基于GPRS网络的综合管廊煤气管道实时监测系统

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(1.新疆城建试验检测有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.上海岩联工程技术有限公司，上海 201802)

0 引言

综合管廊是一种大型的地下隧道空间，将电力、通信、给排水、煤气及供热等市政管线集成在同一管道内。在综合管廊中，煤气管道的安全问题尤为重要，一旦煤气管道发生泄漏，泄漏的煤气在电力管道电火花的作用下极易发生爆炸，造成无可弥补的损失[1-2]。因此，必须实时对煤气管道的泄漏情况进行监测，但现有的煤气管道监测系统由于存在监测参数无法实时传输及智能化分析等缺陷，无法满足实际项目的使用需求，基于此，提出了一种基于GPRS无线网络的综合管廊煤气管道实时监测系统，利用该系统可在远程终端实时监测煤气管道的泄露情况。

1 工作原理

基于实际项目设计要求，所设计的监测系统工作原理如图1所示。系统由发射端、接收端和上位机软件构成，其中发射端实时采集煤气管道的声波及管廊内的煤气浓度数据，采集到的数据经GPRS网络实时发送；接收端通过GPRS网络将发射端发送的数据实时接收，接收到的数据经数据线实时发送到上位机，上位机中安装有LabVIEW编写的软件，通过上位机软件可对接收到的数据进行进一步的处理及显示，即：通过对管廊内的煤气浓度数据进行分析，可对煤气管道是否泄漏做出判断，若煤气管道发生泄漏，则进一步对声波数据进行互相关分析，可计算得到管道泄漏的具体位置。

图1 系统工作原理

2 系统设计

2.1 发射端

发射端用于实时采集煤气管道的声波及管廊内的煤气浓度数据，采集到的数据经GPRS网络实时发送。发射端由硬件电路和相应的传感器构成，其中煤气浓度传感器及声波传感器的输出信号均为0～5 V电压模拟信号，需进行AD转换后才可输入发射端微处理器进行进一步处理。本文中发射端采用STC8A8K64S4A12单片机搭建，该芯片内部嵌有12位AD芯片，可将传感器的输入信号直接进行AD转换[3]，单片机处理后的数据直接经GPRS网络进行远程传输。常见的远程传输芯片包括A2D系列、WM02系列、TC35系列及SIM系列，其中SIM系列较为常见，能够安全可靠地实现数据、语音及短信息等方式的远程传输，可最大限度地降低开发难度，因此本文中选用SIM800C模块搭建GPRS无线网络传输电路[4]。单片机通过串口与SIM800C模块直接连接，并通过串口发送AT(Attention)指令对SIM800C模块进行控制。AT指令是一种通信协议标准，均以“AT”字符为开头，编程中常用的AT指令如表1所示[5]。

表1 常见AT指令

根据电路设计要求，所设计加工出的发射端实物如图2所示。

图2 发射端电路板实物

2.2 接收端

接收端采用GPRS网络将发射端发送的数据接收，接收到的数据经串口实时传输到上位机软件进行进一步的分析处理及显示，其中GPRS模块仍然采用SIM800C模块，该模块亦通过串口与单片机进行通信，因此接收端的单片机需具有2个串口。在此，接收端仍采用STC8A8K64S4A12单片机搭建，该芯片具有2个串口，可满足使用要求，因此接收端的硬件电路与发射端相同。

2.3 上位机软件

2.3.1 软件处理流程

上位机软件采用LabVIEW编写，主要用以对煤气管道泄漏情况进行监测及泄漏点计算，软件的具体工作流程如下：当上位机软件接收到接收端发送的数据时，首先读取煤气浓度数据并进行分析判断，若数据显示煤气管道未发生泄漏，则重复进行上述操作；若数据显示煤气管道发生泄漏，则进一步读取声波数据并进行互相关分析，最终计算得到管道泄漏位置。

2.3.2 管道泄漏点监测原理

管道泄漏点监测的基本原理为，将2个声波传感器安装在管道的2个端口处，若管道中间发生泄漏，泄漏点声波将沿管道传播，则2个传感器均将采集到声波信号，由于泄漏点到2个传感器安装位置的距离不同，而声音的传播速度相同，因此通过计算2路声波信号的延时差便可获得泄漏点的具体位置。假设2个传感器所接收到的声音信号可表示为[6-7]：

x1(t)=L1(t)⊗s(t)+n1(t)

x2(t)=L2(t)⊗s(t)+n2(t)

(1)

x1(t)，x2(t)分别为2个传感器所接收到的声音信号；L1(t)，L2(t)分别为管道的传播特性；s(t)为泄露源信号；n1(t)，n2(t)为2个传感器接收到的噪声信号。

由此可进一步得到2个函数的互相关函数为：

R12(τ)=E[x1(t)x2(t+τ)]

(2)

R12(τ)为互相关函数；τ为传感器接收到信号的时间差；E为期望值。

由互相关函数的基本原理可知，当互相关函数幅值最大时，所对应的时间即为2路信号的时间差，因此，通过互相关可得到两路信号传播的时间差，并结合传感器的安装位置及声波沿管道的传播速度等已知参数，便可计算得到管道泄漏的具体位置。

2.3.3 软件设计

根据设计要求，所设计的软件分为4个功能模块，分别为滤波模块、浓度数据显示模块、相关分析模块及泄漏点显示模块。其中滤波模块用于对采集到的传感器数据进行滤波；浓度数据显示模块用于将采集到的煤气浓度数据进行实时显示；相关分析模块用于将互相关分析后的数据频谱进行显示；泄漏点显示模块用于将最终计算出的管道泄漏位置进行实时显示。

3 试验

整套监测测试系统加工完成后进行了室内及现场试验，其中室内试验管道长度为30 m，可分别在不管道长度处钻取漏洞进行试验。将实际泄漏点距离管道始端的距离定义为实际漏点，将本系统测量到的距离定义为测量漏点，部分具有代表性的室内试验数据如表2所示。

表2 室内试验数据

通过大量的室内试验数据并结合表2可知，利用本系统对管道泄漏位置检测的误差不超过2.5%。

在完成室内试验的基础上，在乌鲁木齐玄武湖路综合管廊进行了现场试验，试验现场如图3所示。

图3 试验现场

某次现场试验时，室内终端接收到的煤气浓度数据及互相关图谱如图4所示。

图4 某次现场试验结果曲线

由图4a可知，此时煤气浓度数据异常，软件分析结果显示煤气管道发生泄漏，此时软件进一步对声波信号进行互相关分析，互相关图谱如图4b所示,此时2个传感器接收到的信号时间差为信号图谱幅值最大处所对应的横坐标，即0.084 s，结合式(1)、式(2)及传感器的安装位置等已知参数，软件自动计算得到的泄漏点具体位置的为72.36 m，实际泄漏点位置为73.58 m，误差为1.66%，满足实际项目使用需求。

4 结束语

针对现阶段综合管廊煤气管道安全监测的需要，设计了一种基于GPRS网络的综合管廊煤气管道实时监测系统，可实现煤矿管道的无线远程实时监测，并可根据监测数据实时显示管道泄漏位置。监测系统加工设计完成后进行了室内及现场试验。试验结果显示，系统可实现对综合管廊内煤气管道实时监测的功能，同时计算出的管道泄漏点的误差不超过2.5%，满足实际项目的使用需求。