《工业控制计算机》２００８年２１卷第２期３３
天然气集输管道监测系统的研究与应用
ＳｔｕｄｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＧａｓＣｏｌｌｅｃｔＰｉｐｅｌｉｎｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
李战平１，２
雷红妮１
王宏仂１
（１长庆油田公司第二采气厂，陕西榆林７１９０００；
２长庆油田公司长北天然气开发项目经理部，陕西西安７１００２１）
摘
要
提出利用声纳技术，研制天然气集输管道监测系统。首先对声纳技术进行了简要的介绍，接着对以声纳技术为基础的天然气集输管道监测系统的原理、结构组成、功能及现场安装进行了详细论述，最后指出该系统在安装和使用过程中需要注意的问题。
关键词：声纳技术，管道监测，现场安装
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｏｕｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｍｅｌａｂｏｒａｔｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｇａｓｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｏｕｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｉｎａｌｌｙｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈｅｑｕｅｓｔｉｏｎｗｈｉｃｈｎｅｅｄｓｔｏｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｔｈｅｉｎｓｔａｌｌｉｎｇａｎｄｕｓｉｎｇｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｓｏｕｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ
ｍｏｎｉｔｏｒ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ
基于声纳技术的天然气集输管道监测系统，采用太阳能供电，无线数据传输，能探测出距离探测点５ｋｍ以内的天然气管道附近的振动声，及时判断集输管道是否遭遇破坏并准确定位，实现了对天然气管道的运行状态进行实时监测。该系统通过探测元件检测管道附近的振动声音，并对声音信号进行Ａ／Ｄ转换、滤波处理和识别，然后通过通讯线路将数据发送到主控计算机；主控机通过声音监控程序，根据声强度计算出声源的距离，同时进行报警。
声纳就是利用声波对水下物体进行探测和识别、定位的方法及所用设备的总称。它可以分为主动声纳（有源声纳）和被动声纳（无源声纳）两大类。主动声纳由发射机、声阵、接收机（包括信号处理器）、显示控制台几个部分组成，它是向水中发射声波，通过接收水下物体反射回波发现目标，并测量其参量；通过发射脉冲和回波到达的时间差来估计目标距离；通过测量接收声阵中两子阵间的相位差得到测定目标方位。被动声纳由接收声阵、接收机（信号处理）和显示控制台三部分组成，它是通过接收目标的辐射噪声探测目标并测定其参量。
号以及声源的类型，然后再将处理过的有用数据通过通信线路传输到主控机。
主控机是一台装有管道监测系统软件的计算机，它所使用的操作系统为ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ，并且带有ＲＳ－２３２串行通信接口、网卡、声卡和音箱，一般设置在管道首站或末站。用于分析探测单元的信号，计算出声源的距离，并以指示灯和声音报警的方式报告给值班人员。
数据传输单元主要实现探测单元和主控机之间的数据通从站及太阳能电源组成。电台主站在主控机讯，它由电台主站、
室，从站在各探测单元。主控机附近的探测单元可以直接与主控机通过电缆连接，采用ＲＳ－２３２串口进行通信；管道中途的探测单元通过数字电台与主控机进行通信。主控机可以直接连接到我厂的局域网上，将数据传输到
ＳＣＡＤＡ系统。由于中途探测单
元和数传电台缺乏电源，一般采用太阳能电池供电。
１系统构成
１．１系统硬件组成
天然气集输管道监测系统硬件设备主要由探测单元、主控机和数据传输单元三部分组成。
探测单元分为传感器和信号处理设备两部分，安装在管道旁边。它主要是采集管道附近的振动声音，并对声音信号进行滤波处理和识别，并将数据发送到主控计算机。每个Ａ／Ｄ转换、
探测单元只能监测５ｋｍ左右的管线，对于长距离传输管道来说，必须安装多个探测单元，系统的探测单元数量可以任意增减。信号处理设备主要包括放大器、Ａ／Ｄ转换器、ＤＳＰ信号处理器、通信接口等。传感器将天然气管道附近的所有声音信号由电缆传送到信号处理设备；经采样保持、Ａ／Ｄ转换，输入ＤＳＰ数字处理器；ＤＳＰ数字处理器对数字音频信号进行滤波、去除环境噪声等处理，再对其进行频谱分析、模式识别，分辨有无声音信
１．２系统软件组成
系统软件包括主控机软件和ＤＳＰ信号处理器软件。
主控机软件主要完成系统初始化、参数设置、系统检查、向现场设备发送指令、接收现场设备的监控结果并进行综合判断、报警等功能。软件包括信息综合处理模块和信息输出模块。信息综合处理模块主要完成接收各路声纳探头的报警信息，并对其加以综合分析，以确认是否有人在钻管道或管道附近是否有人
图１
主控机工作流程
３４
在施工，以及确定他们的准确位置。
输出模块将声源的类型和位置用图形和文本的方式在ＰＣ机屏幕上显示，并用声音报警。其工作流程如图１所示。
ＤＳＰ信号处理器软件主要完成接收主控机的指令并完成
系统初始化、初始参数设置、自检检查、声音信号接收处理和识别等功能。其工作流程如图２所示。
图２
ＤＳＰ
软件工作流程
２系统安装与调试
２．１系统安装
此系统目前安装在我厂榆１０集气站至榆９集气站之间的输气支线上，示意图如图３所示。
图３
系统硬件安装示意图
主控机安装在榆９站的值班室，３个探测单元分别安装在榆１０站外输管道出站处、支线管道中间位置和支线进榆９站入口处。前两个探测单元要安装太阳能电池和电台从站，电台主站安装在榆９站。将传感器紧贴在天然气管道的外壁，固定牢靠，并用胶密封，信号处理设备和太阳能电源的电池组各放在一个防水防爆箱内，与电台发射器、太阳能板一起安装在管道旁。支线进榆９站入口处的探测单元直接与主控机通过电缆连接，榆１０站外输管道出站处、支线管道中间位置的探测单元通过数字电台与主控机进行通信。
在榆９站的主控计算机上需要安装主控机软件和ＤＳＰ信号处理器软件，负责信号的采集处理和系统的监控，主控计算机通过数字电台传输，得到探测单元的数据，就可以判断管线周围是否有异常声响，计算出声源的距离，并以指示灯和声音报警的方式报告给值班人员。
２．２系统运行测试
给现场设备供电，运行主控机桌面上的“管线监测系统”程序。程序主界面上有一个“系统设置”按钮，一个“系统自检”按钮，一个报警正确概率指示条，一个报警指示灯，此外还有“启
天然气集输管道监测系统的研究与应用
动”、“停止”、“清除”、“退出”等按钮。
“报警指示灯”，当主控计算机综合现场设备的监控结果得出天然气管道附近有施工的结论后，使该指示灯闪烁进行报警，当到达设定的报警时间长度或人工点击“清除”按钮后，该指示灯停止闪烁。
“系统设置”按钮，主要完成对主控计算机和现场设备的初始参数设置。点击“系统设置”按钮后，在“参数设置”面板中设置系统的工作参数，检测门限参数用于设置现场设备在多长时间内检测到至少多少次挖掘声音波形，可以断定有挖掘机在管线附近施工。它是探测挖掘机施工的一个门限。声源类型用于选择不同的声音作为监控对象。声音报警选择项用于选择报警时是否采用声音方式；“串口１波特率设置”和“串口２波特率设置”设置栏用于设置计算机ＣＯＭ１和ＣＯＭ２的通信速率。
“系统自检”按钮主要完成对现场设备和主控计算机的检查。点击“系统自检”按钮后，主控计算机向现场设备发出“系统检查”指令，现场设备进行自检并将检查结果发送给主控计算机。“系统自检”时如果出现故障，需要对现场设备作相应的检查维修。
“启动”按钮用于启动现场设备开始工作。点击“启动”按钮后，主控计算机向现场设备发送“开始工作”指令，现场设备开始从天然气管道中采集数据。
“停止”按钮用于停止现场设备的工作。点击“停止”按钮后，
主控计算机向现场设备发送“停止工作”指令，现场设备停止从天然气管道中采集数据。
“清除”用于清除主控计算机和现场设备中储存的以前的监控结果，如果设备正处于报警状态，“清除”操作会停止当前的指示灯报和声音报警。
“退出”按钮用于关闭主控机程序。
３设计和安装时的注意事项
１）系统在设计前要详细了解影响天然气管道安全的主要因
素以及主要的噪音源，要取足取准数据，以便建立完善的噪音资源库，编制相应的识别软件。
２）尤其要重视无线信号的场强测试。
在外围站安装前，由安装在榆９站的电台主站发送信号，每一个从站安装处都要进行
场强测试，应无明显的同频干扰和异频互调干扰，信号电平应在
２０ｄＢ以上。
３）在多山地区若无线信号受影响可设立中继站。
４）探测单元的设备要进行密封处理、
还要考虑防盗措施，出现问题要立即查看。
４结束语
天然气集输管道监测系统自２００６年４月投运以来，系统
运行可靠、稳定，实现了对天然气管线运行状态的全天候监控，确保了管线的安全平稳运行，最大限度的降低了管理成本。该系统的成功应用不仅填补了我厂在长输管线监控上的空白，还实现了与我厂ＳＣＡＤＡ系统的连接，使我厂生产监控系统更加集中和完善。
参考文献
［１］袁明厚．地下管线检测技术［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００６［２］李宏昌，王炳合．声纳技术的应用及其最新进展［Ｊ］．物理，２００１，３０（８）［３］周霖．ＤＳＰ信号处理技术应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４．１［４］李战平，周庆，雷红妮，等．无线数据传输系统在气田的研究与应用．
石油化工应用［Ｊ］，２００５，２４（４）
［收稿日期：２００７．１０．１５］
《工业控制计算机》２００８年２１卷第２期３３
天然气集输管道监测系统的研究与应用
ＳｔｕｄｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＮａｔｕｒａｌＧａｓＣｏｌｌｅｃｔＰｉｐｅｌｉｎｅＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
李战平１，２
雷红妮１
王宏仂１
（１长庆油田公司第二采气厂，陕西榆林７１９０００；
２长庆油田公司长北天然气开发项目经理部，陕西西安７１００２１）
摘
要
提出利用声纳技术，研制天然气集输管道监测系统。首先对声纳技术进行了简要的介绍，接着对以声纳技术为基础的天然气集输管道监测系统的原理、结构组成、功能及现场安装进行了详细论述，最后指出该系统在安装和使用过程中需要注意的问题。
关键词：声纳技术，管道监测，现场安装
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｏｕｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｍｅｌａｂｏｒａｔｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｇａｓｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｔｈａｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｏｕｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｉｎａｌｌｙｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈｅｑｕｅｓｔｉｏｎｗｈｉｃｈｎｅｅｄｓｔｏｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｔｈｅｉｎｓｔａｌｌｉｎｇａｎｄｕｓｉｎｇｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｓｏｕｎｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ
ｍｏｎｉｔｏｒ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ
基于声纳技术的天然气集输管道监测系统，采用太阳能供电，无线数据传输，能探测出距离探测点５ｋｍ以内的天然气管道附近的振动声，及时判断集输管道是否遭遇破坏并准确定位，实现了对天然气管道的运行状态进行实时监测。该系统通过探测元件检测管道附近的振动声音，并对声音信号进行Ａ／Ｄ转换、滤波处理和识别，然后通过通讯线路将数据发送到主控计算机；主控机通过声音监控程序，根据声强度计算出声源的距离，同时进行报警。
声纳就是利用声波对水下物体进行探测和识别、定位的方法及所用设备的总称。它可以分为主动声纳（有源声纳）和被动声纳（无源声纳）两大类。主动声纳由发射机、声阵、接收机（包括信号处理器）、显示控制台几个部分组成，它是向水中发射声波，通过接收水下物体反射回波发现目标，并测量其参量；通过发射脉冲和回波到达的时间差来估计目标距离；通过测量接收声阵中两子阵间的相位差得到测定目标方位。被动声纳由接收声阵、接收机（信号处理）和显示控制台三部分组成，它是通过接收目标的辐射噪声探测目标并测定其参量。
号以及声源的类型，然后再将处理过的有用数据通过通信线路传输到主控机。
主控机是一台装有管道监测系统软件的计算机，它所使用的操作系统为ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ，并且带有ＲＳ－２３２串行通信接口、网卡、声卡和音箱，一般设置在管道首站或末站。用于分析探测单元的信号，计算出声源的距离，并以指示灯和声音报警的方式报告给值班人员。
数据传输单元主要实现探测单元和主控机之间的数据通从站及太阳能电源组成。电台主站在主控机讯，它由电台主站、
室，从站在各探测单元。主控机附近的探测单元可以直接与主控机通过电缆连接，采用ＲＳ－２３２串口进行通信；管道中途的探测单元通过数字电台与主控机进行通信。主控机可以直接连接到我厂的局域网上，将数据传输到
ＳＣＡＤＡ系统。由于中途探测单
元和数传电台缺乏电源，一般采用太阳能电池供电。
１系统构成
１．１系统硬件组成
天然气集输管道监测系统硬件设备主要由探测单元、主控机和数据传输单元三部分组成。
探测单元分为传感器和信号处理设备两部分，安装在管道旁边。它主要是采集管道附近的振动声音，并对声音信号进行滤波处理和识别，并将数据发送到主控计算机。每个Ａ／Ｄ转换、
探测单元只能监测５ｋｍ左右的管线，对于长距离传输管道来说，必须安装多个探测单元，系统的探测单元数量可以任意增减。信号处理设备主要包括放大器、Ａ／Ｄ转换器、ＤＳＰ信号处理器、通信接口等。传感器将天然气管道附近的所有声音信号由电缆传送到信号处理设备；经采样保持、Ａ／Ｄ转换，输入ＤＳＰ数字处理器；ＤＳＰ数字处理器对数字音频信号进行滤波、去除环境噪声等处理，再对其进行频谱分析、模式识别，分辨有无声音信
１．２系统软件组成
系统软件包括主控机软件和ＤＳＰ信号处理器软件。
主控机软件主要完成系统初始化、参数设置、系统检查、向现场设备发送指令、接收现场设备的监控结果并进行综合判断、报警等功能。软件包括信息综合处理模块和信息输出模块。信息综合处理模块主要完成接收各路声纳探头的报警信息，并对其加以综合分析，以确认是否有人在钻管道或管道附近是否有人
图１
主控机工作流程
３４
在施工，以及确定他们的准确位置。
输出模块将声源的类型和位置用图形和文本的方式在ＰＣ机屏幕上显示，并用声音报警。其工作流程如图１所示。
ＤＳＰ信号处理器软件主要完成接收主控机的指令并完成
系统初始化、初始参数设置、自检检查、声音信号接收处理和识别等功能。其工作流程如图２所示。
图２
ＤＳＰ
软件工作流程
２系统安装与调试
２．１系统安装
此系统目前安装在我厂榆１０集气站至榆９集气站之间的输气支线上，示意图如图３所示。
图３
系统硬件安装示意图
主控机安装在榆９站的值班室，３个探测单元分别安装在榆１０站外输管道出站处、支线管道中间位置和支线进榆９站入口处。前两个探测单元要安装太阳能电池和电台从站，电台主站安装在榆９站。将传感器紧贴在天然气管道的外壁，固定牢靠，并用胶密封，信号处理设备和太阳能电源的电池组各放在一个防水防爆箱内，与电台发射器、太阳能板一起安装在管道旁。支线进榆９站入口处的探测单元直接与主控机通过电缆连接，榆１０站外输管道出站处、支线管道中间位置的探测单元通过数字电台与主控机进行通信。
在榆９站的主控计算机上需要安装主控机软件和ＤＳＰ信号处理器软件，负责信号的采集处理和系统的监控，主控计算机通过数字电台传输，得到探测单元的数据，就可以判断管线周围是否有异常声响，计算出声源的距离，并以指示灯和声音报警的方式报告给值班人员。
２．２系统运行测试
给现场设备供电，运行主控机桌面上的“管线监测系统”程序。程序主界面上有一个“系统设置”按钮，一个“系统自检”按钮，一个报警正确概率指示条，一个报警指示灯，此外还有“启
天然气集输管道监测系统的研究与应用
动”、“停止”、“清除”、“退出”等按钮。
“报警指示灯”，当主控计算机综合现场设备的监控结果得出天然气管道附近有施工的结论后，使该指示灯闪烁进行报警，当到达设定的报警时间长度或人工点击“清除”按钮后，该指示灯停止闪烁。
“系统设置”按钮，主要完成对主控计算机和现场设备的初始参数设置。点击“系统设置”按钮后，在“参数设置”面板中设置系统的工作参数，检测门限参数用于设置现场设备在多长时间内检测到至少多少次挖掘声音波形，可以断定有挖掘机在管线附近施工。它是探测挖掘机施工的一个门限。声源类型用于选择不同的声音作为监控对象。声音报警选择项用于选择报警时是否采用声音方式；“串口１波特率设置”和“串口２波特率设置”设置栏用于设置计算机ＣＯＭ１和ＣＯＭ２的通信速率。
“系统自检”按钮主要完成对现场设备和主控计算机的检查。点击“系统自检”按钮后，主控计算机向现场设备发出“系统检查”指令，现场设备进行自检并将检查结果发送给主控计算机。“系统自检”时如果出现故障，需要对现场设备作相应的检查维修。
“启动”按钮用于启动现场设备开始工作。点击“启动”按钮后，主控计算机向现场设备发送“开始工作”指令，现场设备开始从天然气管道中采集数据。
“停止”按钮用于停止现场设备的工作。点击“停止”按钮后，
主控计算机向现场设备发送“停止工作”指令，现场设备停止从天然气管道中采集数据。
“清除”用于清除主控计算机和现场设备中储存的以前的监控结果，如果设备正处于报警状态，“清除”操作会停止当前的指示灯报和声音报警。
“退出”按钮用于关闭主控机程序。
３设计和安装时的注意事项
１）系统在设计前要详细了解影响天然气管道安全的主要因
素以及主要的噪音源，要取足取准数据，以便建立完善的噪音资源库，编制相应的识别软件。
２）尤其要重视无线信号的场强测试。
在外围站安装前，由安装在榆９站的电台主站发送信号，每一个从站安装处都要进行
场强测试，应无明显的同频干扰和异频互调干扰，信号电平应在
２０ｄＢ以上。
３）在多山地区若无线信号受影响可设立中继站。
４）探测单元的设备要进行密封处理、
还要考虑防盗措施，出现问题要立即查看。
４结束语
天然气集输管道监测系统自２００６年４月投运以来，系统
运行可靠、稳定，实现了对天然气管线运行状态的全天候监控，确保了管线的安全平稳运行，最大限度的降低了管理成本。该系统的成功应用不仅填补了我厂在长输管线监控上的空白，还实现了与我厂ＳＣＡＤＡ系统的连接，使我厂生产监控系统更加集中和完善。
参考文献
［１］袁明厚．地下管线检测技术［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００６［２］李宏昌，王炳合．声纳技术的应用及其最新进展［Ｊ］．物理，２００１，３０（８）［３］周霖．ＤＳＰ信号处理技术应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４．１［４］李战平，周庆，雷红妮，等．无线数据传输系统在气田的研究与应用．
石油化工应用［Ｊ］，２００５，２４（４）
［收稿日期：２００７．１０．１５］