基于NB-IoT通信方式的燃气地震紧急处置系统

范 涛，杨 江，夏界宁，杨厚丽，卢建旗，陈智慧

(1.湖北省地震局，地震预警湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071； 2.武汉地震科学仪器研究院有限公司，湖北 咸宁 437100；3.湖北省重大工程地震监测与预警处置工程技术研究中心， 湖北 咸宁 437100; 4.中国地震局地震工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

中国是地震多发地区，平均每年发生5级以上地震约20次，6级以上地震约4次；平均每3年发生约2次7级以上地震，平均每十几年发生约1次8级以上地震[1]。随着城市化进程，世界范围内地震引发的燃气泄漏造成的火灾等次生灾害时有发生[2-5]。最为典型的事件有1995年日本阪神(Han-Shin)7.2级地震，神户市(Kobe)高中压管线破坏106处，低压管线破坏26459处，燃气泄漏直接引起的火灾有8起，供气系统的灾后重建历时85天[5-6]。《中华人民共和国防震减灾法》对油气管道应布设强震动监测设施有明确要求，并明确了建设资金和运行经费由建设单位承担。各个省和自治区防震减灾条例也都对油田等重大工程的地震监测做了明确规定。

传统的燃气地震紧急处置系统是由强震监测设备和电磁阀为基础组成，或由机械式地震紧急处置装置为基础组成。日本对燃气的地震监测和紧急处置起步较早。1994年，日本东京燃气公司建成了煤气管网地震紧急处置系统(SIGNAL)[5-7]，系统包含331个谱烈度计等地震监测设施以及相应各个管道匹配的紧急切断阀门。阪神地震后，日本进一步对该系统进行了改进，新增了3 800个新型谱烈度计，构成了超高密度燃气地震紧急处置系统(SUPREME)，系统已经在多次地震中发挥作用，发挥明显的减灾效果[7-8]。上述系统采用的日本的新型SI传感器，该设备需用市电，功耗在12V供电的情况下，输出功率为4-20mA，具有功耗较高、通讯成本较高的缺点。2013年，土耳其伊斯坦布尔燃气地震紧急处置系统正式运行，系统主要通过110个安装在调压站的强震仪来进行震后的风险评估给出处置措施[9]，与日本的SUPREME系统类似。我国对燃气地震紧急处置系统的研究还处在研究和示范应用阶段，未达到真正意义的商用[10-12]。中国地震局工程力学研究所是我国最早从事燃气地震紧急处置系统研究的单位，开发了机械式的燃气地震紧急处置开关[13-21]，并在河北唐山进行了示范应用，但是无数据回传，恢复较麻烦，是一种非智能的紧急处置装置。云南省地震局研究员崔建文在该局家属区进行了示范应用，具体来讲，利用简易烈度计作为地震紧急处置装置安装在省地震局家属区燃气引入口进行地震安全处置，利用美国加州地震安全产品公司生产的Northridge2000 M75型机械式地震燃气阀在用户侧进行地震安全控制，系统原理和日本SUPREME类似[22]，同时也采用了机械式燃气地震紧急处置装置。

NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。目前，NB-IoT技术在地震行业应用暂时未报道得到应用。本文介绍了一种新型燃气地震紧急处置系统，该系统基于NB-IoT物联网技术，较好的解决了现有燃气地震紧急处置系统非智能、高功耗、通讯成本高三大痛点。

1 新型燃气地震紧急处置装置的原理和基本结构

新型燃气地震紧急处置装置(新型装置)在触发后，根据内置的加速度传感器监测数据以及地震预警、地震速报和地震烈度速报全链条信息，利用燃气系统震害评估技术自动划分震后风险等级，并立刻做出相应的紧急处置措施，避免在破坏性地震下发生因燃气泄漏诱发火灾等次生灾害。装置在震后的工作流程图如图1。

图1 新型装置在震后的工作流程图Fig.1 Work flow chart of the new device after the earthquake

该装置的研发主要包括四大方面研究内容：(1)核心器件选型；(2)超低功耗自供电硬件设计；(3)嵌入式程序开发；(4)设备测试。其中，关键点主要在于超低功耗自供电硬件设计。

新型装置超低功耗自供电硬件设计功能框图如图2所示。

图2 超低功耗自供电硬件设计功能框图Fig.2 Functional block diagram of low-power-consumption and self-powered hardware design

新型装置硬件功能设计描述如下：

(a)采用3.6V7000mah锂电池为加速度传感器ADXL362、主控模块ADuCM3029和通信模块HC7020E供电。该电池的电量可满足设备正常工作至少3年。

(b)ADXL362通过SPI(串行外围接口)与ADuCM3029进行同步串行数据传输，通过WAKE引脚实现振动自唤醒功能。

(c)HC7020E通过UART(通用串行数据总线)与ADuCM3029进行异步数据通信；并通过负载开关TPS22916实现通信模块的启动控制，保证系统超低功耗需求。

(d)ADuCM3029通过升压模块TPS61096和负载开关TPS22810实现燃气电磁阀的控制。

设备启动后，加速度传感器系统进入休眠监测模式，ADXL362以6Hz采样率进行振动监测，当有3个连续测量点(可设置)超过唤醒阈值时，唤醒主控模块ADuCM3029，同时系统进入振动监测模式，ADXL362以100Hz采样率进行振动监测。若监测30s时间设备监测峰值未超过报警阈值则设备重新进入休眠状态，监测数据和状态通过通信模块上传至数据服务平台。若监测30s时间设备监测峰值超过报警阈值则主控模块将通过升压电路驱动电磁阀切断燃气，监测数据和状态通过通信模块上传至数据服务平台。

研发的新型燃气地震紧急处置装置样机和电磁阀开关如图3所示，紧急处置装置在破坏性地震作用下驱动电磁阀动作切断燃气。

图3 新型燃气地震紧急处置装置样机和电磁阀Fig.3 Prototype of new seismic emergency handing device for gas and electromagnetic valve

基于新型装置搭建的燃气地震紧急处置系统架构按照终端层(NB-IoT紧急处置装置)、网络层、IoT平台和应用层4个部分组成，通过物联网、云计算、大数据等技术将各个部分整合统一为有机的整体，构成燃气地震紧急处置系统。如图4所示。

图4 新型燃气地震紧急处置系统架构图Fig.4 Structural diagram of new gas seismic emergency handing system

(1) 终端层

终端层包含一定数量的地震紧急处置开关，该智能终端通过集成NB-IoT标准模组，与NB-IoT基站连接来实现通讯能力，智能终端通过NB-IoT基站将信息传给IoT平台。终端采用自供电，并采用本质安全电路设计，避免接入市电对燃气安全的影响。

(2) 网络层

网络层是物联网的通讯基础，NB-IoT网络承载燃气地震紧急处置功能，具有低功耗、低成本、广覆盖的特点，符合NB-IoT物联网通讯的需求，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均有高安全性保障。

(3) IoT平台

IoT平台提供连接管理、设备管理、数据管理等基础功能，支持多种燃气地震紧急处置装置-智能终端设备接入。平台提供连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询及管理功能；通过统一的协议与接口实现不同终端的接入，接入的终端的数据传输给应用层平台。平台提供灵活高效的数据管理，包括数据采集、分类、结构化存储，数据调用、使用量基本分析。

(4) 应用层

应用层主要是针对燃气地震紧急处置的行业需求，聚焦行业自身的应用开发。应用层通过IoT平台获取来自设备层的数据，并统一管理燃气地震紧急处置开关。当平台分析核心软件-燃气地震安全风险评估给出高风险时，相应区域的燃气地震开关将收到关闭阀门的指令，采取紧急切断阀门的动作，避免和减轻因为燃气泄漏导致的火灾等次生灾害。

2 新型装置与传统装置的主要技术指标对比

传统的燃气地震紧急处置装置一般有两类，一种为纯机械式燃气地震紧急处置装置，另一种为基于强震仪的燃气地震紧急处置装置。新型装置和传统装置的主要技术指标的对比如表1。

表1 新型装置与传统装置的主要技术指标对比表Table 1 Specification of the new device and traditional devices

由表格可知，新型装置在功耗上具有很大的提高，具有更广的应用前景，安装一块普通的家庭水表用锂电池，可以维持设备正常工作5年以上。其中，动态范围90dB对于紧急处置来说足够，随着MEMS传感器技术的提高可进一步提升。量程上满足现有强震监测的需求，而且可选。供电方式上，新型装置可使用普通的智能水表或智能燃气用3.6V锂电池即可，相比传统强震仪无需外接市电，对于安装在燃气管道周边的装置更加安全。频带范围上，新型装置对于地震关注较多的0.1-20 Hz实现了全覆盖，相比传统强震仪具有更宽的频带。

3 示范应用

基于NB-IoT的新型燃气地震紧急处置系统在北京平谷的某小区进行了示范应用安装，共安装了96套用户侧燃气地震紧急处置装置。目前试运行状态正常。示范应用的现场安装图如图5所示，紧急处置装置通过膨胀螺丝固定在燃气表附近的墙面上，通过报警输出接口控制线与电磁阀连接，当输出报警信号时可控制电磁阀的关闭。

图5 示范应用现场安装照片Fig.5 Installation photos of demonstration application site

4 结论与讨论

本文针对燃气地震安全需求，基于NB-IoT通信技术研发的新型燃气地震紧急处置装置提出了燃气地震紧急处置系统，系统全智能自动判断燃气管网安全性，若经过本地报警或应用层评估为高风险，自动发送指令给燃气地震紧急处置开关关闭高风险区燃气阀门，达到切断燃气(或其它流体)的流动，避免次生灾害的发生。介绍了燃气地震紧急处置装置的研发的关键点-超低功耗自供电硬件设计。

新型设备与传统的地震仪搭建的处置系统相比具有低成本、低功耗、广覆盖的优势，可应用于燃气地震作用下的紧急处置。

(1) 新型设备的售价可控制在千元级别，而现有的强震仪的售价都是万元级别的。

(2) 新型设备的待机功耗优于50μA，远低于现有强震仪的0.5A级别。

(3) 新型设备采用最新的NB-IoT物联网技术，主要技术指标包括：广覆盖(20dB增益)，大连接(50k终端)，便于设备的大面积布设。

目前，本项目的研究已经取得了阶段性研究成果，并开始在北京平谷地区的某小区用户侧进行示范应用，但是运行时间不长，缺少真实地震的检验。燃气的地震紧急处置还存在其他风险，需要从顶层设计上进行综合考虑。还需要进一步解决的问题有如下几个方面：

(1)如何避免燃气地震紧急处置装置的误触发问题，如家庭装修时，可能导致新型设备误触发而切断燃气。

(2)破坏性地震发生后，对燃气管网可能破坏区域的紧急切断，需要符合一定的切断优先级，保证燃气的供应压力安全和防止次生灾害的发生。

(3)破坏性地震发生后，如何合理应用地震预警信息和现地燃气地震紧急处置装置进行燃气的紧急控制还有待进一步研究，利用地震预警信息进行远程控制的范围还需要进一步分析和论证。

(4)物联网技术应用方兴未艾，目前多选择有重大应用效益的领域，如无人驾驶、人工智能、工业物联网等，应用在小概率事件、罕遇地震发生时燃气系统安全如何评价，也是一个值得探讨的问题。

致谢：感谢北京市燕山工业燃气设备有限公司提供的现场安装照片，感谢中国地震局工程力学研究所、北京市煤气热力工程设计院有限公司有关专家给与的技术指导，感谢审稿专家提出的宝贵意见。