盧 軍

(合肥學院 先進制造工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在城市建設中，天然氣管網(wǎng)工程是一項重要的基礎設施建設。伴隨著城市化進程的不斷加快，天然氣管道越來越多，天然氣管網(wǎng)使用規(guī)模及管道鋪設越來越長，其發(fā)揮的作用也越來越重要。然而對于天然氣管網(wǎng)的風險安全評價和安全監(jiān)測尤為重要[1，2]，若天然氣管網(wǎng)出現(xiàn)泄漏事故，則可能導致一系列惡性安全事故的發(fā)生，嚴重威脅到居民的生命財產(chǎn)安全。針對天然氣泄漏監(jiān)測，當前主要采用人工巡檢的方式，該方式存在速度慢、對巡檢者經(jīng)驗依賴較強以及無法連續(xù)實時在線監(jiān)測等缺點，基于上述研究背景，本課題提出了一種天然氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，可以實現(xiàn)24h實時在線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)設計

1.1 整體方案設計

課題所設計的天然氣管網(wǎng)泄露監(jiān)測系統(tǒng)綜合運用了電子測量技術、計算機技術和無線通信技術的發(fā)展[3～6]，系統(tǒng)主要由上位機、通信轉換裝置、中繼裝置和監(jiān)測裝置構成。由于天然氣管網(wǎng)組網(wǎng)區(qū)域較大，因此各中繼裝置與上位機的通信轉換裝置之間通過GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸，中繼裝置與監(jiān)測裝置通過LORA無線通信傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上位機通過通信轉換裝置獲取中繼裝置數(shù)據(jù)，通信轉換裝置將GPRS獲取的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機。

監(jiān)測裝置實時采集天然氣管網(wǎng)的濃度數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)，若干監(jiān)測裝置自組網(wǎng)，并將實時采集的天然氣濃度、溫濕度、采集時間和監(jiān)測裝置ID號數(shù)據(jù)進行打包統(tǒng)一發(fā)送給相應區(qū)域內的中繼裝置。中繼裝置與監(jiān)測裝置之間通過LORA無線模塊傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體功能結構框圖如圖1所示。

系統(tǒng)上位機由用戶管理、主界面顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢和報警查詢模塊構成。監(jiān)測裝置實時采集管網(wǎng)的天然氣濃度、溫濕度等參數(shù)，當通信異常時將采集的數(shù)據(jù)以時間順序進行存儲，恢復通信時將存儲的數(shù)據(jù)重新發(fā)送。中繼裝置實時獲取監(jiān)測裝置采集的數(shù)據(jù)信息、時間和位置ID號，通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸給通信轉換裝置，上位機讀取通信轉換裝置數(shù)據(jù)并對獲取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、故障判斷、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲，當監(jiān)測的數(shù)據(jù)異常時，上位機進行實時報警并提示報警管道的ID位置信息。

圖1 系統(tǒng)整體功能結構框圖

1.2 上位機設計

上位機對獲取的數(shù)據(jù)進行處理、顯示、存儲、故障判定和報警。主要通過圖形化方式顯示整個區(qū)域的天然氣管網(wǎng)狀態(tài)。當各區(qū)域管網(wǎng)狀態(tài)正常時，主界面各區(qū)域狀態(tài)顯示為綠色，當某一區(qū)域管網(wǎng)某個監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)異常時，主界面彈出報警信息。上位機主界面某區(qū)域狀態(tài)顯示為紅色，用鼠標雙擊該區(qū)域即可查看具體管網(wǎng)信息。某區(qū)域的某一管網(wǎng)實時狀態(tài)顯示示意局部圖如圖2所示。

圖2 某一區(qū)域某一管網(wǎng)實時狀態(tài)顯示示意局部圖

1.3 通信轉換裝置與中繼裝置設計

通信轉換裝置與中繼裝置通過GPRS模塊實時傳輸數(shù)據(jù)，主要完成各節(jié)點數(shù)據(jù)收集、分類匯總和上傳。中繼裝置是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，主要由主控制器、GPRS模塊、無線模塊和電源模塊構成。中繼裝置通過LORA無線模塊與監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)傳輸，實時獲取數(shù)據(jù)；同時中繼裝置通過GPRS模塊向通信轉換裝置傳輸獲取的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。中繼裝置GPRS模塊電路圖如圖3所示。

圖3 中繼裝置GPRS模塊電路圖

1.4 監(jiān)測裝置設計

監(jiān)測裝置實時監(jiān)測天然氣管道外天然氣濃度、溫濕度等參數(shù)，主要由主控制器、天然氣監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、存儲模塊、無線模塊、時鐘模塊和電源模塊構成。監(jiān)測裝置以若干個監(jiān)測裝置為單位自組網(wǎng)，統(tǒng)一將實時采集的燃氣濃度、溫濕度、采集時間和監(jiān)測裝置ID打包上傳給中繼裝置，監(jiān)測裝置之間、監(jiān)測裝置與中繼裝置之間通過LORA無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測裝置無線模塊電路圖如圖4所示，天然氣監(jiān)測模塊電路圖如圖5所示。

圖4 監(jiān)測裝置無線模塊電路圖 圖5 天然氣監(jiān)測模塊電路圖

1.5 數(shù)據(jù)處理算法設計

中值濾波算法有很強的抗毛刺干擾能力，但抗噪聲干擾能力一般；而一階滯后濾波算法抗毛刺干擾能力一般，抗噪聲干擾能力強。課題所設計系統(tǒng)中監(jiān)測裝置采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性至關重要。因此為提高監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采樣穩(wěn)定性和準確性，采用中值濾波算法和一階滯后濾波算法相結合的方式對采樣數(shù)據(jù)進行處理，算法處理過程如下：

首先，連續(xù)n次采樣得到n個數(shù)據(jù)樣本，通過中值濾波算法取n個數(shù)據(jù)樣本的中間值；

an={a1,a2,…,an}

(1)

其次，獲取n個數(shù)據(jù)樣本中的中間值數(shù)據(jù)amid，經(jīng)過實驗測試，選擇n=5較為適合；

amid=Mid(a1,a2,…,an)

(2)

最后，獲取公式(2)中的amid數(shù)據(jù)，再通過一階滯后濾波算法對每次中值濾波算法的數(shù)據(jù)進行一次一階滯后濾波計算，一階滯后濾波算法公式如公式(3)所示：

yn=kxn+(1-k)yn-1

(3)

其中，xn為本次采樣值即amid，yn-1為上次濾波輸出值，k為濾波系數(shù)，yn為本次濾波輸出，通過實驗測試，k=0.15時效果最佳。

通過將中值濾波算法和一階滯后濾波算法的結合使用，提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準確性。

2 軟件設計

系統(tǒng)上位機可以實現(xiàn)用戶登陸管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、泄漏異常報警和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。通信轉換裝置實時接收中繼裝置數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分類、匯總和上傳。通信轉換裝置主程序流程圖如圖6所示。中繼裝置通過LORA無線模塊實時獲取監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊實時向通信轉換裝置傳輸數(shù)據(jù)，中繼裝置主程序流程圖如圖7所示。

圖6 通信轉換裝置主程序流程圖 圖7 中繼裝置主程序流程圖

監(jiān)測裝置實時采集天然氣濃度數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、記錄采集時間，同時監(jiān)測裝置自組網(wǎng)相互傳輸數(shù)據(jù)，以某一終端監(jiān)測裝置向中繼裝置上傳本網(wǎng)絡內所有監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)，監(jiān)測裝置主程序流程圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)測裝置主程序流程圖

3 結論

基于電子測量技術、計算機技術和無線通信技術完成了天然氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的設計，結合中值濾波算法和一階滯后濾波算法，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣準確性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)較好地解決了當前天然氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)測方式存在的弊端。通過測試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣穩(wěn)定、準確，系統(tǒng)能夠進行天然氣管網(wǎng)在線實時監(jiān)測。隨著信息技術的進一步發(fā)展革新和城市化進程的擴大，本系統(tǒng)可應用于地下管廊以及其他行業(yè)領域。