专利名称：用于保护大型基础结构的系统和方法
技术领域：
本发明总的涉及保护大型基础结构的方法和系统，更具体地，涉及用于保护管线和类似的基础结构的方法和系统。
背景技术：
近年来，在保护管线和相关的油气基础结构方面作出很大努力，得到来自工业界和政府的支持。然而，对管线和其它基础结构的攻击和事故的增长的程度不仅继续不断，而且甚至导致更严重的生产率下降、停工时间和相关的损失。可能受到这样的危机的大型基础结构可包括管线、铁轨、水管、电分配网络、水分配网络等等。
管线和其它基础结构也面临非故意的威胁，例如来自农民耕种土地、来自在建筑或挖掘活动中使用的反铲式挖掘机和其它机械。油气基础结构不单是对于能源必备的，而且也与如发电站那样的其它关键基础结构有极其重要的联系。由于容易接近的基础结构的破坏的易损性，对于这样的大型基础结构提供保护是非常复杂的任务，因为这些基础结构通常是分布广的以及可以交替地出现在偏远的和人口密集的地区。
传统上，对于这样的大型基础结构的威胁的解决方案大多数是反应性的，主要因为保护这些地点需要许多资源。已经使用了地面和空中巡逻，但这些巡逻对于及时准备好有效地对抗威胁和对于威胁作出反应具有局限性，以及用于时间持续的安全不是非常可靠和可行。在管线安全系统中的某些最新的进展包括使用声音监视、地下探测器、光缆和卫星监视。这些措施具有几个限制。例如，声音监视具有有限的防止损坏的能力。地下探测器和光缆需要物理上埋入公用道路(ROW)，因此增加管线的易损性以及相关的高的成本。卫星监视是昂贵的以及不易作为用于实时威胁检测的专用方法实现。
所以，需要一种改进的用于检测对于诸如管线那样的大型基础结构和其它基础结构的威胁的系统和方法，它在先地传递威胁警告和防止或减小潜在的损坏的风险。
发明内容
按照本技术的一个方面，提供了用于大型基础结构的安全监视系统。系统包括被布置在基础结构区域周围的多个磁强计。至少一个磁强计被配置成中继表示区域周围的磁通量分布图的改变的报警信号。中央单元被配置成接收报警信号和启动对于报警信号的应答。
本技术的另一个方面是用于保护大型基础结构的方法。方法包括通过使用多个磁强计建立在大的基础结构周围的无线网。磁通量和磁通量分布图的改变被大型基础结构周围的磁强计感测，并且产生感测信号。分析该感测信号，用来确定在大型基础结构周围是否有局部干扰。磁通量的改变可以表示存在金属物体，这表明局部干扰。
当参照附图阅读以下的详细说明时，将更好地了解本发明的这些和其它特性、方面、和优点，其中在所有的图上相同的字符代表相同的部件，其中图1是按照本技术的方面的、用于大型管线基础结构的安全监视系统的示意图；图2是具有按照本技术的方面的磁强计的网络的、图1的大型基础结构的一个区域的示意图；以及图3是按照本技术的方面的、用于保护大型管线基础结构的示例性方法步骤的流程图。
具体实施例方式
现在转到附图，图1显示用于大型基础结构的安全监视系统10，大型基础结构总的用附图标记12表示，它包括较大的贵重物品，例如延伸几英里的管线14。需要保护的管线14的周围的区域可被划分成不同的区域，如用附图标记16，18，20和22表示的。这些区域的选择是可自由决定的，并且可依赖于通信网络的选择，或者待保护的贵重物品所在的地貌的实际地理环境。选择也可以取决于特定的区域对威胁的灵敏度。按照本技术的方面，传感器装置甚至可以在贵重物品实际威胁或损坏之前散布在这些区域周围，以检测威胁活动。
在一个例子中，磁强计，总的用附图标记24-46表示，被用作为传感器设备并被布置在这些区域16-22的周围。正如本领域技术人员将会看到的，磁强计是测量地球磁场的传感器。正如本领域技术人员将会看到的，大多数运动的金属物体(即，包含某些磁性材料的物体)会干扰地磁场，并且由这些磁强计检测这种干扰的存在。在对于任何大型基础结构以及具体地对于管线的威胁的情形下，威胁通常将牵涉到使用运动的金属物体，例如，反铲式挖掘机、手枪、铁锤、或可以由磁强计容易地检测出的任何其它类似的物体。
为了区分自然的或正常的干扰与局部干扰，有利地可以使用多个磁强计。本领域技术人员将会看到，任何自然的干扰典型地被特定的区域中几乎所有的磁强计检测到。任何局部干扰仅仅由在该区域周围的一个或一组磁强计被检测到。
按照本技术，可以采用任何适当的磁强计。然而，在本设想的实施例中，可以采用微电机系统(MEMS)磁强计，因为它们是低维修和便宜的。这样的设备典型地通过使用批量制作技术被制造，是坚固的以及例如可以从飞机上被散布。因此，这些传感器的部署和安装是简单的，以及不牵涉到布线或挖掘。而且，这样的磁强计是小的和对于集成电路和无线联网只消耗非常少的能量。然而，应当指出，虽然磁强计在这里被描述为按照本技术的方面的示例性传感器，但具有与这里描述的相同特性的任何其它传感器同样是可应用的。
正如这里描述的，磁强计24-46至少感测磁通量和磁通量的改变，包括磁通量分布图中随时间的改变。应当指出，术语“磁通量的改变”和“磁通量分布图的改变”在以下的说明中被理解为可以互换使用。由于存在表示磁通量的局部干扰的金属物体，将发生磁通量或磁通量分布图的改变。多个磁强计被配置以补偿任何初始的金属存在。这样的初始的磁通量大小和变化例如可能是由于地球磁场的自然偏差、基础结构本身(例如，管线或支撑结构)、或在基础结构附近在地下的建筑活动造成的。初始磁通量大小也可能是由于已部署的适当的预防措施而造成的，或在存在金属时由于如暴风雨那样的任何自然现象而造成的，这些自然现象可以使得某些金属物体更接近基础结构。如上所述，磁强计感测和确定局部干扰是否正常(例如，在预期的磁通量大小的范围内或磁通量大小的改变)。如果任何磁强计感测和确定局部分布不正常，则把警告信号中继到中央单元，该中央单元可以是按照示例性实施例的远程监视单元。磁强计或被部署的任何类似的传感器因此被配置成以可靠的和稳固的方式收集、处理和传送关键信息。
在示例性实施例中，至少一个磁强计可被配置成中继表示在区域周围的磁通量分布图的改变的报警信号。本领域技术人员将会看到，报警信号被实时地中继，因此，便于采取预防性活动，以避免任何潜在的损坏。在说明性例子中，磁强计28，34，40和46例如被配置成分别中继报警信号，总的用附图标记48，50，52和54表示，如果在它们的各个区域16，18，20和22周围的磁场分布图有任何改变的话。可以指出，一个以上的磁强计可被使用于取决于网络配置的这种功能。中央单元56被配置成接收来自磁强计(28，34，40，或46)的报警信号以及启动对于报警信号的应答，来阻止威胁。应答可以是预定的行动，例如，发给负责区域的局部安全代理人的电子邮件，应答可以是启动一组安全协议的物理的报警，或由基础结构操作员确定的任何其它行动。
在具体的实施例中，传感器封装可以有利地被使用来检测其它参数以及磁通量，以收集更多的关于局部干扰的信息。例如，传感器封装可包括一个或多个声音传感器、加速度仪、回声探测器、运动传感器、或废气传感器。这样的传感器封装可以通过组合的逻辑块，使用附加信息来确定有关可以表示局部干扰的区域的一个或多个的属性。
图2作为例子显示在图1的基础结构12的区域16中传感器网络的功能。如图所示，磁强计24-26可被散布在管线14的周围。磁强计建立用于在它们之间进行无线通信和用于在由任何一个磁强计检测到不正常的局部干扰时中继报警信号的网络。磁强计相互之间可以具有邻居关系或母子关系。替换地，一个磁强计可以对于独特的地址和对于已知的位置被初始化，例如，磁强计26可以根据纬度和经度知道它的绝对位置，以及它可用作为“已知位置传感器”。其它磁强计24，28可以只把消息中继到磁强计26。然后可以采用不同的技术来找出干扰的位置。例如，回声探测器可被用来定位磁强计相对于彼此和参考磁强计的点(已知位置传感器)的相对位置。一旦已知磁强计的相对位置，当需要时，就可容易地计算任何特定的磁强计--例如中继报警信号的磁强计--的位置。替换地，经由射频(RF)接收机接收的RF场的强度可被使用来定位中继报警信号的磁强计。在另一个例子中，全球定位系统接收机可被使用来确定进行中继报警信号的磁强计的位置。在一个或多个以上的技术中，也可以使用三角学来确定中继报警信号的磁强计的位置。如果知道参考点和磁强计相对于参考点的相对位置，则可以使用三角学来确定磁强计的绝对位置。
在再一个例子中，磁强计可以以节点到节点或主站到主站的方式通信。然后可以使用一专用节点，例如磁强计，来把报警信号48中继到中央单元56。这将提供传输能量方面的节省。本领域技术人员将会看到，即使在磁强计没有唯一的地址但具有固定的参考帧时，网络也是有可能。以上的技术同样可应用于确定中继报警信号的磁强计的位置，因此找到干扰的位置。
给磁强计供电是本技术的另一个方面。因为功率需求是相当低的，磁强计可以由电源58充电，总的由附图标记60表示，该电源58可以是电池。在一个例子中，可以使用太阳能电池单元和电池系统。在一个配置中，磁强计可以具有与磁强计的内部电路相关的集成的电池。磁强计也可由功率回收单元进行充电。例如，如果要保护的区域位于路边或铁轨处，则来自经过的车辆的震动可以以本领域技术人员通常已知的方式被转换成功率，以及可被使用来为磁强计供电。可替换地，诸如在管线中流体那样的流体的运动可被使用来提取电力。也可以使用其它可替换的能源，如风，取决于被保护的区域的地理环境。
图3是显示所公开的用于保护大型基础结构的示例性步骤的流程图。方法包括在步骤62，建立在大型基础结构周围的、使用多个磁强计或类似的感测装置的网络。该网络有利地是无线的。这个处理过程也可包括多个子过程，诸如用于建立和验证在传感器之间的通信、传感器的局域化、实施需要的通信协议等等。在步骤64，经由磁强计感测关于区域的属性，例如，磁通量和在大型基础结构周围的磁通量分布图的改变。在步骤66，产生感测的信号。在步骤68，可分析感测的信号，以便确定在大型基础结构周围的局部干扰。如上所述，由传感器对于信号进行的感测可以在诸如对于在各个传感器的特定的位置处的磁通量基础水平进行传感器校准后进行。
如上所述，对于基础结构的潜在威胁的检测可包括，例如，确定局部干扰是否正常。用于这种分析的逻辑块可以在各个传感器提供，或可以通过特定的专用传感器，或通过在该区域或在远端位置的处理器来执行。在分析表明局部干扰不正常的情形下，在步骤70，把报警信号中继到中央单元或其它想要的监视位置，正如以上参照图2描述的。
本技术的其它方面可包括步骤72，补偿初始局部干扰或初始的金属存在或任何其它初始属性，以使得在这样的条件下不传送虚假消息。这样的补偿可以是初始化或试运行程序过程的一部分，以及可包括上述的校准。本技术的方面还可包括步骤74，通过使用如参照图2描述的另外的能源为网络供电。
因此，如这里描述的本技术的方面产生精确的感测和可靠的报警，用于提供对于任何大型基础结构的在先的可靠性和安全监视。因此，可以减少或避免会牵连大量资源的虚假报警。本技术有利地提供在贵重物品发生损坏之前的任何威胁活动的早期检测，以及提供用于适当的阻止性行动和应答的时间。本技术的方面还提供使用感测和处理单元与远程报警系统的、用于监视损坏和提供实时报警的独特的系统。本技术还可被利用于记录事件、趋势分析、和用于将来的预测工具的数据。本领域技术人员将会看到，虽然以上的描述涉及到作为示例性基础结构的管线的保护，但本技术同样可应用于其它大型基础结构，诸如发电站、铁路、机场以及通常分布很广的和很难物理地监视和保护的其它基础结构。
虽然这里仅仅显示和描述本发明的某些特性，但本领域技术人员将会作出许多变型和改变。所以，应当理解，所附技术方案旨在覆盖属于本发明的真正精神范围的所有的这样的变型和改变。
权利要求
1.一种用于保护大型基础结构(12)的安全监视系统(10)，包括多个磁强计(24-46)，被布置在基础结构(12)的周围，以及被配置成感测磁通量和中继表示在基础结构(12)周围的磁通量的改变的报警信号，多个磁强计(24-46)建立用于进行报警信号通信的无线网；以及远程监视单元(56)，被配置成从至少一个磁强计接收报警信号(48，52，54)，以及启动对于报警信号的应答。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个磁强计(24-46)感测至少磁通量和磁通量的改变，以确定局部干扰。
3.根据权利要求2所述的系统，其中至少一个磁强计感测和确定该局部干扰是否不正常，以及把报警信号中继到远程监视单元(56)。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括被布置在基础结构(12)周围的传感器封装，传感器封装包括声音、加速度表、或回声探测器的至少一个装置，以及其中传感器封装确定有关基础结构(12)的至少一个属性，该属性表示局部干扰。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个磁强计(24-46)对于来自多个磁强计的、在各个磁强计的各个位置处的磁通量的基础水平进行校准。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个磁强计由电池(58)进行充电。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述电池(58)是太阳能电池单元和电池系统。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个磁强计由功率回收单元(58)进行充电。
9.一种用于保护大型基础结构(12)的方法，方法包括在大型基础结构(12)周围部署多个磁强计(24-46)；经由至少一个磁强计至少感测在大型基础结构(12)周围的磁通量和磁通量的改变，并且产生感测的信号；以及分析感测的信号，用来确定在大型基础结构(12)周围的局部干扰，其中磁通量被改变归因于存在金属物体，这表明局部干扰。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括通过使用所述多个磁强计(24-46)建立在大型基础结构(12)周围的无线网。
全文摘要
提供了用于大型基础结构(12)的安全监视系统(10)。系统包括被布置在基础结构的区域(16)周围的几个磁强计(14)。按照本技术，至少一个磁强计(28)被配置成中继表示区域周围的磁通量分布图的改变的报警信号。中央单元(56)被配置成接收报警信号和启动对于报警信号的应答。
文档编号G08B25/00GK1755356SQ200510108729
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者H·戈德法布, S·H·阿扎罗, T·沙吉瑙 申请人:通用电气公司