基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测系统，主要包括数据采集节点、数据汇聚节点、管道健康的实时远程监测服务器及软件。当管道温度、压力、流量、壁厚及管道泄漏弹性波出现超阈值状态时，基于智能调节的运行模式，数据采集节点自动向数据汇聚节点发出已存储数据的上传请求；数据汇聚节点响应请求后，经过对数据的自主决策分析，实现对原始采集信号的时间戳定义和初步筛选，同时将切换传感器网络采集协议至互联网协议，由此完成初筛有效数据的远程上传；利用远程监测软件中的管道泄漏专用算法以及周期性自检评估油气管道和系统节点的健康状态，并向客户端用户发出腐蚀、泄漏、爆炸等事故隐患警报。

Remote real-time health monitoring system for oil and gas pipelines based on Internet of things

The invention discloses a method based on IOT technology of oil and gas pipeline remote real-time health monitoring system, including data acquisition nodes, data aggregation node, the pipeline health real-time remote monitoring server and software. When the temperature, pressure, flow rate, pipe wall thickness and leakage of the pipeline elastic wave appear over the threshold state, operation mode based on intelligent adjustment, automatic data acquisition node to the sink node sends data stored data upload requests; data aggregation node in response to the request, through the decision-making analysis of data, and screening time stamp the definition of the original signal acquisition and preliminary, will switch to the sensor network acquisition protocol internet protocol, thereby completing the screening effective remote upload data leakage; special algorithm using pipeline remote monitoring software and the periodic self assessment of oil and gas pipeline system and the node's health status, and to the client user sends out the corrosion, leakage and explosion accidents alarm.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种油气管道远程实时健康监测系统，特别是涉及一种基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统。
技术介绍
管道运输是世界五大运输行业之一，被广泛用于运输与调配世界各地的天然气、石油、水及其它易于流动的物质。在其长期连续使用的过程中，由于管道本身的材质的问题，会伴随着管壁材料腐蚀与老化现象的出现，管道泄漏将不可避免的发生。特别严重的会直接造成对人类居住环境与生命财产的严重破坏，但是油气管道泄漏又很难及时发现。传统小波变换算法对气/液管道泄漏的声发射应力波、负压波信号进行降噪处理技术，基于传统GPS时钟校准技术的泄漏源互相关定位技术等，虽然采用了无线定位技术，但远远未达到泄漏源定位要求。现有的无线模块的供电大多是采用电池，但是随着运输石油和天然气的管道网络化越来越复杂，伴随着数据传输无线模块的能耗也越来越大，常规的电池供电已经远远不能满足需求。应对现有的无线频谱资源的紧缺以及无线网络的带宽限制，选择性的发送数据是十分必要的，可以加快处理信号数据，减轻网络数据负载：只发送故障数据，可以减少数据分析的步骤，让工作人员更加轻松的的了解是否有故障，更加快速的做出判断。物联网是未来发展的一种潮流，是现代化信息技术不可或缺的一部分，它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网在管道检测、智能管网节水监测系统，、长距离管道运输，以及恶劣环境如沙漠等具有广泛的应用背景。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，该系统能远程实时采集油气管道的温度、压力、流量、壁厚以及泄漏信号，综合评判出管道腐蚀程度、泄漏、爆炸地点，实时通知技术人员到指定区域维修、更换管道。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，主要包括数据采集节点、数据汇聚节点、管道健康的实时远程监测服务器及软件。其系统的基本连接关系为：数据采集节点采集管道的温度、压力、流量、壁厚以及管道泄漏信号数据，采用的是ISM频段的无线通信协议与数据汇聚节点连接通信，数据汇聚节点根据油气管道经过不同的地段分为三种不同连接方式：1）经过城市段的数据汇聚节点通过Wi-Fi热点接通有线宽带方式连接远程健康监测服务器；2）经过移动基站覆盖的地区段的数据汇聚节点，以GPRS接通移动宽带，与远程健康监测服务器连接；3）对于移动基站未覆盖的无人区地段的数据汇聚节点，则通过卫星宽带方式连接远程健康监测服务器，数据汇聚节点将从数据采集节点获取的管道信号信息打上从服务器获取的时间标签以网络协议上传至管道远程实时健康监测服务器，通过管道远程实时健康监测软件对油气管道的腐蚀情况、是否发生泄漏、爆炸进行实时监测。数据采集节点是由传感器单元、MCU处理单元、电源管理单元、模数转换芯片、外置存储模块、程控放大器、程控滤波器组成。根据传感器单元的不同分为压力数据采集节点、流量数据采集节点、温度数据采集节点、流量数据采集节点、壁厚数据采集节点和泄漏数据采集节点设置相应的传感器，数据采集节点利用卡箍牢牢固定在管道上。在接收到采集工作指令后，被安置在卡箍与管道壁外侧的接触面上的传感器，采集油气管道的压力、流量、温度、壁厚以及泄漏信号数据。其信号经过程控放大器的放大与模数转换芯片匹配。在程控放大器与模数转换芯片之间还接程控滤波器以滤除其噪声干扰信号，经过处理转化的数字信号直接储存在外置存储模块，MCU处理器将从数据汇聚节点接收到时间标志打印在外置存储器的数字信号中并通过RFD特殊寄存器写进RF内核的TXFIFO堆栈按照IEEE802.15.4协议标准发送至数据汇聚节点。其电源管理模块管理对传感器、MCU处理单元、模数转换芯片、外置存储模块、程控放大器和程控滤波器的提供电源，并在阳光充足的情况下切换成光伏电源供电方式。数据汇聚节点是由电源管理模块、MCU处理单元、宽带网络通信模块组成。根据数据汇聚节点所处的地段，包括：城市段、乡村段、偏远段，数据汇聚节点的宽带网络通信模块相应为：Wi-Fi模块、GPRS模块、宽带卫星网络通信模块。数据汇聚节点的MCU处理单元扫描RF内核的信道监听入网请求信标，回发携带分配给数据采集短地址的连接响应命令，向服务器发送时间同步请求，将获取的时间装载在时间同步指令中，在得到应答反应之后，发送采集指令。其电源管理模块对MCU处理单元、宽带网络通信模块提供电源，并在阳光充足的情况下切换成光伏电源供电方式以及对电池充电。为了减轻远程实时健康监测系统的网络通信负载，各地段的数据汇聚节点在接收到的同类参数的数据上传请求数目达到一定量时，才启动上传通道，以数据汇聚节点为媒介向远程实时健康监测服务器上传数据。因为数据采集节点与数据汇聚节点的网络通信协议和数据汇聚节点与远程实时健康监测服务器的宽带通信网络的通信协议不同，数据汇聚节点的MCU处理器，将接收的数据的数据帧修改成符合宽带网络通信协议的格式，通过数据汇聚节点的宽带网络通信模块发送至远程实时健康监测服务器。其中数据采集节点与数据汇聚节点的通信协议为无线传感器网络协议。数据汇聚节点与远程实时健康监测服务器的协议为网络协议，数据汇聚节点可以将这两种协议自由切换。采集工作之前在节点的媒介访问层（MAC层）的同步扩展接口输入自定义的“软硬件相结合的时间同步协议”，以克服数据采集节点与数据汇聚节点的软件延时的不确定性和节点晶振不稳定导致各节点的时钟不同步的问题。其具体实现步骤如下：（1）数据汇聚节点向远程实时健康监测服务器发送时钟同步请求，以获取国家授时中心服务器的时间，根据网络时间协议（NTP）与国家授时中心进行时钟对准。并且以此作为数据采集节点的时钟同步的基准，向数据采集节点发送时钟同步的报文。（2）数据采集节点收到数据汇聚节点的发送的时钟同步报文后，经td_sr的延迟接收标志管脚产生RSSI的PWM信号Prso，并触发计时器计时，采用loopback模式，同步报文被即刻发回发送端，绕过了中央处理器，避免了软件延迟的影响。经过时间td_ss的延迟，天线将同步报文发送回数据汇聚节点。（3）经过ttran的传播时间到达数据汇聚节点的天线，td_B的时间延迟，时间同步报文到达数据汇聚节点的接收端，在td_Br的时延后，接收标志管脚产生RSSI的PWM信号Prmo并且将该时刻的国家授时中心的时间Tcri锁存，同时被传输给数据采集节点，其数据采集节点的接收标志管脚产生新的RSSI的PWM信号时将计数器的时间tcount+Tcri以完成时钟的对准。完成时间同步之后的数据汇聚节点采用ISM频段的IEEE802.15.4协议标准给各参数的数据采集节点发送数据采集指令。接到指令后，各参数的数据采集节点采用事件驱动型的“TEEN协议”即有效能量阈值敏感传感器网络协议：其传感器在油气管道上所采集到的温度、压力、流量、壁厚等信号参数在正常安全范围之类，只保存信号数据不上传，当数据量达到外置存储单元的设定值，则初始化外置存储单元继续存储信号数据；若采集到温度、压力、流量、壁厚等数值出现警戒值或者采集到管道泄漏信号时，数据采集节点激活其RF内核，，向数据汇聚节点发送数据上传本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，其特征在于，包括1）数据采集节点：用于采集油气管道的压力、流量、壁厚以及管道泄漏应力波信号；可基于特定的无线传感器网络传输协议，上传所采集到的数据信息至数据汇聚节点；2）数据汇聚节点：用于与数据采集节点组成管道健康状态数据采集的无线传感器网络，同时与管道健康的实时远程监测服务器进行数据通信，解决数据采集节点的无线传感器网络采集协议与互联网协议的兼容；3）管道健康实时远程监测服务器：用于油气管道信号数据的存储空间，形成远程实时监测平台与油气管道的信息传输中枢，作为对管道故障段进行定位；4）管道健康的实时远程监测软件：由服务器端应用软件、数据收发解析软件、PC机端的web功能控制软件、移动电子产品软件客户端组成。

【技术特征摘要】
1.基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，其特征在于，包括1）数据采集节点：用于采集油气管道的压力、流量、壁厚以及管道泄漏应力波信号；可基于特定的无线传感器网络传输协议，上传所采集到的数据信息至数据汇聚节点；2）数据汇聚节点：用于与数据采集节点组成管道健康状态数据采集的无线传感器网络，同时与管道健康的实时远程监测服务器进行数据通信，解决数据采集节点的无线传感器网络采集协议与互联网协议的兼容；3）管道健康实时远程监测服务器：用于油气管道信号数据的存储空间，形成远程实时监测平台与油气管道的信息传输中枢，作为对管道故障段进行定位；4）管道健康的实时远程监测软件：由服务器端应用软件、数据收发解析软件、PC机端的web功能控制软件、移动电子产品软件客户端组成。2.根据权利要求1所述的基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，其特征在于，所述的数据采集节点：启动数据采集节点后，立即向指定的数据汇聚节点发送组网请求，等待是否可以组网的指令、时钟同步的指令；以及何种能耗的运行模式下开启采集的工作指令；若所采集数据存在超阈值状态时，停止数据采集的能耗运行模式，等待指令准备上传数据；其相应的数据处于合理范围时，维持其只存储，不上传数据，数据采集能耗运行状态不变；在野外阳光充足的条件下，切换为光伏供电能耗运行模式。3.根据权利要求1所述的基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，其特征在于，所述数据汇聚节点基于数据分析的自主决策：数据汇聚节点启动后，搜索入网请求，将入网的ID地址分配给数据采集节点，发送服务器时钟同步请求；当接收数据上传的请求达到指定数量时，则向数据汇聚节点发出上传指令，否则发出丢弃数据指令；在野外阳光充足的条件下，切换为光伏供电能耗运行模式。4.根据权利要求1所述的基于物联网的油气管道远程实时健康监测系统，其特征在于，所述数据汇聚节点中具备传感器网络与互联网的协议自由切换能力：利用无线传感器网络协议实现数据汇聚节点与数据采集节点的指令执行、数据通信，利用互联网协议实现数据汇聚节点与服务器的数据通信，两协议的自由切换实现了传感器网络与互联网...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少锋，仲济祥，王建国，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15