CN101349382A - 管道运输防盗预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道运输防盗预警系统，其包括主控台以及与主控台进行通信连接的至少一个分站和至少一个报警接收端，其中，所述分站包括：信号采集模块，其包括声波传感器和振动传感器，用于对运输管道周遭的声音和振动信号进行检测，并生成传感信号；信号处理模块，用于对来自所述信号采集模块的传感信号进行放大和滤波以及比较处理并产生监测信号输出；报警信息发送模块，用于根据所述监测信号向所述主控台发送分站报警信息；直流电源，用于为所述信号采集模块、信号处理模块和报警信息发送模块提供电力供应。本发明降低了自然界的干扰可能造成的误检和漏检。分站结构简单工作稳定，建站和维护方便，适于和利于大规模大范围多点布置。
Description
技术领域
本发明涉及管道运输防盗领域，更确切地说，涉及一种对管道运输中可能存在的盗窃行为进行监控并发送相关报警信息的防盗预警方法及系统。
背景技术
目前，对于对管道运输中可能存在的盗窃行为进行监控，现有技术一般均使用声音监控。因为，通过在管道上打孔等方式实施盗窃过程中，会产生一定频率和强度的声音信号，通过对管道周遭的音信号进行检测和判断，即可监控是否有盗窃行为发生。
如中国专利申请号为CN01120311，名为“输油气管道防盗报警系统及其报警方法”的发明专利公开了一种由一个中心主站和若干个终端分站构成的防盗报警系统，其中终端分站包括拾音系统、放大器系统、A/D变换器系统、智能管理系统和数据收发系统；申请号为200320100537.2，名为“输油、气管道防盗预警装置”的实用新型专利公开了一种包括声波传感器、分站信号处理系统、主站控制台以及一供电系统的系统，其中分站信号处理系统由DSP实现。
上述现有技术中，均仅简单地对声音信号进行监测，由于自然界存在各种噪声，对监测造成相当大的干扰，而现有技术缺乏有效的分析手段对噪声信号进行处理，因此容易产生误报警或漏报。并且各个分站的实现结构也相对复杂，成本高昂，限制了分站的设置数量。
发明内容
本发明的目的即在于克服现有技术的输油气运输管道防盗监测系统信号来源单一，可靠性差及抗干扰能力不强的缺点，提供一套可靠性高且简单易行的管道运输防盗预警方法及系统。
本发明提供的运输管道防盗监测系统包括：主控台以及与主控台进行通信连接的至少一个分站和至少一个报警接收端，其特征在于，所述分站包括：
信号采集模块，其包括声波传感器和振动传感器，用于对运输管道周遭的声音和振动信号进行检测，并生成传感信号；
信号处理模块，用于对来自所述信号采集模块的传感信号进行处理并产生监测信号输出；
报警信息发送模块，用于根据所述监测信号向所述主控台发送分站报警信息；
直流电源，用于为所述信号采集模块、信号处理模块和报警信息发送模块提供电力供应。
本发明的运输管道防盗监测方法包括：
S1)各个分站各个检测运输管道周遭的声音和振动信号，并生成包括声音信号和振动信号在内的传感信号；
S2)各个分站对其传感信号进行处理并产生监测信号输出；
S3)各个分站对所述监测信号进行判断，当判断为有盗窃行为发生时，向主控台发送分站报警信息；之后回到步骤S1；
S4)所述主控台接收所述分站报警信息并对其进行处理，并向报警接收端发送综合报警信息。
其中，较佳地，步骤S2包括：分别判断声音信号和传感信号是否为盗窃信号，只有当二者均判断为盗窃信号时，产生表示“有盗窃行为”的监测信号，其它情况产生表示“无盗窃行为”的监测信号。
较佳地，所述判断声音信号为盗窃信号的方法为：对所述声音信号进行放大和带通滤波形成初级声音信号；对所述初级声音信号幅值进行采样并对采样值进行判断，根据所述采样值所在的取值区间对所述初级声音信号进行二次增益；将二次增益后的声音信号与一预定阈值进行比较，大于该阈值则判断为盗窃信号；反之，判断为非盗窃信号；
所述判断振动信号为盗窃信号的方法为：将所述振动信号与一预定阈值进行比较，大于该阈值则判断为盗窃信号；反之，判断为非盗窃信号。
本发明的有益效果在于：由于各个分站采用了声音和振动信号的双重检测，故提高了检测的准确度，降低了自然界的干扰可能造成的误检和漏检。且本发明的声音信号判断处理方法中根据声音信号幅值采样二次增益，更有效地克服不同距离的声音信号的幅值衰减度不同的问题。并且，本发明的分站设计结构简单工作稳定，主控台、分站之间通过GSM通信模块通信，建站和维护方便，适于和利于大规模大范围多点布置。
附图说明
图1是运输管道防盗监测系统的整体结构示意图；
图2是本发明的运输管道防盗监测系统的分站模块示意图；
图3是本发明的信号采集模块和信号处理模块一实施例电路模块示意图；
图4是本发明的信号采集模块和信号处理模块另一实施例电路模块示意图；
图5本发明的运输管道防盗监测系统的报警信息发送的模块的结构示意图；
图6是本发明的运输管道防盗监测系统的总控台的结构示意图；
图7是本发明运输管道防盗监测方法的流程示意图；
图8是本发明运输管道防盗监测方法中声音幅值信号处理的流程示意图；
图9是本发明运输管道防盗监测方法中，报警信息发送步骤的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
图1是运输管道防盗监测系统的整体结构示意图。由于石油、天然气等运输管道通常分布范围广泛、分散，需监测范围大，因此，监测系统一般由主控台100和分站200组成。各个分站分布于管道沿线附近，对管道周遭情况进行监控，分站和主控台之间通过无线通信方式进行通信连接，传输控制和报警信息。而主控台对来自分站的信息进行处理，当有分站报警信息时，对信息的来源进行判断，并形成包括盗窃时间、地点等信息在内的综合报警信息，并将该综合报警信息发送到报警接收端，以向值班监控人员进行即时通报。其中，所述报警接收端可以是固定接收端400，例如值班室的监控终端，或者移动接收端300，例如佩戴在巡逻人员身上的移动终端或者其它移动接收装置以便于即时接收报警信号。
图2是本发明的运输管道防盗监测系统的分站模块示意图，从图中可见，每个分站包括信号采集模块210，信号处理模块220，报警信息发送模块230和直流电源240。其中，信号采集模块210包括声波传感器211和振动传感器212，用于对运输管道周遭的声音和振动情况进行检测，并生成包括声音信号和振动信号在内的传感信号；信号处理模块220用于对来自所述信号采集模块的传感信号进行处理并产生监测信号输出；报警信息发送模块230用于根据所述监测信号向所述主控台发送分站报警信息；直流电源240用于为所述信号采集模块、信号处理模块和报警信息发送模块提供电力供应。
根据本发明的一种具体实施方式，声波传感器211可采用驻极体电容式传声器，其较灵敏，安装在管道上可以收到一公里以内人为在管道上的电钻的声音信号，并把声信号转变为电信号；振动传感器212可采用具有逻辑输出的振动传感器，其可以检测到一公里以内的振动信号，并输出直流电压信号，经外部元件电流放大后，即可驱动报警器或继电器，并受内部定时器控制，具有报警一段时间后自动复位的功能。
其中，直流电源用于为分站的各个模块提供电力供应，其可以为能提供相应功率和电压输出的任何现有供电电源，包括但不局限于太阳能电池、酸铅蓄电池、连接到交流电源的变压装置等。但是考虑到运输管道的分布较广，经常会穿越无人区；埋设深度，交流电源引线困难和漏电防护等问题，以及监测系统必须持续全天候工作以及盗窃行为多发于夜间等各种因素，一种优选的实施方式是通过蓄电池和电压转换器构成直流电源，这样构成的电源工作稳定，连续工作时间长。
图3是本发明的信号采集模块和信号处理模块一实施例电路模块示意图。其中，所述信号处理模块220包括依次连接的放大电路221、带通滤波电路222、电压比较电路227和单稳态触发电路226，所述声波传感器211的输出端连接到所述放大电路221的输入端，所述单稳态触发电路226的一个输入端连接到所述电压比较电路227的输出端，其另一个输入端连接到所述振动传感器212的输出端，所述单稳态触发电路的输出信号Vout作为监测信号输出。
当声波传感器211检测到疑似盗窃信号时，传感器的输出将经过频率判别和幅度判别两级处理而最终得到判定结果。即声波传感器211输出信号先经放大电路221进行初级放大，以利后续的信号检测和处理，然后经带通滤波电路222以判断其频率是否符合盗窃信号的频率范围fS，最后，再将滤波输出的信号幅值与一预定阈值进行比较，以判定信号幅度是否达到盗窃信号的幅值VS，若超过则输出一真值逻辑信号到单稳态触发器的一个输入端；而振动传感器主要是用于感测振动的有无，当感测到振动时输出一真值逻辑信号到单稳态触发器的另一输入端；所述单稳态触发电路相当于对上述二逻辑信号进行“逻辑与”操作，即只有二者均为真值，也就是说声波传感器和振动传感器的信号均判断为有盗窃信号时，单稳态触发电路才输出表示有盗窃行为发生的信号，否则为无盗窃行为发生。
其中，所述频率范围fS根据现有技术对盗窃行为的分析而确定，而幅值VS则根据放大电路221的放大倍数和对于盗窃行为的分析而综合确定。尤其是由于声音信号在传播过程中的衰减，因此，发生在距离声波传感器不同位置的盗窃行为的声波信号感测值将有差别，这使得单一的阈值容易漏报或误报。为了克服这一缺陷，本发明提供了一种带二次增益的比较电路的较佳实施方式。
请参阅图4，其是本发明的信号采集模块和信号处理模块另一实施例电路模块示意图。图4与图3的区别在于，所述电压比较电路227包括A/D采样电路223、控制器一224和换档电路225，其中，所述A/D采样电路和所述换档电路的输入端均连接到所述带通滤波电路的输出端，所述A/D采样电路的输出端连接到所述控制器一，所述控制器一还连接到所述换档电路，根据所述A/D采样电路的采样值控制所述换档电路的工作状态，即二次增益的增益范围，所述换档电路的输出为所述电压比较电路的输出。例如，换挡电路的核心器件可选为模拟开关芯片CD4051，不同的档位对应不同的放大倍数。
图5本发明的运输管道防盗监测系统的报警信息发送模块的结构示意图。所述报警信息发送模块包括控制器二231、与之进行通信连接的GSM模块232和连接到所述GSM模块232的SIM卡233，其中所述控制器二接收来自所述信号处理模块的监测信号并据以控制GSM模块发送分站报警信息。
所述单稳态触发电路226的输出Vout连接到控制器二231，控制器2根据Vout的电平高低来判断是否需发送报警信息，需要则控制GSM模块232进行发送。根据本发明的一实施例，GSM模块232可用Siemens公司的TC35系列模块实现，如TC35i，显然，本领域技术人员应了解任何能够实现基于GSM网络进行无线通信的集成电路模块均可应用于此。并且该等模块的外围电路设计在现有技术中有广泛成熟的使用，在此不再赘述。
图6是本发明的运输管道防盗监测系统的总控台的结构示意图，从图中可见，所述主控台包括一计算机主机120和与之连接的GSM调制解调器110，其中，所述GSM调制解调器110用于接收分站报警信息并传送给计算机主机120，所述计算机主机120用于进行报警信息处理并将所得的综合报警信息以有线和/或无线方式传送到所述报警接收端。
同时，要说明的是，所述GSM通信模块的作用在于通过现有无限通信网络进行远程数据传输，从而节约单独构建通信线路的成本和提高通信可靠性，因此，能实现该目的的，利用其它现有无线通信技术的无线通信模块亦可应用于此，并不仅限于GSM，CDMA和卫星通信亦可用于实现本发明。此时，所述主控台的也使用相应的CDMA或卫星通信调制解调模块。由于GSM网络是目前应用覆盖范围最广、信号强度最佳的无线通信网络之一，故而作为优选实施例例举于此，并且以短信(SMS)业务作为信息传送载体。
下面结合图7-9对本发明运输管道防盗监测系统的监测方法进行详细说明。其中，图7是本发明运输管道防盗监测方法的流程示意图；图8是本发明运输管道防盗监测方法中声音幅值信号处理的流程示意图；图9是本发明运输管道防盗监测方法中，报警信息发送步骤的流程示意图。
从图7可见，本发明管道运输防盗预警方法包括以下步骤：
S10)各个分站检测运输管道周遭的声音和振动信号，并生成包括声音信号和振动信号在内的传感信号；
S20)各个分站对其传感信号进行处理并产生监测信号输出；
S30)各个分站对所述监测信号进行判断，当判断为有盗窃行为发生时，向主控台发送分站报警信息；之后回到步骤S1；
S40)所述主控台接收所述报警信息并对其进行处理，并向报警接收端发送综合报警信息。
其中，步骤S20包括分别判断声音信号和传感信号是否为盗窃信号，只有当二者均判断为盗窃信号时，产生表示“有盗窃行为”的监测信号，其它情况产生表示“无盗窃行为”的监测信号。根据上述图3、图4所示的较佳实施例，对对声音和振动信号的信息融合是通过单稳态触发器来实现的，显然任何可实现此逻辑功能的分立或集成电路均可应用于此，例如，当以高电平表示“盗窃信号”时，任何类型的“逻辑与”电路均可用于实现该信息融合功能。其中，所述判断声音信号为盗窃信号的方法如图8所示：获取传感器声音信号并对所述声音信号进行放大和带通滤波形成初级声音信号；对所述初级声音信号幅值进行A/D采样并对采样值进行判断，根据所述采样值所在的取值区间对所述初级声音信号进行二次增益；将二次增益后的声音信号与一预定阈值进行比较，大于该阈值则判断为盗窃信号；反之，判断为非盗窃信号；所述判断振动信号为盗窃信号的方法为：将所述振动信号与一预定阈值进行比较，大于该阈值则判断为盗窃信号；反之，判断为非盗窃信号。
图8中，对所述初级声音信号进行二次增益是根据初级声音信号幅值分“档”进行，不同“换档”操作对应不同的放大倍数，其目的在于对于不同幅值的信号，即距离监测点的远近不同的声音信号选择不同的放大标准，以便于最终通过同一的阈值进行是否为盗窃信号的判断。例如，在图8的实施例中，选择0.5V、1V和2V作为不同档位的分界，但要说明的是，作为分界的电压值是要根据实际工作状态，如系统的元器件选择，放大电路的放大倍数、尤其是传感器工作环境通过分析和实验来确定，本实施例的数值只是作为示例而非限定于此。
步骤S30中各个分站对所述监测信号进行判断，当判断为有盗窃行为发生时，向主控台发送分站报警信息，较佳地是通过GSM系统完成。此时，分站的控制器二231检测Vout电平，以高电平表示有盗窃行为发生为例，图5所示的报警信息发送模块230的工作过程如图9所示。
控制器2循环判断其是否检测到高电平，当检测到高电平后，发送AT指令与由TC35i模块构成的GSM模块建立联系，并进一步判断联系是否已经建立，若尚未建立则重复，发送AT指令建立联系；联系已经建立则发送AT+CMGS指令，控制GSM模块发送作为分站报警信息的报警短信，并判断是否发送成功，未成功则重复发送报警短信的步骤，直至发送成功。一般来说，所述报警短信内容应至少包括监测点代码，为避免传输延迟等因素造成的收发时间不一致，所述短信还可包括检测到有盗窃行为发生的时间或短信发送时间。
主控台100的计算机主机在通过GSM调制解调器110接收到报警短信后，将调用其内装载的相应应用程序，例如数据处理程序和短信群发程序，对接收到的短信进行处理后生成综合报警信息，并将之发送到移动接收端，以及对报警信息进行记录。当然，如果所述主控台包括固定接收端的话，同时也将所述综合报警信息发送到固定接收端。所述综合报警信息将至少包括报警的分站代码和报警时间，较佳地，主控台还可根据预存的分站位置数据库直接在综合报警信息中加入报警分站的位置信息，以便于相关人员即时赶赴现场进行处理。
综上所述，本发明采用检测偷盗管道活动的声音及振动信号的方式，进行主动式的预警，可以在偷盗未遂时发现偷盗活动。由于以往对于盗窃信号仅检测声波信号，自然界的噪声等有时会影响系统的准确预警，造成误报率较高。而本发明在检测声波信号的同时还检测振动信号，提高了准确性。并且，本发明的分站供电系统采用蓄电池和电压转换器连接组成。由于分站的各部分均可用低电压、低功耗的元件实现，因此，可保证一次充电后长时间的连续供电，便于维护也降低了能耗和人力成本。再者，本发明改变了传统预警系统的信息传输方式，启用投资和维护相对方便的GSM网络的SMS业务，有速度快，成本低，易于实现，维护方便等特点，且安全可靠。
以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1、一种管道运输防盗预警系统，包括主控台以及与主控台进行通信连接的至少一个分站和至少一个报警接收端，其特征在于，所述分站包括：
信号采集模块，其包括声波传感器和振动传感器，用于对运输管道周遭的声音和振动信号进行检测，并生成传感信号；
信号处理模块，用于对来自所述信号采集模块的传感信号进行放大和滤波以及比较处理并产生监测信号输出；
报警信息发送模块，用于根据所述监测信号向所述主控台发送分站报警信息；
直流电源，用于为所述信号采集模块、信号处理模块和报警信息发送模块提供电力供应。
2、根据权利要求1所述的管道运输防盗预警系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、带通滤波电路、电压比较电路和单稳态触发电路，所述声波传感器的输出端连接到所述放大电路的输入端，所述单稳态触发电路的一个输入端连接到所述电压比较电路的输出端，其另一个输入端连接到所述振动传感器的输出端，所述单稳态触发电路的输出信号为所述监测信号。
3、根据权利要求1所述的管道运输防盗预警系统，其特征在于，所述电压比较电路包括A/D采样电路、控制器一和换档电路，其中，
所述A/D采样电路和所述换档电路的输入端均连接到所述带通滤波电路的输出端，所述A/D采样电路的输出端连接到所述控制器一，所述控制器一还连接到所述换档电路，根据所述A/D采样电路的采样值控制所述换档电路的工作状态，所述换档电路的输出为所述电压比较电路的输出。
4、根据权利要求1或2或3所述的管道运输防盗预警系统，其特征在于，所述报警信息发送模块包括控制器二、与之进行通信连接的GSM模块和连接到所述GSM模块的SIM卡，其中所述控制器二接收来自所述信号处理模块的监测信号并据以控制GSM模块发送分站报警信息。
5、根据权利要求1所述的管道运输防盗预警系统，其特征在于，所述直流电源包括蓄电池和电压转换器，所述电压转换器用于将所述蓄电池的输出电压转换为适合分站中各个模块供电的电压输出。
6、根据权利要求4所述的管道运输防盗预警系统，其特征在于，所述主控台包括一计算机主机和与之连接的GSM调制解调器，其中，所述GSM调制解调器用于接收分站报警信息并传送给计算机主机，所述计算机主机用于进行报警信息处理并将所得的综合报警信息以有线和/或无线方式传送到所述报警接收端。
7、一种管道运输防盗预警方法，其应用于上述管道运输防盗预警系统，所述方法包括以下步骤：
S1)各个分站各个检测运输管道周遭的声音和振动信号，并生成包括声音信号和振动信号在内的传感信号；
S2)各个分站对其传感信号进行处理并产生监测信号输出；
S3)各个分站对所述监测信号进行判断，当判断为有盗窃行为发生时，向主控台发送分站报警信息；之后回到步骤S1；
S4)所述主控台接收所述报警信息并对其进行处理，并向报警接收端发送综合报警信息。
8、根据权利要求7所述的管道运输防盗预警方法，其特征在于，步骤S2包括：分别判断声音信号和传感信号是否为盗窃信号，只有当二者均判断为盗窃信号时，产生表示“有盗窃行为”的监测信号，其它情况产生表示“无盗窃行为”的监测信号。
9、根据权利要求8所述的管道运输防盗预警方法，其特征在于，
所述判断声音信号为盗窃信号的方法为：对所述声音信号进行放大和带通滤波形成初级声音信号；对所述初级声音信号幅值进行采样并对采样值进行判断，根据所述采样值所在的取值区间对所述初级声音信号进行二次增益；将二次增益后的声音信号与一预定阈值进行比较，大于该阈值则判断为盗窃信号；反之，判断为非盗窃信号；
所述判断振动信号为盗窃信号的方法为：将所述振动信号与一预定阈值进行比较，大于该阈值则判断为盗窃信号；反之，判断为非盗窃信号。
10、根据权利要求7所述的管道运输防盗预警方法，其特征在于，所述分站向主控台发送分站报警信息和所述主控台向报警接收端发送综合报警信息均是通过GSM无线通信方式进行发送。
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