ГАЗОТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ
GAS TRANSPORTATION SYSTEM AND METHOD OF OPERATING GAS TRANSPORTATION SYSTEM

Изобретение относится к газотранспортной системе и к способу эксплуатации газотранспортной системы. Газотранспортная система содержит по меньшей мере один электрически проводящий трубопровод, который соприкасается с почвой и изолирован относительно почвы. Кроме того, газотранспортная система содержит катодную защитную систему (Cathode Protection System, CPS), которая содержит множество расположенных в почве стержней заземления, которые электрически соединены каждый с почвой и электрически связаны с трубопроводом. Наконец, газотранспортная система содержит устройство связи, при этом для связи между устройствами связи предусмотрена возможность передачи данных через трубопровод.
Трубопроводы для транспортировки газов и жидкостей на большие расстояния обычно прокладываются в почве. Наибольшую опасность для трубопроводов представляют строительные работы, воровство, землетрясения и оползни. При этом наибольшую опасность представляют строительные работы, при которых происходит выемка почвы, так что отсутствие информации о присутствии трубопровода может приводить к его повреждению. Операторы трубопроводов пытаются сократить эту опасность с помощью соответствующих мер контролирования. При этом в зависимости от технического выполнения мер контролирования, осуществляют контролирование не только самого трубопровода, но также соседней зоны трубопровода.
Трудность контролирования трубопровода заключается, с одной стороны, в том, что необходимо отличать потенциально опасные события от других не критичных событий. Кроме того, желательно, чтобы устройство контролирования не было заметно снаружи, с целью исключения воровства компонентов устройства контролирования.
Трубопровод может проходить по нескольким сотням или тысячам километров. Обычно на расстоянии друг от друга примерно 150 км предусмотрены насосные станции и на расстоянии примерно 25 - 30 км - вентильные станции. Как насосные, так и вентильные станции подключены к сети связи, по которой осуществляется передача относящихся к контролированию данных в центр контролирования.
Устройства контролирования известны в различных вариантах выполнения. Например, для этого можно использовать микрофоны, выходные сигналы которых можно исследовать на предмет образцов критичных событий. В качестве альтернативного решения, можно осуществлять видеонаблюдение за трубопроводом с использованием видимого света или инфракрасного излучения. Недостатком является то, что микрофоны и видеокамеры должны быть расположены над землей. Однако из-за этого существует опасность повреждения вследствие вандализма или воровства. Кроме того, компоненты контролирования нуждаются во внешнем электроснабжении, которое можно обеспечивать либо в виде батарей, соответственно, аккумуляторов или солнечных элементов. Однако батареи, соответственно, аккумуляторы необходимо с регулярными интервалами заменять, за счет чего увеличивается стоимость обслуживания устройства контролирования. Предусмотрение кабельного электроснабжения, например, параллельно трубопроводу можно экономично осуществлять лишь при прокладке трубопровода. Последующая выемка грунта для отдельного электроснабжения экономически неприемлема.
С другой стороны, применение надземных блоков контролирования обеспечивает то преимущество, что связь с центральным блоком устройства контролирования можно простым образом реализовывать с помощью беспроводной связи. Применение проводной связи связано, в частности, при последующей установке устройства контролирования, с высокой стоимостью.
Применение сейсмических датчиков, которые расположены вблизи трубопровода в почве, обеспечивает то преимущество, что соответствующие блоки контролирования не распознаваемы снаружи и тем самым лучше защищены от вандализма и воровства. Однако затруднено электроснабжение и связь с центральным блоком контролирования, если не использовать заметные снаружи компоненты (солнечные элементы или антенны). Проводное электроснабжение, а также проводная связь с центральным устройством контролирования требует, с другой стороны, прокладки соответствующих проводов в почве.
Контролирование трубопровода возможно также с применением стекловолоконной линии, которая погружена в почву вдоль трубопровода. В стекловолокно подаются импульсы света, которые отражаются в нем. В случае деформации вследствие внешнего воздействия, получается измененный, распознаваемый образец отражения, который может быть локализован. Недостатком такого способа является то, что последующая установка требует полного извлечения почвы вдоль трубопровода и поэтому связана с большими расходами.
Кроме того, известно применение спутниковых фотографий для контролирования трубопровода. Однако трудно полностью контролировать всю длину трубопровода. Другой недостаток состоит в высокой стоимости эксплуатации.
Из US 6498568 В1 известна система связи для трубопровода, в которой связь между расположенными вдоль трубопровода узлами связи осуществляется через сам трубопровод. Электрически проводящий трубопровод, который изолирован относительно почвы, применяется в качестве проводника связи. При этом передаваемые сигналы накладываются на катодную защитную систему. В качестве схемы модуляции применяется FFSK (Fast Frequency Shift Keying = быстрая частотная манипуляция со сдвигом).
Задачей данного изобретения является создание газотранспортной системы, которая обеспечивает автономную работу расположенных вдоль трубопровода сенсорных блоков и возможность изготовления с меньшими затратами труда и меньшей стоимостью, чем известные из уровня техники решения.
Эта задача решена с помощью газотранспортной системы с признаками пункта 1 формулы изобретения, а также с помощью способа эксплуатации газотранспортной системы с признаками пункта 16 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение предлагает газотранспортную систему, которая содержит: по меньшей мере один электрически проводящий трубопровод, который соединен с почвой и изолирован относительно почвы; катодную защитную систему, которая содержит множество расположенных в почве стержней заземления, которые соединены каждый электрически с почвой и электрически связаны с трубопроводом; систему связи с несколькими устройствами связи, при этом для осуществления связи предусмотрена возможность передачи данных между устройствами связи по трубопроводу. При этом газотранспортная система характеризуется тем, что устройства связи содержат расположенные вдоль трубопровода сенсорные блоки, которые снабжаются энергией из катодной защитной системы.
Способ, согласно изобретению, эксплуатации газотранспортной системы указанного выше вида характеризуется тем, что с помощью расположенных вдоль трубопровода и выполненных в качестве сенсорных блоков устройств связи обнаруживают возникающие в окружении события, при этом сенсорные блоки снабжаются энергией из катодной защитной системы.
Преимущество газотранспортной системы, согласно изобретению, состоит в том, что не требуется отдельного снабжения энергией для устройства связи. Таким образом, для работы устройства связи нет необходимости в батареях или аккумуляторах, которые требуют замены в регулярные интервалы времени. Это помогает уменьшать стоимость. Можно также отказаться от применения солнечных элементов и т.п., которые должны располагаться над землей и тем самым подвергаются опасности повреждения или воровства.
Трубопровод может лежать на почве. В частности, трубопровод закопан в почву или расположен в выполненном в почве отверстии или туннеле.
Данные передаются через сам трубопровод, т.е. его материал. В качестве альтернативного решения, передачу можно осуществлять через катодную защитную систему или транспортируемую в трубопроводе среду.
В одном варианте выполнения сенсорные блоки являются сейсмическими сенсорными блоками для измерения сотрясений почвы. Такие сенсорные блоки используются, в частности, когда трубопровод расположен под поверхностью земли, например закопан в почве. Поскольку катодная защитная система обычно предусмотрена в закопанном в почву трубопроводе, то газотранспортную систему, согласно изобретению, можно осуществлять с небольшими затратами.
После первоначального закапывания выполненного в качестве сейсмического сенсорного блока устройства связи, к нему не требуется больше доступ, за исключением неисправности. За счет того, что связь устройства связи осуществляется через трубопровод, нет также необходимости предусмотрения отдельных проводов связи между устройствами связи. Нет необходимости также в предусмотрении установленных на земле антенн для беспроводной связи. За счет этого обеспечивается возможность контролирования трубопровода с помощью лишь немногих дополнительных компонентов.
Кроме того, целесообразно, когда также устройства связи снабжаются энергией из катодной защитной системы.
В одном целесообразном варианте выполнения блок электроснабжения каждого сенсорного блока включен между соответствующим стержнем заземления катодной защитной системы и трубопроводом, в частности, окружающей трубопровод скобой катодной защитной системы, при этом с помощью блока электроснабжения обеспечивается возможность получения энергии для снабжения сенсорного блока из разницы напряжения между стержнем заземления и трубопроводом, соответственно, скобой. Понятно, что окружающая трубопровод скоба катодной защитной системы электрически соединена с трубопроводом. Для специалистов в данной области техники известно также, что с каждым стержнем заземления согласована одна скоба. Согласно этому варианту выполнения предусмотрено, что в каждом месте трубопровода, в котором должен быть предусмотрен сенсорный блок, должен быть предусмотрен также стержень заземления. Поскольку для получения энергии значение имеет лишь разница напряжения и ток в проводнике между стержнем заземления и трубопроводом, то не требуется также общий относительный потенциал сенсорных блоков.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, блок электроснабжения содержит аккумулятор энергии, такой как, например, накопительный конденсатор, для временного электроснабжения сенсорного блока, в частности, во время передачи сообщения в другое устройство связи, при этом обеспечивается возможность зарядки аккумулятора энергии из катодной защитной системы. Преимущество этого выполнения состоит в том, что, с одной стороны, во время фаз, в которых сенсорный блок нуждается в большей энергии, чем можно получить из катодной защитной системы, недостающую энергию можно получать из аккумулятора энергии. С другой стороны, в фазах, в которых сенсорный блок нуждается в меньшей энергии, чем можно получать из катодной защитной системы, можно снова заряжать аккумулятор энергии. В качестве аккумулятора можно использовать, например, накопительный конденсатор или суперконденсатор (Super-Cap). Таким образом, электроснабжение сенсорного блока можно осуществлять без дополнительных батарей или аккумуляторов.
В другом предпочтительном варианте выполнения каждый сенсорный блок содержит блок обработки для обработки возникающего в результате сотрясений почвы сигнала, который из этого сигнала определяет векторы признаков и классифицирует на основании сравнения с находящимися в памяти сенсорного блока опорными данными, при этом при классификации в качестве критичного события передает сообщение тревоги из сенсорного блока. Передача сообщения тревоги осуществляется предпочтительно лишь тогда, когда имеется минимальная вероятность критичного события. За счет того, что сенсорный блок осуществляет независимо обработку получаемых им сигналов, требуется передача лишь немногих сообщений в центральный блок обработки. В результате, сенсорный блок может работать с небольшим потреблением энергии по сравнению с сенсорным блоком, который передает все измеряемые им данные для дальнейшей обработки в центральном блоке обработки. Предварительная обработка измеряемых сигналов и передача лишь релевантных сообщений обеспечивает небольшое потребление энергии, которое позволяет реализовывать электроснабжение с помощью катодной защитной системы.
В другом варианте выполнения блок обработки предназначен для считывания сигнала сенсорного блока с частотой дискретизации 100 Гц. Сейсмический сенсорный блок генерирует зависящий от времени сигнал напряжения, который зависит от ускорения за счет сейсмической волны. Поскольку для контролирования трубопровода значение имеют лишь небольшие частоты ниже 10 Гц, то частота дискретизации 100 Гц является достаточной для обнаружения релевантных событий.
Кроме того, целесообразно, когда для определения векторов признаков с помощью блока обработки по меньшей мере для одного вектора выборки считываемого сигнала с заданным количеством выборок в окне выборок, в частности, с различными величинами окон выборок, применяется преобразование Фурье. Применение преобразования Фурье обеспечивает последующее уменьшение измерительных данных, так что оценку измерительных данных можно осуществлять с помощью обычного микропроцессора. За счет этого можно удерживать небольшим потребление энергии сенсорным блоком. Поскольку используются несколько (одинаково больших) векторов выборки из различно больших окон выборки с различной величиной, можно с большой точностью распознавать релевантные события с помощью сейсмических сенсорных блоков.
В другом варианте выполнения для определения векторов признаков с помощью блока обработки к считанному сигналу применяют волновое преобразование (wavelet-transformation). Волновое преобразование предпочтительно, поскольку сейсмические сигналы часто имеют скачкообразный характер.
Полученные нормализованные коэффициенты преобразования Фурье или волнового преобразования сравниваются в блоке обработки с находящимися в памяти сенсорного блока опорными коэффициентами. Опорные коэффициенты могут быть первоначально занесены в память каждого сенсорного блока. Кроме того, на основании возможности связи с сенсорными блоками, можно также вносить в память сенсорных блоков новые или актуализированные опорные данные во время их работы.
Кроме того, для обеспечения высокой точности обнаружения с помощью сенсорных блоков целесообразно, когда датчик сенсорного блока предназначен для обнаружения частот максимально 10 Гц. Датчики сенсорного блока могут быть выполнены, например, в виде геофонов, которые содержат дифференциальные индукционные датчики.
Кроме того, предпочтительно, когда сенсорный блок содержит несколько, предпочтительно расположенных отдельно в пространстве датчиков, сигналы которых подаются в общий блок обработки сенсорного блока. За счет этого обеспечивается возможность выделения релевантных сотрясений почвы из других создающих помехи событий, таких как, например, проезжающий вблизи трубопровода поезд. В результате достигается более высокая точность обнаружения. На практике была установлена целесообразность соединения блока обработки с тремя расположенными на расстоянии друг от друга датчиками.
В другом целесообразном варианте выполнения сенсорные блоки расположены на заданных расстояниях между двумя узлами входа в систему связи, при этом передаваемое от сенсорного блока к входному узлу сообщение передается через лежащие промежуточно сенсорные блоки, при этом по меньшей мере из некоторых промежуточно лежащих сенсорных блоков осуществляется ретрансляция сообщения. При этом под ретрансляцией понимается новая передача сообщения, с целью обеспечения возможности читаемости в следующем приемнике, входном узле или другом промежуточно лежащем сенсорном блоке. Связь в системе связи может быть основана, например, на протоколе древовидной маршрутизации (Tree-Routing).
Входные узлы предпочтительно расположены в насосных и/или вентильных станциях трубопровода и снабжаются энергией из системы электроснабжения насосной и/или вентильной станции. Соответствующие входные узлы соединены в свою очередь с центральным пунктом контролирования, в котором оцениваются входящие сообщения (тревоги), соответственно, визуализируются.
В другом варианте выполнения, устройства связи содержат каждое приемопередающий блок, который предназначен, например, для применения в связи широтно-импульсной модуляции или же FSK (частотной манипуляции), в частности, CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) или TDMA (Time Devision Multiple Access) или Low Power Listening. Применение CSMA-CA имеет преимущество более короткого латентного периода реагирования. В противоположность этому, TDMA является детерминированным, однако имеет по сравнению с CSMA-CA более длительный латентный период. Все три указанных способа обеспечивают преимущество возможности связи с небольшим расходом энергии, за счет чего обеспечивается возможность электроснабжения из катодной защитной системы.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - схема газотранспортной системы, согласно изобретению;
фиг. 2 - блок-схема сенсорного блока, согласно изобретению, который снабжается энергией из катодной защитной газотранспортной системы;
фиг. 3 - схема датчика сенсорного блока, согласно изобретению; и
фиг. 4 - блок-схема снабжения энергией сенсорного блока, согласно изобретению.
На фиг. 1 показана схема трубопровода, согласно изобретению. Позицией 10 обозначен участок трубопровода 10. Трубопровод состоит их электрически проводящего материала и закопан в почву и изолирован относительно ее. Вдоль трубопровода 10 расположены на заданных расстояниях устройства 30 связи. Позицией 40 в устройствах 30 связи обозначены сенсорные блоки. Позицией 32 обозначен входной узел (Access Point), который может быть расположен в насосной или вентильной станции (не изображена). Через сеть 34 WAN (Wide Area Network) входной узел 32 соединен с центральным блоком 33 обработки (называемым также центром управления). Центральный блок 33 обработки, входной узел 32, также как все другие входные узлы трубопровода, а также сенсорные блоки 40 являются составляющей частью системы связи и могут обмениваться информацией друг с другом.
Позициями 20, 21 обозначена в принципе известная для специалистов в данной области техники катодная защитная система, которая соединена электрически с трубопроводом 10. Блок 20 является источником тока, который подает в электрически проводящий трубопровод 10 ток, который стекает через стержни 21 заземления. Каждый стержень 21 заземления соединен с сенсорным блоком 40. Кроме того, катодная защитная система содержит не изображенные на фиг. 1 скобы, которые согласованы с соответствующим стержнем 21 заземления и находятся в электрически проводящем контакте с трубопроводом 10. Стержни 21 заземления, которые состоят из нержавеющей стали и имеют длину примерно 1 м, закопаны в почву. За счет существующей между трубопроводом 10 и стержнями 21 заземления разницы напряжения можно снабжать энергией сенсорные блоки 40. Связь сенсорного блока 40, возможно через один или несколько других сенсорных блоков 40, с входным узлом 32 системы связи осуществляется через трубопровод 10.
Ниже приводится описание обработки сигналов и информации.
Каждый из сенсорных блоков 40 содержит по меньшей мере один сейсмический датчик 41, в частности геофон. С помощью сейсмического датчика можно обнаруживать критичные для трубопровода события, такие как, например, строительные работы, поскольку они создают сейсмические волны. Под критичными событиями следует понимать такие события, которые могут потенциально наносить вред трубопроводу. Анализ измеряемых сейсмическими датчиками сигналов осуществляется в самом соответствующем сенсорном блоке.
Наиболее релевантными типами сейсмических волн являются так называемые волны Рэйли, которые имеют наименьшее ослабление. Сенсорные блоки закопаны на глубину примерно до 1,5 м. На основании этого ближние поверхностные волны вносят наибольший вклад в активирование датчиков. Такие волны ослабляются экспоненциально с увеличением расстояния от их источника. Обратная характеристическая длина затухания зависит линейно от длины волны и тем самым от частоты. Типичные значения имеют порядок 1/500 м/Гц. Для волны с частотой 100 Гц это приводит к ослаблению примерно 1 дБ/м, в то время как ослабление волны с частотой 10 Гц составляет примерно 0,1 дБ/м. Когда датчик сенсорного блока 40 должен контролировать зону в 500 м, то волны, которые создаются сейсмическим источником, затухают на 500 дБ для волны с частотой 100 Гц или на 50 дБ для волны с частотой 10 Гц. По этой причине достаточно, когда датчик сенсорного блока 40 предназначен для обнаружения частот максимально 10 Гц.
Сейсмический датчик создает обычно зависящий от времени сигнал напряжения в зависимости от создаваемого с помощью сейсмических волн ускорения. Поскольку для контролирования трубопровода имеют значение лишь небольшие частоты меньше 10 Гц, то достаточна частота дискретизации 100 Гц. После каждого интервала дискретизации включается усилитель сенсорного блока, который поставляет усиленный сигнал напряжения. Его можно хранить в регистре с небольшим расходом энергии. С регулярными интервалами, примерно каждую минуту, микроконтроллер или DSP (Digital Signal Processor) считывает хранящуюся последовательность сигналов и извлекает спектр мощности или векторы признаков, которые запоминаются в другом регистре. Векторы признаков сравниваются с векторами признаков, которые представляют различные, типичные события сейсмических волн. Если может быть установлено достаточное сходство с критичным событием, из соответствующего сенсорного блока передается сигнал тревоги во входной узел 32.
Подходящие векторы признаков и их классификацию можно определять в автономном режиме с применением способов машинного обучения. Обнаружение и способность классификации можно улучшать с помощью онлайнового обучения, которое базируется на ложных тревогах и новых событиях. Для этого необходимо передавать векторы признаков в центральный блок 33 обработки и там пополнять информацией о типе и серьезности события. При этом можно также создавать информацию о вероятности события, которую можно использовать в качестве полезной информации для принятия решения в центральном блоке обработки.
На фиг. 2 показана блок-схема применяемого в трубопроводе, согласно изобретению, сенсорного блока 40. Позицией 41 обозначен уже упомянутый датчик, в частности геофон, пояснение которого будет приведено ниже со ссылками на фиг. 3. Датчик 41 содержит блок 42 электроснабжения, который расположен электрически между стержнем 21 заземления и трубопроводом 10, а также блок 43 обработки. Блок 43 обработки принимает создаваемые датчиком 41 в аналого-цифровом преобразователе 45 сигналы. Он подает оцифрованные сигналы в блок 44 обработки сигналов. В случае, если в рамках обработки сигналов обнаруживается критичное событие, то представляющее сигнал тревоги сообщение подается в цифроаналоговый преобразователь 46. На стороне выхода он соединен с фильтром 48 нижних частот. Фильтр 48 нижних частот соединен через усилитель 50 с трубопроводом 10, через который передается сообщение. Кроме того, с трубопроводом 10 соединен входной контур усилителя 51 с низким уровнем шума, который на стороне выхода соединен с фильтром 49 нижних частот. Фильтр соединен в свою очередь с аналого-цифровым преобразователем 47, который подает оцифрованные сигналы в блок 44 обработки сигналов.
С помощью входного контура сенсорного блока 40 соответствующий сенсорный блок принимает все передаваемые через трубопровод сообщения. Если сообщение адресовано принимающему сенсорному блоку 40, то оно обрабатывается в блоке 44 обработки сигналов. Обработка может содержать, например, ретрансляцию принятого сообщения по пути передачи, с целью обеспечения надежной передачи на дальнее расстояние во входной узел 32.
Для обеспечения электроснабжения сенсорного блока 40 лишь из катодной защитной системы и отказа также от дополнительных аккумуляторов энергии, таких как, например, батареи, аккумуляторы или солнечные элементы, необходимо применение энергетически эффективных компонентов, а также энергетически эффективной работы компонентов. Многие предлагаемые на рынке сейсмические датчики уже снабжены дополнительной электроникой, которая не оставляет больше пространства для такой оптимизации потребления энергии. Подходящим для изобретения датчиком является, например, датчик модели В12/200 фирмы HBM Mess- und Systemtechnik GmbH. Это дифференциальный, базирующийся на индукции датчик, который показан на фиг. 3.
Датчик состоит из сердечника 60 и двух включенных последовательно друг с другом катушек 61, 62. Выводы катушек обозначены позициями А, В и С. Датчик 41 приводится в действие с помощью осциллирующего напряжения на выводах А, С. Для этого с выводами А, С соединен осциллятор 63. Получаемое на выводах В и С осциллирующее напряжение зависит от положения сердечника 60, при этом положение сердечника зависит от сотрясения почвы. Сердечник является частью маятниковой системы, которая за счет прикладываемой к ней силы или эквивалентного ускорения, вызванного сейсмической волной, отклоняется на расстояние х.
Сейсмический датчик В12/200 имеет сопротивление 40 Ом и индуктивность 10 мГн между выводами А и С. При осциллирующем снабжающем напряжении с номинальным значением 2,5 В (эффективно) и частотой 5 кГц датчику необходима мощность 2,5 мВт. С помощью осциллирующего напряжения 2,5 В датчик создает выходной сигнал примерно 10 мВ/g, где g представляет ускорение земного притяжения. Типичные геофоны достигают чувствительности 0,1 mg. Эта сила сигнала обеспечивает выходной сигнал 1 мкВ. Поэтому выходной сигнал после выпрямления с помощью выпрямителя 64 и фильтрации с помощью фильтра 65 усиливается с помощью усилителя 66.
Длительность дискретизации значения датчика может составлять 30 мкс, когда используется, например, микропроцессор типа MSP430 фирмы Texas Instruments и его аналого-цифровой преобразователь. При частоте дискретизации 100 Гц, скважность датчика, осциллятора и усилителя составляет 3%. При потреблении мощности от 5 до 10 мВт в активном состоянии получается расход примерно 15-30 мкВт.
Осциллирующий сигнал можно создавать с помощью отдельного кремниевого осциллятора (например, LTC6900) с потреблением мощности 500 мкВт, при этом после осциллятора включен пассивный полосовой фильтр.
Как указывалось выше, обработка сигналов осуществляется для определения, имеется ли критичное событие, полностью в соответствующем сенсорном блоке 40. Обработка сигнала содержит предварительную обработку, а также обнаружение и классификацию.
2
Целью предварительной обработки является выделение векторов признаков для обнаружения и классификации. Одна возможность определения векторов признаков состоит в применении (дискретного) преобразования Фурье к вектору дискретизации (Sample Vector) длиной N. Быстрое преобразование Фурье (FFT) требует O(N log(N)) операций и O(N) мест для запоминания.
Выходной сигнал сейсмического датчика 41 подвергается дискретизации с частотой обычно 100 Гц. При окне развертки примерно 10 с получают N=1024 дискретных значений, которые требуют емкости памяти в несколько кбайт и примерно 40000 операций. При применении микропроцессора MSP430 это можно выполнять в течение 2,5 с. Потребление мощности в активном состоянии составляет примерно 10 мкВт. Поэтому увеличение окна развертки приводит примерно к N=10000 дискретных значений (т.е. нескольким десяткам кбайт памяти и времени исполнения примерно 33 с). Это превышает емкость памяти указанного микропроцессора.
2
2
Поэтому предусмотрено одновременное применение быстрого преобразования Фурье к нескольким окнам развертки различной величины, однако с равным количеством дискретных значений М. Быстрое преобразование Фурье уменьшает потребность в емкости памяти по сравнению с указанным примером выполнения на коэффициент 7 M/(1024*(logM-3)) для максимального окна развертки примерно 10 с. Время исполнения уменьшается на коэффициент 127 M*logM/(10240*(M/8-1)). Было установлено, что целесообразно выбирать М=32, что приводит к уменьшению требуемой емкости памяти на коэффициент 7/64=0,11 и к уменьшению времени вычисления на коэффициент 127/192=0,66. За счет этого преобразование Фурье можно выполнять с помощью микроконтроллера, такого как указанный MSP430, при этом нет необходимости в дополнительном процессоре цифровых сигналов (DSP). Для определения потребления мощности принимается, что микроконтроллер является непрерывно активным, поскольку он выполняет также другие задачи (Tasks).
В качестве альтернативного решения, можно применять быстрое волновое преобразование для выделения векторов признаков. Это особенно целесообразно для сейсмических сигналов в виде вспышек (bursts).
Получаемый вектор из коэффициентов Фурье (или волнового преобразования) или их абсолютные значения можно сжимать дальше посредством образования среднего значения абсолютных значений или квадратов величины коэффициентов внутри подходящих частотных линий (bins).
В окрестностях с множеством сейсмических источников, например, вызванных движением (поездов и т.д.) вблизи трубопровода, измеряемый датчиком сигнал состоит из различных, смешанных сигналов. Для обеспечения возможности разделения источников сигналов необходимы различные сигналы датчиков. В принципе эти сигналы могут измеряться с помощью соседних сенсорных блоков и учитываться, что, однако, требует связи между соседними сейсмическими блоками. Поэтому может быть предусмотрено, что сенсорный блок имеет несколько, в частности три, датчиков на расстоянии примерно 5-10 м друг от друга, которые связаны с одним и тем же блоком 43 обработки. Сенсорный блок с несколькими датчиками может работать с меньшим потреблением энергии, чем это потребовалось бы для связи между несколькими сенсорными блоками.
Разделение источников сигналов можно осуществлять с помощью анализа главных компонентов (Principal Component Analyses, PCA). Для этого необходимо определять нормализованный собственный вектор корреляционной матрицы 3×3 трех векторов дискретизации сигналов датчиков. Векторы дискретизации проецируются на три собственных вектора. Они представляют разделенные сигналы, которые подвергаются обработке, как указывалось выше. Затраты на дискретизацию и предварительную обработку увеличиваются в три раза. Кроме того, необходимо определять собственные векторы симметричной матрицы 3×3. Для этого требуется менее 10 мс на микроконтроллере MSP430.
Кроме того, в рамках обнаружения и классификации осуществляется анализ относительной величины коэффициентов Фурье. Для этого векторы коэффициентов Фурье нормализуются относительно их общей мощности. Эти нормализованные векторы признаков сравниваются с хранимыми локально в сенсорных блоках векторами признаков, при этом эти опорные векторы признаков представляют типичные события и связанные с ними обозначения (Label). Например, опорный вектор признаков представляет идентификацию события и меру релевантности, соответственно, серьезности события. Опорные векторы признаков могут храниться в банке данных сенсорного блока. Банк данных должен содержать также нормальные события, которые не являются критичными.
Обнаружение и классификация выполняются одновременно. С помощью блока обработки сравнивается дистанция каждого вектора признаков со всеми представительными опорными векторами признаков банка данных. Опорные векторы признаков с наименьшей дистанцией представляют текущее обнаруженное событие. Измерение дистанции можно применять для придания вероятности различным событиям. Сложность сравнения измеренного вектора признаков величины N со всеми М событиями банка данных составляет O(NM). При N=1000 и М=10 для этого необходимо примерно 0,63 с при использовании микроконтроллера MSP430. Требуемая емкость памяти для мультискалярного разложения Фурье с 138 дискретными значениями в любое время составляет 267 байт с двумя байтами для одного значения и без дискретизации с пониженной частотой (down-sampling).
Сообщение тревоги передается лишь тогда, когда обнаруженное событие является критичным событием с определенной минимальной вероятностью.
Создание банка данных может первоначально осуществляться посредством измерений, с помощью которых в банк данных заносится возможно большее количество типичных событий. Кроме того, целесообразно обновлять банк данных. Можно вносить новые релевантные события посредством обновления банка данных. За счет этого можно, например, учитывать различия в распространении сейсмической волны на основании различных свойств почвы. Новые векторы событий можно сначала запоминать локально, например, в центральном блоке обработки. Например, ночью, когда не ведутся строительные работы, их можно распределять по сенсорным блокам.
Передача сообщений от устройства 30 связи газотранспортной системы до другого устройства связи осуществляется, как указывалось выше, по трубопроводу, соответственно, его материалу.
При этом передаются следующие различные сообщения:
1. Управляющие сообщения
Сенсорные блоки образуют вместе с входными узлами и центральным блоком обработки сеть связи. Сенсорные блоки должны создавать маршруты к входным узлам, которые находятся на вентильных станциях и/или насосных станциях. Управляющие сообщения (Control Data Packets) создаются с помощью входных узлов и содержат идентификатор входного узла, идентификатор последнего узла ретрансляции и расстояние до входного узла. По причинам обеспечения избыточности оба входных узла на лежащих противоположно концах участка трубопровода должны образовывать сеть.
Каждый сенсорный блок управляет несколькими соседними сенсорными блоками, от которого они могут получать сообщения, и индикатором качества для прямого соединения с каждым из этих соседних сенсорных блоков. Устройство связи ретранслирует управляющие данные с помощью широкого вещания, когда связь приемника имеет приемлемое качество. Уже принятые сообщения игнорируются, с целью предотвращения петель. На основании расстояния до входного узла и качества соединения можно выбирать различные соседние датчики в качестве узлов ретрансляции для сообщений, которые предназначены для определенного входного узла. Кроме того, управляющие сообщения могут содержать метку времени, которая необходима для синхронизации во времени устройства связи. В совокупности величина пакета составляет примерно 17 байт, включая символы раздела (4 байт), идентификатор входного узла (2 байт), идентификатор последнего ретранслирующего входного узла (2 байт), расстояние до узла (1 байт) и метку времени (8 байт). Эти управляющие сообщения могут передаваться с интервалами примерно 30 минут.
2. Сообщения тревоги
При обнаружении и классификации с помощью сенсорного блока критичного события, создается соответствующее сообщение тревоги и передается в два соседних сенсорных блока, которые направляют сообщение тревоги также в лежащие в их направлении другие входные узлы. Когда одно из обоих соединений имеет неисправность, то в качестве ретранслирующего входного узла выбирается альтернативное соседнее устройство связи. Сообщения тревоги содержат идентификатор создавшего сообщение тревоги сенсорного блока, момент времени возникновения критичного события, его классификацию и, не обязательно, величину вероятности для классификации. Поскольку место расположения передающего сообщение тревоги сенсорного блока известно, то после получения сообщения тревоги можно на основании знания идентификатора сенсорного блока определять точное место. Величина такого сообщения тревоги составляет примерно 16 байт, включая символы раздела (4 байт), идентификатор передающего сенсорного блока (2 байт), классификацию (1 байт), вероятность (1 байт) и метку времени (8 байт).
3. Сообщения конфигурации
Сенсорные блоки выполнены так, что обеспечивается возможность изменения их конфигурации. Это может быть необходимо, например, в случае обновления опорных векторов признаков. Изменение конфигурации можно осуществлять с использованием механизма лавинной адресации, аналогично управляющему сообщению сети, при этом соседние устройства связи ретранслируют сообщения. Сообщения конфигурации содержат идентификатор, а также тип конфигурации и данные конфигурации. Идентификатор приемника может быть заменен на широковещательный адрес. Сообщения конфигурации передаются редко, например, один раз в месяц или один раз в год. Передача больших данных конфигурации, например, для обновления банка данных векторов признаков, может осуществляться частями с меньшей величиной.
4. Сообщения считывания данных
Для актуализации (обновления) банка данных с опорными векторами признаков необходимо передавать локально хранящиеся в постоянной памяти (например, EEPROM) сенсорного блока векторы признаков в центральный блок 33 обработки. При этом механизм связи тот же, что и для сообщений тревоги. Однако в данном случае приоритет ниже. Эти сообщения содержат исторические данные, а также идентификатор передающего сенсорного блока и последовательность векторов признаков и соответствующую метку времени. Этот вид передачи сообщений ограничивается временем небольшой (сейсмической) активности, например, ночью, когда обычно не ведутся строительные работы. Ожидается, что передача сообщений считывания данных осуществляется не чаще одного раза в неделю. Локально хранящиеся в сенсорных блоках векторы признаков являются такими векторами признаков, которые в соответствии с классификацией рассматриваются как не критичные события. Однако их можно применять для улучшения точности классификации.
Указанные выше четыре различных типа сообщений содержат предпочтительно контрольную сумму в 2 байта для определения ошибок передачи.
Поскольку сенсорные блоки 40 используют для связи одну и ту же среду, а именно, трубопровод, то требуется координация доступа к каналу передачи данных. Когда потребление мощности для приема данных является некритичным, то можно применять методы случайного доступа. В противном случае приемный блок сенсорного блока должен возможно чаще находиться в пассивном энергосберегающем режиме, однако без пропуска направляемых в него сообщений. В случае газотранспортной системы, согласно изобретению, наиболее пригодными являются следующие три способа связи:
1. CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance = множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов)
За счет того, что сенсорные блоки передают сообщения лишь тогда, когда имеется критичное событие, обмен данными обычно является небольшим. Поскольку приемный блок сенсорного блока расходует лишь немного энергии, то способ случайного доступа является наиболее подходящим механизмом доступа на основании его коротких латентных периодов времени. Для предотвращения конфликтов сообщений, сенсорные блоки прослушивают канал передачи данных в течение некоторого времени, когда они намерены передавать сообщение. Передача данных начинается лишь тогда, когда канал передачи данных не занят. Возможно возникающие конфликты можно предотвращать с помощью так называемого соглашения RTS/CTS (Request To Send, Clear To Send), при котором передатчик сначала передает сообщение с запросом на передачу, и приемник отвечает сообщением о возможности передачи после приема сообщения с запросом на передачу. Лишь затем осуществляется передача собственно сообщения.
2. TDMA (Time Devision Multiple Access = множественный доступ с временным разделением)
Доступ к каналу передачи данных выдается лишь внутри промежутков времени, которые предназначены для определенных соединений, т.е. пар устройств связи. Промежутки времени выбираются так, что обеспечивается возможность наиболее быстрой передачи сообщений тревоги. Когда, например, вдоль трубопровода сенсорные блоки расположены через каждые 500 м, то предусмотрено до 60 датчиков на участке трубопровода длиной 30 км. При обычной дальности передачи 5 км, сенсорный блок имеет контакт примерно с 20 соседними сенсорными блоками. Примерно с шестью из этих сенсорных блоков определенный сенсорный блок поддерживает соединение связи. Это требует 360 промежутков времени для всех соединений связи, без пространственной оценки (Spatial Reviews) промежутков времени. При длительности промежутка времени 1 с необходимо 6 минут для передачи сообщения тревоги во входной узел. При этом длительность промежутка времени 1 с является достаточной для передачи 100 байтов. Преимущество способа TDMA состоит в том, что этот способ является детерминистским. Однако по сравнению с CSMA-CA латентные промежутки времени больше.
3. Low Power Listening
В этом способе каждый сенсорный блок активирует свой приемный блок с регулярными интервалами на короткое время и проверяет, имеются ли передачи. Если нет передачи сообщений или данный сенсорный блок не является ни получателем, ни ретранслятором принятого сообщения, то приемный блок снова выключается. Если имеется передача сообщения, то сенсорный блок остается активным и принимает сообщение, прежде чем сенсорный блок снова перейдет в режим ожидания. Передающее устройство связи повторяет передачу сообщения достаточно долго, так что принимающее устройство связи имеет возможность слышать и принимать сообщение.
При этом каждая передача, за исключением широковещательных сообщений, предпочтительно подтверждается принимающим сенсорным блоком относительно передающих устройств связи. Такое сообщение подтверждения содержит идентификатор принимающего сенсорного блока и указатель принятого сообщения, такой как, например, тип и порядковый номер.
Обозначенный на фиг. 2 позицией 73 физический слой получает из блока 44 обработки сигналов и включенного за ним цифроаналогового преобразователя 46 подлежащий передаче сигнал. С помощью фильтра 48 реконструкции происходит интерполяция. Затем происходит усиление с помощью усилителя 50. Усиленный так сигнал передается по трубопроводу 10 в каждое соседнее устройство 30 связи или в центральный блок 33 обработки. Применение трубопровода 10 в качестве канала связи соответствует асимметричной отдельной линии с обратным проводником в виде заземления (Ground Return).
Передающий блок, который заземлен с помощью соответствующего стержня заземления, позволяет передавать сигналы данных в трубопровод, через который они распространяются к другим устройствам связи. Зависящее от частоты демпфирование сигнала в трубопроводе сильно увеличивается для частот свыше 3 кГц. Общее демпфирование зависит от влажности и тем самым от проводимости окружающей почвы. При этом демпфирование увеличивается с увеличением влажности. Причиной является увеличение поперечной проводимости (Shunt Conductance), которую имеет почва с более высокой влажностью. Общее демпфирование трубопровода при частотах до 3 кГц при высокой влажности составляет примерно 1 дБ/км. Оценка чувствительности приемной части физического слоя и дальность действия двух соседних узлов осуществляется следующим образом: тепловой шум внутри рассматриваемой полосы в 3 кГц составляет -140 дБм при температуре 20°С. При меньших температурах под поверхностью земли это значение не существенно меньше.
Приемная часть устройства связи содержит усилитель 51 с низким уровнем шума (LNA) на своем входе и включенный за ним аналого-цифровой преобразователь 49, которые совместно добавляют обычно 15 дБ мощности шума. Достаточным расстоянием до этого основного шума является 15 дБ, с целью обеспечения достаточной вероятности правильного обнаружения сообщения. Поэтому границей для мощности обнаружения принимаемого сигнала является -110 дБм. Можно исходить из того, что амплитуда передаваемого сигнала составляет 2 В, что лежит в диапазоне катодной защитной системы. Это дает мощность -10 дБм при полном сопротивлении линии 50 Ом. В результате получается дальность действия примерно 5 км.
В приведенном выше рассмотрении учитываются тепловые и методические источники шума приемника. Кроме того, целесообразно учитывать дополнительные искусственные источники. В частности, токи заземления создают другие принимаемые сигналы. Примерами этому являются гармонические и импульсные сигналы электроснабжения железнодорожных линий не только в сельской местности, но и внутри городов.
Поэтому предлагаются стабильные и простые виды модуляции, такие как, например, импульсная модуляция. Широтно-импульсная модуляция (PWM), модуляция положения импульсов (PLM, называемая также фазовой импульсной модуляцией РРМ) и импульсная частотная модуляция просты в осуществлении как в приемной части, так и в передающей части. Они устойчивы к отклонениям амплитуды, поскольку лишь ширина, фаза или частота повторения импульсов содержат информацию. Недостатком широтно-импульсной и частотно- импульсной модуляции является зависимость средней мощности от содержания информации сигнала, что приводит к изменению среднего расхода мощности.
Фазово-импульсная модуляция не имеет этого недостатка. Средняя мощность сигнала, также как потребление мощности не зависит от содержания информации сигнала. Для однобитового кодирования максимальная ширина импульса является половиной последовательности импульсов. При имеющейся в распоряжении ширине полосы в 3 кГц максимальная скорость передачи битов составляет 1,5 кВ/с. Для обеспечения допусков для синхронизации скорость передачи не должна превышать 1 кВ/с, что соответствует примерно 8 мс для каждого байта. Каждое подлежащее передаче сообщение должно содержать последовательность байтов для отделения начальной рамки и концевой рамки, обычно 2 байта.
На фиг. 4 показана схема блока 42 электроснабжения сенсорного блока 40. Электроснабжение осуществляется из уже упомянутой активной катодной защитной системы. Падение напряжения между трубопроводом и соответствующим стержнем заземления и имеющийся в распоряжении ток в месте ввода (см. обозначенный позицией 20 элемент катодной защитной системы на фиг. 1) сильно зависит от состояния трубопровода. Поэтому при электроснабжении сенсорных блоков необходимо учитывать допуски. В частности, необходимо предотвращать пики тока, с целью сохранения функции катодной защитной системы.
Обычно, катодная защитная система обеспечивает напряжение примерно -2 В. Анод электроснабжения обычно образован стержнями заземления из нержавеющей стали.
Ниже рассматривается потребление мощности. Микроконтроллер каждого сенсорного блока должен работать непрерывно для обеспечения обработки сигналов и управления системой. Его потребление мощности примерно 10 мВт при напряжении 3,3 В обеспечивается с помощью переключаемого регулятора напряжения (Step-Up Switched Voltage Regulator, например, LTC3459), который может обрабатывать входное напряжение от 1,5 В до 7 В. Регулятор напряжения обозначен на фиг. 4 позицией 70.
Для уменьшения потребления мощности сенсорного блока применяются не только компоненты с небольшим расходом мощности, но также компоненты, которые не должны работать непрерывно. Один способ состоит в том, что датчик 41 и его усилитель переводятся возможно чаще в состояние покоя. Достаточно, когда датчик 41 имеет время включения 30 мкс при времени выборки 10 мс. Это требует времени включения активных компонентов, таких как, например, операционный усилитель, в диапазоне микросекунд или меньше. Примерами компонентов, которые выполняют эти требования, являются ОРА847 или ОРА687 фирмы Texas Instruments, которые имеют время включения 60 нс и время выключения 200 нс, и МАХ9914 фирмы MAXIM, который имеет время включения 2 мкс.
Требования по мощности физического слоя определяются главным образом выходным усилителем мощности. Можно исходить из того, что трубопровод имеет полное сопротивление примерно 50 Ом. Это требует выходной мощности 80 мВт для обеспечения указанной выше дальности действия 5 км системы связи. Длина сообщения системы связи составляет примерно 128 байт. Время передачи одного байта составляет 8 мс, так что передача одного сообщения длится примерно 1 с. С учетом дополнительной протокольной информации это приводит в худшем случае к общей длительности 2 с. Таким образом, требуется энергия 0,16 Втс для передачи одного сообщения.
Кроме того, для предотвращения пиковых токов в трубопроводе предусмотрен накопитель 72 энергии, например, в виде конденсатора с промежуточным слоем (Gold Cap). Во время передачи усилитель датчика 41 и согласованный с датчиком регулятор 71 напряжения необходимо выключать с помощью микроконтроллера, с целью извлечения энергии из накопителя энергии и без ввода тока в трубопровод.
Применение катодной защитной системы для снабжения энергией автономных сенсорных блоков позволяет обеспечивать систему контролирования с существенно меньшими по сравнению с уровнем техники эксплуатационными затратами. Для использования катодной защитной системы в качестве источника энергии требуется, чтобы при контролировании не расходовалось слишком много энергии. Это требование выполняется за счет применения трубопровода для связи и применения схемы модуляции малой сложности. За счет этого можно не только уменьшать расход мощности, но и снижать стоимость. Дальнейшее уменьшение энергии достигается за счет того, что обработка сигналов осуществляется с помощью самих сенсорных блоков, при этом используется оптимальный многоскалярный способ быстрого преобразования Фурье. Это уменьшает сложность расчетов, а также стоимость и расход мощности. Выполняемые после обработки сигналов обнаружение и классификация также осуществляются с помощью самих сенсорных блоков. За счет этого можно сокращать до минимума необходимую связь. Это обеспечивает небольшой расход мощности, а также небольшие латентные периоды времени в случае необходимости передачи сообщений тревоги. Необходимый для классификации банк данных с опорными векторами признаков можно создавать отдельно и передавать в сенсорные блоки. За счет этого можно повышать эффективность классификации, за счет чего со временем уменьшается количество ошибочных сообщений тревоги. За счет этого может быть также уменьшено потребление энергии.