钱浩 赵春雷
[摘要]北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位与通信系统。本系统可以全天候全地域完成人类力不能及的一些事情，但国外少数发达国家已拥有基于gps的油路监测系统，而北斗卫星导航系统在这一方面的应用还存在很多空白，需要我们填补。本系统能及时发现输油管道内的险情，并发出警告信号，给予人们充分的时间进行准备，避免国家财产安全受到损害。
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关键词 ]北斗卫星；输油管道；泄漏监测；告警
1.研究背景及意义
2013年11月22日上午山东青岛黄岛经济开发区中石化黄淮输油管线泄漏引发重大爆然事故造成62人遇难，136人受伤的重大人员财产损失，这件事引起了中央地方各级领导们的高度重视，也产生了巨大的影响。本文提出的基于北斗卫星导航系统在输油管道泄漏监测方面的方案，可以很好的解决泄漏不能及时发现的难题，节省了很多人力物力，也能为国家在这方面的研究提供帮助。
2.设计方案
本设计是基于北斗卫星通讯，校时，定位的油路探测系统，主要分为三大模块，监测端、节点-北斗端、计算机监控中心端。整体工作流程为：1、监测端从油路起点放入，此时其为球状待机模式；2、待监测端经过一段油路的始节点时开始工作，主体展开，开始监测；3、当检测到油路有问题时，记录数据并存储；4、经过下一节点时，向节点-北斗端发送故障位置相关数据；5、节点-北斗端通过其短报文功能，经北斗卫星将故障信息发送至计算机监控中心端，并将北斗卫星传来的定位与授时信息传给监测端，用于其惯导模块的校准；6、当计算机监控中心端收到卫星传来的故障位置信息后，对其分析、危险等级评估及采取后续措施。
3.工作原理
3.1监测端。3.1.1硬件组成.本监测端主要由超声波探伤模块、惯性导航模块、无线电信息传输模块、供电模块、内置存储器、高性能的双核cell处理器及电控可伸缩支架等组成。3.1.2功能.此监测端主要是实现对管道的日常监测、漏点的查找，以及通过惯性导航对漏点进行定位。3.1.3详细工作原理。（一）支架。当监测端进入管道后，支架伸展开，中间的两个主支架中间安放超声波、惯导、无线电、供电、内置存储器、双核cell处理器等主模块。两端六个辅助支架的末端安装有万向轮。其中可伸缩支架由八个高强度的轻质电控可伸缩拉杆组成，每一个可伸缩拉杆可根据情况收缩。
当监测端在管道中行进时，辅助支架末端的万向轮将接近管壁，从而保证了监测端在流体中的稳定性。辅助支架可以随管道粗细的变换而伸缩。当管道直径发生变化，辅助支架可通过传感器的探测结果进行伸缩量的调整。（二）供电模块。供电模块主要采用微型风扇式发电机。微型风扇式发电机可通过扇叶的转动将流体的动能转化为扇叶的机械能再转化为电能，从而实现对其他耗电模块的供电。（三）处理器。本设计中拟采用双核cell处理器。它的优点是处理速度快、效率高，而且体积小、微型化，有利于更好更快的对收集到的数据进行处理，从而更高效的做出判断。（四）超声波探伤模块。此探伤模块可以向四周管壁发射超声波，超声波通过管壁反射回来被接受器接受。探伤模块的处理器可以对反射波进行综合的分析，并判断出是否存在漏点与裂痕。（五）内置存储器。此处的内部存储器选用flash闪存类存储器。Flash闪存是非易失性存储器，有很好的信息存储性能与读写性能，这正好满足监测端的存储需求。（六）惯性导航模块。惯性导航系统主要是以陀螺仪和加速度仪为主，对加速度进行时间的积分，并通过一系列的计算，从而得到其加速度、速度、位置等信息的导航系统。（七）无线电信息传输模块。由惯导模块测得的漏点位置信息暂时存储在内置存储器中，当监测端到达该段管道的末端节点时，无线电模块将会把信息传输给节点处的无线电接收端，并由该接收端将信息传给北斗模块。
3.2节点-北斗定位端。3.2.1结构及硬件组成。此部分由地上和地下（管道节点处）两大部分组成，而供电靠太阳能电池板供电。地上为北斗终端，地下为管道节点处的无线电信息传输设备（以下称为节点端），北斗端在节点端的正上方，两者通过有线方式连接进行信息传输。3.2.2功能及工作原理。（一）北斗端的双重功能。一方面，北斗端通过北斗卫星定位获得位置信息，并通过有线传输的方式传给节点端，再由其传给管中的监测端，从而为监测端中惯导模块提供校准位置信息；另一方面，当管内无线电模块传来漏点位置信息时，由节点端接收并且通过有线方式传给北斗端，并由其独有的短报文信息传输功能将位置信息及告警信息通过卫星传输出去。（二）节点端的双重功能。一方面，北斗端通过北斗卫星定位所得的位置信息需要通过此节点端传输给管中的监测端，从而实现监测端中惯导模块的位置校准；另一方面，惯导模块所得的漏点位置信息需要通过节点端传输给北斗端，并由北斗端进行短报文信息传输。（三）太阳能供电模块。由于节点-北斗端中的节点端和北斗端都需要长时间供电，而在地下的节点端处提供电源必然会增加电路的铺设难度，故本设计采用地上北斗端的太阳能供电。
3.3计算机监控中心端。依据北斗终端通过其独有的短报文从卫星传来的位置坐标信息及油路泄漏点的数量，大致确定漏油点以及告警等级；同时也会生成告警信号提示值班的监控工作人员，生成告警信号会以蜂鸣告警或语音告警的形式、警告灯闪烁等方式表现出来；在确认信息无误后，工作人员会采取一系列的后续措施，包括及时使相应管道段断流、派相关人员修理管道、通知消防部门协助等。告警点的位置坐标以及告警的等级都会在监控端的监控计算机中看到。
4.发展前景
本设计具有体积小、密封性强、抗震性好、质量轻、节能、环保等优点。通过上述模块相互间的运作，实现对油路的实时监测，并通过数据的处理及存储，获得地下管道的工作状态，对潜在的危险进行预警。此方案全程自动化，大大减少工作人员数目，降低公作风险。达到对漏点精准快报告，从而减少国家的财产人员损失。
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参考文献
[1]肖南峰.工业机器人.机械工业出版社,2011.
[2]许金刚.微处理器体系结构.科学出版社,2008.
[3]李跃.导航与定位:信息化战争的北斗星.第2版.国防工业出版社,2008.
[4]中国计划出版社.GB 50253—2003.输油管道工程设计规范.北京:中国计划出版社,2003.
作者简介
钱浩.男.汉族.江苏滨海.南京农业大学本科生.出生1993.12.17.
赵春雷.男.汉族.江苏滨海.中国民航大学本科生.出生1993.3.3.