由于突发事故导致管道破损出现大量燃气泄漏后的发现、响应及处理时间十分关键，快速辨别管道漏气，第一时间进行处置（如切断上游供气），可有效降低发生爆燃事故的风险，尤其对于人口密集区域的庭院燃气管道事故处理更加重要。本项目从管道出现较大泄漏产生流量异常作为切入点［1］，重点研究解决两个问题：第一是对泄漏的智能判断，通过对埋地庭院管网流量异常变化的捕捉及辨识，对管道泄漏进行辨识。第二是实时性问题，及时发现泄漏后，快速报警、处置，缩短响应时间。本项目考虑在燃气中低压庭院燃气管道调压箱处，安装庭院燃气管道泄漏报警切断装置解决上述问题。该装置主要由数据采集分析装置、流量切断装置、远传装置、超声波流量计、限流装置以及球阀、过滤器、噪整器、太阳能电池系统等组成，见图1，太阳能电池系统未画于图1内，其主要承担数据采集分析装置、远传装置运行供电以及模块间的通信供电。过滤器、噪整器及超声波流量计安装在调压器后的低压侧，流量切断装置安装在调压器和过滤器前，用于监测管道瞬时流量变化。流量切断装置并联一个球阀及限流装置，当出现大流量泄漏需要切断时，流量切断装置起快速切断气路的作用。有时调压箱下游用户较多，一旦完全停气，复气十分困难，在抢修作业允许管道微正压操作时，遇到泄漏可以通过限流的方式处置，打开旁路球阀，通过限流装置将瞬时流量限制在安全的范围内。庭院燃气管道泄漏报警切断（限流）装置，除了数据采集分析装置和远传装置安装在调压箱外，其余均安装在调压箱内。数据采集分析装置通过线缆连接超声波流量计与流量切断装置，实时采集超声波流量计的流量信息，对管道流量进行监控，当出现异常流量时，通过远传装置将报警信息发送到燃气公司的监测平台系统。在接到监测平台系统关阀指令，或数据采集分析装置判断出异常流量超过限定值时，数据采集分析装置发送关阀指令，通过流量切断装置切断气路。庭院燃气管道泄漏报警切断（限流）装置的泄漏识别主要包括两种方式：一是白天及傍晚用气时段，通过实时监测瞬时流量变化识别突发较大的泄漏事故；二是夜间用气低谷时段通过测算流量累积量识别小的泄漏。第一种方式是捕捉并辨识管道由于突然泄漏出现的异常流量变化。原理是将小区居民用户正常用气规律（瞬时流量变化量）与管道出现泄漏时流量异常变化进行比较，基于小区大部分用户在同一时刻同时使用用气设备为小概率事件，则管道由于突发事件出现较大泄漏时瞬时流量的变化理论上和正常用气情况有所区别，即可识别的泄漏异常流量变化量应远大于小区居民正常用气时的瞬时流量变化量。由于管网所供用户规模不同，用户用气情况不同，这个可识别的泄漏异常流量变化量是个相对值，是由用户用气规律决定的。因此，需要在管道未出现泄漏的正常用气负荷情况下，每天全时段实时采集用户的瞬时流量，计算流量变化速率。由于不同季节用户在每天各时段的用气规律会有所不同，因此可按月记录用户一天24 h的瞬时流量和流量变化速率，瞬时流量采集时间间隔为5 s，也实时计算流量变化速率。将瞬时流量和流量变化速率的最大值作为特征值，建立各月的特征值表，并设定一个识别阈值。当进行泄漏识别时，将当前流量值及其变化速率与相对应的特征值分别进行比较，当前流量值及变化速率分别减去对应的特征值，得到的数值与对应的特征值的比值再与阈值进行比较，二者均大于阈值时判断为异常流量［2］。第二种方式是基于夜间用气低谷时段的流量累积量在正常负荷时是一个很小的值，而持续的小流量泄漏在该时段所产生的累积量远大于正常负荷时的累积量。优先选择几乎无人使用燃气的时段作为监测时段，例如3：00—5：00时段，在管道未出现泄漏时，每天对该时段用户的用气累积量进行监测记录，用气累积量是通过获取瞬时流量累加得到。取该时段的最大用气累积量作为特征值，同样由于季节性原因，该时段用户的用气习惯会有所不同，因此应按月分别建立最大累积量特征值表，并设定一个识别阈值。当进行泄漏识别时，被识别流量累积量减去特征值后与特征值的比值再与阈值进行比较，大于阈值时判断为异常流量。数据采集分析装置与超声波流量计之间采用RS485进行通信。数据采集分析装置储存的数据包括至少5 d的瞬时流量历史数据（采集时间间隔5 s）和不少于400 d的累积流量历史数据（每30 min记录一次）。储存的瞬时流量历史数据可用于事故分析，判断泄漏的具体时间与泄漏量。储存的累积流量历史数据可对该调压器所供用户的负荷规律有所了解。数据采集分析装置内置泄漏识别程序，对采集到的用户流量进行实时计算、处理、更新，具备自学习功能，可自动计算并记录用户的特征值。当处于识别状态时，可对采集的流量进行比较、识别，当识别为管道泄漏时，发出报警或关阀指令。当发现泄漏需要切断气路时，数据采集分析装置可通过数据指令或I/O信号向流量切断装置发送关阀指令。当事故隐患排除后，由抢修人员通过现场操作进行开阀。数据采集分析装置通过RS485与远传装置进行通信。远传装置通过GPRS/CDMA移动网络向燃气公司的监测平台系统发送报警信息、工况数据、状态信息等，接受来自监测平台系统的指令信息，对数据采集分析装置进行远程设置、数据调取工作。数据采集分析装置上有显示屏和按键，显示屏可显示系统时间、瞬时流量、温度、压力、设备状态信息等参数。当报警时，显示界面上出现报警、关阀信息，通过按键可进行屏幕显示翻页、系统设置、开关阀等操作。为保证数据采集、储存、报警信息的时间、日期准确，数据采集分析装置应具备实时时钟和日历，在显示屏上可显示时间，并且可通过监测平台系统远程校时。数据采集分析装置是关键控制系统，由控制主板、按键及显示系统组成，有数据的采集、分析和对外通信功能，在设计时要考虑大数据量的运算、分析比对与储存，通信接口的通用性，系统供电等因素。装置中的控制主板见图2。主芯片选择意法半导体的32位基于ARM Context-M4为内核的STM32F407ZGT6处理器，系统频率可达168 MHz，支持FPU（浮点运算）和DSP指令，储存器容量为1 024 kB FLASH和192 kB SRAM，主板外扩了1 MB的SRAM芯片，满足运算储存要求。外扩的SRAM芯片型号为IS62WV51216，挂载在主芯片的变静态存储控制器（FSMC）上。为满足数据采集分析装置对瞬时流量数据的实时储存和累积数据的长期储存需要，鉴于数据量较大，且为读取方便，控制主板设有SD卡接口，可插接SD卡，储存容量可在1 GB以上。主板还设有2个RS485接口，采用SP3485进行电压转换，分别用于与超声波流量计和远传装置进行通信。主板配备LCD显示屏，用于显示采集的实时流量数据、报警数据及系统状态等信息，设有5个按键完成显示翻页、阀门开启、切断控制等操作。对于流量切断装置阀门开启与切断的控制，主板使用2个I/O口通过光电耦合器TLP127实现阀门电机正反转开关控制［3-4］。本系统选择日本爱知AS超声波流量计，为速度式流量计。其使用压力小于等于1.0 MPa，防爆防护等级为EX ib IIB T4 Gb IP65，数据通信协议为RS485 MODBUS/RTU，精度等级为1.0级。超声波流量计相较于其他类型流量计（如涡轮流量计），由于无转动组件，不受惯性影响，对瞬时流量变化的灵敏度更高，且流量范围较广，始动流量较小，例如DN 50 mm口径的超声波流量计始动流量为0.37 m3/h，DN 100 mm口径的超声波流量计始动流量为1.25 m3/h。对小流量感知更灵敏，用于管网瞬时流量的监测与捕捉，比较适合［5］。本系统选择的远传装置为山东思达特ST2000模块，其负责太阳能电池系统供电管理和与燃气公司的监测平台系统远程通信。远传装置采用RS485直读方式从数据采集分析装置获取数据，通过GPRS/CDMA无线通信进行远传，发送流量数据与报警信息，接收监测平台系统的指令，并下达到数据采集分析装置。数据采集分析装置与流量计、远传装置、太阳能电池系统等连接。超声波流量计自带电池可单独运行。整套供电系统可以正常运行6 a以上。 为实现流量监测、泄漏识别、报警远传、远程切断等功能，系统软件主要由本地管道泄漏报警切断装置软件和远端管道泄漏报警系统软件两部分组成。系统用例图（软件开发用于系统业务功能需求分析、系统建模的示意图）见图3，参与者包括：管道泄漏报警切断装置软件、超声波流量计、流量切断装置、管道泄漏报警系统软件、远程监控人员、现场人员。其中，管道泄漏报警系统可以是其他的SCADA平台系统，这里只是为完成远程泄漏监测、报警、远程切断、参数设置等功能，所列举的功能模块。本文主要探讨本地管道泄漏报警切断装置软件的设计，即数据采集分析装置主板的内置程序，配合远传装置实现相关功能。由图3可知，管道泄漏报警切断装置软件设计包括泄漏识别与特征数据更新，流量计数据实时读取与储存，状态、参数、日志读取与设置（远程发送与本地操作），报警（远程发送），关阀操作（远程操作），特征数据获取（远程发送与本地操作），报警信息读取（本地操作），开关阀操作（本地操作）等程序功能组成。远程监控人员通过SCADA系统进行远程交互操作。现场人员通过数据采集分析装置按键、显示屏、SD卡进行本地交互操作［6］。为实现上述功能，本地管道泄漏报警切断装置软件程序逻辑架构由基础层、技术服务层、应用层3层组成。基础层包含各硬件操作的底层驱动程序，如数据采集分析装置与流量计、远传装置的RS485串口通信，SD卡数据的读取与储存，按键操作读取等模块。技术服务层为实现系统功能逻辑，提供相关的工具组件，调用基础层的驱动程序接口，对数据进行解释、加工处理，并向应用层提供数据服务接口，方便功能逻辑的调用，包括开关阀指令处理、流量计数据采集与储存、报警信息发送、报警数据储存与读取、参数信息储存与读取、数据的本地显示、数据频谱分析工具、时钟校对等模块。应用层实现系统的逻辑功能，通过主循环程序周期循环调用流量采集与泄漏识别模块、现场按键指令处理模块、远传外部指令处理模块，实现系统的自动运行与对外交互。主循环程序运行流量采集与泄漏识别模块的程序流程见图4。该部分为系统的核心功能之一，通过定时中断程序实现循环运行。进入主程序模块后，首先判断流量采集周期是否满足，即当前时间距上一次流量采集时间是否满足采集间隔（5 s），如果否，则跳出本次流量采集与泄漏识别操作；如果是，则执行泄漏识别运行策略更新程序，检查识别参数、指令是否有修改，并进行数据更新。从流量计获取实时流量原始数据与状态信息，检查数据的有效性，例如报文中是否有报警或错误数据，检查流量计状态是否正常。如果数据无效或流量计状态不正常，则形成设备异常报警数据，执行信息储存、远传。如果数据有效，则对数据进行计算处理及识别分析。计算处理过程包括3种方式，3种方式均通过原始流量数据计算某时段的流量累计值。对于原始流量变化比较平稳即系统不存在调压器喘振导致的流量频繁波动时，可通过原始流量数据直接计算获取流量变化率，速度较快，实时性较强。如果调压器喘振导致流量波动干扰较大，则需要将喘振干扰部分滤掉后再进行下一步计算分析，可以对流量数据进行数字滤波处理或频域分析处理，然后计算瞬时流量及流量变化率。数字滤波处理和频域分析处理这两种方法，去除干扰的原理不同，可以选择其中一种方法，或两者都使用，达到双重保险的目的。这两种方法实时性稍弱，但可有效降低喘振干扰造成的误报。接下来判别当前运行状态，当数据采集分析装置用于管网用气规律搜集即学习阶段时，程序不进行泄漏识别操作，而是直接生成并储存用户特征数据。当数据采集分析装置用于管网泄漏监测识别时，程序将当前计算结果与用户特征值进行比较，判别流量是否异常，当有异常时，形成报警数据甚至关阀指令，之后执行信息储存、远传等后续主程序指令，完成一次循环。图4 主循环程序运行流量采集与泄漏识别模块的程序流程
对庭院燃气管道泄漏报警切断（限流）装置的方案设计与实现进行探讨，包括装置组成、泄漏识别基本原理、装置主要功能与设计选型（数据采集分析装置、超声波流量计、远传装置）、软件系统用例说明与程序逻辑架构。在白天及傍晚用气时段，通过实时监测瞬时流量变化，识别突发较大的泄漏事故；在夜间用气低谷时段，通过测算流量累积量，识别小的泄漏。识别泄漏后，通过远传装置将报警信息发送到燃气公司的监测平台系统。在接到监测平台系统关阀指令，或数据采集分析装置判断出异常流量超过限定值时，数据采集分析装置发送关阀指令，通过流量切断装置切断气路。［1］何珊珊. 城市燃气管网泄漏检测系统的现状及发展［J］. 化工管理，2015（23）：227.［2］曹博宇. 城市燃气管网泄漏诊断及应急研究（硕士学位论文）［D］. 北京：北京建筑大学，2018：13-15.
［3］曹利波. 基于STM32数据采集器的设计［J］. 电子制作， 2014（5）：36-37.
［4］郑昆，侯卫国，姚婧，等. 基于 STM32 的 RS485 总线多路超声波测距系统［J］. 仪表技术与传感器，2018（6）：79-82.
［5］李定川. 超声波流量计在城市燃气管网的应用［J］. 智慧工厂，2017（3）：82-83，92.
［6］刘峰，尤飞，康亚明. 基于UML的嵌入式温室环境监测系统设计［J］. 电子设计工程，2012，20（20）：138-140.
