由于突發(fā)事故導致管道破損出現大量燃氣泄漏后的發(fā)現、響應及處理時間十分關鍵，快速辨別管道漏氣，第一時間進行處置（如切斷上游供氣），可有效降低發(fā)生爆燃事故的風險，尤其對于人口密集區(qū)域的庭院燃氣管道事故處理更加重要。本項目從管道出現較大泄漏產生流量異常作為切入點［1］，重點研究解決兩個問題：第一是對泄漏的智能判斷，通過對埋地庭院管網流量異常變化的捕捉及辨識，對管道泄漏進行辨識。第二是實時性問題，及時發(fā)現泄漏后，快速報警、處置，縮短響應時間。本項目考慮在燃氣中低壓庭院燃氣管道調壓箱處，安裝庭院燃氣管道泄漏報警切斷裝置解決上述問題。該裝置主要由數據采集分析裝置、流量切斷裝置、遠傳裝置、超聲波流量計、限流裝置以及球閥、過濾器、噪整器、太陽能電池系統等組成，見圖1，太陽能電池系統未畫于圖1內，其主要承擔數據采集分析裝置、遠傳裝置運行供電以及模塊間的通信供電。過濾器、噪整器及超聲波流量計安裝在調壓器后的低壓側，流量切斷裝置安裝在調壓器和過濾器前，用于監(jiān)測管道瞬時流量變化。流量切斷裝置并聯一個球閥及限流裝置，當出現大流量泄漏需要切斷時，流量切斷裝置起快速切斷氣路的作用。有時調壓箱下游用戶較多，一旦完全停氣，復氣十分困難，在搶修作業(yè)允許管道微正壓操作時，遇到泄漏可以通過限流的方式處置，打開旁路球閥，通過限流裝置將瞬時流量限制在安全的范圍內。庭院燃氣管道泄漏報警切斷（限流）裝置，除了數據采集分析裝置和遠傳裝置安裝在調壓箱外，其余均安裝在調壓箱內。數據采集分析裝置通過線纜連接超聲波流量計與流量切斷裝置，實時采集超聲波流量計的流量信息，對管道流量進行監(jiān)控，當出現異常流量時，通過遠傳裝置將報警信息發(fā)送到燃氣公司的監(jiān)測平臺系統。在接到監(jiān)測平臺系統關閥指令，或數據采集分析裝置判斷出異常流量超過限定值時，數據采集分析裝置發(fā)送關閥指令，通過流量切斷裝置切斷氣路。庭院燃氣管道泄漏報警切斷（限流）裝置的泄漏識別主要包括兩種方式：一是白天及傍晚用氣時段，通過實時監(jiān)測瞬時流量變化識別突發(fā)較大的泄漏事故；二是夜間用氣低谷時段通過測算流量累積量識別小的泄漏。第一種方式是捕捉并辨識管道由于突然泄漏出現的異常流量變化。原理是將小區(qū)居民用戶正常用氣規(guī)律（瞬時流量變化量）與管道出現泄漏時流量異常變化進行比較，基于小區(qū)大部分用戶在同一時刻同時使用用氣設備為小概率事件，則管道由于突發(fā)事件出現較大泄漏時瞬時流量的變化理論上和正常用氣情況有所區(qū)別，即可識別的泄漏異常流量變化量應遠大于小區(qū)居民正常用氣時的瞬時流量變化量。由于管網所供用戶規(guī)模不同，用戶用氣情況不同，這個可識別的泄漏異常流量變化量是個相對值，是由用戶用氣規(guī)律決定的。因此，需要在管道未出現泄漏的正常用氣負荷情況下，每天全時段實時采集用戶的瞬時流量，計算流量變化速率。由于不同季節(jié)用戶在每天各時段的用氣規(guī)律會有所不同，因此可按月記錄用戶一天24 h的瞬時流量和流量變化速率，瞬時流量采集時間間隔為5 s，也實時計算流量變化速率。將瞬時流量和流量變化速率的最大值作為特征值，建立各月的特征值表，并設定一個識別閾值。當進行泄漏識別時，將當前流量值及其變化速率與相對應的特征值分別進行比較，當前流量值及變化速率分別減去對應的特征值，得到的數值與對應的特征值的比值再與閾值進行比較，二者均大于閾值時判斷為異常流量［2］。第二種方式是基于夜間用氣低谷時段的流量累積量在正常負荷時是一個很小的值，而持續(xù)的小流量泄漏在該時段所產生的累積量遠大于正常負荷時的累積量。優(yōu)先選擇幾乎無人使用燃氣的時段作為監(jiān)測時段，例如3：00—5：00時段，在管道未出現泄漏時，每天對該時段用戶的用氣累積量進行監(jiān)測記錄，用氣累積量是通過獲取瞬時流量累加得到。取該時段的最大用氣累積量作為特征值，同樣由于季節(jié)性原因，該時段用戶的用氣習慣會有所不同，因此應按月分別建立最大累積量特征值表，并設定一個識別閾值。當進行泄漏識別時，被識別流量累積量減去特征值后與特征值的比值再與閾值進行比較，大于閾值時判斷為異常流量。數據采集分析裝置與超聲波流量計之間采用RS485進行通信。數據采集分析裝置儲存的數據包括至少5 d的瞬時流量歷史數據（采集時間間隔5 s）和不少于400 d的累積流量歷史數據（每30 min記錄一次）。儲存的瞬時流量歷史數據可用于事故分析，判斷泄漏的具體時間與泄漏量。儲存的累積流量歷史數據可對該調壓器所供用戶的負荷規(guī)律有所了解。數據采集分析裝置內置泄漏識別程序，對采集到的用戶流量進行實時計算、處理、更新，具備自學習功能，可自動計算并記錄用戶的特征值。當處于識別狀態(tài)時，可對采集的流量進行比較、識別，當識別為管道泄漏時，發(fā)出報警或關閥指令。當發(fā)現泄漏需要切斷氣路時，數據采集分析裝置可通過數據指令或I/O信號向流量切斷裝置發(fā)送關閥指令。當事故隱患排除后，由搶修人員通過現場操作進行開閥。數據采集分析裝置通過RS485與遠傳裝置進行通信。遠傳裝置通過GPRS/CDMA移動網絡向燃氣公司的監(jiān)測平臺系統發(fā)送報警信息、工況數據、狀態(tài)信息等，接受來自監(jiān)測平臺系統的指令信息，對數據采集分析裝置進行遠程設置、數據調取工作。數據采集分析裝置上有顯示屏和按鍵，顯示屏可顯示系統時間、瞬時流量、溫度、壓力、設備狀態(tài)信息等參數。當報警時，顯示界面上出現報警、關閥信息，通過按鍵可進行屏幕顯示翻頁、系統設置、開關閥等操作。為保證數據采集、儲存、報警信息的時間、日期準確，數據采集分析裝置應具備實時時鐘和日歷，在顯示屏上可顯示時間，并且可通過監(jiān)測平臺系統遠程校時。數據采集分析裝置是關鍵控制系統，由控制主板、按鍵及顯示系統組成，有數據的采集、分析和對外通信功能，在設計時要考慮大數據量的運算、分析比對與儲存，通信接口的通用性，系統供電等因素。裝置中的控制主板見圖2。主芯片選擇意法半導體的32位基于ARM Context-M4為內核的STM32F407ZGT6處理器，系統頻率可達168 MHz，支持FPU（浮點運算）和DSP指令，儲存器容量為1 024 kB FLASH和192 kB SRAM，主板外擴了1 MB的SRAM芯片，滿足運算儲存要求。外擴的SRAM芯片型號為IS62WV51216，掛載在主芯片的變靜態(tài)存儲控制器（FSMC）上。為滿足數據采集分析裝置對瞬時流量數據的實時儲存和累積數據的長期儲存需要，鑒于數據量較大，且為讀取方便，控制主板設有SD卡接口，可插接SD卡，儲存容量可在1 GB以上。主板還設有2個RS485接口，采用SP3485進行電壓轉換，分別用于與超聲波流量計和遠傳裝置進行通信。主板配備LCD顯示屏，用于顯示采集的實時流量數據、報警數據及系統狀態(tài)等信息，設有5個按鍵完成顯示翻頁、閥門開啟、切斷控制等操作。對于流量切斷裝置閥門開啟與切斷的控制，主板使用2個I/O口通過光電耦合器TLP127實現閥門電機正反轉開關控制［3-4］。本系統選擇日本愛知AS超聲波流量計，為速度式流量計。其使用壓力小于等于1.0 MPa，防爆防護等級為EX ib IIB T4 Gb IP65，數據通信協議為RS485 MODBUS/RTU，精度等級為1.0級。超聲波流量計相較于其他類型流量計（如渦輪流量計），由于無轉動組件，不受慣性影響，對瞬時流量變化的靈敏度更高，且流量范圍較廣，始動流量較小，例如DN 50 mm口徑的超聲波流量計始動流量為0.37 m3/h，DN 100 mm口徑的超聲波流量計始動流量為1.25 m3/h。對小流量感知更靈敏，用于管網瞬時流量的監(jiān)測與捕捉，比較適合［5］。本系統選擇的遠傳裝置為山東思達特ST2000模塊，其負責太陽能電池系統供電管理和與燃氣公司的監(jiān)測平臺系統遠程通信。遠傳裝置采用RS485直讀方式從數據采集分析裝置獲取數據，通過GPRS/CDMA無線通信進行遠傳，發(fā)送流量數據與報警信息，接收監(jiān)測平臺系統的指令，并下達到數據采集分析裝置。數據采集分析裝置與流量計、遠傳裝置、太陽能電池系統等連接。超聲波流量計自帶電池可單獨運行。整套供電系統可以正常運行6 a以上。 為實現流量監(jiān)測、泄漏識別、報警遠傳、遠程切斷等功能，系統軟件主要由本地管道泄漏報警切斷裝置軟件和遠端管道泄漏報警系統軟件兩部分組成。系統用例圖（軟件開發(fā)用于系統業(yè)務功能需求分析、系統建模的示意圖）見圖3，參與者包括：管道泄漏報警切斷裝置軟件、超聲波流量計、流量切斷裝置、管道泄漏報警系統軟件、遠程監(jiān)控人員、現場人員。其中，管道泄漏報警系統可以是其他的SCADA平臺系統，這里只是為完成遠程泄漏監(jiān)測、報警、遠程切斷、參數設置等功能，所列舉的功能模塊。本文主要探討本地管道泄漏報警切斷裝置軟件的設計，即數據采集分析裝置主板的內置程序，配合遠傳裝置實現相關功能。由圖3可知，管道泄漏報警切斷裝置軟件設計包括泄漏識別與特征數據更新，流量計數據實時讀取與儲存，狀態(tài)、參數、日志讀取與設置（遠程發(fā)送與本地操作），報警（遠程發(fā)送），關閥操作（遠程操作），特征數據獲?。ㄟh程發(fā)送與本地操作），報警信息讀?。ū镜夭僮鳎_關閥操作（本地操作）等程序功能組成。遠程監(jiān)控人員通過SCADA系統進行遠程交互操作。現場人員通過數據采集分析裝置按鍵、顯示屏、SD卡進行本地交互操作［6］。為實現上述功能，本地管道泄漏報警切斷裝置軟件程序邏輯架構由基礎層、技術服務層、應用層3層組成?；A層包含各硬件操作的底層驅動程序，如數據采集分析裝置與流量計、遠傳裝置的RS485串口通信，SD卡數據的讀取與儲存，按鍵操作讀取等模塊。技術服務層為實現系統功能邏輯，提供相關的工具組件，調用基礎層的驅動程序接口，對數據進行解釋、加工處理，并向應用層提供數據服務接口，方便功能邏輯的調用，包括開關閥指令處理、流量計數據采集與儲存、報警信息發(fā)送、報警數據儲存與讀取、參數信息儲存與讀取、數據的本地顯示、數據頻譜分析工具、時鐘校對等模塊。應用層實現系統的邏輯功能，通過主循環(huán)程序周期循環(huán)調用流量采集與泄漏識別模塊、現場按鍵指令處理模塊、遠傳外部指令處理模塊，實現系統的自動運行與對外交互。主循環(huán)程序運行流量采集與泄漏識別模塊的程序流程見圖4。該部分為系統的核心功能之一，通過定時中斷程序實現循環(huán)運行。進入主程序模塊后，首先判斷流量采集周期是否滿足，即當前時間距上一次流量采集時間是否滿足采集間隔（5 s），如果否，則跳出本次流量采集與泄漏識別操作；如果是，則執(zhí)行泄漏識別運行策略更新程序，檢查識別參數、指令是否有修改，并進行數據更新。從流量計獲取實時流量原始數據與狀態(tài)信息，檢查數據的有效性，例如報文中是否有報警或錯誤數據，檢查流量計狀態(tài)是否正常。如果數據無效或流量計狀態(tài)不正常，則形成設備異常報警數據，執(zhí)行信息儲存、遠傳。如果數據有效，則對數據進行計算處理及識別分析。計算處理過程包括3種方式，3種方式均通過原始流量數據計算某時段的流量累計值。對于原始流量變化比較平穩(wěn)即系統不存在調壓器喘振導致的流量頻繁波動時，可通過原始流量數據直接計算獲取流量變化率，速度較快，實時性較強。如果調壓器喘振導致流量波動干擾較大，則需要將喘振干擾部分濾掉后再進行下一步計算分析，可以對流量數據進行數字濾波處理或頻域分析處理，然后計算瞬時流量及流量變化率。數字濾波處理和頻域分析處理這兩種方法，去除干擾的原理不同，可以選擇其中一種方法，或兩者都使用，達到雙重保險的目的。這兩種方法實時性稍弱，但可有效降低喘振干擾造成的誤報。接下來判別當前運行狀態(tài)，當數據采集分析裝置用于管網用氣規(guī)律搜集即學習階段時，程序不進行泄漏識別操作，而是直接生成并儲存用戶特征數據。當數據采集分析裝置用于管網泄漏監(jiān)測識別時，程序將當前計算結果與用戶特征值進行比較，判別流量是否異常，當有異常時，形成報警數據甚至關閥指令，之后執(zhí)行信息儲存、遠傳等后續(xù)主程序指令，完成一次循環(huán)。圖4 主循環(huán)程序運行流量采集與泄漏識別模塊的程序流程
對庭院燃氣管道泄漏報警切斷（限流）裝置的方案設計與實現進行探討，包括裝置組成、泄漏識別基本原理、裝置主要功能與設計選型（數據采集分析裝置、超聲波流量計、遠傳裝置）、軟件系統用例說明與程序邏輯架構。在白天及傍晚用氣時段，通過實時監(jiān)測瞬時流量變化，識別突發(fā)較大的泄漏事故；在夜間用氣低谷時段，通過測算流量累積量，識別小的泄漏。識別泄漏后，通過遠傳裝置將報警信息發(fā)送到燃氣公司的監(jiān)測平臺系統。在接到監(jiān)測平臺系統關閥指令，或數據采集分析裝置判斷出異常流量超過限定值時，數據采集分析裝置發(fā)送關閥指令，通過流量切斷裝置切斷氣路。［1］何珊珊. 城市燃氣管網泄漏檢測系統的現狀及發(fā)展［J］. 化工管理，2015（23）：227.［2］曹博宇. 城市燃氣管網泄漏診斷及應急研究（碩士學位論文）［D］. 北京：北京建筑大學，2018：13-15.
［3］曹利波. 基于STM32數據采集器的設計［J］. 電子制作， 2014（5）：36-37.
［4］鄭昆，侯衛(wèi)國，姚婧，等. 基于 STM32 的 RS485 總線多路超聲波測距系統［J］. 儀表技術與傳感器，2018（6）：79-82.
［5］李定川. 超聲波流量計在城市燃氣管網的應用［J］. 智慧工廠，2017（3）：82-83，92.
［6］劉峰，尤飛，康亞明. 基于UML的嵌入式溫室環(huán)境監(jiān)測系統設計［J］. 電子設計工程，2012，20（20）：138-140.
