基于GPS授時為基準(zhǔn)的管道破壞預(yù)警監(jiān)測設(shè)計

概述：詳細(xì)闡述了運(yùn)用GPS授時為基準(zhǔn)的時鐘同步細(xì)分技術(shù)，更精確地捕獲聲波信號到達(dá)相鄰各監(jiān)控站點的時刻，實驗效果良好。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(yùn)行，對管道進(jìn)行破壞預(yù)警監(jiān)測具有極為重要的現(xiàn)實意義，快速、準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點是預(yù)警監(jiān)測的重要內(nèi)容。設(shè)計了管道預(yù)警監(jiān)測及定位的系統(tǒng)方案，分析了其監(jiān)測定位原理，并指出破壞聲波信號傳輸至上、下游相鄰各監(jiān)控站點的時間差是影響精確定位的主要因素。

1 引言
管道運(yùn)輸業(yè)具有成本低、節(jié)省能源、安全性高、傳送距離長及供給穩(wěn)定等優(yōu)點。在運(yùn)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)中有著不可替代的作用。我國管道建設(shè)在近二十年得到了快速的發(fā)展，并且在十一五發(fā)展規(guī)劃中明確提出還要建設(shè)四大油氣管道。

隨著管齡的增長，由于自然損壞造成的泄漏變得日益嚴(yán)重，特別是在各大采油作業(yè)區(qū)及廣遠(yuǎn)的輸油氣管路上，人為破壞偷盜現(xiàn)象時有發(fā)生。管道泄漏不僅會影響管道輸送的正常進(jìn)行，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且當(dāng)輸送有毒害、腐蝕性、易燃易爆的介質(zhì)時，還會污染環(huán)境，引起火災(zāi)爆炸事故。因此，對管道泄漏的檢測及破壞點定位具有極為重要的現(xiàn)實意義[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就能檢測定位的預(yù)警系統(tǒng)可防患于未然?？焖?、準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點又是預(yù)警監(jiān)測的重要內(nèi)容，本設(shè)計采用GPS基準(zhǔn)時鐘細(xì)分技術(shù)精確獲得特征信號傳輸至各監(jiān)控站點的時刻，通過時間標(biāo)簽的差值計算和監(jiān)控站點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(zhǔn)確位置。

2 系統(tǒng)設(shè)計及定位原理
2.1系統(tǒng)總體設(shè)計
整個系統(tǒng)如圖1所示，由若干個監(jiān)測站點、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)、一個數(shù)據(jù)服務(wù)中心構(gòu)成[3]。監(jiān)測站點沿管線分布，負(fù)責(zé)信號的收集、信息處理和發(fā)送。數(shù)據(jù)服務(wù)中心的計算機(jī)具備IP地址，通過Internet網(wǎng)和GPRS無線信道，利用數(shù)據(jù)傳輸終端(DTU)與管道智能檢測終端單元(RTU)實時透明傳輸數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)傳輸管線工作狀態(tài)實時監(jiān)測、故障報警、破壞點定位等綜合管理功能。

圖1? 管線破壞預(yù)防監(jiān)測及其定位系統(tǒng)

系統(tǒng)工作過程：在管線的相鄰四個站點上各安裝一只聲壓傳感器，探頭伸入到管道內(nèi)部與管內(nèi)流體相接觸，當(dāng)管路中部某處遭受破壞或發(fā)生泄漏時，破壞點的特征聲波分別沿管線向兩端傳播至聲壓傳感器，聲波信號經(jīng)預(yù)處理后，提取能表征此聲波信號的特征參數(shù)；當(dāng)特征參數(shù)與模式訓(xùn)練得到的模式特征相匹配時，立即啟動同步時鐘中斷程序并記下特征聲波到達(dá)的時刻，以便與特征聲波信號到達(dá)另外站點的時刻比較，為破壞點位置計算做好準(zhǔn)備；特征聲波在流體中的傳播速度和各站點的時鐘同步精度決定著破壞點的定位精度，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)UTC時間，可提供TTL電平秒脈沖，通過時鐘細(xì)分處理可以獲得更加精確的秒內(nèi)時間信息；貼有時間標(biāo)簽的特征聲波信號經(jīng)編碼以后，以GPRS無線數(shù)據(jù)設(shè)備為數(shù)據(jù)終端單元(DTU)，以移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸通道，并在此信道上提供TCP/IP連接，將測點的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

2.2 定位原理
當(dāng)聲壓傳感器接收到特征聲波信號后，依據(jù)此特征信號傳播至上下監(jiān)測站點的時間差和管內(nèi)聲波的傳播速度可計算出破壞點的位置。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速度的影響，因為特征聲波向上游傳播逆著流體的流動方向，而向下游則是順著流體的流動方向，因此采用圖2所示的定位原理，具有很快的響應(yīng)速度和較高的定位精度。

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圖2? 定位原理示意圖

其中 ：

D? — 管線中兩監(jiān)測站點1、2之間的距離，m；

s? — 破壞點距上游站點1的距離，m；

△s — 監(jiān)測站點1與3、2與4之間的已知距離，m；

t0??? — 聲波信號產(chǎn)生時刻，s；

t1，t2， t3，t4— 聲波信號傳播至站點1、2、3、4的時刻，s；

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

聲波沿管線向上、下游的傳播速度分別為：

v上=△s/△t13??? v下=△s/△t24??????????????????? （1）

根據(jù)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，只要管線中上、下游各監(jiān)測站點準(zhǔn)確接收到貼有時間標(biāo)簽的特征聲波信號，即可精確確定破壞點位置。

3 基于GPS基準(zhǔn)時鐘同步與細(xì)分
3.1現(xiàn)場處理單元
現(xiàn)場處理單元是采集、處理和傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)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(shù)據(jù)無線通訊裝置等。圖3為現(xiàn)場處理單元的各部分硬件連接關(guān)系。

圖3? RTU系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)場處理單元利用C8051F020單片機(jī)控制實現(xiàn)，不用另行擴(kuò)展串口、ROM以及RAM。MCU有兩個硬件串口，這兩個串口的波特率產(chǎn)生是獨立的，而且不占用定時器，使用起來相當(dāng)靈活，分別對GPS授時模塊和GPRS DTU通信。GPS模塊把時間信息以固定的格式從串口發(fā)出，MCU接收GPS模塊送來的數(shù)據(jù)，解析出其中有用的時間數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后以規(guī)定的格式通過第2個串口交給GPRS DTU，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送上Internet網(wǎng)。

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

常規(guī)時鐘頻率產(chǎn)生方法都存在一定的問題，定位精度不能滿足要求。如晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響；原子鐘長期使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時校準(zhǔn)。在本設(shè)計中，解決這一問題的途徑是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)為各站點統(tǒng)一授時，保證各站點時鐘同步，同時在采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)加入其被采集到的時間信息，從而減少誤差。

GPS向全球范圍內(nèi)提供定時和定位的功能，全球任何地點的GPS用戶通過低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時間[4]。在本系統(tǒng)設(shè)計中，將遠(yuǎn)程終端裝置RTU嵌入GPS信號接收裝置，定時校準(zhǔn)采樣時鐘，各遠(yuǎn)程終端裝置都以校準(zhǔn)的采樣時鐘為采樣依據(jù)，徹底解決了分布系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘不同步問題。

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

3.3時鐘細(xì)分
GPS時間信息與秒脈沖同步，每秒發(fā)一個脈沖，若接收時刻處于兩相鄰秒脈沖之間時，僅讀取GPS UTC時間會產(chǎn)生較大誤差，為使定位更加精確，對時鐘進(jìn)行了細(xì)分。C8051F020單片機(jī)16位定時器有高字節(jié)和低字節(jié)兩個寄存器，計數(shù)最大可以達(dá)65536，經(jīng)編程使每個機(jī)器周期為20μs，定時時間可以到1.31s，足以完成在每秒中斷內(nèi)的時間定時。賦值高字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerH，低字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerL，經(jīng)過處理換算為十進(jìn)制數(shù)值即為計數(shù)個數(shù)，再乘以20μs可以得到準(zhǔn)確的秒內(nèi)定時時間，賦值給一個存儲定時時間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)timerTime，精度可達(dá)到20μs。圖4為時鐘同步與細(xì)分時序圖，C8051F020程序流程圖如圖5所示。

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圖4 時鐘同步與細(xì)分時序圖??????

?????????????? 圖5 核心處理單元程序流程圖

時鐘細(xì)分的工作過程為： C8051F020采用中斷方式接收GPS的UTC時間信息，每秒由GPS接收器的PPS產(chǎn)生INT0中斷，響應(yīng)中斷后，在INT0 中斷服務(wù)程序中，定時器先清零后啟動，以便進(jìn)行時鐘細(xì)分，同時通過UART0接收GPS時間幀信息。當(dāng)下一個PPS觸發(fā)INT0時，同樣定時器先清零后啟動，存儲時間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新。這樣INT0中斷周而復(fù)始，每秒中斷一次；外部INT1由專用DSP芯片的P11端口觸發(fā)，且被設(shè)為最高優(yōu)先級，如果外部INT1中斷被觸發(fā)，表示聲音識別單元已經(jīng)將破壞聲波識別成功，主程序立即轉(zhuǎn)向INT1中斷服務(wù)程序，讀定時器的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)過處理將時間信息與GPS時間幀合并制成時間標(biāo)簽。

3.4實驗結(jié)果
破壞信息報文包含年，月，日，時，分，秒，精度20 s的微秒時間信息以及破壞方式特征編碼等，例如如圖6所示：20060423? 085026.82366? 06，表示在2006年4月23日8時50分26秒823660微秒時刻，DSC接收到來自站點13573100603的破壞方式編碼為06信息報文。

圖6接收的報文信息

如果DSC接收到管線上下游各監(jiān)測站點的報文信息，解碼提取聲波信號傳播至各站點的時刻后，經(jīng)程序簡單處理，對破壞方式進(jìn)行識別，并由公式(6)可以對破壞點進(jìn)行精確定位，理論誤差小于1m。

4結(jié)論
運(yùn)用GPS授時為基準(zhǔn)的時鐘同步細(xì)分技術(shù)，準(zhǔn)確獲得破壞特征聲波信號傳播至各監(jiān)控站點的時刻，通過時間標(biāo)簽的換算可以分別確定破壞點特征信號向上游和下游傳播的速度，然后再利用時間標(biāo)簽的差值和各監(jiān)控站點之間的距離即可確定管道破壞的精確位置。實驗中取得了良好效果。在管道安全受到威脅或造成破壞之前，提前發(fā)出警報，并快速準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點，使被動巡線轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃硬⒂心繕?biāo)地出擊，可有效遏制鉆孔盜竊現(xiàn)象，節(jié)約大量的人力、物力和財力，為國家財產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)提供一種新的有效的技術(shù)保障。

本文的主要創(chuàng)新點：(1) 給出聲波沿管線不同方向傳播的速度測定方法，推導(dǎo)出實際破壞點定位的計算公式；(2) 將GPS授時及時鐘細(xì)分技術(shù)用于輸送管線各監(jiān)控站點的時鐘同步，提高破壞點定位精度，實現(xiàn)了對傳輸管線破壞精確定位的預(yù)警監(jiān)測。