劉宇 高佳寧

涿州濱海燃?xì)庥邢薰?，中?guó)·河北 涿州 072750

1 引言

隨著中國(guó)對(duì)廣大鄉(xiāng)村實(shí)施“煤改氣”，自2017——2020年，中國(guó)天然氣需求量的持續(xù)快速增長(zhǎng)，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年中國(guó)天然氣產(chǎn)量達(dá)1474.2億m3；2018年1610億m3，2019年1736億m3，2020年1889億m3，年均增速超過(guò)10%。燃?xì)猬F(xiàn)已成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，它給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了諸多便利，但同時(shí)也存在著安全隱患，諸如燃?xì)獗?、中毒等?wèn)題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著燃?xì)庥脩舻目焖僭鲩L(zhǎng)，城市燃?xì)獍踩鹿室殉蔀橹袊?guó)繼交通事故、工傷事故之后的第三大殺手。隨著天然氣的推廣使用，近年來(lái)居民用戶計(jì)量糾紛和安全事故也呈上升趨勢(shì)。

2 計(jì)量表后的天然氣泄漏和用戶盜氣行為的現(xiàn)狀

天然氣目前是以管道輸送的方式進(jìn)入千家萬(wàn)戶，近年來(lái)燃?xì)夤艿烙捎谌藶榛蜃匀辉虬l(fā)生損壞，造成天然氣泄漏或被竊用的事件頻發(fā)。根據(jù)調(diào)研中國(guó)河北地區(qū)的農(nóng)村、城鎮(zhèn)用氣數(shù)據(jù)，因泄漏和竊氣造成的天然氣的氣體損失占輸送量總額約0.3%。另外，因盜竊天然氣和管道泄漏引發(fā)的人員窒息、火災(zāi)、爆炸等燃?xì)獍踩鹿剩瑢?duì)人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅，此外偷盜竊天然氣也會(huì)給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生不良的社會(huì)影響。

3 戶內(nèi)泄漏和用戶盜氣的管控難點(diǎn)

按照《城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾項(xiàng)l例》的要求，現(xiàn)有的燃?xì)夤驹谶\(yùn)行管理中，每年委派安全檢查人員，上門對(duì)燃?xì)庥脩暨M(jìn)行1次入戶安全檢查，檢查表具計(jì)量是否正常、管道安裝及管道與用氣設(shè)備的連接處有無(wú)泄漏、現(xiàn)場(chǎng)有無(wú)第二氣源等，確保用戶安全用氣。

實(shí)際工作中，對(duì)無(wú)人居住戶、盜氣戶是很難正常入戶安檢的，因此埋下了安全隱患。

4 使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決辦法的研究

對(duì)天然氣計(jì)量表具，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程雙向互通的功能，燃?xì)夤竟芾矶丝梢愿鶕?jù)位移預(yù)警和異常流量預(yù)警，有針對(duì)性地查詢用戶燃?xì)馐褂脿顩r，分析歷時(shí)用氣數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)警內(nèi)容判別是否異常，對(duì)確認(rèn)異常的用戶，遠(yuǎn)程通過(guò)移動(dòng)端自動(dòng)控制燃?xì)獾拈y門開(kāi)關(guān)，避免事故發(fā)生[1,2]。

采取物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程采集氣量數(shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)閥技術(shù)，不受時(shí)間和空間的約束，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控用戶燃?xì)馐褂脿顩r，發(fā)揮計(jì)量、通訊、收費(fèi)和管理等多項(xiàng)功能，為燃?xì)夤竞陀脩舻陌踩\(yùn)營(yíng)管理提供了技術(shù)支持。

5 有效管控技術(shù)方法的實(shí)現(xiàn)途徑

在物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳技術(shù)的基礎(chǔ)上，在燃?xì)獗韮?nèi)加裝位置移動(dòng)預(yù)警和異常流量預(yù)警的模塊，通過(guò)甄別預(yù)警后關(guān)開(kāi)燃?xì)忾y門，實(shí)現(xiàn)預(yù)防泄漏和人為盜氣，在控制后臺(tái)將位移預(yù)警、異常流量預(yù)警、遠(yuǎn)程閥控、故障上報(bào)、用氣記錄等功能納入集成系統(tǒng)，對(duì)組合功能進(jìn)行分部分項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。具體如下：

①依托物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，對(duì)2G、4G和NB-loT傳輸信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果選擇效果最佳的移動(dòng)通訊運(yùn)營(yíng)商。

②基于用戶用氣數(shù)據(jù)庫(kù)，確定用氣的戶均基數(shù)，再使用軟件進(jìn)行分析、比較、篩查，確定異常流量的預(yù)警極值和預(yù)警時(shí)間。

第一，數(shù)據(jù)庫(kù)取樣數(shù)值。31組每組100戶的用氣數(shù)據(jù)匯總平均后，居民用戶采暖期戶均用氣量762m3、每戶日均用氣6.35m3、每平方米用氣9.525m3，此數(shù)據(jù)作為樣本參照，據(jù)此確定異常流量的基準(zhǔn)值，然后抽樣進(jìn)行對(duì)比分析。

用戶采暖期用氣數(shù)據(jù)技術(shù)取值見(jiàn)表1。分類用戶用氣結(jié)構(gòu)占比圖見(jiàn)圖1。

表1 用戶采暖期用氣數(shù)據(jù)技術(shù)取值表

圖1 分類用戶用氣結(jié)構(gòu)占比圖

第二，異常流量界定。大流量預(yù)警在0.6m3/h以上；小流量預(yù)警0.01m3/h以下。

流量預(yù)警時(shí)間避開(kāi)常規(guī)用氣時(shí)段，設(shè)定為每日21時(shí)至次日5時(shí)，輔助時(shí)間為9時(shí)至11時(shí)，14時(shí)至17時(shí)。

第三，位置移動(dòng)預(yù)警。10cm～20cm的距離設(shè)定，大于20CM直接報(bào)警。為防止用戶私自拆除、移動(dòng)燃?xì)獗?，?duì)表具本體增加位移傳感器和3D陀螺儀，如移動(dòng)超過(guò)20cm、表具傾斜角度大于30°、表具震動(dòng)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1min，表具發(fā)射預(yù)警信號(hào)至遠(yuǎn)程終端。

位移芯片的技術(shù)原理：根據(jù)各方向初始重力分量，如果芯片水平靜置，X、Y方向的重力分量為0g，而Z軸方向的重力分量為g，如圖2所示（X=0；Y=0；Z=g）。

圖2 芯片水平靜止?fàn)顟B(tài)取值

③對(duì)新增加的位移預(yù)警模塊、異常流量預(yù)警模塊，分別在城區(qū)、農(nóng)村測(cè)試系統(tǒng)通訊、數(shù)據(jù)采集、指令執(zhí)行的效果，達(dá)到98%以上的正確率。

④研究?jī)?yōu)化表具內(nèi)部的模塊改造方案，升級(jí)模塊的選型和布局，對(duì)比并測(cè)試改造后的表具功能，通過(guò)表具改造測(cè)試后，對(duì)不同區(qū)域內(nèi)燃?xì)獗磉M(jìn)行更改投放并進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)測(cè)，確定使用功能并進(jìn)一步優(yōu)化。

⑤采取上述措施，可實(shí)現(xiàn)用戶端表具——云平臺(tái)——燃?xì)夤竟芾砥脚_(tái)——下達(dá)關(guān)閉命令——表具執(zhí)行關(guān)閉的閉環(huán)管理（見(jiàn)圖3）。

圖3 流程示意圖

系統(tǒng)測(cè)試見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試圖（一）

圖5 系統(tǒng)測(cè)試圖（二）

關(guān)閥和開(kāi)閥測(cè)試見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 關(guān)閥測(cè)試

開(kāi)閥測(cè)試見(jiàn)圖7。

圖7 開(kāi)閥測(cè)試

6 實(shí)際項(xiàng)目成果

基于企業(yè)自建的用戶用氣數(shù)據(jù)庫(kù)和表具終端管理系統(tǒng)，引入異常數(shù)據(jù)分析模塊并進(jìn)行三系統(tǒng)整合集成，可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)與云平臺(tái)智能篩查技術(shù)的融合，精準(zhǔn)判斷泄漏、私拆私改事件，據(jù)此系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警，經(jīng)技術(shù)人員復(fù)核后，啟動(dòng)遠(yuǎn)程關(guān)閥，可實(shí)現(xiàn)安全預(yù)防和有效打偷盜氣，為燃?xì)馄髽I(yè)減少損失，為終端用戶提供多一層的安全保護(hù)[3]。

7 存在的技術(shù)問(wèn)題和下一步研究方向

①現(xiàn)有的通訊技術(shù)耗電量較大，表具電池使用5號(hào)時(shí)使用壽命只有兩年，超期容易損壞表具通訊系統(tǒng)，目前技術(shù)無(wú)法降低能耗，需研究低成本鋰電池或鎳鉻電池替代。

②Lot基站目前不普及，還需要使用傳統(tǒng)的2G和4G技術(shù)，2G信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，4G的耗電量較大。

③使用2G技術(shù)物聯(lián)表，升級(jí)至4G需要更改內(nèi)部通訊模塊設(shè)計(jì)布局，成本上升200元，費(fèi)用較大，燃?xì)馄髽I(yè)如無(wú)財(cái)政補(bǔ)貼，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)對(duì)老用戶群體實(shí)施。

8 結(jié)語(yǔ)

城市燃?xì)夤?yīng)面對(duì)千家萬(wàn)戶，將表具管理和安全供氣緊密結(jié)合，是有力的保障手段，隨著科技進(jìn)步和云計(jì)算的推廣應(yīng)用，未來(lái)通過(guò)物聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶計(jì)量設(shè)備和用氣設(shè)備的數(shù)值化管理是一個(gè)大的應(yīng)用趨勢(shì)。