北華航天工業(yè)學(xué)院

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)

蔡文龍北華航天工業(yè)學(xué)院

為了有效地監(jiān)測油罐區(qū)的狀態(tài)和實(shí)時(shí)預(yù)警油罐區(qū)火情，設(shè)計(jì)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。將無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量作為監(jiān)測對象，采集油罐區(qū)各個油罐的相關(guān)參數(shù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器和客戶端。設(shè)計(jì)油罐區(qū)火災(zāi)預(yù)警專家系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析油罐區(qū)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w等數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測油罐區(qū)狀態(tài)?；跓o線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)只有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器端，價(jià)格便宜，系統(tǒng)無需現(xiàn)場布線及復(fù)雜的安裝調(diào)試過程，安裝方便，經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于其他監(jiān)測系統(tǒng)。

油罐區(qū)；火災(zāi)監(jiān)測；無線網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器；設(shè)計(jì)

隨著無線傳感器技術(shù)（WSN）的發(fā)展，可以更加方便、快捷地在油罐區(qū)布置數(shù)據(jù)采集設(shè)備，無需復(fù)雜的線路設(shè)計(jì)，既減少安裝成本，又可提高油罐區(qū)安全性，減少設(shè)備維護(hù)巡查時(shí)間[1]。因此，將無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測，具有重要的意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：①油罐區(qū)數(shù)據(jù)采集和傳輸，包括設(shè)計(jì)安裝多種傳感器，采集油罐區(qū)每個儲油罐的狀態(tài)參數(shù)(溫度、壓力、可燃?xì)怏w)[2]，然后根據(jù)油罐區(qū)無線傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、路由算法等；②數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、存儲、查詢和異常預(yù)測，包括初步處理采集的油罐區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)利用客戶端和移動設(shè)備實(shí)時(shí)查看油罐區(qū)狀態(tài)，同時(shí)對油罐區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，有效預(yù)報(bào)油罐區(qū)的異常[3]；③火情響應(yīng)機(jī)制，當(dāng)油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到異常情況時(shí)，需要及時(shí)采取措施，對現(xiàn)場進(jìn)行檢查、確認(rèn)，對火情進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，同時(shí)向油罐區(qū)和周邊所有工作人員進(jìn)行火情通報(bào)，進(jìn)行緊急的人員疏散。圖1所示為基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在油罐區(qū)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測時(shí)，需要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，包括《火災(zāi)報(bào)警控制器（GB4717—2005）》、《點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測器（GB4716—2005）》、《點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器（GB4715—2005）》、《可燃?xì)怏w探測器（GB15322.1—2003）》等，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量作為監(jiān)測對象[4]。傳感器節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)完成后，將模塊安置于罐區(qū)每個油罐頂部，監(jiān)測油罐內(nèi)原油狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，嚴(yán)格按照規(guī)定，選擇相關(guān)傳感器部件，設(shè)計(jì)軟硬件，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布置、電氣設(shè)計(jì)等，并符合國家消防安全資格認(rèn)證（CCCF認(rèn)證）。根據(jù)油罐區(qū)的布局特點(diǎn)和現(xiàn)狀，進(jìn)行油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)所使用的傳感器、芯片、配件、設(shè)備等價(jià)格便宜、可靠性高，系統(tǒng)所需成本低，而且系統(tǒng)維護(hù)、更新方便，非常適用于油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測。

圖1 基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)軟件的選擇

圖2 油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)

設(shè)計(jì)和布置油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)后，需要對油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)軟件進(jìn)行選擇。目前火災(zāi)檢測系統(tǒng)軟件都比較成熟，軟件需要包括以下幾個功能：

（1）網(wǎng)絡(luò)各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸程序設(shè)計(jì)。每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括多種傳感器，因此需要決定傳感器采集數(shù)據(jù)的間隔、數(shù)據(jù)傳送出去的時(shí)間，以及數(shù)據(jù)以何種方式傳輸。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)算法設(shè)計(jì)。油罐區(qū)面積較大，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)較多，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，無線模塊數(shù)據(jù)傳輸距離有限，數(shù)據(jù)傳輸距離越遠(yuǎn)，需要的能量越大。而節(jié)點(diǎn)采用電池供電，不合理的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將影響節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

（3）油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測專家系統(tǒng)。服務(wù)器端接收到油罐區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定油罐區(qū)油罐的工作狀態(tài)，需要其能及時(shí)發(fā)現(xiàn)油罐區(qū)油罐的異常，對油罐的火情快發(fā)現(xiàn)，及時(shí)預(yù)警，減少損失。

（4）油罐區(qū)火情監(jiān)測預(yù)警專家系統(tǒng)。根據(jù)采集到的油罐工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要根據(jù)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量，分析數(shù)據(jù)的變化趨勢，建立油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)的油罐區(qū)火災(zāi)預(yù)警。同時(shí)，隨著時(shí)間推移服務(wù)器端將接收到大量的油罐區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因此需要建立油罐區(qū)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，對油罐區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲。

3可行性與經(jīng)濟(jì)性分析

在實(shí)際的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測中，每個儲油罐頂部安裝有1個無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊及諸多傳感器單元。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，位于油罐頂部的無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊能快速、準(zhǔn)確地采集到油罐頂部附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，專家系統(tǒng)對油罐的狀態(tài)做出判斷并進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，對該系統(tǒng)的兩大主要功能進(jìn)行驗(yàn)證：①無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以有效采集到節(jié)點(diǎn)附近環(huán)境的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量參數(shù)；②采集到的數(shù)據(jù)，可以通過構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端。為此，設(shè)計(jì)了火災(zāi)模擬環(huán)境，一共布置了4個無線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)之間相隔100 m，在每個節(jié)點(diǎn)處，準(zhǔn)備好原油樣本，同時(shí)在離4個節(jié)點(diǎn)較中間位置設(shè)置了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在離所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)一定位置處，安放1臺筆記本作為服務(wù)器端。首先，調(diào)試各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)模塊，調(diào)試網(wǎng)絡(luò)，搭建無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)正常的網(wǎng)絡(luò)通信，筆記本可以成功接收到各節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)。然后，點(diǎn)燃各傳感器節(jié)點(diǎn)處原油樣本，觀察接收到的節(jié)點(diǎn)處的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，4個傳感器節(jié)點(diǎn)均能有效地采集到節(jié)點(diǎn)附近的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量的變化。當(dāng)原油被點(diǎn)燃后，溫度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，二氧化碳濃度明顯上升，濕度緩慢下降，一氧化碳濃度變化較小。由于傳感器精度限制和原油燃燒量較小，濕度和一氧化碳濃度的變化不明顯。圖3和圖4所示為實(shí)驗(yàn)前后傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度、二氧化碳濃度變化。

圖3 燃燒前后傳感器節(jié)點(diǎn)溫度變化

圖4 燃燒前后傳感器節(jié)點(diǎn)二氧化碳濃度變化

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)工作正常，可以采集節(jié)點(diǎn)附近的相關(guān)物理量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對油罐區(qū)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，從而實(shí)現(xiàn)油罐區(qū)的火災(zāi)監(jiān)測[5]。

基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)只有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器端，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，價(jià)格便宜，系統(tǒng)無需現(xiàn)場布線及復(fù)雜的安裝調(diào)試過程，安裝方便，經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于其他監(jiān)測系統(tǒng)。日常系統(tǒng)維護(hù)，只需要更換數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電池，大約1年1次，維護(hù)簡單。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，只需要確定故障數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，直接更換，維護(hù)速度快。因此，基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)既可以滿足油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警，可行性高，又具有很高的經(jīng)濟(jì)性，能節(jié)約成本和人力資源。

4結(jié)語

設(shè)計(jì)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的油罐區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對油罐區(qū)各油罐的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對油罐區(qū)火災(zāi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)預(yù)報(bào)。根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，選擇溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、二氧化碳、可燃?xì)怏w這6個物理量作為監(jiān)測對象，選用相關(guān)的傳感器，采集油罐的狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器和客戶端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)變有線為無線，使得油罐區(qū)的日常監(jiān)測更加方便、安全、準(zhǔn)確，可以降低監(jiān)測成本，提高油罐區(qū)的安全性。

[1]劉甜，張少軒．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井監(jiān)控系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2014，33（3）：69-70.

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（欄目主持 關(guān)梅君）

表3 OPPC技術(shù)與通信光纜、電力線路比較

4OPPC光纖復(fù)合相線的維護(hù)與施工

（1）OPPC光纖復(fù)合相線具有與導(dǎo)線相近的電氣性能和機(jī)械性能，能按照常規(guī)導(dǎo)線架設(shè)施工方法進(jìn)行施工，但由于其在過滑輪、放線、緊線過程中，造成其結(jié)構(gòu)延伸以及溫度升高而產(chǎn)生蠕變伸長及膨脹伸長，因此對光纖的要求較高。

（2）為了保證光纖復(fù)合相線纜線中的光纖質(zhì)量，施工時(shí)要注意保護(hù)光纖不受擠壓。

（3）為了防止潮氣進(jìn)入光纖密閉管內(nèi)而影響其使用壽命，應(yīng)將光纖端頭置于防潮的接頭盒中。

（4）對正常運(yùn)行的光纖復(fù)合相線應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備接頭紅外線測溫和監(jiān)測，防止出現(xiàn)局部受熱的現(xiàn)象。

5結(jié)語

OPPC是一種新型的特種電力光纜，在國內(nèi)的處于初步應(yīng)用階段。OPPC解決了OPGW和ADSS光纜在低電壓網(wǎng)中難以通信的問題。通過單獨(dú)架設(shè)通信光纜與電力線路和OPPC技術(shù)對比發(fā)現(xiàn)，OPPC技術(shù)可應(yīng)用于安塞油田數(shù)字化建設(shè)中，提高數(shù)字化建設(shè)的可靠性和安全性，能降低油田工程數(shù)字化建設(shè)成本，減少建設(shè)周期，有利于長慶油田實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、市場化”的建設(shè)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期2015-05-20

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.028

蔡文龍：碩士研究生，講師，2005年畢業(yè)于燕山大學(xué)，供職于北華航天工業(yè)學(xué)院電子系自動化教研室，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾盘柼幚砗椭悄芸刂啤?/p>

18629353612、caiwenLongll@126.com

2015-06-08