基于B/S模式的燃氣管網(wǎng)安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)的研究

余舒揚

摘要：為應對日益凸顯的各類燃氣管網(wǎng)安全隱患，確保燃氣管網(wǎng)安全運行，本文結(jié)合重慶市燃氣管網(wǎng)的現(xiàn)狀，設計了燃氣管網(wǎng)安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了管網(wǎng)中燃氣泄漏自動檢測與速報。該系統(tǒng)采用三層B/S體系結(jié)構(gòu)；管理人員可監(jiān)測管網(wǎng)的運行狀態(tài)，查詢歷史數(shù)據(jù)，及時掌握安全隱患；全天24小時監(jiān)測，一旦發(fā)生事故，迅速通過短信報警，并提供準確的地點和事故狀態(tài)?，F(xiàn)場測試與使用表明，該系統(tǒng)減輕了巡線工勞動強度，縮短了應急響應的時間，提高工作效率。

關鍵詞：B/S模式；燃氣管網(wǎng)；自動檢測；短信報警

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）01-0210-03

A Study of Gas Network Hidden danger Monitoring System Based on B/S Mode

YU Shu-yang1，2

（1.Chongqing Gas Design & Research Institute Co.， Ltd. ，Chongqing 400020， China；2.Southwest University School of computer and Information Science， Chongqing 400715， China）

Abstract： This paper designs a gas network hidden danger monitoring system to achieve the automatic detection and rapid determination of gas network leakage combined with current situation of gas network in Chongqing in order to cope with the increasingly prominent security risks of various types of gas network and ensure the safe operation of it. This system uses three-tier architecture of the B/S mode. The manager can monitor the running state of the pipe network， query the history data and grasp the hidden danger in time. It achieves the full monitoring of 24 hours. Once the accident occurs， it can alarm quickly through short message and provide accurate location and accident status. Spot test and field operation indicate that the labor intensity of line patrol person is greatly reduced， the time of emergency response is shortened and the work efficiency is improved.

Keywords： B/S mode； gas network； automatic detection； short-message alarm

1 概述

燃氣管網(wǎng)燃氣泄漏時有發(fā)生，由此引起的火災和爆炸事故頻發(fā)，造成重大傷亡和經(jīng)濟損失，如何加強對燃氣管網(wǎng)的安全管理，及時發(fā)現(xiàn)并準確定位管網(wǎng)重大隱患，采取有效應急措施消除燃氣管網(wǎng)的安全隱患，防止燃氣事故的發(fā)生，是當前燃氣管網(wǎng)安全運行管理的首要問題，也是人們關注的社會問題。

燃氣管道一旦發(fā)生事故，不僅會帶來生活不便和經(jīng)濟損失，嚴重時還會引起火災、爆炸等重大惡性事件[1]，并造成重大的人員傷亡。早期，人們大多采用人工巡視或者各種基于光學、聲學、化學等原理的儀器設備對管壁和管道周圍環(huán)境進行監(jiān)測以實現(xiàn)泄漏檢測[2]。此種基于硬件的方法檢測速度慢，檢查時間有限，受到環(huán)境等因素的影響較大，容易出現(xiàn)漏檢等情況。隨著計算機技術的發(fā)展和SCADA（ Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)在管線上的應用，泄漏檢測技術已成為SCADA系統(tǒng)的一個重要組成部分[3]。此種基于軟件方法是實時采集管道壓力、流量及設備信息等參數(shù)，并通過各種算法進行分析處理，進行泄漏檢測和定位[4]。但是此種方法檢測誤報警率較高、且無法估計泄露點的位置。

近年來，基于信號處理的方法發(fā)展起來，該方法主要包括壓力點分析法、壓力梯度法、負壓波法和統(tǒng)計分析法[5]。當出現(xiàn)故障時，它可以自動調(diào)整權值和閥值，以提高檢測率，減少誤報率和漏報率[6]。本文結(jié)合重慶市燃氣管網(wǎng)的現(xiàn)狀，設計了燃氣管網(wǎng)安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)燃氣泄漏自動檢測與速報。

2 B/S架構(gòu)及GPRS技術分析

本節(jié)對燃氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的B/S模式與GPRS技術進行分析。

2.1 B/S模式分析

B/S模式（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。在客戶機上只需要安裝一個瀏覽器，服務器安裝SQL Server、Oracle等數(shù)據(jù)庫。瀏覽器通過服務器同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。這樣就大大優(yōu)化了客戶電腦載荷，減少了系統(tǒng)維護與升級的費用和工作量，從而降低了用戶的總成本。同時，B/S模式能更有效地保護數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權限，構(gòu)建更加安全的服務器數(shù)據(jù)庫。B/S模式優(yōu)點如下：

1）硬件環(huán)境：B/S 建立在廣域網(wǎng)之上的，不必是專門的網(wǎng)絡硬件環(huán)境，有比C/S更強的適應范圍，一般只要有操作系統(tǒng)和瀏覽器就行。

2）系統(tǒng)維護：方便系統(tǒng)組件的更換，實現(xiàn)了系統(tǒng)的無縫升級，使系統(tǒng)維護開銷減到最小。

3）B/S 建立在瀏覽器基礎上，大大降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本。

基于Web的三層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 B/S模式的三層架構(gòu)

基于Web的三層應用體系結(jié)構(gòu)使應用系統(tǒng)的性能、擴展性、安全性都有明顯提高，也使系統(tǒng)維護和管理更加便捷。

2.2 GPRS技術

GPRS （General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務技術） 是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務，是一種基于包的無線通訊服務，支持計算機用戶和移動用戶的持續(xù)連接[6]。GPRS是基于GSM （Global System for Mobile，全球移動通信系統(tǒng)），能完成現(xiàn)有的一些服務，例如：蜂窩電話電路交換（circuit-switched）連接和短消息服務。因此，GPRS擁有相當可觀的優(yōu)勢。

1）資源利用率很高。在GSM網(wǎng)絡中，GPRS采用了分組交換的傳輸模式，從根本上改變了原有的電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式，對于無線資源稀缺的現(xiàn)實情況而言顯得非常重要，從而也很大程度上提高了資源的利用率。

2）傳輸速率較高。GPRS傳輸速率可高達115kbit/s，GPRS用戶能通過便攜式電腦和ISDN用戶一樣快速地上網(wǎng)瀏覽，同時使一些對傳輸速率高敏感的移動設備數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

3）接入時間短。分組交換接入時間縮短為不超過1秒，從而提供快速即時連接，大幅度提高事務（如信用卡核對、遠程監(jiān)控等）的效率，并提供更加便捷、流暢的Internet應用。

4）支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議。GPRS支持最廣泛的IP協(xié)議和X.25協(xié)議上Internet應用。由于GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣，使GPRS用戶在全球范圍內(nèi)都能便捷的連接網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換。

3 燃氣管網(wǎng)安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)設計

燃氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由遠程監(jiān)控終端、監(jiān)控管理子系統(tǒng)、監(jiān)控信息子系統(tǒng)組成。遠程監(jiān)控終端由負責數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場采集器與負責數(shù)據(jù)無線傳輸GPRS組成。監(jiān)控管理子系統(tǒng)由系統(tǒng)運行操作終端與系統(tǒng)管理員終端、Web/DB服務器及其報警裝置組成。監(jiān)控信息子系統(tǒng)由Web/DB服務器及其信息數(shù)據(jù)庫組成。

3.1 燃氣管網(wǎng)安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

整個系統(tǒng)架構(gòu)由三層組成，即表示層、業(yè)務邏輯支撐層和數(shù)據(jù)庫層組成。表示層主要指用戶界面，要求盡可能簡單，使最終用戶不需要進行深入培訓就能方便地訪問信息，客戶端采用B/S模式，客戶可以通過瀏覽器來訪問系統(tǒng)；第二層為業(yè)務邏輯支撐層，也就是常說的應用程序，所有的應用系統(tǒng)、業(yè)務邏輯、控制都集中在該層；最后的數(shù)據(jù)庫服務器存儲大量的數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)邏輯，所有與數(shù)據(jù)有關的安全、完整性控制等都在第三層完成。

為保證系統(tǒng)的兼容性，系統(tǒng)采用B/AS/DS三層結(jié)構(gòu)建設，技術模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 技術模型結(jié)構(gòu)

由遠程監(jiān)控終端、監(jiān)控管理子系統(tǒng)、監(jiān)控信息子系統(tǒng)組成的燃氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 燃氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 遠程監(jiān)控終端

遠程監(jiān)測終端主要由負責傳送數(shù)據(jù)的無線GPRS和負責數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場采集器構(gòu)成。現(xiàn)場采集器由數(shù)據(jù)采集設備、通訊設備以及電源、加熱器、避雷器等組成。這是一個綜合采集和傳輸功能的數(shù)據(jù)采集柜，具有滿足環(huán)境要求的IP等級（防水防塵等級）， 并具有信號濾波和過負荷保護功能， 可以有效降低現(xiàn)場惡劣環(huán)境對系統(tǒng)的影響。

1）現(xiàn)場采集器的主要完成的功能為：數(shù)據(jù)采集功能及顯示，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)以各種連接方式傳輸?shù)讲杉K端上， 如輸入輸出壓力值、氣體濃度、溫度、運行狀態(tài)等。

2）現(xiàn)場采集器獲得的實時數(shù)據(jù)傳輸至RTU，再由RTU通過無線GPRS 方式及時上傳到數(shù)據(jù)庫和Web/DB服務器[7]。

通過遠程監(jiān)控終端的設計，最終實現(xiàn)監(jiān)測終端實現(xiàn)全自動化， 無需現(xiàn)場值守，只要保證電源供應就能正常運行。若出現(xiàn)斷電，當重新恢復供電時能自動啟動， 并自行進入正常運行狀態(tài)。

3.2 監(jiān)控管理子系統(tǒng)

監(jiān)控管理子系統(tǒng)由系統(tǒng)管理員終端、系統(tǒng)運行操作終端、Web/DB服務器及其報警裝置組成。系統(tǒng)管理員終端、系統(tǒng)運行操作終端、Web/DB服務器以及Internet網(wǎng)絡組成的上位管理系統(tǒng)整體采用B/S結(jié)構(gòu)。監(jiān)控管理子系統(tǒng)接收并處理現(xiàn)場采集器通過GPRS發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，生成數(shù)據(jù)庫文件，然后通過Internet網(wǎng)絡傳送到各個瀏覽器終端上以直觀的桌面方式呈現(xiàn)給用戶。當出現(xiàn)報警情況，實時監(jiān)測系統(tǒng)彈出對話框報警信息，通過短信發(fā)送短消息報警和報警提醒有關人員及時處理。監(jiān)控管理子系統(tǒng)由數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)組成， 其主要功能模塊如圖4所示。

監(jiān)控管理子系統(tǒng)的所有功能模塊主要完成以下三大功能：

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)在線檢索：對現(xiàn)場監(jiān)測的各類歷史數(shù)據(jù)能夠隨時查詢，這些數(shù)據(jù)能一次全部查詢顯示， 也能添加條件篩選，分項查詢顯示。

2）數(shù)據(jù)分析：各監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，定時取樣分析，收集資料檔案。

3）報警功能： 當監(jiān)控分析到有安全隱患出現(xiàn)時， 及時預報警或報警。并將報警內(nèi)容、報警地點及報警時間等將自動保存到監(jiān)控信息子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

圖4 監(jiān)控管理子系統(tǒng)功能模塊

3.3 監(jiān)控信息子系統(tǒng)

監(jiān)控信息子系統(tǒng)由Web/DB服務器和信息數(shù)據(jù)庫組成。主要是選擇數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件及其數(shù)據(jù)庫訪問技術，尤其是確定數(shù)據(jù)庫訪問技術。在操作數(shù)據(jù)庫前必須建立Web/DB服務器與數(shù)據(jù)庫連接，從而對數(shù)據(jù)庫進行訪問，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進行相應的操作和處理。信息數(shù)據(jù)庫是燃氣管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，主要負責存儲管點數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、事故記錄數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)和用戶信息等，它的性能會影響到整個系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)庫處于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的中間層，如圖5所示：

圖5 數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)流的中間層

4 安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 現(xiàn)場采集器、報警器及傳輸通訊系統(tǒng)選用

本系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器、報警器和數(shù)據(jù)傳輸通訊系統(tǒng)的總體要求是：采用ARM 32位處理器、基于GPRS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)高速通訊產(chǎn)品、實時操作系統(tǒng)。在性能上更穩(wěn)定、可靠， 并增加了備用服務器連接和遠程配置及遠程重啟功能。與監(jiān)測點儀表或者 PLC 等設備串口設備通訊無障礙。低功耗自供電 GPRS DTU通訊終端和相應防水等級GPRS DTU數(shù)傳終端。

選用基于32 位單片機的數(shù)據(jù)采集傳輸設備，支持采集工業(yè)現(xiàn)場的變送器輸出各種數(shù)字量，模擬量；可以輸出控制信號，繼電器輸出；支持RS232 和 RS485 通訊，GPRS-DTU將串口數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)化，并通過無線通信網(wǎng)絡發(fā)送的終端設備； ModBus-RTU通訊協(xié)議，支持便捷的與與上位機通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和工業(yè)組態(tài)的監(jiān)控。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測點及短信區(qū)域布點

根據(jù)要求，系統(tǒng)應達到能夠?qū)崟r采集用戶計量及配氣站的10分鐘用氣數(shù)據(jù)、歷史日用氣數(shù)據(jù)、氣表工作狀態(tài)等信息，準確抄收用戶所需數(shù)據(jù)資料。及時采集用氣數(shù)據(jù)，用氣監(jiān)測終端內(nèi)嵌GPRS無線通信模塊，基于通信運營商網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)將輸氣線路各節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至燃氣公司監(jiān)測主站數(shù)據(jù)庫服務器中。

現(xiàn)場監(jiān)測點為本區(qū)域燃氣公司所屬重要配氣站、CNG加氣站、用氣量大的酒店等6個地點。

系統(tǒng)短信設置支持人員劃分，可根據(jù)不同設備的具體管理人員設置相應的手機號碼，及時將設備狀態(tài)短信發(fā)送到規(guī)定的責任人手機上，便于收信人員自我區(qū)域的界定。當發(fā)生異常情況時，系統(tǒng)會自動將發(fā)生地，設備名稱、狀態(tài)、時間等信息發(fā)送到責任人手機上。

4.3 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境及工具

系統(tǒng)采用的軟件配置如下：操作系統(tǒng)Windows XP； 數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008；開發(fā)工具Microsoft Visio Studio .net 2008。保證了系統(tǒng)的性能與可維護水平高，

系統(tǒng)采用的硬件配置如下：CPU：Intel Pentium1GB或其他更高檔微處理器。內(nèi)存：512MB，更多的內(nèi)存能加快軟件運行速度。硬盤：300GB以上。保證了系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運行。

5 總結(jié)

本文結(jié)合重慶市區(qū)燃氣管網(wǎng)的運行現(xiàn)狀，采用三層B/S體系結(jié)構(gòu)，設計與實現(xiàn)了燃氣管網(wǎng)安全隱患監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遠程監(jiān)控終端、監(jiān)控管理子系統(tǒng)、監(jiān)控信息子系統(tǒng)組成。實現(xiàn)了燃氣管網(wǎng)24小時全天監(jiān)測，一旦發(fā)生事故，迅速通過短信方式報警，并提供準確的地點和事故狀態(tài)，以便工程人員及時排出故障與險情。同時，管理人員可以及時查詢系統(tǒng)中存儲的歷史數(shù)據(jù)和當前燃氣管網(wǎng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患的潛在因素?，F(xiàn)場測試與使用表明，該系統(tǒng)一定程度上減輕了人工巡查耗時，降低勞動強度，提高工作效率。下一步將在此基礎上，進一步完善此系統(tǒng)的功能，在更大范圍推廣使用。

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