余巫各
四川華油集團有限責任公司
摘自《城市燃氣》2023年第三期
摘要：在“智慧城市”的背景下，“智慧燃氣”已成為天然氣行業發展的必然趨勢。基于此，為深入研究智慧技術在燃氣管網中的應用，文章以某燃氣項目為例，介紹分析了一個燃氣管網智慧管理系統，該系統是基于智能終端、云計算、物聯網等技術開發而成，采集系統采用LTE模塊進行數據無線遠傳，主控芯片選用STM32F107芯片；選擇在微處理器內嵌入了FreeRTOS，可支持多任務運行；選用MQTT協議與物聯網進行對接，并實現數據傳輸；另外也設置有FLASH，可以實時存儲現場數據。數據綜合管理系統基于JavaEE開發，集成了GIS系統、SCADA系統、用戶系統等，并配置了云服務器，通過4G/5G、有線網、無線網傳輸，支持跨硬件、跨系統、跨數據庫操作及運行。該燃氣智慧管網管理系統成功開發及應用，可有效實現燃氣管網數據的實時采集、遠程傳輸、遠傳配置、緊急控制及服務器遷移等功能，可解決信息孤島、功耗高、效率低等問題，進而實現燃氣管網運行過程的標準化、流程化、智能化、信息化管理。
關鍵詞：城市燃氣；管網管理；智慧技術；LTE；FreeRTOS；MQTT
一.引言
天然氣本身是無色無味的，且易燃易爆，再加上大多數燃氣管道都是深埋于地下，所以相比于供水管網等，城市的燃氣管網更加復雜、隱蔽、危險。燃氣管網是否能安全運行直接關系著人們日常的生產及生活安全。而通過整合應用大數據技術、云計算技術、物聯網技術、區塊鏈技術及5G通信技術等構建形成的智慧燃氣系統，可以實現對燃氣管網系統的自動化監控及智能化調控，在保障燃氣管網運行安全的基礎上，促使天然氣公司構建出一套更加高效、智能的一體化維護及管理模式。因此，建設智慧燃氣系統有著深遠的現實意義。
本文從智慧燃氣角度出發，結合實際案例，先是對設計開發智慧燃氣管網管理系統的背景、需求進行介紹、分析，又重點對現場采集系統及數據綜合管理系統的設計要點及功能實現進行了詳細說明，希望可以為同行業者提供參考。
二.案例概況
某城區面積為92.5km2，其燃氣設備及相關設施等基本概況：管線共計有516km，調壓站有2個，調壓箱有675個，閘井有468座，用戶數量65167戶（其中民用戶63752戶，工服用戶1415戶）。該城區的燃氣管網運行維護及管理工作量見表1。為優化燃氣管網管理效率、解決信息孤島問題，擬定對現有管理系統進行智慧改造升級。
三.智慧燃氣管網管理系統建設的需求分析
由于該城區近幾年發展比較快，相應的燃氣用量也迅速增加，比如，2018年該區全年燃氣用量約為1575.15萬m3；2019年該區全年燃氣用量約為1879.68萬m3；2020年該區全年燃氣用量約為2285.76萬m3；2021年該區全年燃氣用量約為2866.95萬m3。隨著燃氣用戶的快速增加，相應燃氣設備及設施也不斷增加，隨之也提高了對燃氣管網運行維護的工作要求。而傳統的管理技術及方法已無法滿足現有管網安全運行的要求。因此，需加快燃氣管網運行管理的信息化、智能化及網絡化等方面的建設及發展。
同時，近幾年，隨著科技的快速發展，該區天然氣公司為提高整體的生產運營管理水平，結合實際需要構建多個信息化系統，比如，SCADA系統、報裝系統、GIS系統、氣體計量分析系統、客戶服務系統及門站/儲配站自動控制系統等。但由于這些信息化系統建設時間不同，各系統均是相互獨立的，數據未能實現共享。所以數據整合分析、綜合管理及應急調度等工作開展也存在諸多困難。因此，針對燃氣管理系統進行智慧化改造建設勢在必行。
四.智慧燃氣管網管理系統的設計及實現
該智慧燃氣管理管理系統主要包括現場采集系統及數據綜合管理系統兩個部分，下面就這兩個分系統及功能實現展開論述。
4.1現場采集系統
該現場采集系統采取的是垂直通信結構，主要組成部分包括：STM32F107VCT6微處理器、FLASH、EEPROM、電源單元、自檢單元、LTE模塊及數據采集單元等。同時，現場采集系統又分為數據采集層、數據傳輸層、數據處理層3個層級，其中數據采集層主要有傳感器單元、模擬量測試單元及自檢單元等組成；數據傳輸層設備以LTE模塊為主，通過TCP/IP協議與各網絡進行連接，既可通過網絡把采集的數據傳輸至MQTT代理服務器，也可以接收服務器下發相關指令；數據處理層則主要是通過MQTT代理服務器把數據傳輸至數據中心進行數據接收及處理的解耦，并且也具有將一份數據發送至多個數據中心使用的功能。另外，該系統也可以通過SPI接口的FLASH進行數據掉線續傳。現場采集系統功能結構如圖1所示。
●采集系統的硬件設計
該采集系統的主控芯片選用的是32位微處理器STM32F107VCT6，其頻率可達72MHz，可支持FreeRTOS操作系統及對多個任務進行實時調度。同時，STM32微處理器的能耗比較小，利于降低系統的整體功耗。硬件系統中也配有SPI、I2C、USART等通信接口，其中SPI接口與一個8MB的FLASH儲存設備相連，以便實時儲存采集的管網系統數據；I2C接口與一個512KB的EEPROM儲存設備相連，以便存儲數據發送頻率、服務器IP、現場設備連接狀況等系統配置參數；USART接口不僅可與數據發送單元相連接實現數據遠傳，而且也可與TTL電平相連接用做泄漏報警器。硬件系統結構見圖2所示。
（1）主控單元
此次設計中，主控單元的核心是微處理器，選用的是STM32F07VCT6單片機，該微處理器不僅可以實現數據的采集、格式化、發送等功能，而且可支持多種實時操作系統。另外，該微處理器是在2.0V~3.6V范圍內工作，所以功耗更低，同時也具有性能好、成本低等優點。
（2）網絡通信單元
該采集系統主要是通過LTE模塊及TCP/IP網絡協議來實現網絡通信，網絡連接、數據傳輸、模塊狀態查詢均是由AT指令進行控制，并且網絡通信單元可支持UART接口通信。LTE模塊和主控單元連接示意圖見圖3所示。
（3）存儲單元
該現場采集系統中配有兩個存儲單元，一個是IIC接口的EEPROM，芯片選用24LC04芯片，大小為512KB，用于存儲系統配置參數；一個是SPI接口的FLASH，芯片選用SST25VF064C芯片，大小為8MB，用于存儲采集到的管網數據。
（4）自檢單元
自檢單元主要是通過溫度自檢傳感器、電流自檢傳感器、電壓自檢傳感器等來檢測管網系統運行狀態，并且也可以依據系統的電流、電壓來檢測、確定電池的剩余能量。另外在系統溫度超出限值后，自檢單元可主動進行緊急控制。
●采集系統的軟件設計
（1）MQTT通信協議
該采集系統軟件設計中采用的MQTT協議版本為3.1.1版，涉及的MQTT數據包包括CONNECT數據包、PUBLISH數據包、SUBSCRIBE數據包及PINGREQ數據包。為保障客戶端發送的數據可以準確有效地被服務器接收到，對上述4個數據包分別做了測試，結果均滿足實際要求。同時，為優化MQTT客戶端的C語言功能，實際設計中，不僅采用Java、Python等開發語言對MQTT客戶端進行設計，而且也刪掉一些復雜的、非必要的功能，最終主要保留了主題訂閱、PING請求發送、服務器消息傳輸及接收等功能。另外，發送CONNECT報文的時候，MQTT客戶端會進行身份驗證，驗證通過后才能連接到服務器，否則客戶端無法與服務器進行連接。不管最終連接成功與否，系統均會給客戶端發送CONNACK報文。最終客戶端會根據報文內容來判斷連接是否成功，并把結果傳送至PC端上位機。整個通信過程見圖4所示。
（2）FreeRTOS移植
FreeRTOS可劃分成Free、RTOS兩個部分，其中Free指的是開源，RTOS指的是實時操作系統。由此可見，FreeRTOS屬于是開源的實時操作系統。該現場采集系統中選擇RTOS，主要為支持多任務同時運行。同時FreeRTOS移植過程中所關聯的文件會因為編譯環境或處理器內核的不同而不同。此次設計中編譯環境選用的是keil編譯環境，微控制器內核選用的是ARM-CM3內核，所以只需留存對應的關聯文件及內存關聯文件就行。另外，通過修改FreeRTOSConfig.h配置文件能夠實現對操作系統的裁剪及配置。
（3）軟件模塊設計
軟件模塊主要包括網絡連接、數據采集及存儲、數據發送、參數/指令接收4個部分。其中，網絡連接模塊包括狀態查詢、MQTT連接及主題訂閱兩個部分，狀態查詢主要是對SIM卡、網絡注冊信息等進行查詢，沒問題后才能進行網絡連接，否則會無法進行網絡連接，并給上位機發送相應的錯誤信號。當客戶端與MQTT服務器成功連接后，需先訂閱有關主題，然后才能接收服務器的遠程指令。并且為將訂閱主題的多個客戶端區分開，各主題不僅包含設備序列號，而且也設有對應的指令。數據采集是采取通道輪詢的方式來采集各管道系統數據，采集器分為24/220V、7.2V兩種，且各采集器均設有3個485通道，通過MODBUS協議實現數據采集。在采集完數據并打包后，只需把各數據包依次存儲到FLASH中即可。數據發送首先是讀取FLASH中的數據，然后把讀取的數據包拆包并發送給MQTT服務器，待采集次數遞減到0之后，說明采集的數據全部發送完成。參數/指令接收模塊主要是用于接收系統的本地指令、遠程指令及相應的配置參數數據，并解析，進而進行下一步動作。
4.2數據綜合管理系統
●系統結構
數據管理系統是基于JavaEE開發的，架構設計采用的是分層結構及組件化的SOA架構，即結合業務組件之間的相互關系對系統采取分層設計及組件化開發部署，最后使用服務對各功能組件單元進行封裝，以確保基于網絡實現業務集成及相互操作等功能。
整個數據管理系統中集合有插件總線、消息總線、多節點集群管理、接入對象統一地址管理及尋址服務等功能，并對插件間消息路由、內存數據庫等進行合理部署，使數據管理系統可以實現跨硬件（機架式服務器或PCServer)、跨操作系統（Unix、Linux或Windows）、跨數據庫（MySQL、SQLServer或Oracle）及分布式環境下穩定運行。另外，在系統中可通過開發對應的協議插件及業務組件，便能與外部子系統進行連接，并能在實現接入管理、通信管理、互聯互通、信息交互等功能的同時，也可以智能化處理子系統中傳來的數據，進而實現對各子系統的聯動控制。數據綜合管理系統結構示意圖見圖5所示。
●主要功能
該數據綜合管理系統的服務器采用云服務器，并可通過4G/5G、有線網及無線網將現場采集系統采集的管網運行數據傳輸至云服務器及移動終端，實現各類數據的共享。同時，數據綜合管理系統可對海量燃氣管網運行數據等進行深度挖掘，并通過對燃氣產銷差進行分析，確定燃氣管網是否存在泄漏、竊氣等問題。在數據綜合管理系統中也集成及整合了GIS系統、SCADA系統、應急指揮系統、GPS及巡檢系統等相關業務數據，可有效解決以往各子系統獨立建設、獨立運行的現象，使多個異構系統實現無縫銜接，進而實現聯動控制、優化調度及智能調度等，比如，通過GIS系統的業務數據分析可以優化并推薦救援車輛路線；通過GPS系統業務數據分析可實現事故點附件車輛及人員的優化調度；通過SCADA系統業務數據分析可幫助操作人員對應急指揮方案進行優選，并進行遠程智能調度，為燃氣企業決策提供數據支持。另外，客戶不僅可通過數據綜合管理系統查看燃氣企業的文化及風采、供氣服務項目等，而且也進行燃氣費用查詢、網上業務咨詢、網上故障報修、網上購氣（支付寶、微信均可）等，這樣有效密切客戶和燃氣企業間的實時互動。
4.3智慧管網管理系統功能實現
該智慧管網管理系統主要支持管網數據收集、更新、查詢及統計功能、空間分析及輔助決策功能、統計輸出功能、預警分析功能等。系統操作系統采用的是標準Windows操作系統，操作界面包括菜單欄、工具欄、圖層列表框、繪圖按鈕等。操作人員只需根據工作需要在系統中進行相應操作即可。具體如下，
●管網數據收集及更新功能
通過布置在燃氣管網上的傳感器實時收集管網的運行數據，并通過網絡將收集到的數據傳輸至MQTT代理服務器，經處理后打包發送至后臺數據庫保存下來，從而實現管網數據的實時收集及更新功能。同時，技術人員也可將管網施工的圖紙及記錄等資料上傳到系統，完善管網數據。
? ?●數據查詢統計功能
該數據查詢功能分為快速查詢、條件查詢、SQL查詢及圖形查詢等，即操作人員通過登錄窗口輸入用戶名、密碼，經認證通過后，便可在操作界面選擇自己需要的查詢方式，比如，可根據燃氣管網的種類、接口方式及規格方式等來快速查詢到目標管道的相關數據；可根據管線的特點等特定條件來查詢到數據庫中特定的管線數據。另外，也可通過中文編號、圖幅號、接口方式、地址等方式進行相應的管網數據查詢。
●空間分析與輔助決策功能
（1）緩沖區分析
操作人員根據要分析的對象，在系統內置的地圖上輸入對象位置的坐標、緩沖半徑，系統便可對目標對象進行分析，進而得到目標對象一定范圍內的管網及地理信息等。
（2）縱（橫）斷面分析
操作人員登錄進入管網縱（橫）端面分析界面后，可用鼠標順著需分析的管網方向繪制出相應的縱（橫）斷面線，繪制完后，系統會自動識別所要分析的管線縱（橫）斷面，并對縱（橫）斷面信息進行智能化分析。分析完管線縱（橫）斷面信息后，系統自動繪制并顯示縱橫（斷）面及其走勢情況。另外，在縱（橫）斷面分析結果圖中，用戶可以對圖形進行縮放、測量距離等操作，也可通過訪問接口訪問和查詢管線的屬性數據。
（3）管道泄漏分析
系統可通過前端的傳感器自動監測燃氣管網運行狀態，待發現管道出現泄漏后，會自動標記和反饋燃氣泄漏位置，并將燃氣泄漏信息傳送至后臺數據庫，對燃氣泄漏原因進行智能化分析，進而確定燃氣泄漏量及發展趨勢。同時，系統會根據燃氣泄漏情況確定那些是必須關閉的閥門，那些是不用關閉的閥門，從而及時自動關閉相應的閥門，有效控制燃氣泄漏。若某個必須關閉的閥門無法自動關閉或發生損壞，則系統會將該閥門標記為異常，并發出提示信息提醒技術人員進行人工操作。另外，操作人員在系統地圖上選擇管網泄漏位置，通過系統對管網泄漏的自動化遠程追蹤分析，可以及時了解管網事故的性質及發展趨勢，從而確定并標記出受影響用戶的范圍。同時，系統會從數據庫中調出受影響用戶的基本信息，并在地圖上顯示出來。
（4）檢修分析
檢修人員可通過移動終端登錄系統，選擇預檢修管線范圍，系統會自動從數據庫中調出該管線的以往檢修記錄及其他相關的信息記錄，方便檢修人員開展管線檢修工作。同時，檢修人員也可根據系統給出的管線檢修記錄，確定維修記錄最高的管線，或確定已發生問題的管線，進而制定針對性的檢修計劃，優化檢修效率及質量。
（5）預警分析
系統可以對數據庫中記錄的燃氣管網及其附屬設施有關的信息（比如鋪設時間、維修次數、保養情況等）進行自動統計及智能整合，然后將燃氣管網及其附屬設施運行狀況與預先設定的生命周期信息進行對比，分析出那些已老化或者維修次數過多的管線，及時發出預警信息，提示檢修人員及時有序地進行更換，做到防患于未然。
●統計輸出功能
統計輸出功能主要指通過系統中的GPS及GIS等輸出專業管網結構圖及地形圖，同時，也可根據不同的主題輸出特定的專題圖形。
●檔案文件管理功能
通過檔案文件管理功能可實現管網對象及外部檔案文件（照片、Word文檔、影像圖等）的掛接，并可通過屬性瀏覽窗口瀏覽各種檔案文件。檔案文件管理窗口中設置有檔案文件列表和添加、修改、刪除、顯示、關閉、幫助6個操作功能模塊，可滿足檔案文件管理要求。
●日志管理功能
日志管理功能主要是對系統用戶登錄及退出等數據信息進行記錄，并且可以查看該用戶的歷史編輯記錄，比如管網設施的增減、修改及刪除設施的用戶名稱、時間、編輯對象等。同時，操作人員也可根據實際需要把日志導出成EXCEL文件，以便保存。
五.結束語
綜上所述，某城區通過對燃氣管網系統進行智慧化升級，有效整合現有的各個子系統，并解決燃氣企業智慧發展過程中的信息孤島、數據“沉睡”等問題，不僅實現燃氣管網數據的共享及智能挖掘，而且整個系統也可實現靈活的聯動控制，可有效保障燃氣管網運行的安全性及高效性，進而為加快我國智慧燃氣發展進程注入強大推力。
