CN101093058A - 一种城市燃气管网自动监控系统及监控方法 - Google Patents

一种城市燃气管网自动监控系统及监控方法 Download PDF

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刘明亮
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Abstract

本发明属于管网运行监控及无线数据传输领域,涉及城市燃气管网自动监控方法和系统。本发明的城市燃气管网自动监控方法,是在燃气管网的各个节点处建立测点站,采集节点处管内气体的流动信号;设置监控中心服务器,监控中心服务器与测点站之间通过无线通讯网传输测点站所采集的数据信息;监控中心服务器存储有燃气管网各个部件的空间地理数据,并安装和运行基于GIS技术的数据处理和管网泄漏监控软件,该软件能够对管网泄漏进行实时预警,并及时向维修站传输泄漏信息。本发明采用GPRS无线通讯技术和GIS空间地理技术,对管网系统采取实时监控,一旦出现泄漏情况,可迅速将泄漏信息通过GSM网络传送到维修站点,以确保城市燃气管网的安全运行。

Description

一种城市燃气管网自动监控系统及监控方法
技术领域
本发明属于管网运行监控及无线数据传输领域,尤其是涉及一种城市燃气管网自动监控系统,并涉及一种该监控系统采用的监控方法。
背景技术
目前,我国大多数燃气供应单位的监控技术依然十分落后,尤其是对输配管网的管理,基本上还是采用专人定期定点巡检和抄录,这样不仅工作量大、效率低,而且差错率和人为误差高,很难实现对监控点的实时数据采集。采用传统的输配管网管理方式,首先是运营成本高,其次是难以适应现代化管理手段的要求,给国家和企业造成了巨大的经济损失和资源浪费。
已有的管网监控系统中所采用的数据通信可简单分为两类:有线通信和无线通信,其中有线通信主要包括架设光缆、电话MODEN(音频)、电话专线、电视电缆、电力线载波等。由于管网监控点分布范围广、数量多,个别监控点地处偏僻,采用有线通信方式存在建设周期长、工作难度大、运行费用高等缺点;与之相比,无线通信方式则具有投资少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。现有的无线通信方式包括无线数传电台、扩频通信、卫星通信、移动通信(包括GSM、GPRS和CDMA)等多种方式,其中卫星通信的通信费用较高,而扩频通信虽然速率高,但只能在视距范围内传输。无线数传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点,但由于系统工作于230MHz且多采用普通间接调制的数传电台,这就造成系统易受外界干扰、通信速率低、误码率高、数据传送量不大、信号覆盖范围小等缺点。
GSM(Global System for Mobile Communications)和GPRS(General packet radioservice)是目前我国主要使用的蜂窝数字移动通信系统,通信方式是在移动运营商的数据通信平台上进行的。GSM/GPRS无线通讯网已基本覆盖全国,因而具有不需另外铺设网络、建设周期短、通信速率高、没有同频干扰、性能稳定可靠、保密性好、费用低廉,而且无需向无线电管理委员会办理频带资源使用手续和缴纳频带资源占用费等特点,可节省大量的人力物力。
传统的燃气管网管理手段很难实现对管网远程节点的实时数据的采集和传输,理想的数据传输方式是基于无线的通讯传输,此外管网分布范围广且布局错综复杂,因此,需将管网的自动监控系统建立在空间地理模型的基础之上。
发明内容
为了解决传统燃气输配管网管理手段中所存在的缺陷,本发明提出了一种集成了GSM、GPRS传输以及GIS信息管理的管网自动监控方法,并提出一种采用此方法的监控系统。它是采用GPRS无线通讯技术进行节点数据的传输,服务器端对传输的数据进行可视显示,通过GIS强大的空间分析功能对回传的数据进行分析和预测,并对管网系统采取实时监控,一旦出现泄漏情况,可迅速将泄漏信息通过GSM网络传送到维修站点,以确保城市燃气管网的安全运行。
本发明采用如下的技术方案:
一种城市燃气管网自动监控方法,该方法是在燃气管网的各个节点处建立测点站,采集节点处管内气体的流动信号;设置监控中心服务器,监控中心服务器与测点站之间通过无线通讯网传输测点站所采集的数据信息;监控中心服务器存储有燃气管网各个部件的空间地理数据,并安装和运行基于GIS技术的数据处理和管网泄漏监控软件,该软件能够对管网泄漏进行实时预警,并及时向维修站传输泄漏信息。
作为最佳实施方案,上述的监控方法可以包括下列步骤:
(1)监控中心服务器存储有燃气管网系统各个部件的空间地理数据,并存储包括管长、管径在内的管网属性数据;
(2)建立管道实时仿真模型,根据管网属性数据计算管网各个节点处的参数值;
(3)根据燃气管道的压力平衡关系设定泄漏阈值;
(4)在各个测点站分别采集包括管道气体流量、压力和温度信号在内的管内气体的流动信号,并将其通过GPRS网络发送到监控中心服务器;
(5)监控中心服务器根据接收到的管道信息,获得各个节点处的测量值;
(6)计算各个节点处的参数值与测量值之间的偏差;
(7)如果偏差超过阈值,采用瞬态压力波法,估算泄漏位置,并根据所存储的燃气管网的空间地理数据,确定泄漏管道所处地理位置。
上述步骤中,监控中心服务器可以根据步骤(5)所获得的各个节点处的测量值以及满足无泄漏时潜在泄漏量最小化的条件,对步骤(2)所建立的仿真模型进行在线参数调整。
上述的监控方法在步骤(7)之后,还可以包括下列步骤,监控中心服务器通过GSM网络自动将泄漏管道所处地理位置以及该管道的泄漏位置信息发送到相应的维修站点。
本发明同时提供一种采用上述方法的城市燃气管网自动监控系统,包括设置在燃气管网节点处的各个测点站、无线通讯模块、监控中心服务器,其中,
测点站,包括控制器、分别与控制器相连并受其控制的数据采集模块和无线通讯模块,数据采集模块用于采集节点处的管道信息,所述无线通讯模块用于在监控中心服务器与测点站之间传输各个测点站所采集的数据信息;
监控中心服务器,其内存储有燃气管网各个组成部件的空间地理数据,并安装有基于GIS技术的数据处理和管网泄漏监控软件,该软件能够对管网泄漏进行实时预警,并及时向维修站传输泄漏信息。
上述监控系统的数据采集模块应当设置有气体流量、压力和温度传感器以及分别与各个传感器的输出相连的模拟/数字转换器,所述无线通讯模块为GPRS模块,所述管道信息为管道气体流量、压力和温度信息。
设置在每个测点站的GPRS模块由GPRS网关通过GPRS无线通信网络交换数据,监控中心服务器通过监控通讯中心与GPRS无线通信网络交换数据,监控通讯中心与监控中心服务器之间采用专线连接。
本发明的城市燃气管网自动监控系统,在监控中心服务器里可以存储有燃气管网各个组成部件的空间地理数据,并存储有包括管长、管径在内的管网属性数据;所述监控中心服务器用于完成如下操作:(1)根据管网属性数据,计算管网各个节点处的参数值;(2)将参数值与从各个测点站接收的各个节点处的测量值相比较,判断两者之间的偏差是否超过阈值;(3)如果偏差超出阈值,采用瞬态压力波法,估算泄漏位置,并根据所存储的燃气管网的空间地理数据,确定泄漏管道所处地理位置。
在维修站设置有接收GSM网络信息的装置,用于接收从监控中心服务器发送的泄漏信息。
本发明为城市燃气管网的自动监控系统,该系统集成了GSM、GPRS传输以及GIS信息管理,因此,实现了管网运行数据的无线远程传输,并结合GIS技术对整个管网实施有效的可视化管理,能够实时监测泄漏事故的发生,并对泄漏位置进行计算,可将泄漏信息传送给相应的维修站点,通知维修人员实施抢修,从而确保整个管网的安全运行。
附图说明
图1为本发明实施例的系统构成图。
图2为本发明实施例的测点站结构框图。
图3为本发明实施例的监控中心服务器的监控软件功能模块结构图。
图4为图3本发明采用的泄漏定位及预警模块工作原理图。
图中:
1  数据采集模块  2  GPRS模块  3  天线  4  GPRS网络  5  移动内部网
6移动APN专线  7  监控通讯中心  8  监控中心服务器  9  GSM网络  10维修站
11电源模块  12  存储器  13  控制器模块  14  通信接  15  编程接口
16  终端A/D转化器  17  压力传感器  18  流量传感器  19  温度传感器
具体实施方式
本发明的硬件设备主要由两个部分组成:测点站、监控中心服务器。测点站包括数据采集模块和GPRS模块,数据采集模块负责管道气体流量、压力和温度信号的采集;GPRS模块通过移动GPRS无线数据传输网络及时传递各个测点站的测量信息;监控中心服务器实时接收GPRS网络传来的数据,对数据进行认证后传送到监控中心服务器主机,通过系统软件对数据进行还原显示,并进行数据处理。
该系统的功能模块可分为四个部分:
(1)数据采集模块:由测点站完成管道气体流量、压力和温度信号的采集功能;
(2)信息传输模块:由GPRS模块将测点站采集的数据发送到移动GPRS网络中,完成信息传输功能;
(3)存储分析模块:由监控中心服务器主机完成管网信息的存储、趋势显示、历史分析、参数分析和报表打印等功能;
(4)泄漏预警模块:基于GIS技术的故障检测软件,可对管网运行状态实时监控,并具有泄漏检测、预警等动能。
监控中心服务器主机界面采用了ArcGIS软件为平台而开发的城市燃气管网地理信息系统,系统是以Client/Server方式为主,Browser/Server方式为辅的混合体系结构。系统中嵌入了一个采用C++语言编制的软件,该软件是基于动态模型的方法而编制的泄漏检测程序,其原理是,根据燃气管道的压力平衡关系和采集到的信号,对各个阀门处的信号进行估计,利用各个阀门处的一系列残差信号估计一系列的“潜在泄漏量”,利用这些“潜在泄漏量”对照预先设的阈值进行泄漏检测。模型的参数不断在线调整,使得无泄漏发生时各个“潜在泄漏量”最小化。如果发生各个测点站的测量值与模型的预测值之间的偏差超过阈值,则认为管道发生泄漏。此时,监控中心服务器主机界面立刻显示警告信息,并能自动将泄漏管道所处地理位置以及该管道的泄漏位置等信息通过GSM网络发送到相应的维修站点,通知维修人员立刻去抢修。
在图1中,在各供气站、加压站、燃气管道、阀门等进出口处设置传感器,数据采集模块1能够自动采集各个节点处的压力、流量和温度运行参数,采集的数据通过RS232接口传送给GPRS模块2,再由GPRS网关GGSN(Gateway GPRS Support Node)通过中国移动的GPRS无线通信网络4进行传输,最后传送到移动内部网5,移动内部网5和监控通讯中心7之间采用APN(Access Point Name,在中国移动申请专用APN)专线6连接,即由GPRS网络4传来的数据直接发送至监控通讯中心7而不用通过Internet网络,这样可以保证测量数据传输的安全性。监控通讯中心7对GPRS数据包进行处理,并向监控中心服务器8的服务器主机进行数据的写入操作。监控中心服务器8的查询命令和控制命令也可以通过GPRS网络4发送到GPRS模块2,然后传送到数据采集模块1中,让它们执行数据采集等操作。
在图2中,布置在管网各个节点处的传感器17、18、19采集了管网运行参数数据,通过终端A/D转化器16将测量信号转化为数字信号,再传入MCU模块13中。MCU是一个带Flash存储的精简指令系统,能够支持编程接口在线编程。通信接口14和GPRS模块2之间的连接通过RS232标准接口,这样就实现了MCU模块与GPRS模块之间的连接。存储器12与MCU模块13相连,其目的是,在GPRS网络不能正常运行的情况下,可以从存储器12中获得管网运行的历史数据。电源模块11采用的是AC200V,当外部停电时能自动切换到内置锂电池供电,此时,只供给MCU模块、终端A/D转化器以及传感器工作检测管网运行参数。
在图3中,监控中心服务器软件各个模块的功能:用户权限管理模块,不同的人员会有不同的系统操作权限。通过访问权限的设定和菜单项的过滤验证保证数据的安全;系统集成接口模块,其可方便与数据采集系统、客户服务系统等进行数据及功能集成,满足燃气管网输配调度决策的需要;图形及数据编辑模块,允许用户增删各种型号的输气管线或者是对已有的管线属性数据(属性数据即管网结构数据)进行编辑和修改;图形显示及输出模块,可将管线、附属设备(调压器、阀门等)以及基础地形图进行放大、缩小、分层显示等,另外还可以打印输出各类图形和报表;管网查询及统计模块,可进行管网空间数据及属性数据的双向查询;泄漏检测及预警模块,可以对管网的运行状态实时监控,能够查出管网是否发生泄漏并实施预警功能;管网信息共享模块,在Client/Server方式下实现远程数据库的智能化共享与联接,只要具有登陆权限的用户都可以通过网络实时地获取信息,并通过电子邮件等方式实现双向的操作。具有管理员权限的用户可以远程访问数据库并对数据进行修改。
本发明实施例采用的监控软件流程如图4所示,监控中心服务器中储存了数据采集模块所采集的管网运行参数(气体压力、流量和温度)数据,另外还储存了管长、管径、粗糙度等管网属性数据及地理信息数据。监控中心服务器里还安装了泄漏检测及预警软件,该软件采用的是压力/流量变化检漏法,其能够读取管网属性数据以及通过无线数传的管网运行参数数据。软件程序已对安全运行条件下管网各个节点处的信号进行了估计。利用各节点处的一系列残差信号估计了一系列的“潜在泄漏量”,根据这些“潜在泄漏量”对照预先设的阈值进行泄漏检测。模型的参数经过不断的调整,使得无泄漏发生时各个“潜在泄漏量”最小化。如果模型的预测结果与测量数据之间的偏差超过了设定的阈值,则认为管道发生了泄漏。泄漏位置的确定采用瞬态压力波方法进行估算。最后,在发生泄漏的管段上出现红色的圆点,该点在管段上所处的位置即为泄漏位置。另外,在该点的周围会引出一个矩形框体,显示泄漏管段的地理位置、泄漏点距离管段两端的位置等信息。同时,监控中心服务器会自动将该预警信息通过GSM网络9发送到维修站10,这一功能可避免监控人员的人为失误。维修站10的工作人员就可根据预警信息提供的线索,对泄漏管段实施抢修。

Claims (9)

1.一种城市燃气管网自动监控方法,其特征在于,该方法是在燃气管网的各个节点处建立测点站,采集节点处管内气体的流动信号;设置监控中心服务器,监控中心服务器与测点站之间通过无线通讯网传输测点站所采集的数据信息;监控中心服务器存储有燃气管网各个部件的空间地理数据,并安装和运行基于GIS技术的数据处理和管网泄漏监控软件,该软件能够对管网泄漏进行实时预警,并及时向维修站传输泄漏信息。
2.根据权利要求1所述的城市燃气管网自动监控方法,其特征在于,所述监控方法包括下列步骤:
(1)监控中心服务器存储有燃气管网系统各个部件的空间地理数据,并存储包括管长、管径在内的管网属性数据;
(2)建立管道实时仿真模型,根据管网属性数据计算管网各个节点处的参数值;
(3)根据燃气管道的压力平衡关系设定泄漏阈值;
(4)在各个测点站分别采集包括管道气体流量、压力和温度信号在内的管内气体的流动信号,并将其通过GPRS网络发送到监控中心服务器;
(5)监控中心服务器根据接收到的管道信息,获得各个节点处的测量值;
(6)计算各个节点处的参数值与测量值之间的偏差;
(7)如果偏差超过阈值,采用瞬态压力波法,估算泄漏位置,并根据所存储的燃气管网的空间地理数据,确定泄漏管道所处地理位置。
3.根据权利要求2所述的城市燃气管网自动监控方法,其特征在于,  监控中心服务器根据步骤(5)所获得的各个节点处的测量值以及满足无泄漏时潜在泄漏量最小化的条件,对步骤(2)所建立的仿真模型进行在线参数调整。
4.根据权利要求2所述的城市燃气管网自动监控方法,其特征在于,所述监控方法在步骤(7)之后,还包括下列步骤,监控中心服务器通过GSM网络自动将泄漏管道所处地理位置以及该管道的泄漏位置信息发送到相应的维修站点。
5.一种城市燃气管网自动监控系统,其特征在于,包括设置在燃气管网节点处的各个测点站、无线通讯模块、监控中心服务器,其中,
测点站,包括控制器、分别与控制器相连并受其控制的数据采集模块和无线通讯模块,数据采集模块用于采集节点处的管道信息,所述无线通讯模块用于在监控中心服务器与测点站之间传输各个测点站所采集的数据信息;
监控中心服务器,其内存储有燃气管网各个组成部件的空间地理数据,并安装有基于GIS技术的数据处理和管网泄漏监控软件,该软件能够对管网泄漏进行实时预警,并及时向维修站传输泄漏信息。
6.根据权利要求5所述的城市燃气管网自动监控系统,其特征在于,所述监控系统的数据采集模块设置有气体流量、压力和温度传感器以及分别与各个传感器的输出相连的模拟/数字转换器,所述无线通讯模块为GPRS模块,所述管道信息为管道气体流量、压力和温度信息。
7.根据权利要求6所述的城市燃气管网自动监控系统,其特征在于,设置在每个测点站的GPRS模块由GPRS网关通过GPRS无线通信网络交换数据,监控中心服务器通过监控通讯中心与GPRS无线通信网络交换数据,监控通讯中心与监控中心服务器之间采用专线连接。
8.根据权利要求5至7任意一项所述的城市燃气管网自动监控系统,其特征在于,所述监控系统的监控中心服务器里存储有燃气管网各个组成部件的空间地理数据,并存储有包括管长、管径在内的管网属性数据;所述监控中心服务器用于完成如下操作:(1)根据管网属性数据,计算管网各个节点处的参数值;(2)将参数值与从各个测点站接收的各个节点处的测量值相比较,判断两者之间的偏差是否超过阈值;(3)如果偏差超出阈值,采用瞬态压力波法,估算泄漏位置,并根据所存储的燃气管网的空间地理数据,确定泄漏管道所处地理位置。
9.根据权利要求8所述的城市燃气管网自动监控方法,其特征在于,所述维修站设置有接收GSM网络信息的装置,用于接收从监控中心服务器发送的泄漏信息。
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