基于ZigBee及4G的地灾数据传输方案在智能管道中的应用

姜翔飞

中国石油管道局工程有限公司设计分公司

在油气管道沿线一些山体滑坡等地灾严重影响管道运行的安全，一旦发生危险，无论发生单级、多级滑动甚至整体滑动，运动的土体都会对沿坡敷设的管道产生推压、拉扭作用，将会造成管道防腐层磨损，局部拉扭屈曲变形，甚至断裂、爆炸等；如坡体局部坍塌滑动，还可能造成管道出露、悬空。这对管道的安全形成极大的威胁，易造成不可估量的损失。根据智能管道“全面感知可控”的要求，需对重要的地灾点进行远程实时监测，目前大多是采用人工进行定时的数据采集，大量的人工巡线工作有一定的难度，同时在应急事件发生后不利于及时处理[1-5]。

1 数据传输整体架构

根据地灾监测点的分布特点可知，变形遥感监测、地表位移监测、深部位移监测、地下水位及孔隙水压力监测、含水率监测、降雨量监测以及管道本体应变监测等监测数据较多且比较分散，传统的点对点传输不适合地灾监测数据的传输，提出了ZigBee及4G的传输方式。基于ZigBee及4G的地灾数据传输架构由ZigBee终端节点、ZigBee中心节点、转化模块、4G传输模块、传输链路及地灾检测平台组成（图1）。

图1 地灾数据传输架构Fig.1 Transmission architecture of disaster data

每一个地灾监测点由多个传感器组成，每个传感器配备1个ZigBee传输模块，组成1个ZigBee终端节点，ZigBee终端节点集成传感设备及传输设备，采用低功耗设计，自带电池，可运行5年。

每一个地灾监测点有1个ZigBee中心节点，ZigBee中心节点由传感器、ZigBee传输模块、转化模块以及4G模块组成。将各个终端节点采集的数据汇聚至中心节点，在中心节点将采集的地灾数据进行帧结构封装，通过转化模块转化成适合4G传输模块识别的封装及帧结构方式，通过4G无线传输链路传输至后端地灾监测平台进行数据处理及显示[6-8]。

每个地灾监测点的终端节点和中心节点可以自由转化，一旦某一终端节点传输链路出现问题或者中心节点出现问题，可利用ZigBee自组网的功能进行自由组网，将其他的网终节点采集的数据传输至后端地灾监测平台[8-11]。

2 工程应用

某地区一处碎石土滑坡监测地灾监测点的滑坡为修路时堆积的松散碎石土。该处滑坡坡面由多级堡坎构成（上部台阶为浆砌石，下部台阶为干砌石）。在强降雨作用下，可能引发滑坡地质灾害，威胁管道光缆安全。根据地灾特点，设置地表位移监测、土压力监测、地下水位及孔隙水压力监测、降雨量监测4类监测类型，共计9个传感器，地灾监测类型分布见表1。

表1 地灾监测类型分布Tab.1 Distribution of disaster monitoring type

本工程每类地灾监测设置1个ZigBee中心节点，其他节点设置为ZigBee终端节点。降雨量监测由于只设置了1个检测装置，将此设置为ZigBee终端节点与土压力监测共用1个ZigBee中心节点，各ZigBee中心节点由传感器、ZigBee传输模块、转化模块、4G传输模块组成。终端节点传感器采集的数据通过ZigBee传输模块传输至终端节点ZigBee传输模块，与中心节点采集的数据一同传输，通过转化模块、4G传输模块传输至某作业区地灾检测平台，传输方案见图2。同时每类地灾监测终端节点ZigBee传输模块与中心节点ZigBee传输模块之间路由可自由选择，一旦某个终端节点至中心节点之间的路由出现问题，可自动跳到就近的另一个终端节点，通过另一个终端节点的通信路由传输至中心节点，再通过4G传输链路传输至地灾检测平台，保证了路由的备份传输，进一步提高了数据传输的可靠性。

图2 地灾监测点传输方案Fig.3 Transmission scheme of disaster monitoring point

在某作业区控制室设置地灾检测平台，其由服务器和显示终端组成，其中服务器对采集的地灾数据进行存储及处理；显示终端配备GIS地图，显示各个地灾检测点的位置信息。如果某个地灾检测点出现问题，显示终端上即可弹出画面，显示此点的信息。

在本工程实施阶段，经过测试表明：正常运行时，作业区控制室地灾显示终端上能正确显示各类地灾监测采集的数据情况。

为了检测设备出现异常是否可以有效报警，人为地关闭了降雨量监测装置并对降雨量监测装置进行喷水，观察地灾检测平台，此时地灾检测显示终端均可弹出画面进行有效报警。

为了检测各类地灾监测ZigBee传输的可靠性，将地表位移监测装置某一个终端节点至中心节点之间进行有效遮挡，观察地灾检测平台，此时地灾检测显示终端仍可显示此终端节点的信息。

从测试结果来看，基于ZigBee及4G的地灾数据传输方案能够实现地灾监测数据的远程监测，系统运行效果良好。

3 结束语

基于ZigBee及4G的地灾数据传输方案解决了管道沿线地灾数据无法实现远程监测的的问题，节省人工抄录的时间，便于问题的实时处理。此方案采用无线信号传输，中心节点至地灾监测平台之间采用的是4G传输路由，一旦某地区无4G覆盖，此方案将失效。但是随着5G技术的到来，各个地区基本都有三大运营商的信号覆盖，因此本方案具有很强的实用性。