基于智慧燃气安全监控云平台的设计与实现

基于智慧燃气安全监控云平台的设计与实现

魏代安

南京华润能源有限公司， 210000

摘要：燃气是城市运转的重要能量来源，但是燃气在运输和使用的过程中都具有一定的安全风险，为了保证燃气运输管理的安全，目前采用智慧燃气理念开展对燃气管线的安全管理。本文分析如何利用云技术开展智慧燃气安全监管平台建设，研究智慧燃气的内涵，总结建设方法和具体的实现方案。

关键词：智慧燃气；云平台；通信系统设计；实现

引言：智慧燃气是在智慧地球概念基础上提出的，强调建立燃气统一管理平台，并采用智能化技术驱动对燃气供应系统的管理。针对燃气系统规模的快速扩张，以及复杂性的提升，为快速实现对智慧燃气安全监控平台的部署，可以采用云技术建立云平台，实现对智慧燃气的云端安全监管。在建立云平台时，可以进行燃气泄漏点定位、泄漏点维护等工作，加快维护人员对各类燃气安全问题的反应速度，也能快速向用户推送安全数据，方便用户做出反应。

1 智慧燃气构成分析

根据对智慧地球的理解可以对智慧燃气进行如下定义：通过程序化处理燃气设备、网络、运营中产生的各项数据信息，进行燃气系统的集成和感知，并利用智能技术实现业务运营的智能化，能进行输配网络的空间化管理，并进行故障的定位，快速排除安全隐患、恢复燃气供应。智慧燃气大量应用物联网技术，以及使用计算机技术、互联网技术、地理信息技术，在管网建设、输配送、管网维护、安全管理等业务上开展数字化智能化管理。通过智慧燃气，能保证燃气输送的可持续性、安全、高效，能提升燃气的综合经济效益，推动城市能源供应的变革。

1.1 智能管网

管网中的管道、设备是燃气系统的基础，由于城市的扩张，以及管网系统内设备的增加，使得燃气管网的规模和复杂程度相比过去都有了明显提升，对管网系统的管理，燃气调度都变得更加复杂。燃气企业必须从现实情况出发，升级管网管理，解决燃气管网目前所面临的安全问题和威胁，而智能管网技术能够强化对管网系统的感知能力，集成各类软硬件和传感器，对各类安全状况做出快速反应，消除安全威胁。在智能技术大量引入之后，控制系统也能通过数学模型进行推算，分析管网系统运行状况发展趋势，以及结合大数据技术，提供管网控制的解决方案，快速进行管网运行状况的远程调控，实现管网的自愈合、自诊断，达到自我修复需求，降低管网的管理成本和保证安全。

1.2 智慧燃气控制系统

智慧燃气的控制系统利用各种传感器技术进行运行状态分析，通过对海量数据进行分析和处理，提供智能化的决策管理建议，给城市管网的管理人员提供辅助决策建议。目前控制系统已经形成了专业化的基础信息系统，利用管网的SCADA系统、工程项目管理系统、GIS管理系统，能快速完成对管网的控制和部署。同时，系统还具备很强的信息共享功能，建立了标准化的信息共享机制，能快速向客服中心、管理中心共享管理信息。在控制过程中，系统能对燃气进行智能化调度，使用动态方式管理燃气运行，实现全生命周期的管网管理，快速对各类危险状况做出预警。

2 智慧燃气关键技术

2.1 NB-IOT物联网技术

NB-IOT物联网技术扩大了物联网的应用范围和应用成本，传输数据时的功耗更低，而且网络覆盖面非常广，传输速率较快，网络建设成本很低。目前，已经有很多燃气行业的企业开始使用NB-IOT技术制造物联网设备，包括RTU、远传气表等等，并且获得了很好的应用效果。

2.2 云技术

云技术的特点在于利用云端服务器负责计算、储存等工作，能快速进行程序部署，降低企业的硬件采购成本。目前很多燃气公司都开始基于云技术建立智慧燃气云平台，进行更具信息化水平的服务。通过云平台建设，能够节省燃气公司的投资，避免了软件的重复购买，而且对IT维护人员的需求也明显降低，可以减少燃气公司普遍在技术上存在的短板，成为了目前建立智慧燃气管理平台的主要途径。

2.3 移动支付技术

智慧燃气平台提供移动远程支付服务，方便客户购买燃气、缴纳燃气费用，可以减少过去的燃气业务办理环节，降低办理难度，提升企业对燃气平台的掌控水平。

2.4 SCADA监控系统

SCADA系统全称是数据采集和监控系统，能获得系统数据并根据数据做出反馈、发出指令。围绕管网的监控需求，燃气企业都建立了十分全面的管网、设备SCADA监控系统，能够对监控场站、管网末端、阀门、管道位置、密闭空间进行监控，获得第三方破坏信息、管网沉降、泄露状况、重要客户对燃气的使用状况数据。随着智能化技术的大量引入，已经实现了对管网系统的全方位监控，能满足管网的智能化管理要求。

2.5 管网仿真技术

管网仿真技术融合了SCADA技术、GIS技术，通过对管网系统进行建模和传递管网信息，可以通过可视化界面查询管网的状态信息，实时监控管网状态。例如可以通过SCADA系统远程控制阀门开闭，调整燃气调度等等。目前该技术还可以和AR系统联合使用，配合智能技术可以进一步提升管网管理的智慧化水平。

3 基于智慧燃气的安全监控平台建设方法

3.1 云平台通信驱动系统架构分析

指挥燃气云平台通信驱动系统架构中，可以通过民用探测采集用户获得可燃气体的浓度，之后通过通信模块，使用5G等通信技术将数据同步到云平台。云平台中的信息驱动应用会和现场设备进行数据交换，之后再与数据库进行交换，服务器会对数据进行分析、处理和分类，将处理后的结果同步到数据库，以及通过web、手机应用推动、短信等方式将浓度信息反馈给用户。

3.2 用户采集层

用户采集层的主要作用在于采集终端用户燃气泄露状况，系统包括可燃气体探测器、切断阀、报警器等设备。民用探测器负责对周围环境中低浓度可燃气体探测，探测结果先通过探测器的电路传达给控制器，控制器会判断浓度是否超标，如果发现存在超标的情况，控制器会发出警报，控制阀门执行关闭操作。燃气泄露的浓度数据也能通过控制网络实时同步给安全监管控制云平台。为解决各个设备厂家通信协议不兼容的问题，还需要针对通信需求建立驱动通信协议，采用统一的标准开发通信驱动，满足通信系统稳定性要求，并减少云平台通信的开发难度和维护费用。

结合目前的工业总线应用情况，目前的MODBUS通信协议具有比较好的应用效果。该协议是串行通信协议，克集成于PLC中，是工业领域重要的通信总线协议之一。由于MODBUS的普遍应用，很多燃气设备厂家都有根据该标准开发的产品，使用该协议建立云平台通信模块，能降低开发难度，加快系统对各类燃气传感器信息的处理速度，就可以保证可燃气体泄露探测器满足远距离传递标准。

3.3 云平台驱动设计

云平台的驱动系统决定着系统的实时运行稳定性，在设计中，一方面要考虑当前对各各类功能的需求，同时也要考虑今后随着燃气管线规模继续扩大，对云平台驱动要求增加下的功能扩展、用户接入的需求，同时应通过开发降低维护和二次开发成本，方便维护人员通过简单培训就能进行信息接入工作，满足数据交换需求。

3.3.1 通信驱动模块设计要求

通用和可重复性。通讯模块需要使用组件模型对象技术进行研发，该技术是一种二进制和网络标准，使用该技术能满足跨平台、跨进程、跨设备、跨语言的通信需求，由于这类组件可以重复利用，而且具有标准化接口，因此被广泛使用。

可视化。可视化操作是目前软件开发的基本要求，在进行可视化设计时，要考虑管理人员的使用习惯和管网信息呈现需求，可以参考SCADA组态软件等进行开发设计，保证操作习惯的延续性，降低使用人员的学习成本。

可扩展性要求。通信模块的扩展性能保证未来对通信模块扩展功能，并方便开展维护，通信模块需要能支持很多不同类型的通信协议，以满足不同平台的信息接入需要。

多线程技术。目前多线程程序的开发是程序开发的主要方向，使用多线程技术可以同时对多个探测器的采集数据进行处理，满足采集效率需求。在开发过程中，开发中需要采用并发性的开发技术，通过多线程运行提升系统运行效率，但是也要有效避免大量并发线程导致程序崩溃。通信模块需要同时支持同步、异步两种工作方式，并且维护人员也要通过错开各类采集器的采集时间点，避免同时间出现并发过多的情况。

3.3.2 通信驱动模块设计

驱动程序需要具备可扩展性和可重复性，所以程序需要基于组件模型的动态链接库进行封装，通过将DLL分为设备配置、驱动管理、数据I/O接口三个模块，提升系统的运行速度。在系统维护的工作中，系统管理员一般通过设置设备的运行参数、通信参数对设备进行调整，通信驱动模块在设计中应充分考虑人员维护的需求，开发运行参数设置模块、通信参数调整模块，方便维护人员快速完成维护工作。通信驱动模块的核心是驱动管理模块，该模块可以控制现场设备，根据设备运行状态、通信需求配置设备，完成工作任务调度。数据I/O模块能进行数据设备数据采集和完成设备的数据交换。

设备配置模块设计。设备配置模块负责设备的配置、参数控制工作，该模块的设计主要内容在于提供设备配置界面，使用户可以快速浏览设备信息，并对设备的通信方式进行选择，以及定义采集点。设备配置界面需要提供3个窗口，分别为添加设备窗口、构建设备通信参数窗口和采集点组态窗口。通过不同的窗口，可以方便用户进行设备配置，后台会自动同步用户配置信息，驱动后台程序运行。

驱动管理模块设计。驱动管理模块是云平台驱动通信驱动开发的核心部分，能够进行现场设备驱动管理，以及根据需求加载、配置设备驱动，控制各类通信设备的运行，满足其他客户程序的访问需求，加快云端系统和用户泄露探头的交互速度。在程序开发的过程中，应考虑多线程技术的应用，并合理进行不同类型驱动的开发，采用一个驱动占据一个线程的设计方式，方便对不同类型设备数据的采集工作。

数据I/O模块设计。数据I/O模块的作用在于提供底层设备的通信接口，实现驱动模块护和底层设备之间的快速交互，达到操作底层设备的目的。软件应根据设备选择动态链接库，调用对应的驱动模块，设备的运行。为满足信息交互需求，模块开发应该以MODBUS为基数。

结束语：随着燃气应用更加广泛，以及燃气管线复杂性的提升，燃气的安全管理正变得比过去更加困难，为此需要引入智慧燃气技术加强对燃气的安全管理，建立起大覆盖面的安全监控系统。在安全管理平台建设中，需要使用统一的通信协议和通信标准，发挥云平台的性能优势，通过及逆行驱动模块架构的开发，满足性能和功能要求的同时，也方便维护、功能拓展，满足安全监管需求。

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