引言

综合管廊是一种大型的地下隧道空间，将电力、通信、给排水、煤气及供热等市政管线集成在同一管道内。在综合管廊中，煤气管道的安全问题尤为重要，一旦煤气管道发生泄漏，泄漏的煤气在电力管道电火花的作用下极易发生爆炸，造成无可弥补的损失。因此，必须实时对煤气管道的泄漏情况进行监测，但现有的煤气管道监测系统由于存在监测参数无法实时传输及智能化分析等缺陷，无法满足实际项目的使用需求，基于此，提出了一种基于ＧＰＲＳ无线网络的综合管廊煤气管道实时监测系统，利用该系统可在远程终端实时监测煤气管道的泄露情况。

1、工作原理

基于实际项目设计要求，所设计的监测系统工作原理如图１所示。系统由发射端、接收端和上位机软件构成，其中发射端实时采集煤气管道的声波及管廊内的煤气浓度数据，采集到的数据经ＧＰＲＳ网络实时发送；接收端通过ＧＰＲＳ网络将发射端发送的数据实时接收，接收到的数据经数ＶＩＥＷ编写的软件，通过上位机软件可对接收到的数据进行进一步的处理及显示，即：通过对管廊内的煤气浓度数据进行分析，可对煤气管道是否泄漏做出判断，若煤气管道发生泄漏，则进一步对声波数据进行互相关分析，可计算得到管道泄漏的具体位置。

2、系统设计

２.1发射端

发射端用于实时采集煤气管道的声波及管廊内的煤气浓度数据，采集到的数据经ＧＰＲＳ网络实时发送。发射端由硬件电路和相应的传感器构成，其中煤气浓度传感器及声波传感器的输出信号均为０～５Ｖ电压模拟信号，需进行ＡＤ转换后才可输入发射端微处理器进行进一步处理。本文中发射端采用ＳＴＣ８Ａ８Ｋ６４Ｓ４Ａ１２单片机搭建，该芯片内部嵌有１２位ＡＤ芯片，可将传感器的输入信号直接进行ＡＤ转换，单片机处理后的数据直接经ＧＰＲＳ网络进行远程传输。常见的远程传输芯片包括Ａ２Ｄ系列、ＷＭ０２系列、ＴＣ３５系列及ＳＩＭ系列，其中ＳＩＭ系列较为常见，能够安全可靠地实现数据、语音及短信息等方式的远程传输，可最大限度地降低开发难度，因此本文中选用ＳＩＭ８００Ｃ模块搭建ＧＰＲＳ无线网络传输电路。单片机通过串口与ＳＩＭ８００Ｃ模块直接连接，并通过串口发送ＡＴ指令对ＳＩＭ８００Ｃ模块进行控制。ＡＴ指令是一种通信协议标准，均以“ＡＴ”字符为开头，编程中常用的ＡＴ指令如表１所示。

根据电路设计要求，所设计加工出的发射端实物如图２所示。

2.2接收端

接收端采用ＧＰＲＳ网络将发射端发送的数据接收，接收到的数据经串口实时传输到上位机软件进行进一步的分析处理及显示，其中ＧＰＲＳ模块仍然采用ＳＩＭ８００Ｃ模块，该模块亦通过串口与单片机进行通信，因此接收端的单片机需具有２个串口。在此，接收端仍采用ＳＴＣ８Ａ８Ｋ６４Ｓ４Ａ１２单片机搭建，该芯片具有２个串口，可满足使用要求，因此接收端的硬件电路与发射端相同。

２.3上位机软件

2.3.1软件处理流程

上位机软件采用ＬａｂＶＩＥＷ编写，主要用以对煤气管道泄漏情况进行监测及泄漏点计算，软件的具体工作流程如下：当上位机软件接收到接收端发送的数据时，首先读取煤气浓度数据并进行分析判断，若数据显示煤气管道未发生泄漏，则重复进行上述操作；若数据显示煤气管道发生泄漏，则进一步读取声波数据并进行互相关分析，最终计算得到管道泄漏位置。

2.3.2管道泄漏点监测原理

管道泄漏点监测的基本原理为，将２个声波传感器安装在管道的２个端口处，若管道中间发生泄漏，泄漏点声波将沿管道传播，则２个传感器均将采集到声波信号，由于泄漏点到２个传感器安装位置的距离不同，而声音的传播速度相同，因此通过计算２路声波信号的延时差便可获得泄漏点的具体位置。假设２个传感器所接收到的声音信号可表示为：

由互相关函数的基本原理可知，当互相关函数幅值最大时，所对应的时间即为２路信号的时间差，因此，通过互相关可得到两路信号传播的时间差，并结合传感器的安装位置及声波沿管道的传播速度等已知参数，便可计算得到管道泄漏的具体位置。

2.3.3软件设计

根据设计要求，所设计的软件分为４个功能模块，分别为滤波模块、浓度数据显示模块、相关分析模块及泄漏点显示模块。其中滤波模块用于对采

集到的传感器数据进行滤波；浓度数据显示模块用于将采集到的煤气浓度数据进行实时显示；相关分析模块用于将互相关分析后的数据频谱进行显示；泄漏点显示模块用于将最终计算出的管道泄漏位置进行实时显示。

3、试验

整套监测测试系统加工完成后进行了室内及现场试验，其中室内试验管道长度为３０ｍ，可分别在不管道长度处钻取漏洞进行试验。将实际泄漏点距离管道始端的距离定义为实际漏点，将本系统测量到的距离定义为测量漏点，部分具有代表性的室内试验数据如表２所示。

通过大量的室内试验数据并结合表２可知，利用本系统对管道泄漏位置检测的误差不超过2.5％。

在完成室内试验的基础上，在乌鲁木齐玄武湖路综合管廊进行了现场试验，试验现场如图３所示。

某次现场试验时，室内终端接收到的煤气浓度数据及互相关图谱如图４所示。

由图4a可知，此时煤气浓度数据异常，软件分析结果显示煤气管道发生泄漏，此时软件进一步对声波信号进行互相关分析，互相关图谱如图４ｂ所示，此时２个传感器接收到的信号时间差为信号图谱幅值最大处所对应的横坐标，即0.084ｓ，结合式（１）、式（２）及传感器的安装位置等已知参数，软件自动计算得到的泄漏点具体位置的为72.36ｍ，实际泄漏点位置为73.58ｍ，误差为1.66％，满足实际项目使用需求。

由图６可知，狇１越大，最小衰减率ηｍｉｎ就越大，系统的快速性越好；由图７可知，狇２越小，最小衰减率ηｍｉｎ就越大，系统的快速性越好。由此可见，要想使得系统获得较快的反应速度，就要选择较大的狇１或较小狇２的进行反馈增益计算。需要说明的是，过度优化这２个参数在理论上虽然没有问题，仿真也没有问题，但是在实际实现时往往会因器件性能无法满足要求而不能完成。

结束语

针对现阶段综合管廊煤气管道安全监测的需要，设计了一种基于ＧＰＲＳ网络的综合管廊煤气管道实时监测系统，可实现煤矿管道的无线远程实时监测，并可根据监测数据实时显示管道泄漏位置。监测系统加工设计完成后进行了室内及现场试验。试验结果显示，系统可实现对综合管廊内煤气管道实时监测的功能，同时计算出的管道泄漏点的误差不超过2.5％，满足实际项目的使用需求。

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