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(1.新疆城建試驗(yàn)檢測有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.上海巖聯(lián)工程技術(shù)有限公司，上海 201802)

0 引言

綜合管廊是一種大型的地下隧道空間，將電力、通信、給排水、煤氣及供熱等市政管線集成在同一管道內(nèi)。在綜合管廊中，煤氣管道的安全問題尤為重要，一旦煤氣管道發(fā)生泄漏，泄漏的煤氣在電力管道電火花的作用下極易發(fā)生爆炸，造成無可彌補(bǔ)的損失[1-2]。因此，必須實(shí)時(shí)對煤氣管道的泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測，但現(xiàn)有的煤氣管道監(jiān)測系統(tǒng)由于存在監(jiān)測參數(shù)無法實(shí)時(shí)傳輸及智能化分析等缺陷，無法滿足實(shí)際項(xiàng)目的使用需求，基于此，提出了一種基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的綜合管廊煤氣管道實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可在遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)監(jiān)測煤氣管道的泄露情況。

1 工作原理

基于實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖1所示。系統(tǒng)由發(fā)射端、接收端和上位機(jī)軟件構(gòu)成，其中發(fā)射端實(shí)時(shí)采集煤氣管道的聲波及管廊內(nèi)的煤氣濃度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送；接收端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)中安裝有LabVIEW編寫的軟件，通過上位機(jī)軟件可對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理及顯示，即：通過對管廊內(nèi)的煤氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可對煤氣管道是否泄漏做出判斷，若煤氣管道發(fā)生泄漏，則進(jìn)一步對聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)分析，可計(jì)算得到管道泄漏的具體位置。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射端

發(fā)射端用于實(shí)時(shí)采集煤氣管道的聲波及管廊內(nèi)的煤氣濃度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送。發(fā)射端由硬件電路和相應(yīng)的傳感器構(gòu)成，其中煤氣濃度傳感器及聲波傳感器的輸出信號均為0～5 V電壓模擬信號，需進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后才可輸入發(fā)射端微處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理。本文中發(fā)射端采用STC8A8K64S4A12單片機(jī)搭建，該芯片內(nèi)部嵌有12位AD芯片，可將傳感器的輸入信號直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換[3]，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)直接經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。常見的遠(yuǎn)程傳輸芯片包括A2D系列、WM02系列、TC35系列及SIM系列，其中SIM系列較為常見，能夠安全可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音及短信息等方式的遠(yuǎn)程傳輸，可最大限度地降低開發(fā)難度，因此本文中選用SIM800C模塊搭建GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸電路[4]。單片機(jī)通過串口與SIM800C模塊直接連接，并通過串口發(fā)送AT(Attention)指令對SIM800C模塊進(jìn)行控制。AT指令是一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，均以“AT”字符為開頭，編程中常用的AT指令如表1所示[5]。

表1 常見AT指令

根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)加工出的發(fā)射端實(shí)物如圖2所示。

圖2 發(fā)射端電路板實(shí)物

2.2 接收端

接收端采用GPRS網(wǎng)絡(luò)將發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)接收，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理及顯示，其中GPRS模塊仍然采用SIM800C模塊，該模塊亦通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，因此接收端的單片機(jī)需具有2個(gè)串口。在此，接收端仍采用STC8A8K64S4A12單片機(jī)搭建，該芯片具有2個(gè)串口，可滿足使用要求，因此接收端的硬件電路與發(fā)射端相同。

2.3 上位機(jī)軟件

2.3.1 軟件處理流程

上位機(jī)軟件采用LabVIEW編寫，主要用以對煤氣管道泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測及泄漏點(diǎn)計(jì)算，軟件的具體工作流程如下：當(dāng)上位機(jī)軟件接收到接收端發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，首先讀取煤氣濃度數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷，若數(shù)據(jù)顯示煤氣管道未發(fā)生泄漏，則重復(fù)進(jìn)行上述操作；若數(shù)據(jù)顯示煤氣管道發(fā)生泄漏，則進(jìn)一步讀取聲波數(shù)據(jù)并進(jìn)行互相關(guān)分析，最終計(jì)算得到管道泄漏位置。

2.3.2 管道泄漏點(diǎn)監(jiān)測原理

管道泄漏點(diǎn)監(jiān)測的基本原理為，將2個(gè)聲波傳感器安裝在管道的2個(gè)端口處，若管道中間發(fā)生泄漏，泄漏點(diǎn)聲波將沿管道傳播，則2個(gè)傳感器均將采集到聲波信號，由于泄漏點(diǎn)到2個(gè)傳感器安裝位置的距離不同，而聲音的傳播速度相同，因此通過計(jì)算2路聲波信號的延時(shí)差便可獲得泄漏點(diǎn)的具體位置。假設(shè)2個(gè)傳感器所接收到的聲音信號可表示為[6-7]：

x1(t)=L1(t)?s(t)+n1(t)

x2(t)=L2(t)?s(t)+n2(t)

(1)

x1(t)，x2(t)分別為2個(gè)傳感器所接收到的聲音信號；L1(t)，L2(t)分別為管道的傳播特性；s(t)為泄露源信號；n1(t)，n2(t)為2個(gè)傳感器接收到的噪聲信號。

由此可進(jìn)一步得到2個(gè)函數(shù)的互相關(guān)函數(shù)為：

R12(τ)=E[x1(t)x2(t+τ)]

(2)

R12(τ)為互相關(guān)函數(shù)；τ為傳感器接收到信號的時(shí)間差；E為期望值。

由互相關(guān)函數(shù)的基本原理可知，當(dāng)互相關(guān)函數(shù)幅值最大時(shí)，所對應(yīng)的時(shí)間即為2路信號的時(shí)間差，因此，通過互相關(guān)可得到兩路信號傳播的時(shí)間差，并結(jié)合傳感器的安裝位置及聲波沿管道的傳播速度等已知參數(shù)，便可計(jì)算得到管道泄漏的具體位置。

2.3.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的軟件分為4個(gè)功能模塊，分別為濾波模塊、濃度數(shù)據(jù)顯示模塊、相關(guān)分析模塊及泄漏點(diǎn)顯示模塊。其中濾波模塊用于對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；濃度數(shù)據(jù)顯示模塊用于將采集到的煤氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；相關(guān)分析模塊用于將互相關(guān)分析后的數(shù)據(jù)頻譜進(jìn)行顯示；泄漏點(diǎn)顯示模塊用于將最終計(jì)算出的管道泄漏位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

3 試驗(yàn)

整套監(jiān)測測試系統(tǒng)加工完成后進(jìn)行了室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，其中室內(nèi)試驗(yàn)管道長度為30 m，可分別在不管道長度處鉆取漏洞進(jìn)行試驗(yàn)。將實(shí)際泄漏點(diǎn)距離管道始端的距離定義為實(shí)際漏點(diǎn)，將本系統(tǒng)測量到的距離定義為測量漏點(diǎn)，部分具有代表性的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合表2可知，利用本系統(tǒng)對管道泄漏位置檢測的誤差不超過2.5%。

在完成室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在烏魯木齊玄武湖路綜合管廊進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場

某次現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)終端接收到的煤氣濃度數(shù)據(jù)及互相關(guān)圖譜如圖4所示。

圖4 某次現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果曲線

由圖4a可知，此時(shí)煤氣濃度數(shù)據(jù)異常，軟件分析結(jié)果顯示煤氣管道發(fā)生泄漏，此時(shí)軟件進(jìn)一步對聲波信號進(jìn)行互相關(guān)分析，互相關(guān)圖譜如圖4b所示,此時(shí)2個(gè)傳感器接收到的信號時(shí)間差為信號圖譜幅值最大處所對應(yīng)的橫坐標(biāo)，即0.084 s，結(jié)合式(1)、式(2)及傳感器的安裝位置等已知參數(shù)，軟件自動(dòng)計(jì)算得到的泄漏點(diǎn)具體位置的為72.36 m，實(shí)際泄漏點(diǎn)位置為73.58 m，誤差為1.66%，滿足實(shí)際項(xiàng)目使用需求。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)階段綜合管廊煤氣管道安全監(jiān)測的需要，設(shè)計(jì)了一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的綜合管廊煤氣管道實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)煤礦管道的無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示管道泄漏位置。監(jiān)測系統(tǒng)加工設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對綜合管廊內(nèi)煤氣管道實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，同時(shí)計(jì)算出的管道泄漏點(diǎn)的誤差不超過2.5%，滿足實(shí)際項(xiàng)目的使用需求。