天然气管网泄漏监测系统设计

卢 军

(合肥学院 先进制造工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

在城市建设中，天然气管网工程是一项重要的基础设施建设。伴随着城市化进程的不断加快，天然气管道越来越多，天然气管网使用规模及管道铺设越来越长，其发挥的作用也越来越重要。然而对于天然气管网的风险安全评价和安全监测尤为重要[1，2]，若天然气管网出现泄漏事故，则可能导致一系列恶性安全事故的发生，严重威胁到居民的生命财产安全。针对天然气泄漏监测，当前主要采用人工巡检的方式，该方式存在速度慢、对巡检者经验依赖较强以及无法连续实时在线监测等缺点，基于上述研究背景，本课题提出了一种天然气管网泄漏监测系统的设计方案，可以实现24h实时在线监测。

1 系统设计

1.1 整体方案设计

课题所设计的天然气管网泄露监测系统综合运用了电子测量技术、计算机技术和无线通信技术的发展[3～6]，系统主要由上位机、通信转换装置、中继装置和监测装置构成。由于天然气管网组网区域较大，因此各中继装置与上位机的通信转换装置之间通过GPRS进行数据传输，中继装置与监测装置通过LORA无线通信传输数据。系统上位机通过通信转换装置获取中继装置数据，通信转换装置将GPRS获取的数据通过串口传输给上位机。

监测装置实时采集天然气管网的浓度数据、温湿度数据，若干监测装置自组网，并将实时采集的天然气浓度、温湿度、采集时间和监测装置ID号数据进行打包统一发送给相应区域内的中继装置。中继装置与监测装置之间通过LORA无线模块传输监测数据，系统整体功能结构框图如图1所示。

系统上位机由用户管理、主界面显示、历史数据查询和报警查询模块构成。监测装置实时采集管网的天然气浓度、温湿度等参数，当通信异常时将采集的数据以时间顺序进行存储，恢复通信时将存储的数据重新发送。中继装置实时获取监测装置采集的数据信息、时间和位置ID号，通过GPRS将数据传输给通信转换装置，上位机读取通信转换装置数据并对获取的数据进行数据处理、故障判断、数据显示和数据存储，当监测的数据异常时，上位机进行实时报警并提示报警管道的ID位置信息。

图1 系统整体功能结构框图

1.2 上位机设计

上位机对获取的数据进行处理、显示、存储、故障判定和报警。主要通过图形化方式显示整个区域的天然气管网状态。当各区域管网状态正常时，主界面各区域状态显示为绿色，当某一区域管网某个监测节点数据异常时，主界面弹出报警信息。上位机主界面某区域状态显示为红色，用鼠标双击该区域即可查看具体管网信息。某区域的某一管网实时状态显示示意局部图如图2所示。

图2 某一区域某一管网实时状态显示示意局部图

1.3 通信转换装置与中继装置设计

通信转换装置与中继装置通过GPRS模块实时传输数据，主要完成各节点数据收集、分类汇总和上传。中继装置是实现数据传输的纽带，主要由主控制器、GPRS模块、无线模块和电源模块构成。中继装置通过LORA无线模块与监测装置进行数据传输，实时获取数据；同时中继装置通过GPRS模块向通信转换装置传输获取的数据，实现数据的远程传输。中继装置GPRS模块电路图如图3所示。

图3 中继装置GPRS模块电路图

1.4 监测装置设计

监测装置实时监测天然气管道外天然气浓度、温湿度等参数，主要由主控制器、天然气监测模块、温湿度监测模块、存储模块、无线模块、时钟模块和电源模块构成。监测装置以若干个监测装置为单位自组网，统一将实时采集的燃气浓度、温湿度、采集时间和监测装置ID打包上传给中继装置，监测装置之间、监测装置与中继装置之间通过LORA无线模块进行数据传输。监测装置无线模块电路图如图4所示，天然气监测模块电路图如图5所示。

图4 监测装置无线模块电路图 图5 天然气监测模块电路图

1.5 数据处理算法设计

中值滤波算法有很强的抗毛刺干扰能力，但抗噪声干扰能力一般；而一阶滞后滤波算法抗毛刺干扰能力一般，抗噪声干扰能力强。课题所设计系统中监测装置采样数据的稳定性和准确性至关重要。因此为提高监测装置数据采样稳定性和准确性，采用中值滤波算法和一阶滞后滤波算法相结合的方式对采样数据进行处理，算法处理过程如下：

首先，连续n次采样得到n个数据样本，通过中值滤波算法取n个数据样本的中间值；

an={a1,a2,…,an}

(1)

其次，获取n个数据样本中的中间值数据amid，经过实验测试，选择n=5较为适合；

amid=Mid(a1,a2,…,an)

(2)

最后，获取公式(2)中的amid数据，再通过一阶滞后滤波算法对每次中值滤波算法的数据进行一次一阶滞后滤波计算，一阶滞后滤波算法公式如公式(3)所示：

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

(3)

其中，xn为本次采样值即amid，yn-1为上次滤波输出值，k为滤波系数，yn为本次滤波输出，通过实验测试，k=0.15时效果最佳。

通过将中值滤波算法和一阶滞后滤波算法的结合使用，提高了数据采集的稳定性和准确性。

2 软件设计

系统上位机可以实现用户登陆管理、数据接收、数据处理、数据显示、数据存储、泄漏异常报警和历史数据查询功能。通信转换装置实时接收中继装置数据，并对数据进行分类、汇总和上传。通信转换装置主程序流程图如图6所示。中继装置通过LORA无线模块实时获取监测装置数据，并通过GPRS模块实时向通信转换装置传输数据，中继装置主程序流程图如图7所示。

图6 通信转换装置主程序流程图 图7 中继装置主程序流程图

监测装置实时采集天然气浓度数据、温湿度数据、记录采集时间，同时监测装置自组网相互传输数据，以某一终端监测装置向中继装置上传本网络内所有监测装置数据，监测装置主程序流程图如图8所示。

图8 监测装置主程序流程图

3 结论

基于电子测量技术、计算机技术和无线通信技术完成了天然气管网泄漏监测系统的设计，结合中值滤波算法和一阶滞后滤波算法，提高了系统数据采样准确性和稳定性。该系统较好地解决了当前天然气管网泄漏监测方式存在的弊端。通过测试，系统数据采样稳定、准确，系统能够进行天然气管网在线实时监测。随着信息技术的进一步发展革新和城市化进程的扩大，本系统可应用于地下管廊以及其他行业领域。