宋伟
临沂中裕能源有限公司 山东 临沂 276000
摘要：针对城市燃气管道泄漏问题，提出了基于RSSI算法的城市燃气管道泄漏检测与定位识别技术。该技术可以分析和计算管道泄漏时ZigBee节点之间接收信号的强度，并最终确定泄漏的位置。首先，使用泄漏目标点和每个接收点之间的RSSI信号强度值建立算法模型。然后，通过模型获取泄漏点与每个接收点之间的距离，并通过最小二乘法获得泄漏点的近似坐标。仿真结果表明，该算法具有较高的定位精度和广阔的应用前景。
关键词：RSSI算法；城市燃气管网；泄漏检测
前言：随着我国燃气资源的不断开发利用，燃气已逐步取代传统的污染能源，已成为城市使用的主要能源之一。在燃气项目总体规划中，燃气管网的规划设计与城市城市建设质量密切相关，是城市城市规划的重要组成部分。一旦泄漏，会给人们的生命，财产安全，社会和经济环境造成重大损失。因此，及时监测和准确定位气体泄漏至关重要。针对现有管道泄漏检测的难点，提出了一种基于泄漏检测和城市燃气管网接收信号强度的位置识别方法。
一、燃气泄漏造成的危害及原因
（一）腐蚀因素
腐蚀是燃气管道网络泄漏的主要原因，这在三种方面尤为明显：（1）外部腐蚀。 管网的外层易受腐蚀性物质和泄漏的影响。外部腐蚀的原因不仅包括外部环境，还包括腐蚀防护的质量和管网维护后的管理。（2）内部腐蚀。管网腐蚀更为普遍。原因是燃气中含有更多的杂质和少量的腐蚀性水，腐蚀了管网的内壁。（3）最大的腐蚀损伤是应力腐蚀，它是由拉伸应力和腐蚀共同作用引起的。
（二）人为因素
人为因素是燃气管道泄漏的最直接原因。（1）燃气运输中操作人员的不规范行为。 （2）未经授权在管道周围或上方进行手动或机械钻孔会直接损害管道网络的安全性。（3）天然气管道网络与其他管道网络之间的安全距离未得到满足。
二、系统总体方案
该系统使用无线传感器网络作为通信介质，并具有多种环境，其中天然气管道通过带有不同传感器（温度和湿度DHT11，燃气MQ-5等）的终端节点放置。将数据上传到协调器节点并由协调器处理后，数据通过总线或无线网络发送到PC端，并通过Labview远程监视。图1显示了整个系统的框图。
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系统初始化开始后，协调器将建立无线传感器网络。成功创建网络后，路由器和终端节点会连续发送数据帧请求加入网络。收到请求帧后，协调器一次分配一个IP地址，直到所有节点都连接到网络并且网络成功为止。在最后一个终端节点连接到网络后，系统将开始监测环境。终端节点通过所携带的MQ-5气体传感器收集管道所在环境的气体浓度，并将终端节点通过传感器收集的现场环境的气体浓度数据与系统结合起来，比较设置的阈值，以此来确定可燃气体是否泄漏。如果气体浓度在正常范围内，则检测系统将保持其原始状态，并连续监视管道所在的环境。当气体浓度超过设定的阈值时，终端节点上安装的蜂鸣器会向周围环境发送警报信号，并立即将泄漏点附近终端节点的RSSI值发送给路由器参考节点，以发送协调器节点，查找泄漏点的特定位置。最后，当系统的定位任务完成时，泄漏点坐标将发送到附近的工作人员，他们会接收位置信息并立即移动到指定的位置以执行相应的故障修复操作。此外，该系统还存储所有异常数据，从而使员工能够分析和解决故障并建立检修和维护模型，以确保燃气管道的安全运行。
三、基于 RSSI 算法的泄漏点定位
使用无线网络定位技术，非常需要获取节点之间的参数信息，以完成盲节点的定位。典型的基于距离的定位算法包括到达时间，到达时间差，到达角度差以及基于信号强度RSSI的定位算法。ZigBee通信系统架构涵盖了检测节点之间通信强度的基本功能，可以减少外部信号检测设备的数量，从而减少设备的容量并节省能量。
基于RSSI算法的特殊点定位是无线设备的一种常用方法。该方法利用信号强度与特定目标点与节点之间的传输距离之间的关系来获得目标点与参考节点之间的距离，以及具有多个节点的无线传感器网络中特定节点设备。如果节点设备异常，可以在远端终端下方显示特定位置，从而节省了现场维护人员设备的维护时间。
燃气管道在不同的地形上具有不同的构造类型。有些管道埋在地下，有些则在缠绕因此，在这种非视距环境中，不可避免地会阻挡无线电信号。无线电波在管道周围的介质之间进行反射和折射等波折，信号强度逐渐降低。信号强度指示符（RSSI）用于根据接收到的数据包的质量因子LQI指示接收到的信号强度。借此指标来确定链路的质量以及是否增加广播的强度。RSSI的正常范围是[-93，-113]，如果超出此范围，则认为RSSI通信异常。RSSI使用此功能进行统计以达到定位的目的。RSSI可以直接从2530芯片中获得。获得RSSI值后，需要将其转换为定位所需的两点之间的实际距离。由于这个原因，已经引入了基于统计模型的阴影模型。通用模型如公式（1）所示。
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其中RS（d）是从传输点d处接收到的RSSI值，测量值通常为负，并且绝对值可用于计算。 RS（d0）是从传输点d0处接收到的RSSI值，m；也称为传输点衰减RSSI值。其中d0是参考距离，通常为lm；λ是传播路径的动态衰减的指标，并且表示随着传输距离增加信号的衰减率。该值与传输环境密切相关。这与现场环境的类型有关，并取决于其类型。ζσ用于表示高斯分布的随机噪声，其平均值为0，标准差为σ，其值取决于环境。上面的模型为我们提供了一种计算距离d的方法。参见方程式（2）。
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该算法中增加了更多的基站来模拟定位，以便更接近实际的定位情况。可以看出，随着基站数量的逐渐增加，定位精度根据基站数量的不同而不同。目标点的误差取决于基站数量和距离的增加它逐渐变化。
结语：综上所述，为了有效解决管道泄漏准确定位的问题，作者提出了一种基于RSSI的城市燃气管道泄漏定位算法。它收集，分析并计算终端节点的接收信号，并将参考节点放置在开放空间泄漏附近。最后，到达了定位泄漏的位置。目的是弥补传统天然气管道定位算法的缺陷。
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