基于GPS授时为基准的管道破坏预警监测设计

概述：详细阐述了运用GPS授时为基准的时钟同步细分技术，更精确地捕获声波信号到达相邻各监控站点的时刻，实验效果良好。为快速、精确定位破坏事发位置提供一种新的有效的技术。为了保证管道输送的正常运行，对管道进行破坏预警监测具有极为重要的现实意义，快速、准确地判定事发地点是预警监测的重要内容。设计了管道预警监测及定位的系统方案，分析了其监测定位原理，并指出破坏声波信号传输至上、下游相邻各监控站点的时间差是影响精确定位的主要因素。

1 引言
管道运输业具有成本低、节省能源、安全性高、传送距离长及供给稳定等优点。在运输液体、气体和浆液等方面具有独特的优势，尤其在石油、化工、天然气及城市供水等产业中有着不可替代的作用。我国管道建设在近二十年得到了快速的发展，并且在十一五发展规划中明确提出还要建设四大油气管道。

随着管龄的增长，由于自然损坏造成的泄漏变得日益严重，特别是在各大采油作业区及广远的输油气管路上，人为破坏偷盗现象时有发生。管道泄漏不仅会影响管道输送的正常进行，造成重大经济损失，而且当输送有毒害、腐蚀性、易燃易爆的介质时，还会污染环境，引起火灾爆炸事故。因此，对管道泄漏的检测及破坏点定位具有极为重要的现实意义[1]。

引发管道泄漏事故的种种原因中，人为蓄意破坏(打孔、切割、钻孔)已超过自然因素而位居首位[2]，因此，研究管道安全受到威胁或刚遭受破坏时就能检测定位的预警系统可防患于未然。快速、准确地判定事发地点又是预警监测的重要内容，本设计采用GPS基准时钟细分技术精确获得特征信号传输至各监控站点的时刻，通过时间标签的差值计算和监控站点之间的距离分别获取特征信号向上游和下游传播的速度，进而确定管道破坏的准确位置。

2 系统设计及定位原理
2.1系统总体设计
整个系统如图1所示，由若干个监测站点、GPRS网络、Internet网、一个数据服务中心构成[3]。监测站点沿管线分布，负责信号的收集、信息处理和发送。数据服务中心的计算机具备IP地址，通过Internet网和GPRS无线信道，利用数据传输终端(DTU)与管道智能检测终端单元(RTU)实时透明传输数据，可实现传输管线工作状态实时监测、故障报警、破坏点定位等综合管理功能。

图1  管线破坏预防监测及其定位系统

系统工作过程：在管线的相邻四个站点上各安装一只声压传感器，探头伸入到管道内部与管内流体相接触，当管路中部某处遭受破坏或发生泄漏时，破坏点的特征声波分别沿管线向两端传播至声压传感器，声波信号经预处理后，提取能表征此声波信号的特征参数；当特征参数与模式训练得到的模式特征相匹配时，立即启动同步时钟中断程序并记下特征声波到达的时刻，以便与特征声波信号到达另外站点的时刻比较，为破坏点位置计算做好准备；特征声波在流体中的传播速度和各站点的时钟同步精度决定着破坏点的定位精度，利用全球卫星定位系统(GPS)卫星的标准UTC时间，可提供TTL电平秒脉冲，通过时钟细分处理可以获得更加精确的秒内时间信息；贴有时间标签的特征声波信号经编码以后，以GPRS无线数据设备为数据终端单元(DTU)，以移动分组数据业务GPRS网络为数据传输通道，并在此信道上提供TCP/IP连接，将测点的数据传送到数据服务中心。

2.2 定位原理
当声压传感器接收到特征声波信号后，依据此特征信号传播至上下监测站点的时间差和管内声波的传播速度可计算出破坏点的位置。传播介质的压力分布和密度分布以及介质的物理形态等因素都将影响声波的传播速度。另外，还要考虑流体本身的流动速度的影响，因为特征声波向上游传播逆着流体的流动方向，而向下游则是顺着流体的流动方向，因此采用图2所示的定位原理，具有很快的响应速度和较高的定位精度。

图2  定位原理示意图

其中 ：

D  — 管线中两监测站点1、2之间的距离，m；

s  — 破坏点距上游站点1的距离，m；

△s — 监测站点1与3、2与4之间的已知距离，m；

t0    — 声波信号产生时刻，s；

t1，t2， t3，t4— 声波信号传播至站点1、2、3、4的时刻，s；

△t13,△t24 ,△t12,△t01,△t02—分别为两站点1与3，2与4，1与2，站点1，站点2接收到声波信号的时间差，s；

声波沿管线向上、下游的传播速度分别为：

v上=△s/△t13    v下=△s/△t24                    （1）

根据已知条件列出定位方程：   

s = v上·△t01    D－ s = v下·△t02      △t12=△t01 － △t02                  （2）

将式(1)代入式 (2)整理得定位公式：

s = (D·△t24+△s·△t12) / (△t13+△t24)              （3）

由式(3)知，只要管线中上、下游各监测站点准确接收到贴有时间标签的特征声波信号，即可精确确定破坏点位置。

3 基于GPS基准时钟同步与细分
3.1现场处理单元
现场处理单元是采集、处理和传输现场数据的远程终端单元(RTU)，包括核心处理单元、声压传感器、声音识别单元、GPS接收装置以及GPRS数据无线通讯装置等。图3为现场处理单元的各部分硬件连接关系。

图3  RTU系统硬件组成结构框图

现场处理单元利用C8051F020单片机控制实现，不用另行扩展串口、ROM以及RAM。MCU有两个硬件串口，这两个串口的波特率产生是独立的，而且不占用定时器，使用起来相当灵活，分别对GPS授时模块和GPRS DTU通信。GPS模块把时间信息以固定的格式从串口发出，MCU接收GPS模块送来的数据，解析出其中有用的时间数据进行封装，然后以规定的格式通过第2个串口交给GPRS DTU，利用GPRS网络将数据送上Internet网。

3.2 GPS基准时钟同步
破坏点定位需要已知特征声波信号传播至上下游各站点的时刻，显然，如果想得到准确的时间差 ，必须保证用于分析的数据其起始时间保持一致。否则，即使能够准确捕捉到声波的到达时刻，也会因为信号的起始时间不一致而得到有偏差的 。站点采样时刻不同步，以此计算出的时间差就毫无意义，更谈不上精确定位。因此，选用一个精度较高的授时系统以提供各站点的统一时间非常重要。

常规时钟频率产生方法都存在一定的问题，定位精度不能满足要求。如晶体会老化，易受外界环境变化影响；原子钟长期使用后也会产生偏差，需要定时校准。在本设计中，解决这一问题的途径是利用全球定位系统(GPS)为各站点统一授时，保证各站点时钟同步，同时在采集到的数据内加入其被采集到的时间信息，从而减少误差。

GPS向全球范围内提供定时和定位的功能，全球任何地点的GPS用户通过低成本的GPS接收机接受卫星发出的信号，获取准确的空间位置信息、同步时标及标准时间[4]。在本系统设计中，将远程终端装置RTU嵌入GPS信号接收装置，定时校准采样时钟，各远程终端装置都以校准的采样时钟为采样依据，彻底解决了分布系统的系统时钟不同步问题。

选用Trimble Lassen SQ/IQ GPS接收模块，使用NEMA0183格式的GPZDA数据信息。当GPS接收器与GPS时钟同步后，即会接收到信息。其格式为$ GPZDA，hhmmss.ss，xx，xx，xxxx，，*hh。信息包含时，分，秒，日，月，年以及加和校验等。

3.3时钟细分
GPS时间信息与秒脉冲同步，每秒发一个脉冲，若接收时刻处于两相邻秒脉冲之间时，仅读取GPS UTC时间会产生较大误差，为使定位更加精确，对时钟进行了细分。C8051F020单片机16位定时器有高字节和低字节两个寄存器，计数最大可以达65536，经编程使每个机器周期为20μs，定时时间可以到1.31s，足以完成在每秒中断内的时间定时。赋值高字节数据给变量timerH，低字节数据给变量timerL，经过处理换算为十进制数值即为计数个数，再乘以20μs可以得到准确的秒内定时时间，赋值给一个存储定时时间的数据结构timerTime，精度可达到20μs。图4为时钟同步与细分时序图，C8051F020程序流程图如图5所示。

图4 时钟同步与细分时序图      

               图5 核心处理单元程序流程图

时钟细分的工作过程为： C8051F020采用中断方式接收GPS的UTC时间信息，每秒由GPS接收器的PPS产生INT0中断，响应中断后，在INT0 中断服务程序中，定时器先清零后启动，以便进行时钟细分，同时通过UART0接收GPS时间帧信息。当下一个PPS触发INT0时，同样定时器先清零后启动，存储时间数据结构更新。这样INT0中断周而复始，每秒中断一次；外部INT1由专用DSP芯片的P11端口触发，且被设为最高优先级，如果外部INT1中断被触发，表示声音识别单元已经将破坏声波识别成功，主程序立即转向INT1中断服务程序，读定时器的高字节和低字节寄存器的数据，CPU经过处理将时间信息与GPS时间帧合并制成时间标签。

3.4实验结果
破坏信息报文包含年，月，日，时，分，秒，精度20 s的微秒时间信息以及破坏方式特征编码等，例如如图6所示：20060423  085026.82366  06，表示在2006年4月23日8时50分26秒823660微秒时刻，DSC接收到来自站点13573100603的破坏方式编码为06信息报文。

图6接收的报文信息

如果DSC接收到管线上下游各监测站点的报文信息，解码提取声波信号传播至各站点的时刻后，经程序简单处理，对破坏方式进行识别，并由公式(6)可以对破坏点进行精确定位，理论误差小于1m。

4结论
运用GPS授时为基准的时钟同步细分技术，准确获得破坏特征声波信号传播至各监控站点的时刻，通过时间标签的换算可以分别确定破坏点特征信号向上游和下游传播的速度，然后再利用时间标签的差值和各监控站点之间的距离即可确定管道破坏的精确位置。实验中取得了良好效果。在管道安全受到威胁或造成破坏之前，提前发出警报，并快速准确地判定事发地点，使被动巡线转变为主动并有目标地出击，可有效遏制钻孔盗窃现象，节约大量的人力、物力和财力，为国家财产安全和环境保护提供一种新的有效的技术保障。

本文的主要创新点：(1) 给出声波沿管线不同方向传播的速度测定方法，推导出实际破坏点定位的计算公式；(2) 将GPS授时及时钟细分技术用于输送管线各监控站点的时钟同步，提高破坏点定位精度，实现了对传输管线破坏精确定位的预警监测。