物联网智能燃气表燃气异常状态感知与控制

邵泽华， 权亚强， 梁永增

(成都秦川物联网科技股份有限公司，四川成都610100)

1 概述

天然气是一种清洁能源，但天然气同样具有危险性，其可能造成的燃气事故大致归为3类：爆炸、燃烧、中毒[1]。伴随天然气消费群体的扩大，燃气安全事故发生的数量也在增多。据博燃网2018年统计数据：2018年我国户内安全事故占总燃气事故比例超过50%。燃气事故的发生具有突发性，可能会酿成危及社会公共安全的重大事故。基于燃气泄漏的危害性，对燃气异常状态的及时感知和控制是预防燃气泄漏事故发生的重要手段。

2 燃气异常状态感知和控制技术

当前，燃气异常状态感知和控制技术主要有：燃气泄漏安全切断、流量异常安全切断以及压力异常安全切断等[2]。

① 燃气泄漏安全切断

通过将燃气泄漏报警器与智能燃气表连接，由燃气泄漏报警器气体感知模组对环境气体中的甲烷等气体的浓度信息进行感知。燃气泄漏安全切断是一种在燃气泄漏发生后才能实现切断燃气供应的技术，可细分为燃气泄漏安全切断和火灾安全切断。

a.泄漏安全切断。燃气泄漏报警器能够通过内置的气体感知模组对甲烷等可燃气体的浓度变化情况进行感知，当所测气体在空气中的浓度持续、显著、快速增高，达到所设定阈值时，则判断发生了燃气泄漏，发出声光报警，同时将燃气泄漏信息传输给燃气表内置微电脑控制器。燃气表内置微电脑控制器控制内置切断阀立刻切断燃气供应，阻止燃气继续泄漏，燃气公司远程控制端也能通过数据传输模块接收到报警信息及时进行处理。

b.火灾安全切断。燃烧产生的二氧化碳会使环境中的二氧化碳浓度持续升高。燃气泄漏报警器气体感知模组实时对空气中的二氧化碳浓度变化情况进行感知。当空气中二氧化碳浓度持续、显著、快速增高时，则判断燃气表所处环境有火灾发生，发出声光报警，同时火灾信息传输给燃气表内置微电脑控制器。燃气表内置微电脑控制器控制内置切断阀切断燃气供应，燃气公司远程控制端也能通过数据传输模块接收到报警信息及时进行处理。

② 流量异常安全切断

流量异常安全切断技术主要包括以下技术：流量过载(指流经燃气表的流量大于1.2倍的燃气表最大流量)切断、异常大流量(指流经燃气表的流量超过了燃气用户使用的燃具最大负荷流量)切断、异常微小流量切断、持续流量超时切断、长期未使用切断等。

流量感知技术是预防和阻止户内燃气泄漏事故发生的主要技术之一。若发现流量异常(超过预先设定的阈值)，燃气表内置微电脑控制器控制内置切断阀切断燃气供应，燃气供应商远程控制端也能通过数据传输模块接收到报警信息及时进行处理。

③ 压力异常安全切断

通过在燃气表内部安装压力传感器，当供气压力降至设定值(行业标准CJ/T 449—2014《切断型膜式燃气表》规定为400 Pa)时，燃气压力异常信号传输至燃气表内置微电脑控制器，由燃气表内置微电脑控制器控制内置切断阀切断燃气供应，防止压力过低而造成的燃气设备熄火及漏气现象，燃气公司远程控制端通过数据传输模块接收到报警信息及时进行处理。

3 燃气表燃气异常状态感知和控制系统

为了最大程度发挥物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制技术的作用，笔者团队研发了物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制系统(已申请国家发明专利)，在整合现有燃气异常状态感知和控制技术的基础上，通过与物联网智能燃气表及其控制系统[3]联合，使燃气使用状态时刻处于监控之下。

① 系统结构

物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制系统集燃气状态检测、报警、模拟评估及控制为一体，主要功能包括异常状态感知、异常状态控制、燃气使用安全状态评估等功能。物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制系统结构见图1。

图1 物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制系统结构

各平台的功能由相应的物理实体实现。

a.对象平台物理实体是指物联网智能燃气表集成燃气异常状态感知模块和控制模块，主要完成物联网智能燃气表用气状态、所处环境信息的感知，接收和执行控制信息。

b.传感网络平台物理实体由传感网络管理服务器、电信运营商通信平台、物联网智能网关等组成，能够传输和处理对象平台获取的感知信息及接收控制信息。传感网络管理服务器在物理空间上与燃气公司综合管理服务器在一起，物联网智能网关在小区放置。

c.燃气公司综合管理平台物理实体主要为燃气公司综合管理服务器，统筹、协调各平台之间的联系、合作以及资源共享，动态监测整个物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制系统中的数据。在拥有用户授权的条件下，根据接收到的燃气异常状态感知信息内容，代替用户向表端发出控制指令。

d.服务平台物理实体包括政府服务器、燃气公司服务平台服务器以及社会运营商服务器。燃气公司服务平台服务器具有一定的信息处理能力，能够为燃气用户提供接口，向燃气用户提供各种燃气服务信息，如燃气状态信息、历史消费信息等。同时，燃气公司服务平台服务器也能向政府服务器、社会运营商(门户网站、社会信息分析机构等)服务器提供脱敏的燃气信息，利于政府和社会公众对燃气运行状况的监督。

e.用户平台物理实体包括各种自助终端、移动终端等，能以WEB或终端APP的形式将物联网智能燃气表运行状态信息呈献给燃气用户，并提供各种操作功能，实现用户对物联网智能燃气表表端的控制。

② 系统信息处理形式

根据泄漏信息的处理平台不同，对泄漏信息的处理共有5种方式，物联网智能燃气表燃气异常状态信息处理形式见图2。

图2中对象感知信息系统、对象控制信息系统分别存在于物联网智能燃气表燃气异常状态感知模块与控制模块中。感知传感、感知管理、感知服务信息系统及控制传感、控制管理、控制服务信息系统分别存在于传感网络平台、燃气公司综合管理平台及服务平台对应的各模块中。用户平台存在多种终端，用于对感知控制信息进行处理和呈现，相应的信息系统统称为用户系统。

图2 物联网智能燃气表燃气异常状态信息处理形式

a.对象平台自主控制：物联网智能燃气表作为对象平台的物理实体，是获得各种感知信息的功能平台。对象平台的对象感知信息系统获得燃气状态信息后，通过对状态信息进行计算处理，确认燃气异常状态发生的真实性，然后由对象控制信息系统生成控制信息，控制阀门关阀，并将燃气异常状态信息和处理结果上报给燃气用户。

b.传感网络平台控制：对象平台对象感知信息系统在获得燃气状态信息后，自身并不能确认燃气状态是否异常，需将燃气状态信息传输给传感网络平台感知传感信息系统进行计算处理，判断燃气的真实状态，由控制传感信息系统生成控制信息传输给对象控制信息系统，执行相应的控制，并将控制结果反馈给对象感知信息系统。

c.管理平台控制：对象平台对象感知信息系统在获得燃气状态信息后，对象平台和传感网络平台均不能确认燃气状态是否异常，需将燃气状态信息逐级传输给管理平台感知管理信息系统进行计算处理，判断燃气的真实状态，由控制管理信息系统生成控制信息，通过传感网络平台传输给对象平台对象控制信息系统，执行相应的控制，并将控制结果反馈给对象感知信息系统。

d.服务平台控制：对象平台对象感知信息系统在获得燃气状态信息后，对象平台、传感网络平台、管理平台均不能确认燃气状态是否异常，需将燃气状态信息逐级传输给服务平台感知服务信息系统进行计算处理，判断燃气的真实状态，由控制服务信息系统生成控制信息，依次通过管理平台、传感网络平台传输给对象平台对象控制信息系统，执行相应的控制，并将控制结果反馈给对象感知信息系统。

e.用户平台控制：对象平台对象感知信息系统在获得燃气状态信息后，对象平台、传感网络平台、管理平台、服务平台均无法确认燃气状态是否异常，为避免误报，需将燃气状态信息逐级传输给用户平台用户系统，由燃气用户确定燃气的真实状态，并生成相应的控制信息依次经过服务平台、管理平台、传感网络平台传输给对象平台对象控制信息系统，执行相应的控制，并将控制结果反馈给对象感知信息系统。

物联网智能燃气表燃气状态信息的5种处理形式，对异常状态信息反应的及时性存在差异，越靠近对象平台，对异常状态信息的反应越及时，越能及早对燃气表执行控制。对于燃气泄漏报警器感知到的燃气泄漏信息和压力传感器感知到的低压力信息，物联网智能燃气表能够做到准确识别，可实现自主控制；对于流量信息，有时出现流量异常(如长时间使用)未必发生了燃气泄漏事故，可能是燃气用户正常用气行为，此时表端无法精准判断燃气表此时的工作状态，为避免误报，需将感知信息上传，由其他功能平台对感知信息作出判断。有些感知信息在上报后，可能存在长时间未收到控制信息的情况，此时在表端应设置时间阈值，在感知信息上报一定时间后，若未能收到控制指令，则默认执行切断燃气指令，最大限度保证燃气用户的用气安全。

无论物联网智能燃气表燃气状态信息采用何种处理方式，控制信息在执行后，燃气感知信息和控制信息执行后的反馈信息均应上报给燃气公司和燃气用户，使二者了解物联网智能燃气表所处工作状态。

③ 燃气使用安全功能状态评估的重点内容

对于物联网智能燃气表燃气异常状态感知和控制系统，燃气用户能够接触到的主要是物联网智能燃气表和各种用户终端，而用户终端与燃气使用安全关联性小，因此燃气使用安全状况评估主要是对物联网智能燃气表而言，即对对象平台的燃气使用安全功能状态进行评估。燃气使用安全功能状态评估的重点内容见图3。

图3 燃气使用安全功能状况评估

燃气使用安全功能状态评估的重点内容包括3个方面，分别为感知功能状态检测、控制功能状态检测以及环境中可燃气体浓度水平持续监测功能状态检测。

a.感知功能状态检测

感知功能状态检测包括燃气泄漏感知功能状态检测、燃气流量感知功能状态检测以及燃气压力感知功能状态检测。感知功能状态检测的重点内容包括但不限于：感知设备是否在线；是否能够正确识别异常状态；识别异常状态后是否能够及时将异常状态信息传输给燃气表控制器等。感知功能状态检测可实现对感知设备工作状态和功能状态的监控，及时发现存在的潜在问题，保障燃气使用安全。

b.控制功能状态检测

控制功能状态检测包括阀门控制功能状态检测和报警装置控制功能状态检测。控制功能状态检测内容包括但不限于：控制设备是否在线；是否能够正确接收异常状态信息；是否能够正确执行控制信息等。控制功能状态检测能够实现对控制设备工作状态和功能状态的监控，及时发现燃气表控制装置的潜在问题，保障异常状态发生时，能够执行有效控制。

c.环境中可燃气体浓度水平持续监测功能状态检测

正常情况下，燃气表安装环境中或多或少存在一定浓度的可燃气体，浓度水平比较稳定且处于极低水平。物联网智能燃气表所连接的报警器能够对空气中的可燃气体浓度进行持续监控和记录，可对环境气体中可燃气体的浓度变化进行分析，通过可燃气体浓度变化曲线，判断燃气安全使用状态。通过环境中可燃气体浓度水平持续监测功能状态检测，能够判别报警器的持续监测功能是否正常，及时发现存在的问题，减少报警器误报警或漏报警的可能性。

完成上述3方面的功能状态检测后，根据检测结果给出评估结论，使燃气公司和燃气用户清楚了解燃气使用安全状况，并可根据评估结论采取相应措施，使燃气使用更加安全。