基于GPS授時(shí)為基準的管道破壞預警監測設計

概述：詳細闡述了運用GPS授時(shí)為基準的時(shí)鐘同步細分技術(shù)，更精確地捕獲聲波信號到達相鄰各監控站點(diǎn)的時(shí)刻，實(shí)驗效果良好。為快速、精確定位破壞事發(fā)位置提供一種新的有效的技術(shù)。為了保證管道輸送的正常運行，對管道進(jìn)行破壞預警監測具有極為重要的現實(shí)意義，快速、準確地判定事發(fā)地點(diǎn)是預警監測的重要內容。設計了管道預警監測及定位的系統方案，分析了其監測定位原理，并指出破壞聲波信號傳輸至上、下游相鄰各監控站點(diǎn)的時(shí)間差是影響精確定位的主要因素。

1 引言
管道運輸業(yè)具有成本低、節省能源、安全性高、傳送距離長(cháng)及供給穩定等優(yōu)點(diǎn)。在運輸液體、氣體和漿液等方面具有獨特的優(yōu)勢，尤其在石油、化工、天然氣及城市供水等產(chǎn)業(yè)中有著(zhù)不可替代的作用。我國管道建設在近二十年得到了快速的發(fā)展，并且在十一五發(fā)展規劃中明確提出還要建設四大油氣管道。

隨著(zhù)管齡的增長(cháng)，由于自然損壞造成的泄漏變得日益嚴重，特別是在各大采油作業(yè)區及廣遠的輸油氣管路上，人為破壞偷盜現象時(shí)有發(fā)生。管道泄漏不僅會(huì )影響管道輸送的正常進(jìn)行，造成重大經(jīng)濟損失，而且當輸送有毒害、腐蝕性、易燃易爆的介質(zhì)時(shí)，還會(huì )污染環(huán)境，引起火災爆炸事故。因此，對管道泄漏的檢測及破壞點(diǎn)定位具有極為重要的現實(shí)意義[1]。

引發(fā)管道泄漏事故的種種原因中，人為蓄意破壞(打孔、切割、鉆孔)已超過(guò)自然因素而位居首位[2]，因此，研究管道安全受到威脅或剛遭受破壞時(shí)就能檢測定位的預警系統可防患于未然?？焖?、準確地判定事發(fā)地點(diǎn)又是預警監測的重要內容，本設計采用GPS基準時(shí)鐘細分技術(shù)精確獲得特征信號傳輸至各監控站點(diǎn)的時(shí)刻，通過(guò)時(shí)間標簽的差值計算和監控站點(diǎn)之間的距離分別獲取特征信號向上游和下游傳播的速度，進(jìn)而確定管道破壞的準確位置。

2 系統設計及定位原理
2.1系統總體設計
整個(gè)系統如圖1所示，由若干個(gè)監測站點(diǎn)、GPRS網(wǎng)絡(luò )、Internet網(wǎng)、一個(gè)數據服務(wù)中心構成[3]。監測站點(diǎn)沿管線(xiàn)分布，負責信號的收集、信息處理和發(fā)送。數據服務(wù)中心的計算機具備IP地址，通過(guò)Internet網(wǎng)和GPRS無(wú)線(xiàn)信道，利用數據傳輸終端(DTU)與管道智能檢測終端單元(RTU)實(shí)時(shí)透明傳輸數據，可實(shí)現傳輸管線(xiàn)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監測、故障報警、破壞點(diǎn)定位等綜合管理功能。

圖1 管線(xiàn)破壞預防監測及其定位系統

系統工作過(guò)程：在管線(xiàn)的相鄰四個(gè)站點(diǎn)上各安裝一只聲壓傳感器，探頭伸入到管道內部與管內流體相接觸，當管路中部某處遭受破壞或發(fā)生泄漏時(shí)，破壞點(diǎn)的特征聲波分別沿管線(xiàn)向兩端傳播至聲壓傳感器，聲波信號經(jīng)預處理后，提取能表征此聲波信號的特征參數；當特征參數與模式訓練得到的模式特征相匹配時(shí)，立即啟動(dòng)同步時(shí)鐘中斷程序并記下特征聲波到達的時(shí)刻，以便與特征聲波信號到達另外站點(diǎn)的時(shí)刻比較，為破壞點(diǎn)位置計算做好準備；特征聲波在流體中的傳播速度和各站點(diǎn)的時(shí)鐘同步精度決定著(zhù)破壞點(diǎn)的定位精度，利用全球衛星定位系統(GPS)衛星的標準UTC時(shí)間，可提供TTL電平秒脈沖，通過(guò)時(shí)鐘細分處理可以獲得更加精確的秒內時(shí)間信息；貼有時(shí)間標簽的特征聲波信號經(jīng)編碼以后，以GPRS無(wú)線(xiàn)數據設備為數據終端單元(DTU)，以移動(dòng)分組數據業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò )為數據傳輸通道，并在此信道上提供TCP/IP連接，將測點(diǎn)的數據傳送到數據服務(wù)中心。

2.2 定位原理
當聲壓傳感器接收到特征聲波信號后，依據此特征信號傳播至上下監測站點(diǎn)的時(shí)間差和管內聲波的傳播速度可計算出破壞點(diǎn)的位置。傳播介質(zhì)的壓力分布和密度分布以及介質(zhì)的物理形態(tài)等因素都將影響聲波的傳播速度。另外，還要考慮流體本身的流動(dòng)速度的影響，因為特征聲波向上游傳播逆著(zhù)流體的流動(dòng)方向，而向下游則是順著(zhù)流體的流動(dòng)方向，因此采用圖2所示的定位原理，具有很快的響應速度和較高的定位精度。

圖2 定位原理示意圖

其中 ：

D — 管線(xiàn)中兩監測站點(diǎn)1、2之間的距離，m；

s — 破壞點(diǎn)距上游站點(diǎn)1的距離，m；

△s — 監測站點(diǎn)1與3、2與4之間的已知距離，m；

t0 — 聲波信號產(chǎn)生時(shí)刻，s；

t1，t2， t3，t4— 聲波信號傳播至站點(diǎn)1、2、3、4的時(shí)刻，s；

△t13,△t24 ,△t12,△t01,△t02—分別為兩站點(diǎn)1與3，2與4，1與2，站點(diǎn)1，站點(diǎn)2接收到聲波信號的時(shí)間差，s；

聲波沿管線(xiàn)向上、下游的傳播速度分別為：

v上=△s/△t13 v下=△s/△t24 （1）

根據已知條件列出定位方程：

s = v上·△t01 D－ s = v下·△t02 △t12=△t01 － △t02 （2）

將式(1)代入式 (2)整理得定位公式：

s = (D·△t24+△s·△t12) / (△t13+△t24) （3）

由式(3)知，只要管線(xiàn)中上、下游各監測站點(diǎn)準確接收到貼有時(shí)間標簽的特征聲波信號，即可精確確定破壞點(diǎn)位置。

3 基于GPS基準時(shí)鐘同步與細分
3.1現場(chǎng)處理單元
現場(chǎng)處理單元是采集、處理和傳輸現場(chǎng)數據的遠程終端單元(RTU)，包括核心處理單元、聲壓傳感器、聲音識別單元、GPS接收裝置以及GPRS數據無(wú)線(xiàn)通訊裝置等。圖3為現場(chǎng)處理單元的各部分硬件連接關(guān)系。

圖3 RTU系統硬件組成結構框圖

現場(chǎng)處理單元利用C8051F020單片機控制實(shí)現，不用另行擴展串口、ROM以及RAM。MCU有兩個(gè)硬件串口，這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨立的，而且不占用定時(shí)器，使用起來(lái)相當靈活，分別對GPS授時(shí)模塊和GPRS DTU通信。GPS模塊把時(shí)間信息以固定的格式從串口發(fā)出，MCU接收GPS模塊送來(lái)的數據，解析出其中有用的時(shí)間數據進(jìn)行封裝，然后以規定的格式通過(guò)第2個(gè)串口交給GPRS DTU，利用GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據送上Internet網(wǎng)。

3.2 GPS基準時(shí)鐘同步
破壞點(diǎn)定位需要已知特征聲波信號傳播至上下游各站點(diǎn)的時(shí)刻，顯然，如果想得到準確的時(shí)間差 ，必須保證用于分析的數據其起始時(shí)間保持一致。否則，即使能夠準確捕捉到聲波的到達時(shí)刻，也會(huì )因為信號的起始時(shí)間不一致而得到有偏差的 。站點(diǎn)采樣時(shí)刻不同步，以此計算出的時(shí)間差就毫無(wú)意義，更談不上精確定位。因此，選用一個(gè)精度較高的授時(shí)系統以提供各站點(diǎn)的統一時(shí)間非常重要。

常規時(shí)鐘頻率產(chǎn)生方法都存在一定的問(wèn)題，定位精度不能滿(mǎn)足要求。如晶體會(huì )老化，易受外界環(huán)境變化影響；原子鐘長(cháng)期使用后也會(huì )產(chǎn)生偏差，需要定時(shí)校準。在本設計中，解決這一問(wèn)題的途徑是利用全球定位系統(GPS)為各站點(diǎn)統一授時(shí)，保證各站點(diǎn)時(shí)鐘同步，同時(shí)在采集到的數據內加入其被采集到的時(shí)間信息，從而減少誤差。

GPS向全球范圍內提供定時(shí)和定位的功能，全球任何地點(diǎn)的GPS用戶(hù)通過(guò)低成本的GPS接收機接受衛星發(fā)出的信號，獲取準確的空間位置信息、同步時(shí)標及標準時(shí)間[4]。在本系統設計中，將遠程終端裝置RTU嵌入GPS信號接收裝置，定時(shí)校準采樣時(shí)鐘，各遠程終端裝置都以校準的采樣時(shí)鐘為采樣依據，徹底解決了分布系統的系統時(shí)鐘不同步問(wèn)題。

選用Trimble Lassen SQ/IQ GPS接收模塊，使用NEMA0183格式的GPZDA數據信息。當GPS接收器與GPS時(shí)鐘同步后，即會(huì )接收到信息。其格式為$ GPZDA，hhmmss.ss，xx，xx，xxxx，，*hh。信息包含時(shí)，分，秒，日，月，年以及加和校驗等。

3.3時(shí)鐘細分
GPS時(shí)間信息與秒脈沖同步，每秒發(fā)一個(gè)脈沖，若接收時(shí)刻處于兩相鄰秒脈沖之間時(shí)，僅讀取GPS UTC時(shí)間會(huì )產(chǎn)生較大誤差，為使定位更加精確，對時(shí)鐘進(jìn)行了細分。C8051F020單片機16位定時(shí)器有高字節和低字節兩個(gè)寄存器，計數最大可以達65536，經(jīng)編程使每個(gè)機器周期為20μs，定時(shí)時(shí)間可以到1.31s，足以完成在每秒中斷內的時(shí)間定時(shí)。賦值高字節數據給變量timerH，低字節數據給變量timerL，經(jīng)過(guò)處理?yè)Q算為十進(jìn)制數值即為計數個(gè)數，再乘以20μs可以得到準確的秒內定時(shí)時(shí)間，賦值給一個(gè)存儲定時(shí)時(shí)間的數據結構timerTime，精度可達到20μs。圖4為時(shí)鐘同步與細分時(shí)序圖，C8051F020程序流程圖如圖5所示。