基于GPS授時為基準的管道破壞預警監測設計

概述：詳細闡述了運用GPS授時為基準的時鐘同步細分技術，更精確地捕獲聲波信號到達相鄰各監控站點的時刻，實驗效果良好。為快速、精確定位破壞事發位置提供一種新的有效的技術。為了保證管道輸送的正常運行，對管道進行破壞預警監測具有極為重要的現實意義，快速、準確地判定事發地點是預警監測的重要內容。設計了管道預警監測及定位的系統方案，分析了其監測定位原理，并指出破壞聲波信號傳輸至上、下游相鄰各監控站點的時間差是影響精確定位的主要因素。

1 引言
管道運輸業具有成本低、節省能源、安全性高、傳送距離長及供給穩定等優點。在運輸液體、氣體和漿液等方面具有獨特的優勢，尤其在石油、化工、天然氣及城市供水等產業中有著不可替代的作用。我國管道建設在近二十年得到了快速的發展，并且在十一五發展規劃中明確提出還要建設四大油氣管道。

隨著管齡的增長，由于自然損壞造成的泄漏變得日益嚴重，特別是在各大采油作業區及廣遠的輸油氣管路上，人為破壞偷盜現象時有發生。管道泄漏不僅會影響管道輸送的正常進行，造成重大經濟損失，而且當輸送有毒害、腐蝕性、易燃易爆的介質時，還會污染環境，引起火災爆炸事故。因此，對管道泄漏的檢測及破壞點定位具有極為重要的現實意義[1]。

引發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警系統可防患于未然。快速、準確地判定事發地點又是預警監測的重要內容，本設計采用GPS基準時鐘細分技術精確獲得特征信號傳輸至各監控站點的時刻，通過時間標簽的差值計算和監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，進而確定管道破壞的準確位置。

2 系統設計及定位原理
2.1系統總體設計
整個系統如圖1所示，由若干個監測站點、GPRS網絡、Internet網、一個數據服務中心構成[3]。監測站點沿管線分布，負責信號的收集、信息處理和發送。數據服務中心的計算機具備IP地址，通過Internet網和GPRS無線信道，利用數據傳輸終端(DTU)與管道智能檢測終端單元(RTU)實時透明傳輸數據，可實現傳輸管線工作狀態實時監測、故障報警、破壞點定位等綜合管理功能。

圖1? 管線破壞預防監測及其定位系統

系統工作過程：在管線的相鄰四個站點上各安裝一只聲壓傳感器，探頭伸入到管道內部與管內流體相接觸，當管路中部某處遭受破壞或發生泄漏時，破壞點的特征聲波分別沿管線向兩端傳播至聲壓傳感器，聲波信號經預處理后，提取能表征此聲波信號的特征參數；當特征參數與模式訓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的時刻，以便與特征聲波信號到達另外站點的時刻比較，為破壞點位置計算做好準備；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，利用全球衛星定位系統(GPS)衛星的標準UTC時間，可提供TTL電平秒脈沖，通過時鐘細分處理可以獲得更加精確的秒內時間信息；貼有時間標簽的特征聲波信號經編碼以后，以GPRS無線數據設備為數據終端單元(DTU)，以移動分組數據業務GPRS網絡為數據傳輸通道，并在此信道上提供TCP/IP連接，將測點的數據傳送到數據服務中心。

2.2 定位原理
當聲壓傳感器接收到特征聲波信號后，依據此特征信號傳播至上下監測站點的時間差和管內聲波的傳播速度可計算出破壞點的位置。傳播介質的壓力分布和密度分布以及介質的物理形態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 — 監測站點1與3、2與4之間的已知距離，m；

t0??? — 聲波信號產生時刻，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、下游各監測站點準確接收到貼有時間標簽的特征聲波信號，即可精確確定破壞點位置。

3 基于GPS基準時鐘同步與細分
3.1現場處理單元
現場處理單元是采集、處理和傳輸現場數據的遠程終端單元(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數據無線通訊裝置等。圖3為現場處理單元的各部分硬件連接關系。

圖3? RTU系統硬件組成結構框圖

現場處理單元利用C8051F020單片機控制實現，不用另行擴展串口、ROM以及RAM。MCU有兩個硬件串口，這兩個串口的波特率產生是獨立的，而且不占用定時器，使用起來相當靈活，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出，MCU接收GPS模塊送來的數據，解析出其中有用的時間數據進行封裝，然后以規定的格式通過第2個串口交給GPRS DTU，利用GPRS網絡將數據送上Internet網。

3.2 GPS基準時鐘同步
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，如果想得到準確的時間差 ，必須保證用于分析的數據其起始時間保持一致。否則，即使能夠準確捕捉到聲波的到達時刻，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以提供各站點的統一時間非常重要。

常規時鐘頻率產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，易受外界環境變化影響；原子鐘長期使用后也會產生偏差，需要定時校準。在本設計中，解決這一問題的途徑是利用全球定位系統(GPS)為各站點統一授時，保證各站點時鐘同步，同時在采集到的數據內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接收機接受衛星發出的信號，獲取準確的空間位置信息、同步時標及標準時間[4]。在本系統設計中，將遠程終端裝置RTU嵌入GPS信號接收裝置，定時校準采樣時鐘，各遠程終端裝置都以校準的采樣時鐘為采樣依據，徹底解決了分布系統的系統時鐘不同步問題。

選用Trimble Lassen SQ/IQ GPS接收模塊，使用NEMA0183格式的GPZDA數據信息。當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時鐘細分
GPS時間信息與秒脈沖同步，每秒發一個脈沖，若接收時刻處于兩相鄰秒脈沖之間時，僅讀取GPS UTC時間會產生較大誤差，為使定位更加精確，對時鐘進行了細分。C8051F020單片機16位定時器有高字節和低字節兩個寄存器，計數最大可以達65536，經編程使每個機器周期為20μs，定時時間可以到1.31s，足以完成在每秒中斷內的時間定時。賦值高字節數據給變量timerH，低字節數據給變量timerL，經過處理換算為十進制數值即為計數個數，再乘以20μs可以得到準確的秒內定時時間，賦值給一個存儲定時時間的數據結構timerTime，精度可達到20μs。圖4為時鐘同步與細分時序圖，C8051F020程序流程圖如圖5所示。

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圖4 時鐘同步與細分時序圖??????

?????????????? 圖5 核心處理單元程序流程圖

時鐘細分的工作過程為： 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產生INT0中斷，響應中斷后，在INT0 中斷服務程序中，定時器先清零后啟動，以便進行時鐘細分，同時通過UART0接收GPS時間幀信息。當下一個PPS觸發INT0時，同樣定時器先清零后啟動，存儲時間數據結構更新。這樣INT0中斷周而復始，每秒中斷一次；外部INT1由專用DSP芯片的P11端口觸發，且被設為最高優先級，如果外部INT1中斷被觸發，表示聲音識別單元已經將破壞聲波識別成功，主程序立即轉向INT1中斷服務程序，讀定時器的高字節和低字節寄存器的數據，CPU經過處理將時間信息與GPS時間幀合并制成時間標簽。

3.4實驗結果
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，經程序簡單處理，對破壞方式進行識別，并由公式(6)可以對破壞點進行精確定位，理論誤差小于1m。

4結論
運用GPS授時為基準的時鐘同步細分技術，準確獲得破壞特征聲波信號傳播至各監控站點的時刻，通過時間標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，然后再利用時間標簽的差值和各監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，提前發出警報，并快速準確地判定事發地點，使被動巡線轉變為主動并有目標地出擊，可有效遏制鉆孔盜竊現象，節約大量的人力、物力和財力，為國家財產安全和環境保護提供一種新的有效的技術保障。

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