基于物联网技术管道安全预警技术

文/宋合志

1 引言

管道运输己经成为陆地上油、气运输的主要运输方式。管道运输具有安全、经济、快捷的特点，在国内外得到了快速发展。随着管道建设的不断发展，第三方破坏事故已成为威胁管道安全最主要的影响因素，其易导致管道泄漏事故的发生，并引起火灾、爆炸、中毒等次生灾害，不仅带来巨额直接经济损失，而且会造成环境污染、人员伤亡等严重后果。近年来，管道安全事故时有发生，不仅影响正常的输油生产，造成环境污染，而且严重的威胁着人们的生命和财产安全。据统计，安全事故的主要原因有：

（1）第三方破坏（打孔盗油和非法施工）；

（2） 自然灾害（山体滑坡、地震和泥石流等）；

（3） 材料腐蚀；

（4） 管道制造及安装缺陷等。

其中，第三方破坏及自然灾害对管道的安全威胁最大，无论发生次数和所造成的损失均居前列。

对第三方破坏事故的原因进行分析，并采取有效措施预防事故的发生，对保障管道的安全运行意义重大。油气管道第三方破坏事故具有多样性、复杂性和不确定性的特点，因此，亟需有效的管道实时监测系统保障管道安全运行。尽管管道安全管理人员定期进行巡检，但由于油气管道大多铺设于野外，地处偏僻，而且管道的距离都很长，人工巡查的周期相对较长，仅仅依靠管道安全管理人员的人工巡查效率太低，不能有效解决管道安全的防护问题。因此迫切需要建立一种可提前预警管道破坏活动的监测系统。到目前为止，由于国内软硬件设施还不够成熟完善，而进日设备成本高昂，所还没有一套有效的管道安全监测预警系统在油气管道上得到大面积推广应用。因此开发一种有效的管道安全监测与预警系统，保障管线安全运行是十分必要的。

图1：管道光纤预警系统结构

图2：挖掘振动波形

图3：敲击振动波形

2 管道安全相关技术

目前应用于管道安全监测主要有泄漏监测和光纤安全预警技术。在国外市场还出现了基于声波传感器的检测技术，但在实施中采用多点定位的点状分布结构，工程施工复杂、造价十分昂贵，不适合中国管道安全生产的要求。

2.1 管道泄露监测技术

管道泄露监测技术是一种事后监测技术，是应用于管道安全监测的一种主要方法。目前可实现在线监测的管道泄漏检测／监测方法主要有负压波法、实时瞬态模型法、质量平衡法、流量平衡法、分布式光纤检测法等。

泄漏监测系统的特点是系统构造较简单、测量间距较大、易维护，可有效检测到管道泄漏但其只有在管道运行参数发生异常变化时。但当第三方破坏行为己经发生时，泄漏监测系统才可根据泄漏情况的发生而判断管道附近是否有第三方破坏行为，所具有明显的滞后性，不能在管道遭到破坏前对破坏事件进行预报，且报警准确度和定位精度不能满足油气管道安全生产的要求，尤其不能满足对大口径、微漏、渐漏的监测，所以没有得到有效推广。

2.2 管道光纤安全预警技术

管道光纤安全预警技术利用与管道同沟敷设的通信光缆中冗余的光纤构成分布式光纤振动传感器，获取管道沿途的振动信号。通过振动信号的分析，可以确定管道沿线的威胁事件，并准确定位。图1为管道光纤安全预警系统结构图。

伴随激光和光纤技术的发展，国内外在光纤传感技术领域进行了大量研究。目前国内外较为常用的是基于M-Z的光纤干涉仪技术和基于相干瑞利光时域反射技术，其中基于相干瑞利光时域反射技术将是该领域的发展方向。这些项技术的监测长度受到本身固有的技术限制而只能达到十几公里或者采用布点的方式，不适用于长距离管道安全预警工程应用。

管道光纤安全预警技术特点：监测传感元件为无源、防爆、抗干扰能力强，该技术采用与管道同沟敷设的一条光纤就可实现机械挖掘、人工挖掘等第三方破坏事故的检测，但该技术不可应用在没有同沟敷设光缆的管道上，施工复杂、成本高。

3 管道破坏振动信号的分析与识别技术

在分析各类管道安全监测与预警的技术特点基础上，本文提出利用振动监测技术对管道安全进行事前预警的建设思想。基于振动监测的预警技术既可以对管道全线进行安全实时监测预警，也可针对高后果区重点区域的安全实时监测与预警。

该方法的技术原理为：对人员、车辆经过人工挖掘、机械挖掘以及敲击管道进行解析，通过安装在管道周围的高灵敏传感器检测异常振动信号，经过数据终端处理后，将事件特征信号通过无线网络传到云平台，云平台进行分析判断安全事件发生，对非正常的事件进行预警。挖掘、敲击和车辆经过振动波形采集分析分别如图2、图3和图4所示。

4 基于物联网管道安全预警实现

系统从物联网角度由振动监测单元、无线传感网络（包括数据网关）和诊断云平台构成。整个网络由测试单元、zigbee无线网络、多互联网接入点、数个服务器、分布式监控终端、手持监控设备组成。

系统工作过程：检测的振动信号经由zigbee接力传递到互联网接入点，通过互联网传输到服务器，服务器接收到异常声信号，立即分发给相关的监控终端和手持设备、以及云服务平台。系统结构和数据流向如图5和图6所示。

4.1 振动监测单元

图4：车辆经过振动波形

图5：物联网管道预警系统结构

图6：物联网预警系统数据流

振动监测由很多振动监测单元组网完成，监测单元由振动传感器、放大电路、AD转换、超低功耗MCU单片机、无线传输网组成。如图7所示。

大地是振动信号的良好传输导体，与大地充分耦合的振动传感器可以检测到数百米甚至数千米外对大地扰动、破坏行为所产生的振动。利用振动传感器采集这些振动，对采集到的振动信号进行自动识别和分类，可以及时发现针对输油管网的破坏行为。及时做出应急反应。譬如派出无人机进行现场拍摄取证、警告、驱赶、追捕等。

超低功耗的MCU最低电流低至微安级，单次充电可续航半年至两年。除被超过一定阀值的声信号唤醒，及无线传输过来的信号唤醒，及定时器（隔一定的周期向远程服务器报到）唤醒，其它时间MCU处于深度睡眠状态以降低功耗。MCU控制振动传感器放大电路的放大倍数，完成AD转换，对信号做处理、筛选、存储、无线传输、接受远程控制指令等。现在满足要求的超低功耗MCU很多，譬如stm32LXXX系列芯片、MSP430系列芯片，在低功耗上表现都很优秀。

4.2 Zigbee无线传感网络

图7：振动监测单元

输油气管网跨度大，周围环境复杂，监测节点数量庞大，数据吞吐量较大，应采用能应对复杂环境的无线网络。ZigBee采用蜂窝组网技术，是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站，扩展性非常好，最多可以扩展到65000个节点。ZigBee能够自组织网，节点通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的网络。由于干扰或者场景变化，彼此间的联络也会发生变化，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，某些通道可能会出现暂时中断，节点间通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，让信息仍然可以通过其他道道到达目的地。

网络中数据传输的路径并不是预先设定的，传输前，搜索所有可利用的路径，分析它们的拓扑结构，选择其中的一条路径进行数据传输。在网络管理软件中，使用“梯度法”选择路径，即优先选择最近的通道进行传输，如传不通，再使用次近的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种因素路径被中断了，或因繁忙而堵塞。动态路由网状拓扑结构，可以很好解决地这个问题，保证数据可靠传输。

ZigBee的优势不仅仅在于其高可靠性和可扩展性，也在于其超低功耗，发射接收数据电流小于40mA，普通工作模式小于1uA，深度睡眠模式小于0.5uA，。一颗锂电池可以工作6个月到2年,这是其它无线设备无法比拟的。图8为管道安全预警系统中振动检测节点网络结构。

4.3 诊断云平台

诊断云服务平台由监控处理计算机、无线通信模块、信号分析及识别软件和终端推送构成，提供现场采集数据的接收、存储、滤波、积分、评估等在线数据管理分析功能，并作出安全预警和报警。

图8：网路接点结构

图9：诊断云平台

数据接收管理由数据库及无线数据接收端口、内部数据调用接口构成，可在线接收来自现场的无线传输数据，统一存储于振动加速度数据库中，并为后续数据分析评估提供调用接口；数据处理分析单元由数据滤波模块和加速度积分模块构成，前者采用卡尔曼滤波方法，剥离去除实测振动加速度数据中的杂波成分，后者采用时域-频域混合积分方法，解译测点动位移信号，并存储于振动位移数据库中；安全性评估单元根据声屏障结构类型及其动位移时程曲线，采用故障诊断模型，开展安全诊断，并生成管道安全性评估预警和报告。 如图9所示。

5 结论

在研究了管道安全相关技术基础上，提出了利用振动监测技术对管道安全进行事前预警的建设思想，构建了基于物联网管道安全预警系统的架构，通过监测振动，提前发现针对输油气管网的破坏，特别是非法机械挖掘等行为所造成破坏进行监测和预警。随着移动互联、智能制造等技术不断成熟，使得信息传输低成本、高可靠、低延时甚至实时成为现实；物联网、大数据、云计算和人工智能四位一体发展，可将管道安全预警系统与安全防范系统相融合，通过智能识别系统，对重点监控场所的实时状态进行更有效的分析，为管理决策提供依据。