城市燃氣智慧管網(wǎng)技術的研究

　　余巫各

　　四川華油集團有限責任公司

　　摘自《城市燃氣》2023年第三期

　　摘要：在“智慧城市”的背景下，“智慧燃氣”已成為天然氣行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。基于此，為深入研究智慧技術在燃氣管網(wǎng)中的應用，文章以某燃氣項目為例，介紹分析了一個燃氣管網(wǎng)智慧管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于智能終端、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術開發(fā)而成，采集系統(tǒng)采用LTE模塊進行數(shù)據(jù)無線遠傳，主控芯片選用STM32F107芯片；選擇在微處理器內(nèi)嵌入了FreeRTOS，可支持多任務運行；選用MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)進行對接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；另外也設置有FLASH，可以實時存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)基于JavaEE開發(fā)，集成了GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、用戶系統(tǒng)等，并配置了云服務器，通過4G/5G、有線網(wǎng)、無線網(wǎng)傳輸，支持跨硬件、跨系統(tǒng)、跨數(shù)據(jù)庫操作及運行。該燃氣智慧管網(wǎng)管理系統(tǒng)成功開發(fā)及應用，可有效實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時采集、遠程傳輸、遠傳配置、緊急控制及服務器遷移等功能，可解決信息孤島、功耗高、效率低等問題，進而實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)運行過程的標準化、流程化、智能化、信息化管理。

　　關鍵詞：城市燃氣；管網(wǎng)管理；智慧技術；LTE；FreeRTOS；MQTT

一.引言

　　天然氣本身是無色無味的，且易燃易爆，再加上大多數(shù)燃氣管道都是深埋于地下，所以相比于供水管網(wǎng)等，城市的燃氣管網(wǎng)更加復雜、隱蔽、危險。燃氣管網(wǎng)是否能安全運行直接關系著人們?nèi)粘５纳a(chǎn)及生活安全。而通過整合應用大數(shù)據(jù)技術、云計算技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、區(qū)塊鏈技術及5G通信技術等構建形成的智慧燃氣系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的自動化監(jiān)控及智能化調(diào)控，在保障燃氣管網(wǎng)運行安全的基礎上，促使天然氣公司構建出一套更加高效、智能的一體化維護及管理模式。因此，建設智慧燃氣系統(tǒng)有著深遠的現(xiàn)實意義。

　　本文從智慧燃氣角度出發(fā)，結合實際案例，先是對設計開發(fā)智慧燃氣管網(wǎng)管理系統(tǒng)的背景、需求進行介紹、分析，又重點對現(xiàn)場采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)的設計要點及功能實現(xiàn)進行了詳細說明，希望可以為同行業(yè)者提供參考。

二.案例概況

　　某城區(qū)面積為92.5km2，其燃氣設備及相關設施等基本概況：管線共計有516km，調(diào)壓站有2個，調(diào)壓箱有675個，閘井有468座，用戶數(shù)量65167戶（其中民用戶63752戶，工服用戶1415戶）。該城區(qū)的燃氣管網(wǎng)運行維護及管理工作量見表1。為優(yōu)化燃氣管網(wǎng)管理效率、解決信息孤島問題，擬定對現(xiàn)有管理系統(tǒng)進行智慧改造升級。

三.智慧燃氣管網(wǎng)管理系統(tǒng)建設的需求分析

　　由于該城區(qū)近幾年發(fā)展比較快，相應的燃氣用量也迅速增加，比如，2018年該區(qū)全年燃氣用量約為1575.15萬m3；2019年該區(qū)全年燃氣用量約為1879.68萬m3；2020年該區(qū)全年燃氣用量約為2285.76萬m3；2021年該區(qū)全年燃氣用量約為2866.95萬m3。隨著燃氣用戶的快速增加，相應燃氣設備及設施也不斷增加，隨之也提高了對燃氣管網(wǎng)運行維護的工作要求。而傳統(tǒng)的管理技術及方法已無法滿足現(xiàn)有管網(wǎng)安全運行的要求。因此，需加快燃氣管網(wǎng)運行管理的信息化、智能化及網(wǎng)絡化等方面的建設及發(fā)展。

　　同時，近幾年，隨著科技的快速發(fā)展，該區(qū)天然氣公司為提高整體的生產(chǎn)運營管理水平，結合實際需要構建多個信息化系統(tǒng)，比如，SCADA系統(tǒng)、報裝系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、氣體計量分析系統(tǒng)、客戶服務系統(tǒng)及門站/儲配站自動控制系統(tǒng)等。但由于這些信息化系統(tǒng)建設時間不同，各系統(tǒng)均是相互獨立的，數(shù)據(jù)未能實現(xiàn)共享。所以數(shù)據(jù)整合分析、綜合管理及應急調(diào)度等工作開展也存在諸多困難。因此，針對燃氣管理系統(tǒng)進行智慧化改造建設勢在必行。

四.智慧燃氣管網(wǎng)管理系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)

　　該智慧燃氣管理管理系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)兩個部分，下面就這兩個分系統(tǒng)及功能實現(xiàn)展開論述。

　　4.1現(xiàn)場采集系統(tǒng)

　　該現(xiàn)場采集系統(tǒng)采取的是垂直通信結構，主要組成部分包括：STM32F107VCT6微處理器、FLASH、EEPROM、電源單元、自檢單元、LTE模塊及數(shù)據(jù)采集單元等。同時，現(xiàn)場采集系統(tǒng)又分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層3個層級，其中數(shù)據(jù)采集層主要有傳感器單元、模擬量測試單元及自檢單元等組成；數(shù)據(jù)傳輸層設備以LTE模塊為主，通過TCP/IP協(xié)議與各網(wǎng)絡進行連接，既可通過網(wǎng)絡把采集的數(shù)據(jù)傳輸至MQTT代理服務器，也可以接收服務器下發(fā)相關指令；數(shù)據(jù)處理層則主要是通過MQTT代理服務器把數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)接收及處理的解耦，并且也具有將一份數(shù)據(jù)發(fā)送至多個數(shù)據(jù)中心使用的功能。另外，該系統(tǒng)也可以通過SPI接口的FLASH進行數(shù)據(jù)掉線續(xù)傳。現(xiàn)場采集系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

　　●采集系統(tǒng)的硬件設計

　　該采集系統(tǒng)的主控芯片選用的是32位微處理器STM32F107VCT6，其頻率可達72MHz，可支持FreeRTOS操作系統(tǒng)及對多個任務進行實時調(diào)度。同時，STM32微處理器的能耗比較小，利于降低系統(tǒng)的整體功耗。硬件系統(tǒng)中也配有SPI、I2C、USART等通信接口，其中SPI接口與一個8MB的FLASH儲存設備相連，以便實時儲存采集的管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)；I2C接口與一個512KB的EEPROM儲存設備相連，以便存儲數(shù)據(jù)發(fā)送頻率、服務器IP、現(xiàn)場設備連接狀況等系統(tǒng)配置參數(shù)；USART接口不僅可與數(shù)據(jù)發(fā)送單元相連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳，而且也可與TTL電平相連接用做泄漏報警器。硬件系統(tǒng)結構見圖2所示。

　　（1）主控單元

　　此次設計中，主控單元的核心是微處理器，選用的是STM32F07VCT6單片機，該微處理器不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、格式化、發(fā)送等功能，而且可支持多種實時操作系統(tǒng)。另外，該微處理器是在2.0V~3.6V范圍內(nèi)工作，所以功耗更低，同時也具有性能好、成本低等優(yōu)點。

　　（2）網(wǎng)絡通信單元

　　該采集系統(tǒng)主要是通過LTE模塊及TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)傳輸、模塊狀態(tài)查詢均是由AT指令進行控制，并且網(wǎng)絡通信單元可支持UART接口通信。LTE模塊和主控單元連接示意圖見圖3所示。

　　（3）存儲單元

　　該現(xiàn)場采集系統(tǒng)中配有兩個存儲單元，一個是IIC接口的EEPROM，芯片選用24LC04芯片，大小為512KB，用于存儲系統(tǒng)配置參數(shù)；一個是SPI接口的FLASH，芯片選用SST25VF064C芯片，大小為8MB，用于存儲采集到的管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

　　（4）自檢單元

　　自檢單元主要是通過溫度自檢傳感器、電流自檢傳感器、電壓自檢傳感器等來檢測管網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)，并且也可以依據(jù)系統(tǒng)的電流、電壓來檢測、確定電池的剩余能量。另外在系統(tǒng)溫度超出限值后，自檢單元可主動進行緊急控制。

　　●采集系統(tǒng)的軟件設計

　　（1）MQTT通信協(xié)議

　　該采集系統(tǒng)軟件設計中采用的MQTT協(xié)議版本為3.1.1版，涉及的MQTT數(shù)據(jù)包包括CONNECT數(shù)據(jù)包、PUBLISH數(shù)據(jù)包、SUBSCRIBE數(shù)據(jù)包及PINGREQ數(shù)據(jù)包。為保障客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)可以準確有效地被服務器接收到，對上述4個數(shù)據(jù)包分別做了測試，結果均滿足實際要求。同時，為優(yōu)化MQTT客戶端的C語言功能，實際設計中，不僅采用Java、Python等開發(fā)語言對MQTT客戶端進行設計，而且也刪掉一些復雜的、非必要的功能，最終主要保留了主題訂閱、PING請求發(fā)送、服務器消息傳輸及接收等功能。另外，發(fā)送CONNECT報文的時候，MQTT客戶端會進行身份驗證，驗證通過后才能連接到服務器，否則客戶端無法與服務器進行連接。不管最終連接成功與否，系統(tǒng)均會給客戶端發(fā)送CONNACK報文。最終客戶端會根據(jù)報文內(nèi)容來判斷連接是否成功，并把結果傳送至PC端上位機。整個通信過程見圖4所示。

　　（2）FreeRTOS移植

　　FreeRTOS可劃分成Free、RTOS兩個部分，其中Free指的是開源，RTOS指的是實時操作系統(tǒng)。由此可見，F(xiàn)reeRTOS屬于是開源的實時操作系統(tǒng)。該現(xiàn)場采集系統(tǒng)中選擇RTOS，主要為支持多任務同時運行。同時FreeRTOS移植過程中所關聯(lián)的文件會因為編譯環(huán)境或處理器內(nèi)核的不同而不同。此次設計中編譯環(huán)境選用的是keil編譯環(huán)境，微控制器內(nèi)核選用的是ARM-CM3內(nèi)核，所以只需留存對應的關聯(lián)文件及內(nèi)存關聯(lián)文件就行。另外，通過修改FreeRTOSConfig.h配置文件能夠?qū)崿F(xiàn)對操作系統(tǒng)的裁剪及配置。

　　（3）軟件模塊設計

　　軟件模塊主要包括網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)采集及存儲、數(shù)據(jù)發(fā)送、參數(shù)/指令接收4個部分。其中，網(wǎng)絡連接模塊包括狀態(tài)查詢、MQTT連接及主題訂閱兩個部分，狀態(tài)查詢主要是對SIM卡、網(wǎng)絡注冊信息等進行查詢，沒問題后才能進行網(wǎng)絡連接，否則會無法進行網(wǎng)絡連接，并給上位機發(fā)送相應的錯誤信號。當客戶端與MQTT服務器成功連接后，需先訂閱有關主題，然后才能接收服務器的遠程指令。并且為將訂閱主題的多個客戶端區(qū)分開，各主題不僅包含設備序列號，而且也設有對應的指令。數(shù)據(jù)采集是采取通道輪詢的方式來采集各管道系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采集器分為24/220V、7.2V兩種，且各采集器均設有3個485通道，通過MODBUS協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。在采集完數(shù)據(jù)并打包后，只需把各數(shù)據(jù)包依次存儲到FLASH中即可。數(shù)據(jù)發(fā)送首先是讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，然后把讀取的數(shù)據(jù)包拆包并發(fā)送給MQTT服務器，待采集次數(shù)遞減到0之后，說明采集的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成。參數(shù)/指令接收模塊主要是用于接收系統(tǒng)的本地指令、遠程指令及相應的配置參數(shù)數(shù)據(jù)，并解析，進而進行下一步動作。

　　4.2數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)

　　●系統(tǒng)結構

　　數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于JavaEE開發(fā)的，架構設計采用的是分層結構及組件化的SOA架構，即結合業(yè)務組件之間的相互關系對系統(tǒng)采取分層設計及組件化開發(fā)部署，最后使用服務對各功能組件單元進行封裝，以確保基于網(wǎng)絡實現(xiàn)業(yè)務集成及相互操作等功能。

　　整個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中集合有插件總線、消息總線、多節(jié)點集群管理、接入對象統(tǒng)一地址管理及尋址服務等功能，并對插件間消息路由、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫等進行合理部署，使數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)跨硬件（機架式服務器或PCServer)、跨操作系統(tǒng)（Unix、Linux或Windows）、跨數(shù)據(jù)庫（MySQL、SQLServer或Oracle）及分布式環(huán)境下穩(wěn)定運行。另外，在系統(tǒng)中可通過開發(fā)對應的協(xié)議插件及業(yè)務組件，便能與外部子系統(tǒng)進行連接，并能在實現(xiàn)接入管理、通信管理、互聯(lián)互通、信息交互等功能的同時，也可以智能化處理子系統(tǒng)中傳來的數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)對各子系統(tǒng)的聯(lián)動控制。數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)結構示意圖見圖5所示。

　　●主要功能

　　該數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)的服務器采用云服務器，并可通過4G/5G、有線網(wǎng)及無線網(wǎng)將現(xiàn)場采集系統(tǒng)采集的管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)傳輸至云服務器及移動終端，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的共享。同時，數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)可對海量燃氣管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)等進行深度挖掘，并通過對燃氣產(chǎn)銷差進行分析，確定燃氣管網(wǎng)是否存在泄漏、竊氣等問題。在數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)中也集成及整合了GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、應急指揮系統(tǒng)、GPS及巡檢系統(tǒng)等相關業(yè)務數(shù)據(jù)，可有效解決以往各子系統(tǒng)獨立建設、獨立運行的現(xiàn)象，使多個異構系統(tǒng)實現(xiàn)無縫銜接，進而實現(xiàn)聯(lián)動控制、優(yōu)化調(diào)度及智能調(diào)度等，比如，通過GIS系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)分析可以優(yōu)化并推薦救援車輛路線；通過GPS系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)分析可實現(xiàn)事故點附件車輛及人員的優(yōu)化調(diào)度；通過SCADA系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)分析可幫助操作人員對應急指揮方案進行優(yōu)選，并進行遠程智能調(diào)度，為燃氣企業(yè)決策提供數(shù)據(jù)支持。另外，客戶不僅可通過數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)查看燃氣企業(yè)的文化及風采、供氣服務項目等，而且也進行燃氣費用查詢、網(wǎng)上業(yè)務咨詢、網(wǎng)上故障報修、網(wǎng)上購氣（支付寶、微信均可）等，這樣有效密切客戶和燃氣企業(yè)間的實時互動。

　　4.3智慧管網(wǎng)管理系統(tǒng)功能實現(xiàn)

　　該智慧管網(wǎng)管理系統(tǒng)主要支持管網(wǎng)數(shù)據(jù)收集、更新、查詢及統(tǒng)計功能、空間分析及輔助決策功能、統(tǒng)計輸出功能、預警分析功能等。系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用的是標準Windows操作系統(tǒng)，操作界面包括菜單欄、工具欄、圖層列表框、繪圖按鈕等。操作人員只需根據(jù)工作需要在系統(tǒng)中進行相應操作即可。具體如下，

　　●管網(wǎng)數(shù)據(jù)收集及更新功能

　　通過布置在燃氣管網(wǎng)上的傳感器實時收集管網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)傳輸至MQTT代理服務器，經(jīng)處理后打包發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)庫保存下來，從而實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時收集及更新功能。同時，技術人員也可將管網(wǎng)施工的圖紙及記錄等資料上傳到系統(tǒng)，完善管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

　? ?●數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計功能

　　該數(shù)據(jù)查詢功能分為快速查詢、條件查詢、SQL查詢及圖形查詢等，即操作人員通過登錄窗口輸入用戶名、密碼，經(jīng)認證通過后，便可在操作界面選擇自己需要的查詢方式，比如，可根據(jù)燃氣管網(wǎng)的種類、接口方式及規(guī)格方式等來快速查詢到目標管道的相關數(shù)據(jù)；可根據(jù)管線的特點等特定條件來查詢到數(shù)據(jù)庫中特定的管線數(shù)據(jù)。另外，也可通過中文編號、圖幅號、接口方式、地址等方式進行相應的管網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢。

　　●空間分析與輔助決策功能

　　（1）緩沖區(qū)分析

　　操作人員根據(jù)要分析的對象，在系統(tǒng)內(nèi)置的地圖上輸入對象位置的坐標、緩沖半徑，系統(tǒng)便可對目標對象進行分析，進而得到目標對象一定范圍內(nèi)的管網(wǎng)及地理信息等。

　　（2）縱（橫）斷面分析

　　操作人員登錄進入管網(wǎng)縱（橫）端面分析界面后，可用鼠標順著需分析的管網(wǎng)方向繪制出相應的縱（橫）斷面線，繪制完后，系統(tǒng)會自動識別所要分析的管線縱（橫）斷面，并對縱（橫）斷面信息進行智能化分析。分析完管線縱（橫）斷面信息后，系統(tǒng)自動繪制并顯示縱橫（斷）面及其走勢情況。另外，在縱（橫）斷面分析結果圖中，用戶可以對圖形進行縮放、測量距離等操作，也可通過訪問接口訪問和查詢管線的屬性數(shù)據(jù)。

　　（3）管道泄漏分析

　　系統(tǒng)可通過前端的傳感器自動監(jiān)測燃氣管網(wǎng)運行狀態(tài)，待發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)泄漏后，會自動標記和反饋燃氣泄漏位置，并將燃氣泄漏信息傳送至后臺數(shù)據(jù)庫，對燃氣泄漏原因進行智能化分析，進而確定燃氣泄漏量及發(fā)展趨勢。同時，系統(tǒng)會根據(jù)燃氣泄漏情況確定那些是必須關閉的閥門，那些是不用關閉的閥門，從而及時自動關閉相應的閥門，有效控制燃氣泄漏。若某個必須關閉的閥門無法自動關閉或發(fā)生損壞，則系統(tǒng)會將該閥門標記為異常，并發(fā)出提示信息提醒技術人員進行人工操作。另外，操作人員在系統(tǒng)地圖上選擇管網(wǎng)泄漏位置，通過系統(tǒng)對管網(wǎng)泄漏的自動化遠程追蹤分析，可以及時了解管網(wǎng)事故的性質(zhì)及發(fā)展趨勢，從而確定并標記出受影響用戶的范圍。同時，系統(tǒng)會從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出受影響用戶的基本信息，并在地圖上顯示出來。

　　（4）檢修分析

　　檢修人員可通過移動終端登錄系統(tǒng)，選擇預檢修管線范圍，系統(tǒng)會自動從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該管線的以往檢修記錄及其他相關的信息記錄，方便檢修人員開展管線檢修工作。同時，檢修人員也可根據(jù)系統(tǒng)給出的管線檢修記錄，確定維修記錄最高的管線，或確定已發(fā)生問題的管線，進而制定針對性的檢修計劃，優(yōu)化檢修效率及質(zhì)量。

　　（5）預警分析

　　系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)庫中記錄的燃氣管網(wǎng)及其附屬設施有關的信息（比如鋪設時間、維修次數(shù)、保養(yǎng)情況等）進行自動統(tǒng)計及智能整合，然后將燃氣管網(wǎng)及其附屬設施運行狀況與預先設定的生命周期信息進行對比，分析出那些已老化或者維修次數(shù)過多的管線，及時發(fā)出預警信息，提示檢修人員及時有序地進行更換，做到防患于未然。

　　●統(tǒng)計輸出功能

　　統(tǒng)計輸出功能主要指通過系統(tǒng)中的GPS及GIS等輸出專業(yè)管網(wǎng)結構圖及地形圖，同時，也可根據(jù)不同的主題輸出特定的專題圖形。

　　●檔案文件管理功能

　　通過檔案文件管理功能可實現(xiàn)管網(wǎng)對象及外部檔案文件（照片、Word文檔、影像圖等）的掛接，并可通過屬性瀏覽窗口瀏覽各種檔案文件。檔案文件管理窗口中設置有檔案文件列表和添加、修改、刪除、顯示、關閉、幫助6個操作功能模塊，可滿足檔案文件管理要求。

　　●日志管理功能

　　日志管理功能主要是對系統(tǒng)用戶登錄及退出等數(shù)據(jù)信息進行記錄，并且可以查看該用戶的歷史編輯記錄，比如管網(wǎng)設施的增減、修改及刪除設施的用戶名稱、時間、編輯對象等。同時，操作人員也可根據(jù)實際需要把日志導出成EXCEL文件，以便保存。

五.結束語

　　綜上所述，某城區(qū)通過對燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)進行智慧化升級，有效整合現(xiàn)有的各個子系統(tǒng)，并解決燃氣企業(yè)智慧發(fā)展過程中的信息孤島、數(shù)據(jù)“沉睡”等問題，不僅實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的共享及智能挖掘，而且整個系統(tǒng)也可實現(xiàn)靈活的聯(lián)動控制，可有效保障燃氣管網(wǎng)運行的安全性及高效性，進而為加快我國智慧燃氣發(fā)展進程注入強大推力。