基于GPS授時(shí)及時(shí)鐘細(xì)分的管線破壞定位

摘  要：為了保證管道輸送的正常運(yùn)行，對(duì)管道進(jìn)行破壞預(yù)警監(jiān)測(cè)具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，快速、準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點(diǎn)是預(yù)警監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)了管道預(yù)警監(jiān)測(cè)及定位的系統(tǒng)方案，分析了其監(jiān)測(cè)定位原理，并指出破壞聲波信號(hào)傳輸至上、下游相鄰各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)間差是影響精確定位的主要因素，詳細(xì)闡述了運(yùn)用GPS授時(shí)為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步細(xì)分技術(shù)，更精確地捕獲聲波信號(hào)到達(dá)相鄰各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)效果良好。為快速、精確定位破壞事發(fā)位置提供一種新的有效的技術(shù)。
關(guān)鍵詞：GPS；時(shí)鐘細(xì)分；管線；破壞；定位

1 引言
管道運(yùn)輸業(yè)具有成本低、節(jié)省能源、安全性高、傳送距離長(zhǎng)及供給穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在運(yùn)輸液體、氣體和漿液等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其在石油、化工、天然氣及城市供水等產(chǎn)業(yè)中有著不可替代的作用。我國(guó)管道建設(shè)在近二十年得到了快速的發(fā)展，并且在十一五發(fā)展規(guī)劃中明確提出還要建設(shè)四大油氣管道。

隨著管齡的增長(zhǎng)，由于自然損壞造成的泄漏變得日益嚴(yán)重，特別是在各大采油作業(yè)區(qū)及廣遠(yuǎn)的輸油氣管路上，人為破壞偷盜現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。管道泄漏不僅會(huì)影響管道輸送的正常進(jìn)行，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而且當(dāng)輸送有毒害、腐蝕性、易燃易爆的介質(zhì)時(shí)，還會(huì)污染環(huán)境，引起火災(zāi)爆炸事故。因此，對(duì)管道泄漏的檢測(cè)及破壞點(diǎn)定位具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

引發(fā)管道泄漏事故的種種原因中，人為蓄意破壞(打孔、切割、鉆孔)已超過(guò)自然因素而位居首位[2]，因此，研究管道安全受到威脅或剛遭受破壞時(shí)就能檢測(cè)定位的預(yù)警系統(tǒng)可防患于未然?？焖?、準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點(diǎn)又是預(yù)警監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，本設(shè)計(jì)采用GPS基準(zhǔn)時(shí)鐘細(xì)分技術(shù)精確獲得特征信號(hào)傳輸至各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)刻，通過(guò)時(shí)間標(biāo)簽的差值計(jì)算和監(jiān)控站點(diǎn)之間的距離分別獲取特征信號(hào)向上游和下游傳播的速度，進(jìn)而確定管道破壞的準(zhǔn)確位置。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及定位原理
2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，由若干個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)、一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)中心構(gòu)成[3]。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)沿管線分布，負(fù)責(zé)信號(hào)的收集、信息處理和發(fā)送。數(shù)據(jù)服務(wù)中心的計(jì)算機(jī)具備IP地址，通過(guò)Internet網(wǎng)和GPRS無(wú)線信道，利用數(shù)據(jù)傳輸終端(DTU)與管道智能檢測(cè)終端單元(RTU)實(shí)時(shí)透明傳輸數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)傳輸管線工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、破壞點(diǎn)定位等綜合管理功能。

圖1  管線破壞預(yù)防監(jiān)測(cè)及其定位系統(tǒng)

系統(tǒng)工作過(guò)程：在管線的相鄰四個(gè)站點(diǎn)上各安裝一只聲壓傳感器，探頭伸入到管道內(nèi)部與管內(nèi)流體相接觸，當(dāng)管路中部某處遭受破壞或發(fā)生泄漏時(shí)，破壞點(diǎn)的特征聲波分別沿管線向兩端傳播至聲壓傳感器，聲波信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后，提取能表征此聲波信號(hào)的特征參數(shù)；當(dāng)特征參數(shù)與模式訓(xùn)練得到的模式特征相匹配時(shí)，立即啟動(dòng)同步時(shí)鐘中斷程序并記下特征聲波到達(dá)的時(shí)刻，以便與特征聲波信號(hào)到達(dá)另外站點(diǎn)的時(shí)刻比較，為破壞點(diǎn)位置計(jì)算做好準(zhǔn)備；特征聲波在流體中的傳播速度和各站點(diǎn)的時(shí)鐘同步精度決定著破壞點(diǎn)的定位精度，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間，可提供TTL電平秒脈沖，通過(guò)時(shí)鐘細(xì)分處理可以獲得更加精確的秒內(nèi)時(shí)間信息；貼有時(shí)間標(biāo)簽的特征聲波信號(hào)經(jīng)編碼以后，以GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)設(shè)備為數(shù)據(jù)終端單元(DTU)，以移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸通道，并在此信道上提供TCP/IP連接，將測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

2.2 定位原理
當(dāng)聲壓傳感器接收到特征聲波信號(hào)后，依據(jù)此特征信號(hào)傳播至上下監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的時(shí)間差和管內(nèi)聲波的傳播速度可計(jì)算出破壞點(diǎn)的位置。傳播介質(zhì)的壓力分布和密度分布以及介質(zhì)的物理形態(tài)等因素都將影響聲波的傳播速度。另外，還要考慮流體本身的流動(dòng)速度的影響，因?yàn)樘卣髀暡ㄏ蛏嫌蝹鞑ツ嬷黧w的流動(dòng)方向，而向下游則是順著流體的流動(dòng)方向，因此采用圖2所示的定位原理，具有很快的響應(yīng)速度和較高的定位精度。

圖2  定位原理示意圖

其中 ：

D  — 管線中兩監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1、2之間的距離，m；

s  — 破壞點(diǎn)距上游站點(diǎn)1的距離，m；

△s — 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)1與3、2與4之間的已知距離，m；

t0    — 聲波信號(hào)產(chǎn)生時(shí)刻，s；

t1，t2， t3，t4— 聲波信號(hào)傳播至站點(diǎn)1、2、3、4的時(shí)刻，s；

△t13,△t24 ,△t12,△t01,△t02—分別為兩站點(diǎn)1與3，2與4，1與2，站點(diǎn)1，站點(diǎn)2接收到聲波信號(hào)的時(shí)間差，s；

聲波沿管線向上、下游的傳播速度分別為：

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

根據(jù)已知條件列出定位方程：   

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

將式(1)代入式 (2)整理得定位公式：

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

由式(3)知，只要管線中上、下游各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)準(zhǔn)確接收到貼有時(shí)間標(biāo)簽的特征聲波信號(hào)，即可精確確定破壞點(diǎn)位置。

3 基于GPS基準(zhǔn)時(shí)鐘同步與細(xì)分
3.1現(xiàn)場(chǎng)處理單元
現(xiàn)場(chǎng)處理單元是采集、處理和傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，包括核心處理單元、聲壓傳感器、聲音識(shí)別單元、GPS接收裝置以及GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線通訊裝置等。圖3為現(xiàn)場(chǎng)處理單元的各部分硬件連接關(guān)系。

圖3  RTU系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)場(chǎng)處理單元利用C8051F020單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，不用另行擴(kuò)展串口、ROM以及RAM。MCU有兩個(gè)硬件串口，這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨(dú)立的，而且不占用定時(shí)器，使用起來(lái)相當(dāng)靈活，分別對(duì)GPS授時(shí)模塊和GPRS DTU通信。GPS模塊把時(shí)間信息以固定的格式從串口發(fā)出，MCU接收GPS模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)，解析出其中有用的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后以規(guī)定的格式通過(guò)第2個(gè)串口交給GPRS DTU，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送上Internet網(wǎng)。

3.2 GPS基準(zhǔn)時(shí)鐘同步
破壞點(diǎn)定位需要已知特征聲波信號(hào)傳播至上下游各站點(diǎn)的時(shí)刻，顯然，如果想得到準(zhǔn)確的時(shí)間差 ，必須保證用于分析的數(shù)據(jù)其起始時(shí)間保持一致。否則，即使能夠準(zhǔn)確捕捉到聲波的到達(dá)時(shí)刻，也會(huì)因?yàn)樾盘?hào)的起始時(shí)間不一致而得到有偏差的 。站點(diǎn)采樣時(shí)刻不同步，以此計(jì)算出的時(shí)間差就毫無(wú)意義，更談不上精確定位。因此，選用一個(gè)精度較高的授時(shí)系統(tǒng)以提供各站點(diǎn)的統(tǒng)一時(shí)間非常重要。

常規(guī)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生方法都存在一定的問(wèn)題，定位精度不能滿(mǎn)足要求。如晶體會(huì)老化，易受外界環(huán)境變化影響；原子鐘長(zhǎng)期使用后也會(huì)產(chǎn)生偏差，需要定時(shí)校準(zhǔn)。在本設(shè)計(jì)中，解決這一問(wèn)題的途徑是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)為各站點(diǎn)統(tǒng)一授時(shí)，保證各站點(diǎn)時(shí)鐘同步，同時(shí)在采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)加入其被采集到的時(shí)間信息，從而減少誤差。

GPS向全球范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位的功能，全球任何地點(diǎn)的GPS用戶(hù)通過(guò)低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[4]。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將遠(yuǎn)程終端裝置RTU嵌入GPS信號(hào)接收裝置，定時(shí)校準(zhǔn)采樣時(shí)鐘，各遠(yuǎn)程終端裝置都以校準(zhǔn)的采樣時(shí)鐘為采樣依據(jù)，徹底解決了分布系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘不同步問(wèn)題。

選用Trimble Lassen SQ/IQ GPS接收模塊，使用NEMA0183格式的GPZDA數(shù)據(jù)信息。當(dāng)GPS接收器與GPS時(shí)鐘同步后，即會(huì)接收到信息。其格式為$ GPZDA，hhmmss.ss，xx，xx，xxxx，，*hh。信息包含時(shí)，分，秒，日，月，年以及加和校驗(yàn)等。

3.3時(shí)鐘細(xì)分
GPS時(shí)間信息與秒脈沖同步，每秒發(fā)一個(gè)脈沖，若接收時(shí)刻處于兩相鄰秒脈沖之間時(shí)，僅讀取GPS UTC時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大誤差，為使定位更加精確，對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行了細(xì)分。C8051F020單片機(jī)16位定時(shí)器有高字節(jié)和低字節(jié)兩個(gè)寄存器，計(jì)數(shù)最大可以達(dá)65536，經(jīng)編程使每個(gè)機(jī)器周期為20μs，定時(shí)時(shí)間可以到1.31s，足以完成在每秒中斷內(nèi)的時(shí)間定時(shí)。賦值高字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerH，低字節(jié)數(shù)據(jù)給變量timerL，經(jīng)過(guò)處理?yè)Q算為十進(jìn)制數(shù)值即為計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，再乘以20μs可以得到準(zhǔn)確的秒內(nèi)定時(shí)時(shí)間，賦值給一個(gè)存儲(chǔ)定時(shí)時(shí)間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)timerTime，精度可達(dá)到20μs。圖4為時(shí)鐘同步與細(xì)分時(shí)序圖，C8051F020程序流程圖如圖5所示。

圖4 時(shí)鐘同步與細(xì)分時(shí)序圖      

               圖5 核心處理單元程序流程圖

時(shí)鐘細(xì)分的工作過(guò)程為： C8051F020采用中斷方式接收GPS的UTC時(shí)間信息，每秒由GPS接收器的PPS產(chǎn)生INT0中斷，響應(yīng)中斷后，在INT0 中斷服務(wù)程序中，定時(shí)器先清零后啟動(dòng)，以便進(jìn)行時(shí)鐘細(xì)分，同時(shí)通過(guò)UART0接收GPS時(shí)間幀信息。當(dāng)下一個(gè)PPS觸發(fā)INT0時(shí)，同樣定時(shí)器先清零后啟動(dòng)，存儲(chǔ)時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新。這樣INT0中斷周而復(fù)始，每秒中斷一次；外部INT1由專(zhuān)用DSP芯片的P11端口觸發(fā)，且被設(shè)為最高優(yōu)先級(jí)，如果外部INT1中斷被觸發(fā)，表示聲音識(shí)別單元已經(jīng)將破壞聲波識(shí)別成功，主程序立即轉(zhuǎn)向INT1中斷服務(wù)程序，讀定時(shí)器的高字節(jié)和低字節(jié)寄存器的數(shù)據(jù)，CPU經(jīng)過(guò)處理將時(shí)間信息與GPS時(shí)間幀合并制成時(shí)間標(biāo)簽。

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
破壞信息報(bào)文包含年，月，日，時(shí)，分，秒，精度20 s的微秒時(shí)間信息以及破壞方式特征編碼等，例如如圖6所示：20060423  085026.82366  06，表示在2006年4月23日8時(shí)50分26秒823660微秒時(shí)刻，DSC接收到來(lái)自站點(diǎn)13573100603的破壞方式編碼為06信息報(bào)文。

圖6接收的報(bào)文信息

如果DSC接收到管線上下游各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的報(bào)文信息，解碼提取聲波信號(hào)傳播至各站點(diǎn)的時(shí)刻后，經(jīng)程序簡(jiǎn)單處理，對(duì)破壞方式進(jìn)行識(shí)別，并由公式(6)可以對(duì)破壞點(diǎn)進(jìn)行精確定位，理論誤差小于1m。

4結(jié)論
運(yùn)用GPS授時(shí)為基準(zhǔn)的時(shí)鐘同步細(xì)分技術(shù)，準(zhǔn)確獲得破壞特征聲波信號(hào)傳播至各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)刻，通過(guò)時(shí)間標(biāo)簽的換算可以分別確定破壞點(diǎn)特征信號(hào)向上游和下游傳播的速度，然后再利用時(shí)間標(biāo)簽的差值和各監(jiān)控站點(diǎn)之間的距離即可確定管道破壞的精確位置。實(shí)驗(yàn)中取得了良好效果。在管道安全受到威脅或造成破壞之前，提前發(fā)出警報(bào)，并快速準(zhǔn)確地判定事發(fā)地點(diǎn)，使被動(dòng)巡線轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)并有目標(biāo)地出擊，可有效遏制鉆孔盜竊現(xiàn)象，節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力，為國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)提供一種新的有效的技術(shù)保障。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：(1) 給出聲波沿管線不同方向傳播的速度測(cè)定方法，推導(dǎo)出實(shí)際破壞點(diǎn)定位的計(jì)算公式；(2) 將GPS授時(shí)及時(shí)鐘細(xì)分技術(shù)用于輸送管線各監(jiān)控站點(diǎn)的時(shí)鐘同步，提高破壞點(diǎn)定位精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸管線破壞精確定位的預(yù)警監(jiān)測(cè)。