基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统的制作方法

本发明涉及一种油气管道远程实时健康监测系统，特别是涉及一种基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统。

背景技术：

管道运输是世界五大运输行业之一，被广泛用于运输与调配世界各地的天然气、石油、水及其它易于流动的物质。在其长期连续使用的过程中，由于管道本身的材质的问题，会伴随着管壁材料腐蚀与老化现象的出现，管道泄漏将不可避免的发生。特别严重的会直接造成对人类居住环境与生命财产的严重破坏，但是油气管道泄漏又很难及时发现。传统小波变换算法对气/液管道泄漏的声发射应力波、负压波信号进行降噪处理技术，基于传统gps时钟校准技术的泄漏源互相关定位技术等，虽然采用了无线定位技术，但远远未达到泄漏源定位要求。现有的无线模块的供电大多是采用电池，但是随着运输石油和天然气的管道网络化越来越复杂，伴随着数据传输无线模块的能耗也越来越大，常规的电池供电已经远远不能满足需求。应对现有的无线频谱资源的紧缺以及无线网络的带宽限制，选择性的发送数据是十分必要的，可以加快处理信号数据，减轻网络数据负载：只发送故障数据，可以减少数据分析的步骤，让工作人员更加轻松的的了解是否有故障，更加快速的做出判断。

物联网是未来发展的一种潮流，是现代化信息技术不可或缺的一部分，它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网在管道检测、智能管网节水监测系统、长距离管道运输，以及恶劣环境如沙漠等具有广泛的应用背景。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，该系统能远程实时采集油气管道的温度、压力、流量、壁厚以及泄漏信号，综合评判出管道腐蚀程度、泄漏、爆炸地点，实时通知技术人员到指定区域维修、更换管道。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，主要包括数据采集节点、数据汇聚节点、管道健康的实时远程监测服务器及软件。其系统的基本连接关系为：数据采集节点采集管道的温度、压力、流量、壁厚以及管道泄漏信号数据，采用的是ism频段的无线通信协议与数据汇聚节点连接通信，数据汇聚节点根据油气管道经过不同的地段分为三种不同连接方式：1)经过城市段的数据汇聚节点通过wi-fi热点接通有线宽带方式连接远程健康监测服务器；2)经过移动基站覆盖的地区段的数据汇聚节点，以gprs接通移动宽带，与远程健康监测服务器连接；3)对于移动基站未覆盖的无人区地段的数据汇聚节点，则通过卫星宽带方式连接远程健康监测服务器，数据汇聚节点将从数据采集节点获取的管道信号信息打上从服务器获取的时间标签以网络协议上传至管道远程实时健康监测服务器，通过管道远程实时健康监测软件对油气管道的腐蚀情况、是否发生泄漏、爆炸进行实时监测。

数据采集节点是由传感器单元、mcu处理单元、电源管理单元、模数转换芯片、外置存储模块、程控放大器、程控滤波器组成。根据传感器单元的不同分为压力数据采集节点、流量数据采集节点、温度数据采集节点、流量数据采集节点、壁厚数据采集节点和泄漏数据采集节点设置相应的传感器，数据采集节点利用卡箍牢牢固定在管道上。在接收到采集工作指令后，被安置在卡箍与管道壁外侧的接触面上的传感器，采集油气管道的压力、流量、温度、壁厚以及泄漏信号数据。其信号经过程控放大器的放大与模数转换芯片匹配。在程控放大器与模数转换芯片之间还接程控滤波器以滤除其噪声干扰信号，经过处理转化的数字信号直接储存在外置存储模块，mcu处理器将从数据汇聚节点接收到时间标志打印在外置存储器的数字信号中并通过rfd特殊寄存器写进rf内核的txfifo堆栈按照ieee802.15.4协议标准发送至数据汇聚节点。其电源管理模块管理对传感器、mcu处理单元、模数转换芯片、外置存储模块、程控放大器和程控滤波器的提供电源，并在阳光充足的情况下切换成光伏电源供电方式。

数据汇聚节点是由电源管理模块、mcu处理单元、宽带网络通信模块组成。根据数据汇聚节点所处的地段，包括：城市段、乡村段、偏远段，数据汇聚节点的宽带网络通信模块相应为：wi-fi模块、gprs模块、宽带卫星网络通信模块。数据汇聚节点的mcu处理单元扫描rf内核的信道监听入网请求信标，回发携带分配给数据采集短地址的连接响应命令，向服务器发送时间同步请求，将获取的时间装载在时间同步指令中，在得到应答反应之后，发送采集指令。其电源管理模块对mcu处理单元、宽带网络通信模块提供电源，并在阳光充足的情况下切换成光伏电源供电方式以及对电池充电。

为了减轻远程实时健康监测系统的网络通信负载，各地段的数据汇聚节点在接收到的同类参数的数据上传请求数目达到一定量时，才启动上传通道，以数据汇聚节点为媒介向远程实时健康监测服务器上传数据。因为数据采集节点与数据汇聚节点的网络通信协议和数据汇聚节点与远程实时健康监测服务器的宽带通信网络的通信协议不同，数据汇聚节点的mcu处理器，将接收的数据的数据帧修改成符合宽带网络通信协议的格式，通过数据汇聚节点的宽带网络通信模块发送至远程实时健康监测服务器。其中数据采集节点与数据汇聚节点的通信协议为无线传感器网络协议。数据汇聚节点与远程实时健康监测服务器的协议为网络协议，数据汇聚节点可以将这两种协议自由切换。

采集工作之前在节点的媒介访问层(mac层)的同步扩展接口输入自定义的“软硬件相结合的时间同步协议”，以克服数据采集节点与数据汇聚节点的软件延时的不确定性和节点晶振不稳定导致各节点的时钟不同步的问题。其具体实现步骤如下：

(1)数据汇聚节点向远程实时健康监测服务器发送时钟同步请求，以获取国家授时中心服务器的时间，根据网络时间协议(ntp)与国家授时中心进行时钟对准。并且以此作为数据采集节点的时钟同步的基准，向数据采集节点发送时钟同步的报文。

(2)数据采集节点收到数据汇聚节点的发送的时钟同步报文后，经td_sr的延迟接收标志管脚产生rssi的pwm信号prso，并触发计时器计时，采用loopback模式，同步报文被即刻发回发送端，绕过了中央处理器，避免了软件延迟的影响。经过时间td_ss的延迟，天线将同步报文发送回数据汇聚节点。

(3)经过ttran的传播时间到达数据汇聚节点的天线，td_b的时间延迟，时间同步报文到达数据汇聚节点的接收端，在td_br的时延后，接收标志管脚产生rssi的pwm信号prmo并且将该时刻的国家授时中心的时间tcri锁存，同时被传输给数据采集节点，其数据采集节点的接收标志管脚产生新的rssi的pwm信号时将计数器的时间tcount+tcri以完成时钟的对准。

完成时间同步之后的数据汇聚节点采用ism频段的ieee802.15.4协议标准给各参数的数据采集节点发送数据采集指令。接到指令后，各参数的数据采集节点采用事件驱动型的“teen协议”即有效能量阈值敏感传感器网络协议：其传感器在油气管道上所采集到的温度、压力、流量、壁厚等信号参数在正常安全范围之类，只保存信号数据不上传，当数据量达到外置存储单元的设定值，则初始化外置存储单元继续存储信号数据；若采集到温度、压力、流量、壁厚等数值出现警戒值或者采集到管道泄漏信号时，数据采集节点激活其rf内核，向数据汇聚节点发送数据上传请求，经过数据汇聚节点的判断是否为误判，误判则发回丢弃数据指令，如果不是误判则接收信号数据，则利用数据汇聚节点的宽带网络通信模块将采集到温度、压力、流量、壁厚以及管道泄漏信号打上时间标签上传至管道远程实时健康监测服务器。

管道远程实时健康监测服务器通过数据收发与解析软件收集来自数据汇聚节点的宽带网络通信模块上传的传感器网络采集的数据，经过解析之后将其输入数据库中。控制站通过浏览器登陆web控制平台，控制平台利用cgi程序与服务器中的数据库进行数据交换、数据分析和数据处理。并且利用javascript的插件highcharts实时显示油气管道的温度、压力的波形图，以及管道壁厚度的趋势图，并定位出腐蚀点位置报警整修。利用管道泄漏信号的相关性定位出泄漏源的位置，并且显示泄漏信号时频域图，作为控制平台的工作人员分析的参考。信号数据可以保存，以实现故障信号的回放功能，以及参数设置、管理权限均可以实现。对于油气管道的健康状况的分析结果和故障源的位置实时发送到维修人员携带的移动设备的客户端(安卓apk、苹果iso)上。

针对油气管道远程实时健康监测平台系统的数据采集节点和数据汇聚节点在其监测的环境下，有可能出现故障的情况。服务器应用软件周期性发给各数据汇聚节点的在线状态巡查指令，各数据汇聚节点采集其子连接的各数据采集节点的能量装填、信号数据信息、信号状态，并且上传至服务器中，利用服务器的查询对比应用程序找出没有上传以及感应数据偏离正常范围的故障数据采集节点，发送至维修人员移动设备的客户端，通知对其发生故障的数据采集节点更换以维护油气管道远程实时健康监测平台系统的正常运行。

本发明的有益效果：基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测平台的控制软件建立在广域网上，用户可以通过浏览器查询存储在服务器中来自数据采集节点采集油气管道的压力、流量、温度、壁厚以及泄漏信号数据，并且服务器应用软件根据采集到的数据综合评判出腐蚀程度以及爆炸地点，实现对油气管道的全天候监测。

附图说明

图1基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测平台的装置示意图；

图2数据采集节点装置结构示意图；

图3数据采集节点电子结构的逻辑框图；

图4数据汇聚节点电子结构的逻辑框图；

图5软硬件相结合的时间同步协议；

图6泄漏段油气管道的坐标系的建立图；

图7油气管道泄漏源的提取定位图；

图8分支处油气管道泄漏源的一种情况图；

图9分支处油气管道泄漏源的第二种情况图；

图10分支处油气管道泄漏源的第三种情况图；

图11基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测平台的工作示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，下面参照附图对本发明作进一步的详细说明。

如附图1所示，一种基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测系统包括数据采集节点、数据汇聚节点、管道远程实时健康监测服务器、基站web控制软件和移动设备控制软件客户端。数据采集节点主要负责采集油气管道的温度、压力、流量、壁厚以及管道泄漏信号，并且将采集的信号数据利用ism频段的无线通信协议上传至数据汇聚节点。数据汇聚节点的宽带网络通信模块的不同分为三种不同的版本以适应油气管道经过三种不同的地段：经过偏远地段的油气管道的数据汇聚节点，利用宽带卫星与管道远程服务器的tcp服务端口；经过乡村地段的油气管道的数据汇聚节点，利用gprs的移动宽带的方式接通管道远程服务器的tcp服务端口；经过城市地段的油气管道的数据汇聚节点，利用wi-fi连接管道远程服务器的tcp服务端口。管道远程服务器在应用软件解析接收到的管道信号数据，并将之输入数据库中。服务器的web服务器端可以和基站的web控制软件数据交流通信，发生泄漏、爆炸突发情况，服务器的应用软件直接将信息数据发送至维修人员的移动设备上的控制软件的客户端，通知去往指定地点维修油气管道。

图2为数据采集节点的装置结构示意图，其数据采集节点主要包括：卡箍、传感器、

电子元件、电源、天线。卡箍与油气管道利用螺栓紧紧的固定，传感器位于卡箍中，从而与管道外壁充分接触，节点主板的位于电子元件内。其中卡箍、传感器、电子元件和油气管道一起掩埋在地下，电源与天线位于地面。

图3为数据采集节点电子的逻辑框图，主要包括：电源模块、传感器存储模块、zigbee发射模块。其中为了适应野外的工作环境，电源模块采用tps60211芯片，其输入端为1.5v～3.6v之间，其电源可以为蓄电池或为光伏电池；电源开关控制电路实现数据采集节点在何种能耗下采集数据；电流源电路为节点提供稳定的电流。程控放大器、程控滤波器、电容、电阻组成的差分放大电路用来将传感器的信号与模数转换芯片匹配，为了解决无线传感器网络的数据传输速率与数据采集的速率差造成的信号数据丢失的问题，将传感器采集到的数据直接储存在外置存储单元中。zigbee发射模块负责数据的上传。

图4为数据汇聚节点的电子逻辑框图，主要包括：zigbee接收模块、宽带网络通信模块、电源管理模块。zigbee芯片与网络通信芯片的工作电压不同，电源管理模块的ams117降压电路为zigbee芯片提供工作电压；tp4057电源电路为网络通信芯片提供稳定的电压与电流。zigbee接收模块接收来自数据采集节点的信号数据，对其修改编译使之符合宽带网络通信模块的数据帧格式，实现zigbee协议与网络协议的自由切换。宽带网络通信模块分为三种方式：卫星网络通信模块、gprs模块、wi-fi模块对应油气管道经过的地段：偏远段、乡村段、城市段。数据汇聚节点的宽带网络通信模块与管道远程服务器的tcp服务端口连接，将采集的信号上传至管道远程服务器的数据库中。

图5为软硬件相结合的时间同步协议，其中prso是数据采集节点接收数据汇聚节点的时钟同步报文时发出的rssi接收标志脉冲；prmo是数据汇聚节点接收数据采集节点返回报文时发出的rssi接收标志脉冲；prso和prmo之间的时间差为ttri；数据采集节点的与数据汇聚节点的时间同步精度取决于ttri，由图可知ttri＝td_ss+ttran+td_b+td_br-td_sr；td_br和td_sr取决于无线传输模块的rssi信号的响应速度，理论上对于同一类的无线模块，在相同的参数下工作时，两者时间是相等的。td_ss和td_b，信号在接收端/发送端与天线之间的传输时间。同样理论上，两者的时间保持不变。ttran为传播时间，由传播距离决定。经过实验验证，数据采集节点与时间汇聚节点的时钟偏差优于10微秒，满足油气管道远程实时健康监测平台系统要求。

图6为泄漏段油气管道的坐标系的建立图，图7为油气管道泄漏源的提取定位图，图8分支处油气管道泄漏源的一种情况图，图9分支处油气管道泄漏源的第二种情况图，图10分支处油气管道泄漏源的第三种情况图；下面是管道远程实时健康监测平台在检测到泄漏信号如何定位出泄漏源：为定位出泄漏源的位置建立如图6的坐标系：以管道起始接头j1为原点，管道l1的中心轴线为x轴，垂直于轴线的平面为xy平面，构建管道l1的局部坐标系j1-l1，与此类似，分别在其他接头处，以管道轴线为x轴，构建对应管道l2、l3和l4的局部坐标系j2-l2、j3-l3和j3-l4，各局部坐标系间的转换关系是通过旋转平移矩阵关节夹角α与管道长度l是描述坐标系间旋转和平移转换的关键参数，声发射传感器si在管道li的局部坐标系下的坐标为

受泄漏源距声发射传感器不同距离的影响，泄漏源传播至声发射传感器的时间必然不同，因此，以立体管网中各声发射传感器的响应时间为判据，提取泄漏源声发射应力波撞击各声发射传感器的时间序列，并确认最短和次短传播到达时间所对应声发射传感器间的管道为管网泄漏事故段，如图7所示其δt为管网泄漏源的声发射应力波传播至声发射传感器s2与声发射传感器s3的时间差，泄漏源距声发射传感器s2的距离为x，其通过下式计算虽然提取到如图7所示故障段后，并不意味着泄漏源一定在声发射传感器s2与s3之间，其只是一种情况。泄漏源位置均可能出现在以下位置，如图8所示。基于上述泄漏声发射源位置的分布可能性，构建如下计算模型，其中与分别为管网泄漏源的声发射应力波传播至声发射传感器s1与s2所耗费的时间，v为泄漏事故段的声发射应力波波速，为两声发射传感器之间的距离，以此对泄漏源的空间坐标进行计算：

判据1：若主要考虑泄漏源将出现图8、图9所示位置，通过比较声发射源距传感器s1的距离与接头j2距声发射传感器s1的距离确定泄漏点具体位置：

①若同时则泄漏源处于位置p1，全局坐标系下的坐标为：

②同时若则泄漏源处于图8所示位置p2，全局坐标系下的坐标为：

③若同时则泄漏源处于图8或9所示位置p3或p4，全局坐标系下的坐标为：

对p4情况，可额外继续通过计算泄漏源的声发射应力波传播至声发射传感器s1与sm的时间差δt^′，并依据上述准则判断p4的相对位置，进而确定其坐标为：

判据2：若则泄漏源处于图10所示位置p5，与p4情况类似，可额外继续通过计算泄漏源的声发射应力波传播至声发射传感器s1与sn的时间δt″，并依据上述准则判断p5的相对位置，进而确定其坐标为：全局坐标系下的坐标为：

图11为基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测平台的工作示意图，其平台的工作如下：

准备工作阶段：

数据采集节点通电后，向指定的数据汇聚节点发送组网请求，数据汇聚汇聚节点接收组网请求，并向服务器发送时钟同步请求获取国家授时中心的时间，根据网络时间协议(ntp)与国家授时中心进行时钟对准，利用本发明的“软硬件相结合的时间同步协议”完成对各自的数据采集节点的时间同步

系统工作阶段：

步骤1：数据采集节点的信号采集与上传:数据采集单元的模数转换芯片输出的数字信号数据通过dma快速通道存储在外置存储单元中；其采集到的数据在合理范围之内，维持其只存储，不上传数据的能耗状态。在其采集到各参数数据超过设定的范围时改变其能耗方式，利用mcu处理器将从数据汇聚节点接收到时间标志打印在外置存储器的数字信号中并通过rfd特殊寄存器写进rf内核的txfifo堆栈按照ieee802.15.4协议标准发送至数据汇聚节点。

步骤2：若只有一个数据采集节点上报异常信号数据，则视为误报事故发出指令，让数据采集节点的外置存储模块初始化。若数据汇聚节点接收到两个或者以上的数据异常报告信息，则认为数据异常报告为真，通过zigbee接收模块接收其信号数据；并利用宽带网络通信模块通过tcp服务端口上传至油气管道远程实时健康监测服务器。

步骤3：管道远程实时健康监测服务器通过数据收发与解析软件收集来自数据汇聚节点的宽带网络通信模块上传的传感器网络采集的数据，经过解析之后将其输入数据库中。控制站通过浏览器登陆web控制平台，控制平台利用cgi程序与服务器中的数据库进行数据交换、数据分析和数据处理。并且利用javascript的插件highcharts实时显示油气管道的温度、压力的波形图，以及管道壁厚度的趋势图，并定位出腐蚀点位置报警整修。利用管道泄漏信号的相关性定位出泄漏源的位置，并且显示泄漏信号时频域图，作为控制平台的工作人员分析的参考。

步骤4：将基站web控制平台的运算出的对于油气管道的健康状况的分析结果和故障源的位置实时发送到维修人员携带的移动设备的客户端，通知去该地点维修。

系统自检阶段：

针对油气管道远程实时健康监测系统的数据采集节点和数据汇聚节点在其监测的环境下有可能出现失效的情况，服务器应用软件周期性发给各数据汇聚节点的在线状态巡查指令，各数据汇聚节点采集其子连接的各数据采集节点的能量装填、信号数据信息、信号状态，并且上传至服务器中，利用服务器的查询对比应用程序找出没有上传以及感应数据偏离正常范围的故障数据采集节点，发送至维修人员移动设备的客户端，通知对其发生故障的数据采集节点更换以维护油气管道远程实时健康监测系统的正常运行。