其算法仅适用于特定业务，不具有扩展性。 天然气监测传感器网络中业务种类繁多，融合算法和融合要求也各不相同，并且同一种业务还可能跨越区域分布在多个WSN 子网中。 目前传统的数据融合方法既没有针对多种业务的统一融合方法，也无法对不同区域内的同种业务进行充分融合。 因此， 不仅要从各个协议层次上减少报文的长度和数量，还要对数据进行分类转发，使相同业务类型的数据尽可能沿靠近其业务区的路径传递，以便进行更加充分的融合。

数据融合方式可分为粗融合和细融合。 粗融合负责对数据进行简单的融合加工，例如在链路层通过进行数据包头部信息的压缩，合并多个发往同一目的地的数据包，减少信息报文的传递和信道竞争等。 细融合负责对数据进行细致融合， 根据天然气安全监测业务特点，越靠近核心业务节点，汇聚节点对该类业务数据的融合度越高。 汇聚节点根据数据类型、实时性、路由信息及带宽等决定是否进行细融合，并针对业务种类选择不同的应用层融合算法。 与传统的单一业务数据融合方式相比，这种分级数据融合模型提高了网络对信息融合处理的灵活性与扩展性。 为了在汇聚节点统一处理各种业务的数据融合，可采用一种基于可重构中间件的数据融合框架，见图2。 对每种业务类型，融合中间件将采用不同的融合处理方式。 对每种业务而言，当时延、剩余带宽等约束条件变化时， 同一种业务的融合算法也会随之变化。可重构融合中间件，方便地实现多种融合算法的动态加载和替换，满足上述各种应用需求，提高汇聚节点的灵活性。

图2 可重构融合中间件

2.4 数据存储与查询

由于每个Sensor 节点的计算资源、存储资源以及能量有限， 网络中的通信带宽也非常有限， 传统的基于Sensor 节点的分布式存储策略不适用于这种广域的传感器监测网络［5］。同时，用户对传感器网络所搜集的各种数据有不同查询频度，数据自身的容迟度也有差异，因此需要针对数据属性的差异进行分级分布式存储，以提高查询效率。

基于上述考虑，可采用分级、分布式时空存储查询策略。 该存储查询策略除了可以提供基于数据类型的快速事件查询外，还可以在不增加复杂度的前提下实现基于地理区域的快速信息查询。 在该策略中，将采用以下三级存储结构将数据存储于不同层次的节点上。

第一级——Sink 节点：Sink 节点可存储网络中优先级（与查询概率和容迟特性有关的度量参量）高的信息，并管理信息汇聚网中的数据存储，例如：根据事件计算各种观察属性数据的最优存储位置，计算各种属性（信息类型）的存储查询路由、数据迁移路由等。

第二级——汇聚节点：汇聚节点负责存储优先级较低的信息（除Sink 节点存储的类型之外的信息）。存储的数据根据查询应用不同，分为两种：一种是由Sink 节点根据最优存储映射算法决定的某种或多种类型的数据，这些数据来自于整个网络；另一种是该汇聚节点所有下属Sensor 节点经过汇聚融合后的数据，以提供基于地理区域的快速信息查询。

第三级——Sensor 节点： 存储本节点一定时限范围内的历史感知数据。 Sensor 节点并不是将所有感知数据发送到汇聚节点，而是根据当前感知的数据和存储的历史数据进行判断，决定是否需要将感知信息更新到上级汇聚节点，减少不必要的通信。

由于传感器网络是以数据为中心的网络，第一级和第二级的数据存储采用以数据为中心的分布式存储方式进行管理。 由于分布式存储和查询功能主要在汇聚节点和Sink 节点实现， 而传感器节点的相关功能大为简化，故可极大降低WSN 的整体组网成本。 第三级可以采用传统的本地存储方式。

3 WSN 安全检测系统应用前景

3.1 应用范围

WSN 可广泛应用于天然气安全监测的各个环节，包括加工、储存和运输的各种安全信息采集与实时状况监测。 在天然气加工环节，可以对生产工况进行实时监测，及时发现异常状况， 为实时的流程控制提供必需的数据；在天然气储存环节，可以实时监测储存设备内部的温度、压力等关键参数，对异常状态进行及时的汇报与预警；在天然气运输环节，通过对温度、压力、流量及气体组成等参数的监测，及时发现已有（或潜在）的中途泄漏、敌意窃取、自然损坏、人为破坏等安全问题。在此基础上，迅速、有针对性地采取合适措施，防范潜在事故的发生，控制已发事故的扩大，将损失降低到最小限度。

3.2 与现有系统的结合

在天然气工业领域，目前应用最为广泛的数据采集与监视控制系统是SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统［6］。 该系统是以计算机为基础的分布式控制与自动化监控系统，采用有线方式，对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等功能。

将WSN 与SCADA 结合使用，可以充分发挥两者的优势，避免各自的缺陷：WSN 节点成本较低，可对关键地区进行全覆盖的监测，也可用于穿越沙漠、森林等特殊条件下的储运设备与管道， 避免了SCADA 系统监测点少、 部分环境下部署成本高等问题；SCADA 系统在监测之外，还可以根据监测的情况或者生产需求，对现场的设备进行参数调节、实时控制等操作，弥补了WSN 只能单向监测，无法反向控制的缺陷。

3.3 应用示例

WSN 用于天然气工业及同类工业监测， 如石油运输、暖气供应等都可取得良好效果。 以山东临济管线泄露监测系统（图3）为例，该系统由一首站、临南站、临济3站及化2 站的四个采集点组成，临济3 站又分为南、北两个子系统。 各子系统可完成各站点的压力、流量、温度等工况信息的实时采集处理，利用无线传输技术将监测信息传送到检测中心， 由检测中心进行综合数据处理，实现自动报警和泄露点定位。 该管道监测系统的实施可在安全隐患爆发前发出安全预警，极大地提高管线系统的安全性与可靠性。

图3 山东临济管线泄露检测系统示意图

4 结论

WSN 应用于天然气工业安全监测的各个环节，可提高对安全事故的预警，并降低已发生事故的损失。 广域范围的天然气加工安全监测， 需要采用大规模分层WSN，收集天然气加工各环节的各种信息，将这些信息通过广域网传送到后端监控中心，由监控中心进行数据分析与预警。Sink 节点、Sensor 节点与汇聚节点的合理部署可以提高改善监测的覆盖范围、 提高监测的有效性，并降低网络成本。 监测数据的分层融合模型可大大降低通过广域网传送的数据量，减少网络负载，提高数据的准确度和有效性；分级查询模型能够将大量的数据分布式存储，降低各级节点的负担，并提高查询定位的精确度，减少查询时间。

WSN 在天然气工业安全监测中的应用，必将有效提高天然气工业安全的可控性， 减少各种安全事故的发生，创造巨大的经济效应，为国家能源战略的顺利进行保驾护航。

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［5］ Lee T H. The Design of CMOS Radio Frequency Integrated Circuits ［M］. Cambridge：Cambridge University Press，2005.26-37.

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