面向物联网的车用气瓶检测系统开发

王 亮　李保绪　孙建成

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院　乌鲁木齐　830011）

面向物联网的车用气瓶检测系统开发

王 亮李保绪孙建成

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院乌鲁木齐830011）

针对车用气瓶检测环节存在检测效率低下、检测结果不够客观、气瓶漏检等问题，开发基于物联网的车用气瓶检测系统。在系统中，赋予每只气瓶一个唯一标识的射频识别标签，采用射频识别技术将车用气瓶与具体检测环节相关联，并借助WIFI和蓝牙两种无线通信技术将检测结果自动传输至后台服务器，实现检测现场与业务报告管理系统的实时交互。通过该系统的实施，提高了气瓶检测效率，增强了检测结果的准确性，扩大了信息共享范围，提高了气瓶检测的整体信息化水平。

物联网射频识别技术车用气瓶检测自由口通信

汽车用压缩天然气气瓶是一种移动式高压压力容器，在频繁的充装、储存、运输、使用过程中，容易造成气瓶金属疲劳，随时可能发生泄漏或者爆炸的危险［1］。进行车用气瓶的定期检验是保证气瓶安全使用的有效手段。

国家和自治区相关部门先后颁布了相关标准、规程和技术规范，对车用气瓶设计、制造、安装、使用、充装、运输及检验等各个环节进行严格监控，保证车用气瓶的安全使用。对车用压缩天然气气瓶进行定期检验，及时发现气瓶在使用过程中出现的异常情况，是保证气瓶能安全使用、保障人民生命安全和财产安全，乃至维护社会稳定的重要手段［2-3］。

目前车用气瓶的检测方式是：检测人员在气瓶的检测过程中需要人工记录检测结果，手工填写纸质原始记录单，再进入质监部门的报告单业务系统，人工录入检测结果，打印检验报告单。这种检验方式存在以下三个方面的问题：

1）人工填写纸质原始记录单，导致边检测边填写，严重影响整个检测效率；

2）原始记录与检验报告之间脱节，检验报告上的所有判断结果都是人为的，有失公正性；

3）现有检测工艺对气瓶的检测是无序的，在检测线上会有多个气瓶待检，因此可能会出现个别气瓶的某些检验项漏检或误检。

本项目在不改变现有检测设备和检测工艺的前提条件下，引入物联网中的射频识别技术，开发出面向物联网的车用气瓶检测系统。为每只气瓶赋予唯一标识的电子标签，作为气瓶的“身份证”；并借助于各种无线通信技术实现检测结果的自动上传，省去人工填写原始记录单的过程，能提高检测效率和保证检测结果的可信度［4-7］。

1　系统总体方案

1.1系统功能架构

系统从功能架构上分为数据采集层、管理层和数据中心［8-9］，如图1所示。

图1　系统网络架构

各部分功能如下：

数据采集层：需要完成气瓶的外观检测、瓶口螺纹检测、瓶阀检测、水压试验和气密性检测等检测环节。在每项检测环节完成后，检测人员通过扫描枪或PDA将该项的检测结果发送到气瓶检测站服务器储存。

管理层：位于气瓶检测站，主要完成送检气瓶的登记以及检测信息的存储。除此之外，管理层需要根据气瓶的每项检测结果出具气瓶定期检验报告。

数据中心：设立在相关质监部门，包括数据服务器和应用服务器，存储着所有车用气瓶的详细数据，包括气瓶安装时间、安装车牌号、定期检验时间及每次检验结果等信息。由于目前乌鲁木齐市车用气瓶数量较多，数据量非常庞大，所以数据中心采用数据服务器和应用服务器协同工作的方式。数据服务器完成气瓶详细数据的存储；应用服务器完成各种数据表格的存储和对各种数据操作的协调，一方面接受数据操作信息，另一方面完成对数据服务器中的数据的读写操作。

图2为系统网络拓扑结构图，气瓶检测站与新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院通过一条专用的光纤进行通信，气瓶检测站内主要采用WIFI进行通信。

图2　系统网络拓扑结构

1.2软件架构设计

系统软件架构由下到上分为三层主框架：数据层、业务层及表现层［10］，如图3所示。

图3　系统软件架构

统一业务支撑平台基于XML/J2EE/.Net Framework等开放技术，遵循SOA架构体系，需要采用全程建模、基于组件分层开发的技术路线，C#与VB编写完成软件模块的开发。

三层架构模式具有稳定性高、延展性好和执行效率高的优点，采用该种模式可以统一客户服务到客户端，将客户服务集中统一管理，因此系统容错能力较高、负载平衡能力较好。随着新疆维吾尔自治区车用气瓶监控中心系统逐步完善和业务发展，这种软件构架的优势将进一步体现出来。

2　车用气瓶检测系统

2.1车用气瓶检测流程

待检气瓶进入气瓶检测站，首先进行气瓶的拆卸，再根据原始记录单记录气瓶的公称压力、生产日期、车牌号码等重要信息；待完成气瓶登记后，气瓶进入检测环节。

气瓶检测具体环节如图4所示。其中需要记录具体检验结果的环节是外观检测、瓶口螺纹、水压试验、瓶阀检测和气密性测试，以上测试环节的结果将影响气瓶的报废与否，因此需要对其详细的检测结果进行数据存储。其中外观检查与评定环节需要记录气瓶外观损坏的具体参数（气瓶外表面划伤深度等）；水压试验环节需要记录气瓶的残余变形率；气密性环节需要记录气瓶的泄露压力，最后再依据相关标准判断气瓶是否合格。

图4　系统业务流程图

2.2界面开发

系统软件模块开发分为手持机模块和PC模块，见表1。手持机模块主要完成检测人员的登录、电子标签的扫描、相应检测环节的检测等，PC端模块主要包括登录模块、PC端权限管理模块、数据分析和打印报告单模块和送检气瓶登记模块。

表1　系统软件模块设计

●2.2.1手持机端的应用

图5　PDA登录界面图

图5为PDA登录界面。PDA登录模块要求检测人员输入个人的姓名及密码，并选择检测气瓶的种类和具体的检测项。在检测人员点击“登录”按钮后，PDA将检测人员的信息发送到气瓶检测站数据服务器进行存储，作为信息溯源的依据。在检测人员登录到相应气瓶检测环节后，扫描电子标签，开始检测操作，再根据相应检测环节的界面录入结果。图6为缠绕瓶外观检测结果录入界面，包括气瓶标识、划伤擦伤凿伤、气瓶磨损等选项。

图6　缠绕瓶外观检测

●2.2.2PC端的应用

1）水压测试环节。车用气瓶水压试验检测环节是气瓶检验的必检环节，也是被普遍认可的检验气瓶综合性能较理想的测试方法。它将气瓶的容积残余变形率作为考核指标。笔者将受试气瓶抽象成下端为平底封头、上端为半球形封头的薄壁圆筒形容器；筒体部分在试验压力作用下，壳壁处于两向应力状态［11］。水压试验检测环节采用GB/T 9251—2011《气瓶水压试验方法》规定的外测法气瓶容积变形试验测试方法。

水压试验系统采用VB开发上位监控画面，S7-200PLC为下位控制器，上位机和下位机之间采用自由口通信。水压测试时检测人员通过移动数据终端扫描待检气瓶电子标签，记录待检气瓶编号等信息，并通过蓝牙通信技术将气瓶信息传送给上位组态软件。上位组态软件定时采集待检气瓶内部压力值，并实时显示压力变化曲线。当测试完成后，上位组态软件将气瓶信息、检测人员信息、测试结果一并写入数据库。

水压测试上位界面见图7。

图7　水压测试上位界面

2）气密性测试环节。气密性测试环节是在气瓶更换瓶阀环节后，用来检验瓶体、阀门及堵头螺纹等处是否泄漏［12］。

根据GB 24162—2009规定：只有在气瓶水压试验合格后，才能进行气密性试验。气密性试验采用的方法是：将充以气瓶公称压力（20MPa）的受试瓶浸入试验水槽中，保证使受试瓶任何部位都在水面以下至少 5cm；缓慢地转动受试瓶，持续2min，通过人眼观查各部位有无气泡出现；若有连续气泡产生或者擦去固定气泡后又有新气泡产生，则证明该受试瓶存在气体泄露，可判断气密性试验不合格［13-14］。

在不改变原有检测设施的基础上，通过增加压力变送器检测气瓶内压力，并上传给PLC。采用VB开发上位监控画面，上位组态通过曲线控件显示气瓶内压力的变化过程，结合人眼观察给出气密性测试结果。待检测完成后，上位组态软件将气瓶信息、检测人员信息、气瓶保压时间和气瓶气密性状况记录到数据库。

气密性检测上位界面见图8。

图8　气密性测试上位界面

3）试验报告生成。气瓶检测数据采集处理系统在采集到所有的试验原始记录后，根据定义好的业务规则判定标准，生成报告判断数据并自动填写到现有的业务管理系统。操作人员可以直接通过该系统打印报告单。

3　结论

通过将物联网技术与现有气瓶检验技术相结合，开发出面向物联网的车用气瓶检测系统。构建了一个以射频识别标签为载体的信息管理平台，以射频识别标签作为媒介将气瓶的每一检测项进行关联，并通过移动数据终端（PDA）对每一检测环节的数据进行采集、集中处理，自动生成可以导入质监部门的报告单业务系统的检测结果。为整个检测过程搭建一个高效、有序的检测过程。

与原有系统比较，本系统具有以下优点：

1）从传统的填写纸质原始记录到信息化的实时管理，对检测过程的结果记录更为及时、高效。

2）利用集成思想，将“新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院气瓶检测线电子数据系统”与“水压检测系统”、“气密性检测系统”和“报告单业务系统”进行数据共享，变信息孤岛为共享平台，扩大了信息共享范围、缩短了信息共享时延。

3）加强检测过程中的数据实时采集，获得采集结果的实时反馈。

4）本项目的开发对于其它特种设备（例如氧气瓶、氮气瓶、电梯、锅炉、安全阀等）的检验具有很强的借鉴性。

2015年1月，本项目通过了自治区质监局的竣工验收，正式启用。经过一年多的运行，整套系统可靠、高效，不仅将检验人员从繁重、重复的手写原始记录工作中解放出来，而且极大的提高了报告及时率和检验准确性。从以往每条检验线每天50只气瓶，提高到每天80只，两条检验线每天的检验量达到了160只气瓶。面对乌鲁木齐市10万只/每年车用气瓶的检验量，该项目的实施有效缓解了检验需求和检验能力之间的矛盾，创造了良好的社会效益和经济效益。

［1］张应禄.车用天然气缠绕气瓶安全分析［J］.天然气工业， 2009，29（4）：102-104.

［2］张富胜.车用CNG气瓶安装和使用安全问题分析及对策［J］.中国安全生产科学技术，2011，07（11）：210-215.

［3］Chirico，Prevot，Decarlo，et al.Aerosol and trace gas vehicle emission factors measured in a tunnel using an Aerosol Mass Spectrometer and other online instrumentation［J］.Atmospheric Environment，2011，45（13）：2182-2192.

［4］李如年.基于RFID技术的物联网研究［J］.中国电子科学研究院学报，2009，4（6）：594-597.

［5］Welbourne E，Battle L，Cole G，et al.Building the internet of things using RFID：the RFID ecosystem experience［J］.Internet Computing，IEEE，2009，13（3）：48-55.

［6］Vermesan O，Friess P，Guillemin P，et al.Internet of things strategic research roadmap［J］.Internet of Things-Global Technological and Societal Trends，2011，25（8）：9-52.

［7］陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究［J］.计算机学报，2013，36（1）：168-188.

［8］汤晓冰.基于RFID的危化品气瓶安全管理系统设计［D］.上海：复旦大学，2010.

［9］邴志刚，党琼，郝铭，等.基于RFID和WSNs的钢瓶综合监管系统［J］.计算机工程，2009，35（8）：277-279.

［10］申秀兰.基于 RFID 的山东省危化品气瓶管理系统应用研究［D］.济南：山东大学，2006.

［11］张成海，张铎主编.现代自动识别技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［12］GB 24162—2009 汽车用压缩天然气金属内胆纤维环缠绕气瓶定期检验与评定［S］.

［13］GB/T 12137—2002 气瓶气密性试验方法［S］.

［14］中华人民共和国国务院令.特种设备安全监察条例［J］.设备管理与维修，2003，45（8）：15-19.

Development of Vehicle Cylinder Detection System Facing Internet of Things

Wang LiangLi BaoxuSun Jiancheng （Special equipment inspection and research institute of Xinjiang Uygur Autonomous RegionUrumqi830011）

To solve the problems of low detection efficiency， less objective detection resultes and leaking detection for gas cylinder detecting in cars， the gas cylinder testing system for vehicle based on internet of things is developed. In the system， the RFID tag is endowed with a unique identification of each cylinder. Then the gas cylinders and the specific detection aspects can be associsted using the RFIT. The detection results are automatically transmitted to the background server using the WIFI and Bluetooth two wireless communication technology. Real time interaction between the detection and the business report management system can be accomplished. Through the implementation of the system， the efficiency of the cylinder detection is improved and the accuracy of the detection results is enhanced and the scope of information sharing is expanded，which improves the overall level of information technology.

Internet of thingsRFID technologyVehicle cylinders detectionFree port communication

X933.4

B

1673-257X（2016）08-0076-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.019

王亮（1977～），男，本科，主任，高级工程师，从事锅炉压力容器压力管道的检验工作。

2016-03-23）