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作者：左磊，王震，郑显丰，左玉婧，龚小飞，谢坤孝
第一作者单位：重庆燃气集团股份有限公司
摘自《煤气与热力》2023年1月刊
左磊，王震，郑显丰，
等
.
基于
NB-IoT
技术的天然气管道安全监控系统
［J］.
煤气与热力，
2023，43（1）
：B12-B16.
1
概述
天然气管道
作为社会发展和国民经济的生命线，其安全、高效、环保的特点是其他运输方式不可替代的。随着“十四五”的到来，国家将进一步推动打造全国“一张网”，天然气管道敷设进程将进一步加快。根据住建部《2020城市建设统计年鉴》，截至2020年，我国城市天然气管道长度达到85.055×10
4
km
。
天然气管道
敷设区域大多地质环境复杂多样，经常存在地质滑坡的风险。天然气管道的运营安全备受关注。
国内外天然气管道运营公司高度重视滑坡地质灾害对管道的影响。如美国、英国、加拿大等欧美发达国家利用多种技术对管道滑坡灾害进行监测，主要监测技术有
GPS
法、自动测缝法、光纤光栅位移测量法、TDR监测法以及管道应力应变监测法等
［
1
］
。国内近年来也在逐步开展管道滑坡灾害预警监测系统的研究和应用。
常规监测装置安装周期长、安装过程复杂，适用于短期内不会发生地质灾害的岩土体。对于已发生变形或者破坏的岩土体，常规监测装置难以在短时间内快速安装及实时采集数据，因此研发一套易安装、低功耗、运行稳定的一体化传感设备及监控系统十分必要。基于
NB-IoT
通信模块的传感设备成本低、易于安装、工作稳定且寿命长。NB-IoT网络采用较低频段通信，具有覆盖范围广、通信距离远、功耗低的特点，能够满足密集布设传感设备的要求。依托通信运营商的NB-IoT网络进行数据传输，运营成本低
［
2
］
。本文对基于
NB-IoT
技术建立天然气管道安全监控系统进行分析。
2
基于NB-IoT技术的管道安全监控系统
对
天然气管道
及其附属构筑物的监测，要求长期稳定运行，设备功耗低。鉴于天然气管道监测实际工程需求，结合
NB-IoT
技术特点，设计了基于NB-IoT技术的天然气管道安全监控系统，简称NB-IoT监控系统。该系统架构主要包括设备层、中间层、应用层。设备层包括能够实现对天然气管道及其附属构筑物倾角、周边土壤环境稳定性实时监测的前端监测设备，具备NB-IoT网络接入和无线通信功能。中间层主要由中国电信公司NB-IoT物联网平台构成，实现设备管理、远程维护等功能。应用层由监控平台组成，监控平台由部署在阿里云端的监测数据服务器和软件构成，具备数据发布、数据分析、数据预警等功能。前端监测设备通过NB-IoT网络将数据上传至NB-IoT物联网平台，再将数据通过互联网推送至监控平台，监控平台对数据分析处理后，经用户请求或主动推送，进行数据发布和监控预警。NB-IoT监控系统流程见图1。
基于低功耗、高性能、低成本原则，开发了基于
NB-IoT
技术的2种前端监测设备：NB-IoT天然气管道倾斜监测一体机
（
简称倾斜监测一体机，见图
2）
和
NB-IoT
拉绳式深部位移监测一体机
（
简称位移监测一体机，见图
3）。
倾斜监测一体机的监测对象是天然气管道及其附属构筑物，通过识别天然气管道及其附属构筑物倾角变化来判断其稳定性。倾斜监测一体机由微控制器、倾角传感器、姿态传感器、通信模块、电源管理电路等组成。倾角传感器可以高精度、低噪声采集到倾角，是最重要的传感器。姿态传感器包括
3
轴加速度计和3轴陀螺仪，可以实时感知传感器的姿态，防止人为扰动情况下采集到错误的倾角。倾斜监测一体机通过MCU（Micro Controller Unit，微控制单元）采集倾角传感器和姿态传感器数据，并通过NB-IoT通信模块将采集到的数据传输到监测数据服务器，完成数据的采集和上传。
位移监测一体机的监测对象是天然气管道周边土壤环境，通过识别嵌入基岩的拉绳的位移变化来判定土壤环境的稳定性。位移监测一体机通过
MCU
采集GNSS
（Global Navigation Satellite System
，全球导航卫星系统
）
定位模组的数据，通过
ADC
（模拟数字转换器）采集拉绳的位移，经NB-IoT通信模块将数据传输到监测数据服务器。
这
2
种前端监测设备的低功耗主要通过控制MOS管（金属-氧化物半导体场效应晶体管）的通断，控制NB-IoT通信模块、GNSS定位模组、传感器电路的供电状态来实现。
野外环境需要在满足低功耗情况下，尽可能提高设备的性能，故采用
STM8L151C6T6
芯片作为倾斜监测一体机和位移监测一体机的主控核心芯片。实现了SPI接口（串行外设接口）、USART（通用同步/异步串行接收/发送器）接口和ADC接口的开发，完成了电压检测、倾角获取、位移获取、与外部设备连接等功能。
硬件开发完成后，对前端监测设备功耗开展了测试与改进。将功耗较大的位移监测一体机作为设备样机，利用
Keysight
公司生产的N6705C-N6781A低功耗专用测试仪器（以下简称测试仪器），对设备样机进行功耗测试。采用测试仪器模拟电池给设备样机供电，设备样机进行数据采集、上传等流程后，进入休眠待机。每个测试周期为10 min，运行1 min，休眠9 min。总测试时间为5 h，执行30个测试周期。经过多次功耗测试与电路改进，最终得到的功耗测试数据见表1。
表
1
设备样机功耗测试数据
设备样机在实际工作中，
1 h
只采集1次数据，按使用额定容量为19 A·h的电池计算，设备样机可正常工作3 a，满足管道监测数据采集及传输的应用要求。
基于物联网平台提供的API数据接口支撑，实现设备管理，具有对设备基本信息统计、设备类型管理、设备远程命令下发、设备远程升级等功能。
监控平台具备设备工作状态实时分析和故障预判的功能。通过对设备电量、环境温度、数据通信丢包率、设备在线率、数据抖动等多种数据实时分析，对设备进行故障分析和评估。设备维护人员可通过页面查看前端监测设备工作状况及数据情况，还可查看监控平台记录的通信时间、设备MAC（设备物理地址）、状态数据报文解析状态、设备IP（互联网协议地址）、报文源码等信息。
在数据分析中，发现经常出现数据丢失情况。针对这些丢失数据，采用LSTM（Long Short-Term Memory， 长短期记忆）神经网络算法对丢失数据进行预测后填充。该算法估计性能较好，鲁棒性较强。
监控平台将监测数据实时发布到监测人员的展示平台。将监测到的异常情况通过微信、短信等方式推送给相关负责人员，达到预警作用。
监控平台提供了远程控制、维护管理和预警等功能，能及时消除设备故障，从而尽可能保障设备的稳定性，提高监测数据质量与可靠性，为分析、应用、预测提供更准确的数据支撑。
3
工程应用的对比
在重庆燃气集团股份有限公司辖区内，针对位于坡面的一段长
130 m
、外直径为711 mm的天然气管道，进行NB-IoT监控系统的应用验证。该处坡面出现滑移，坡顶出现贯穿张拉裂缝，裂缝长约30 m，最大宽度约10 cm；坡脚为沪渝高速公路，坡脚发现挤压破坏土体。天然气管道位于坡面中部，采用桩基结合混凝土沟槽跨越方式。受坡面滑移影响，混凝土沟槽出现不同程度裂缝、沉降、整体倾斜等变形迹象。
为实现该段管道的安全监控，结合现场情况，布置了前端监测设备，见图
4
。选取6处桩基与混凝土沟槽交接处安装6个倾斜监测一体机；监测点3-3、3-4孔深度为10 m，监测点3-1、3-2孔深度为20 m，每个孔内安装1台位移监测一体机的拉绳，位移监测一体机的其他设备位于相应孔旁的地表位置。前端监测设备1 h上传1次数据到监控平台，监控平台数据显示设备运行正常，数据上传稳定。
设有
4
级预警值以及对应的4级预警等级。其中，预警值又分为参数预警值和参数日增量预警值，以达到的最高预警等级预警相关人员。1级蓝色预警表示管道周边土壤已经出现轻微滑动现象，需要相关人员密切关注该处变化情况；2级黄色预警表示管道周边土壤滑动现象进一步加剧，需要工作人员增加巡检频次，1日1巡；3级橙色预警表示管道周边土壤滑动现象在持续加剧，需要工作人员进一步增加巡检频次，1日2巡，并按照应急预案做好应急抢险工作准备；4级红色预警表示管道周边土壤已经出现明显的滑动现象，需要立即采取补救措施。预警等级划分标准见表2。
为了多角度、全方位、多领域监测该天然气管道，并对不同监测方式效果进行对比，组织相关专业技术人员成立
RTK-GPS
（基于GPS的实时动态监测）位移监测小组，利用当今成熟的GPS监测技术进行位移监测，称为RTK-GPS位移监测方式。监测小组在滑坡段共设置24个监测点（布置见图5），其中6个管道监测点，编号为1
#
～
6
#
；
6
个混凝土沟槽监测点，编号为7
#
～
12
#
；
12
个边坡监测点，编号为13
#
～
24
#
。
NB-IoT
监控系统监测方式的监测点5-2、5-3、3-3分别对应RTK-GPS位移监测方式的监测点10
#
、
9
#
、
13
#
。截至
2021
年4月15日，NB-IoT监控系统中，监测点5-2、5-3、3-3出现了2级黄色预警。此时，3个监测点的NB-IoT监控系统监测方式监测结果、RTK-GPS位移监测方式监测结果及人工巡检结果对比见表3，表3中监测点5-2、5-3通过NB-IoT监控系统监测方式得到的位移为倾斜监测一体机测得倾角后通过式（1）计算得到。
表
3 3
个监测点的NB-IoT监控系统监测方式监测结果、RTK-GPS位移监测方式监测结果及人工巡检结果对比
监测点位移与倾角计算关系见图
6
。假设监测点A对应的桩基底端为点O，点O与点A的距离为l。倾斜后，点A到达点B位置，倾角为α，则点A的实际位移应为点A与点B的距离。设点B切线与OA延长线的交点为点C，为保证安全，认为线段BC为点A的位移d，以此值进行预警判断。
NB-IoT
监控系统监测方式得到监测点5-2、5-3的倾角分别为0.271°、0.304°
，
监测点
3-3
的位移为34.5 mm，对照表1可知，监测点5-2、5-3、3-3确实达到了2级黄色预警。
从表
3
可知，对于监测点5-2、5-3，NB-IoT监控系统监测方式和RTK-GPS位移监测方式的监测数据以及人工巡检结果一致，都检测出存在滑坡现象。而对于监测点3-3，相比RTK-GPS位移监测方式和人工巡检，NB-IoT监控系统监测方式能够监测到土壤内部发生的细微位移，说明NB-IoT监控系统的监测精度更高。
①相比RTK-GPS位移监测方式和人工巡检，NB-IoT监控系统能监测到土壤内部发生的细微位移，监测精度更高。
②NB-IoT监控系统能实时、准确、高效、可靠地将天然气管道受外力影响的危险情况，通过监控平台传递给管理人员，降低人工成本，有效预防管道安全事故发生。
③NB-IoT监控系统能及时分级预警，使管道燃气企业根据预警等级采取合理措施。
［
1
］李岩岩. 天然气管道滑坡地质灾害监测预警技术研究
（硕士学位论文）
［
D
］. 成都
：
西南石油大学，
2017：17-38.
［
2
］乔川龙. 基于窄带物联网
（NB-IoT）
的交通基础设施安全监测探析［
J
］. 交通与运输
，2018（6）：67-69.
1、
安全监控系统升级改造技术标准设计
2、
城市燃气远程调控系统及安全调控策略
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