基于物联网的长距离油气运输监测系统研究

张小倚， 肖述辉， 南磊刚

（陕西延长石油（集团）管道运输公司， 陕西 延安 716000）

0 引言

因管道运输具有低成本和高可靠性等诸多优点，当前其早已成为长距离油气运输的首选。但受到各种客观因素的影响，在长距离的油气管道运输过程中，其仍有可能受到安全威胁引起油气泄漏。针对此类问题，在以往的工作中通常在事后进行检测和定位，其难以从根本上解决损失问题。为此，就需要基于物联网等先进信息技术，构建面向长距离油气运输工作的监测系统，做到防患于未然，确保油气管道始终处于安全状态[1]。

1 系统整体结构设计

结合实际需要，本次以无线物联网为核心，整合各类软硬件对长距离油气运输监测系统的整体架构进行设计，其结构设计图如图1 所示。

图1 长距离油气运输监测系统的结构

在该监测系统的整体框架下，首先由传感器对油气运输管道的运行参数进行采集，并经由汇聚节点等方式传入网络，进而将数据传入服务器和用户终端，以此实现信息交换的目的[2]。

2 系统主要功能设计

2.1 传感器选型设计

为实现对油气运输管道主要运行参数的实时采集，本次传感器元件全部应用无线传感器，由此对各类传感器进行选型，选型结果如表1 所示。

表1 传感器选型结果

在传感器选型完成后，对传感器进行统一整合，以进行传感器节点结构设计，设计图如图2 所示。

图2 传感器节点硬件

在此基础上，应用NesC 语言对传感器节点软件进行设计，首先设定相关参数的阈值，并读取传感器数据，如超出阈值则将其传输给射频模块进行发送[3]。

2.2 汇聚节点设计

汇聚节点是连接无线物联网与外部网络的关键节点，为实现该部分的功能，在设计工作中，通过CC25330 视频模块，使之与传感器节点之间实现数据交换，同时通过无线模块以及Internet、信息中心等进行数据交换[4]。

在汇聚节点软件设计工作中，主要分为“看门狗”初始化、CC2530 初始化和数据传输三部分。在具体运行流程中[5]，首先对系统进行通电初始化处理，此时微处理器将直接进入到发送模式当中，由微处理器向传感器节点发送同步信号帧和确认帧，再进入到接收模式。当微处理器进入接收模式后，其将按照时隙对不同传感器发送过来的数据帧进行接收，当接收到实时数据后，通过串行口将该数据通过无线模块发送至管理节点当中，此周期处理完成后则进入下一个周期，往复循环，从而最终实现网络功能。

2.3 无线物联网节点定位功能设计

为准确识别可能出现的异常节点，本环节对节点定位功能进行设计。考虑到油气长距离运输管道在布局上的复杂性，本次选用极大似然估计法实现节点定位，其基本原理图如图3 所示，图中浅色表示用于定位的传感器节点，深色表示确定的目标节点位置。

图3 极大似然估计法的基本原理

基于该定位原理，本次在已有传感器节点的基础上，为其配备GPS 装置，GPS 装置自动发送定位信息，其作为参考节点进行布置；同时增设部分移动节点，移动节点通过参考节点来确定自身的位置。此外，设置少量网关节点，其主要作用包括配置参考节点的位置信息，以及接收移动节点的位置将其发送给Web服务器，当Web 服务器接入网络后即可实现远程访问及控制。

据此，确定节点定位的主要流程如下：首先，如传感器数据异常（即检测到泄漏），则应用负压力波法，对泄漏点位置与传感器之间的距离进行计算，确定该传感器的类型，如是参考节点则应用GPS 相关信息进行定位，否则应用参考节点GPS 位置信息、参考节点与待定位传感器节点跳数、传感器布设间距三方面的参数，以此确定待定位传感器节点位置信息，最终确定发生泄漏的节点坐标信息。

2.4 数据库设计

本次数据库选用MySQL 型数据库，使之与服务器对接，并结合实际工作需要设计数据表如表2 所示。

表2 数据信息表

在此基础上，本次采用AES 加密算法进行数据加密设计以提升数据库信息安全性，该加密算法应用DS420j 型储存器。在该算法运行后，所有数据不仅可得到加密处理，且数据形式也可实现统一。

2.5 终端界面展示功能设计

为实现油气管道监测数据信息在终端界面的实时显示，本次以GIS 技术为基础，对终端界面展示功能进行设计。本次GIS 信息以IEC61968/61970 模型为基础，并在GIS 子系统中补充实际情况下的更多数据，以完成初步的数据库构建。而后这些数据信息将通过信息总线，传输至系统中，格式相应变更为油气管线的图形信息，最终在监测系统的终端显示器上建立统一的图形显示界面。此外，主站系统也把实时采集到的系统通过信息总线传输至GIS 子系统中，以实现对GIS 系统的信息支撑。

3 系统仿真测试

在本次基于物联网的油气长距离运输监测系统初步设计完成后，为初步判断其实际应用可行性，应用TinyOS 程序中的TOSSIM 仿真平台，对本次系统进行仿真测试。其仿真实现过程主要分为以下几个步骤：

1）启动TOSSIM仿真平台中的cygwin 应用程序，并依次输入指令make pc 和export 并运行；

2）进一步运行指令“build/pc/main.exe-gui”，并通过帮助文档确定相关参数；

3）开启一个新的cygwin 应用程序，且确保原cygwin 应用程序仍保持运行；

4）运行图形仿真环境。

基于上述步骤运行后，即可得到该监测系统的网络拓扑图如图4 所示。

图4 网络拓扑图

如图4 所示，该监测系统的网络拓扑图可正常显示，图中的各个节点则对应传感器的布置点，证明该系统在理论上能够对各个传感器节点进行有效的监测。

在此基础上，进一步仿真测试该系统的性能，本次模拟1 000 个用户同时访问系统的情况，以进行压力测试，测试结果显示，该系统相关数据仍可动态显示，对于用户指令的最高响应时间为2.5 s，丢包率为0%，表明该监测系统在理论上取得了较优的性能。

5 结语

整体来看，在本次研究中，结合油气管道长距离运输的实际需要，以物联网技术为基础，整合传感器技术等内容，对面向长距离油气管道运输的监测系统进行了初步设计。从仿真测试环节来看，该系统可实现预期功能并取得较优的性能参数，证明其设计取得了初步成功。当然在今后的工作中，还需要对该系统做进一步的实际测试和后续优化，以确保该监测系统具有更高的实际应用价值。