CN115988028A - 基于物联网技术的lng加气站实时安全监控*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，包括：感知层、网络层、平台层以及应用层，感知层与网络层连接，网络层上接平台层，下接感知层，平台层上接应用层，下接网络层，应用层下接平台层。本发明通过使用工业云平台的WISE‑PaaS工业互联网平台，综合运用物联网、多传感器数据融合、数据挖掘、SpringBoot+Vue框架等技术，实现了LNG加气站安全运行状态实时监测、预测性维修、设备维保、远程巡检、故障报警扁平化发布等功能。在满足LNG加气站***需求的同时，也提升了燃气企业产品的智能性、安全性和竞争力。

Description

基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***

技术领域

本发明涉及一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***。

背景技术

LNG加气站是指为燃气汽车储气瓶充装车用液化天然气的专门场所，为确保LNG加气站的安全运营，需要实时安全监控LNG加气站的运行状态。

现阶段，LNG加气站实时安全监控***不能完成故障预警，运营、维保和报警信息无法共享，当加气站设备故障发生时无法做到快速救援，监管部门面对日渐庞大的燃气市场，缺乏有效的精细化管理与信息化监管手段，导致管理不到位。加气站设备保养维护很难做到针对性维保，不能解决加气站实时安全监控***内部存在的风险，其安全状况缺少有效统一监管的问题尤为显著。

发明内容

为解决现有加气站安全监控方式单一、加气站安全运行状态信息不明确、维保不到位和联动救援能效差等问题，本申请提供了一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，以降低人力成本，提高监控效率和管理水平。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，包括感知层、网络层、平台层以及应用层；所述感知层与所述网络层连接，包括加气站处理终端，所述加气站处理终端与气体检测仪、温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器以及智能网络摄像头连接；所述网络层上接所述平台层，下接所述感知层，包括数据网关，所述数据网关与所述加气站处理终端连接；所述平台层上接所述应用层，下接所述网络层，包括工业云平台和业务服务云，所述工业云平台与所述数据网关连接，再与所述业务服务云通讯；所述应用层下接所述平台层，包括监管部门、燃气公司、维保企业以及客户，所述监管部门、燃气公司、维保企业以及客户与所述业务服务云通讯。

优选的，所述气体检测仪、温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器以及智能网络摄像头采集的模拟信号包括可燃气体浓度、气罐温度、气罐及泵压力、液化天然气流量、烟雾浓度以及加气站实时画面，所述各传感器和所述智能网络摄像头分别通过RS485/CAN通信协议将采集的模拟信号经过A/D转换模块转换为数字信号，并传输到安装在加气站的处理终端，所述加气站处理终端和所述数据网关上都安装有LoRa通信模块，所述加气站处理终端和所述数据网关通过LoRa通信协议通讯。

优选的，所述工业云平台会与MQTT服务建立连接并且向服务发布数据订阅请求，MQTT服务器会将从数据网关获取的数据根据订阅信息将需要的数据发送给所述工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台，通过所述WISE-PaaS工业互联网平台的WISE-IoT Suite/IoT Hub(工业物联网设备接入以及管理中心)可以实现设备的快速接入以及设备消息的转发。利用所述WISE-PaaS工业互联网平台的“设备模型”技术，可以将不同品牌不同品类的设备功能抽象归纳，形成“标准物理型”，便于各方用统一的语言描述、控制、理解设备具有的功能和特性。当定义完一款设备模型后，再创建设备时，就可以使用定义后的设备模型，设备也将自动继承设备模型中的内容，从而降低设备管理的难度。利用所述WISE-PaaS工业互联网平台的IoT Edge技术，将所述加气站处理终端和所述数据网关作为边缘节点进行管理，在边缘节点上对采集的实时数据进行去重、降噪、聚合、过滤处理，形成云边协同的架构，提高整个***的健壮性。

优选的，所述工业云平台上接收到的实时数据通过MQTT协议将订阅数据发送给部署业务的第三方云平台上，在所述业务***中完成加气站监控数据可视化、加气站故障预测、设备维保、统计数据上报等***核心功能。所述监管部门、燃气公司、维保企业以及客户等终端用户通过WebSocket通信协议与业务***通讯，可以根据不同的访问权限来获得相应的使用功能和数据。

优选的，所述业务***遵循MVC设计模式，采用SpringBoot+Vue框架的B/S架构，后端开发应用SpringBoot+MyBatis+Redis+MySQL技术，前端开发采用Vue+ElementUI+Echarts技术。

优选的，所述数据层使用MySQL数据库，MySQL是一种非常受欢迎的开源的关系型数据库管理***，它使用最常用的SQL语言进行数据库管理，具有可靠、体积小、速度快、成本低易于使用等特点。使用MySQL存储各类传感的数据、加气站实时安全运行状态数据、历史故障数据、维保数据等***所需要的数据信息。MySQL最主要的两个存储引擎是MyISAM和InnoDB。MyISAM存储引擎属于非事务安全型，不支持事务和外键，在***崩溃后无法实现安全恢复，能够实现高速存储和检索，适合以数据访问为主的小型应用；InnoDB是MySQL 5.5之后的默认存储引擎，其属于事务安全型，支持具有提交、回滚及崩溃恢复等事务特性，对事务的完整性要求较高，适用于数据更新、***和删除操作较频繁的应用。因为传感器的数据量非常庞大，实时数据量多，对事务的安全性要求高。本***包含的数据量非常庞大，传感器的数据较多，对事务的安全性要求较高；其次为了确保安全运行对数据的实时性要求比较高，不可避免涉及到数据库表的频繁更新。因此选择InnoDB物理结构能满足本***的使用需求。

优选的，所述业务层是整个基于物联网技术的LNG加气站实时监控***中承上启下的关键一环。实现了对终端传感器设备的“管、控、营”一体化，并且为上层***提供了应用开发和统一接口，构建了传感器设备和云平台之间的端到端的通道。业务层选用工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台。WISE-PaaS是历经工业物联网长期考验之后，积累了对边缘侧传感器、行业设备、丰富的数据采集协议的支持并提供云服务和灵活的算力支持，为应用层提供丰富灵活的开发接口。

优选的，所述传感器采集到的设备各项数据，运用PHM技术和贝叶斯理论统计分析法，对尚处于正常工作状态的设备数据和历史维保工单进行分析，基于贝叶斯网络及基层传感器数据的***健康状态预测的方法，包括以下四个步骤：

S1，***分析贝叶斯各网络节点关系的构建。加气站***是由各子***、设备以及下层级的组件、零件相互配合完成的，基层级产品的运行时间、故障机理、环境情况等均直接或间接对***状态构成影响，因此构建各网络节点关系是建立预测模型的第一步；

S2，建立基层节点的预测模型。假设加气站故障机理的基层节点(根节点)均具有退化特征，因此在构建得到上述贝叶斯各节点关系的基础上，结合各机理自身的特点及历史和实测数据构建对应的状态预测模型；

S3，确定各节点间信息的传递关系。通过可靠性模型等逻辑关系来确立非根节点和其父节点间的状态关系，分为状态逻辑关系、概率权重关系、特征参数函数关系，以描述其工作状态；

S4，***健康状态的预测。利用python对步骤一到步骤三构建的贝叶斯网络进行运算，可以预测***在某一时刻正常工作的概率和发生故障的概率。

优选的，所述应用层是整个***的前端，直接面对最终用户，主要包括加气站实时安全运行状态、设备维保、应急救援、加气站健康管理、信息上报五大功能模块。前端开发采用Vue框架，使用双向绑定机制使开发者从原来对DOM的操作中解放出来，只需要关注数据本身的变化，代码更易于维护。使用Element UI和Echarts进行用户界面交互，采用Axios与后端控制层进行数据通信及WebService调用。

本发明的有益效果在于：通过使用工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台，综合运用物联网、多传感器数据融合、数据挖掘、SpringBoot+Vue框架等技术，实现了LNG加气站安全运行状态实时监测、预测性维修、设备维保、远程巡检、故障报警扁平化发布等功能。在满足LNG加气站***需求的同时，也提升了燃气企业产品的智能性、安全性和竞争力。

附图说明

图1为本发明提供的LNG加气站实时安全监控***物联网架构图；

图2为本发明提供的业务***物联网架构图；

图3为本发明提供的贝叶斯各网络节点关系结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-2，一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，包括感知层、网络层、平台层以及应用层，所述感知层与所述网络层连接，包括加气站处理终端，所述加气站处理终端与气体检测仪、温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器以及智能网络摄像头连接，所述网络层上接所述平台层，下接所述感知层，包括数据网关，所述数据网关与所述加气站处理终端连接，所述平台层上接所述应用层，下接所述网络层，包括工业云平台和业务服务云，所述工业云平台与所述数据网关连接，再与所述业务服务云通讯，所述应用层下接所述平台层，包括监管部门、燃气公司、维保企业以及客户，所述监管部门、燃气公司、维保企业以及客户与所述业务服务云通讯。

进一步地，所述气体检测仪、温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器以及智能网络摄像头采集的模拟信号包括可燃气体浓度、气罐温度、气罐及泵压力、液化天然气流量、烟雾浓度以及加气站实时画面，所述各传感器和所述智能网络摄像头分别通过RS485/CAN通信协议将采集的模拟信号经过A/D转换模块转换为数字信号，并传输到安装在加气站的处理终端，所述加气站处理终端和所述数据网关上都安装有LoRa通信模块，所述加气站处理终端和所述数据网关通过LoRa通信协议通讯。

进一步地，所述工业云平台会与MQTT服务建立连接并且向服务发布数据订阅请求，MQTT服务器会将从数据网关获取的数据根据订阅信息将需要的数据发送给所述工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台，通过所述WISE-PaaS工业互联网平台的WISE-IoTSuite/IoT Hub(工业物联网设备接入以及管理中心)可以实现设备的快速接入以及设备消息的转发。利用所述WISE-PaaS工业互联网平台的“设备模型”技术，可以将不同品牌不同品类的设备功能抽象归纳，形成“标准物理型”，便于各方用统一的语言描述、控制、理解设备具有的功能和特性。当定义完一款设备模型后，再创建设备时，就可以使用定义后的设备模型，设备也将自动继承设备模型中的内容，从而降低设备管理的难度。利用所述WISE-PaaS工业互联网平台的IoT Edge技术，将所述加气站处理终端和所述数据网关作为边缘节点进行管理，在边缘节点上对采集的实时数据进行去重、降噪、聚合、过滤处理，形成云边协同的架构，提高整个***的健壮性。

进一步地，所述工业云平台上接收到的实时数据通过MQTT协议将订阅数据发送给部署业务的第三方云平台上，在所述业务***中完成加气站监控数据可视化、加气站故障预测、设备维保、统计数据上报等***核心功能。所述监管部门、燃气公司、维保企业以及客户等终端用户通过WebSocket通信协议与业务***通讯，可以根据不同的访问权限来获得相应的使用功能和数据。

进一步地，所述业务***遵循MVC设计模式，采用SpringBoot+Vue框架的B/S架构，后端开发应用SpringBoot+MyBatis+Redis+MySQL技术，前端开发采用Vue+ElementUI+Echarts技术。

进一步地，所述数据层使用MySQL数据库，MySQL是一种非常受欢迎的开源的关系型数据库管理***，它使用最常用的SQL语言进行数据库管理，具有可靠、体积小、速度快、成本低易于使用等特点。使用MySQL存储各类传感的数据、加气站实时安全运行状态数据、历史故障数据、维保数据等***所需要的数据信息。MySQL最主要的两个存储引擎是MyISAM和InnoDB。MyISAM存储引擎属于非事务安全型，不支持事务和外键，在***崩溃后无法实现安全恢复，能够实现高速存储和检索，适合以数据访问为主的小型应用；InnoDB是MySQL5.5之后的默认存储引擎，其属于事务安全型，支持具有提交、回滚及崩溃恢复等事务特性，对事务的完整性要求较高，适用于数据更新、***和删除操作较频繁的应用。因为传感器的数据量非常庞大，实时数据量多，对事务的安全性要求高。本***包含的数据量非常庞大，传感器的数据较多，对事务的安全性要求较高；其次为了确保安全运行对数据的实时性要求比较高，不可避免涉及到数据库表的频繁更新。因此选择InnoDB物理结构能满足本***的使用需求。

进一步地，所述业务层是整个基于物联网技术的LNG加气站实时监控***中承上启下的关键一环。实现了对终端传感器设备的“管、控、营”一体化，并且为上层***提供了应用开发和统一接口，构建了传感器设备和云平台之间的端到端的通道。业务层选用工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台。WISE-PaaS是历经工业物联网长期考验之后，积累了对边缘侧传感器、行业设备、丰富的数据采集协议的支持并提供云服务和灵活的算力支持，为应用层提供丰富灵活的开发接口。

进一步地，所述传感器采集到的设备各项数据，运用PHM技术和贝叶斯理论统计分析法，对尚处于正常工作状态的设备数据和历史维保工单进行分析，基于贝叶斯网络及基层传感器数据的***健康状态预测的方法，包括以下四个步骤：

S1，参照图3，***分析贝叶斯各网络节点关系的构建。加气站***是由各子***、设备以及下层级的组件、零件相互配合完成的，基层级产品的运行时间、故障机理、环境情况等均直接或间接对***状态构成影响，因此构建各网络节点关系是建立预测模型的第一步；S2，建立基层节点的预测模型。假设加气站设备故障机理的基层节点(根节点)均具有退化特征，因此在构建得到上述贝叶斯各节点关系的基础上，结合各机理自身的特点及历史和实测数据构建对应的状态预测模型；

S3，确定各节点间信息的传递关系。通过可靠性模型等逻辑关系来确立非根节点和其父节点间的状态关系，分为状态逻辑关系、概率权重关系、特征参数函数关系，以描述其工作状态；

S4，***健康状态的预测。利用python对步骤一到步骤三构建的贝叶斯网络进行运算，可以预测***在某一时刻正常工作的概率和发生故障的概率。

进一步地，所述应用层是整个***的前端，直接面对最终用户，主要包括加气站实时安全运行状态、设备维保、应急救援、加气站健康管理、信息上报五大功能模块。前端开发采用Vue框架，使用双向绑定机制使开发者从原来对DOM的操作中解放出来，只需要关注数据本身的变化，代码更易于维护。使用Element UI和Echarts进行用户界面交互，采用Axios与后端控制层进行数据通信及WebService调用。

进一步地，所述加气站实时安全运行状态模块可以用图表、动画的形式显示加气站实时的可燃气体浓度、气罐温度、气罐及泵压力、液化天然气流量以及烟雾浓度等一系列参数，使监控人员对加气站的实时安全运行状态一目了然。

进一步地，所述设备维保模块除了一般维保管理***具备的功能外，还具有以下特点：每次现场维保过程由扫描加气站二维码开始，维保人员根据***提示上传维保过程中各阶段的照片。同时***会自动记录维保人员所在位置、维保持续时间等数据，对维保过程进行量化记录，为监督部门对维保企业的考评定级提供科学依据。所述设备维保模块与所述加气站健康管理模块联动，可根据加气站健康状况的变化情况自动调整维保计划，提升了维保行为的针对性、有效性，也有利于降低维保企业的运营成本。

进一步地，所述应急救援模块自动获取加气站发生气体泄漏、火灾事故等应急事件，实时记录故障处置过程，将信息推送至燃气企业、维保公司、政府监管部门，方便救援人员准确、快速、科学地解决加气站事故。同时可通过加气站内安装的显示终端对加气站内被困的工作人员进行安抚，实时显示救援人员目前到达的位置。

进一步地，所述加气站健康管理模块调用加气站故障预测模型判断加气站未来发生故障的时间点、故障程度、故障类型、故障部位，实现对加气站***健康状态的评估和设备维保。

进一步地，所述信息上报模块通过构建加气站运行、维保和故障等信息数据库，将收集到的数据并入“城市物联网平台”，通过月报制度让行政监察部门及时了解加气站每月发生故障的数量、频次、救援时效等，并定期向公众发布，助力实现加气站安全精细化管理模式。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“包括”“电连接”等应做广义理解，例如，电连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，对应本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，包括：感知层、网络层、平台层以及应用层，其中，

所述感知层与所述网络层连接，包括：加气站处理终端，所述加气站处理终端与气体检测仪、温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器以及智能网络摄像头连接；

所述网络层上接所述平台层，下接所述感知层，包括：数据网关，所述数据网关与所述加气站处理终端连接；

所述平台层上接所述应用层，下接所述网络层，包括：工业云平台和业务服务云，所述工业云平台与所述数据网关连接，再与所述业务服务云通讯；

所述应用层下接所述平台层，包括：监管部门、燃气公司、维保企业以及客户，所述监管部门、燃气公司、维保企业以及客户与所述业务服务云通讯。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，

所述气体检测仪、以及智能网络摄像头采集的模拟信号，包括：可燃气体浓度、气罐温度、气罐及泵压力、液化天然气流量、烟雾浓度以及加气站实时画面；

所述温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器所述各传感器和所述智能网络摄像头分别通过RS485/CAN通信协议将采集的模拟信号经过A/D转换模块转换为数字信号，并传输到安装在加气站的处理终端，所述加气站处理终端和所述数据网关上都安装有LoRa通信模块，所述加气站处理终端和所述数据网关通过LoRa通信协议通讯。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，所述工业云平台会与MQTT服务建立连接并且想服务且向服务发布数据订阅请求，MQTT服务器会将从数据网关获取的数据根据订阅信息将需要的数据发送给所述研华工控工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台，通过所述WISE-PaaS工业互联网平台的WISE-IoTSuite/IoT Hub，实现设备的快速接入以及设备消息的转发；利用所述WISE-PaaS工业互联网平台的“设备模型”技术，将不同品牌不同品类的设备功能抽象归纳，形成“标准物理型”，便于各方用统一的语言描述、控制、理解设备具有的功能和特性；当定义完一款设备模型后，再创建设备时，就可以使用定义后的设备模型，设备也将自动继承设备模型中的内容，从而降低设备管理的难度；利用所述WISE-PaaS工业互联网平台的IoT Edge技术，将所述加气站处理终端和所述数据网关作为边缘节点进行管理，在边缘节点上对采集的实时数据进行去重、降噪、聚合、过滤处理，形成云边协同的架构，提高整个***的健壮性。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，所述工业云平台上接收到的实时数据通过MQTT协议将订阅数据发送给部署业务的第三方云平台上，在业务***中完成加气站监控数据可视化、加气站故障预测、设备维保、统计数据上报的***核心功能；监管部门、燃气公司、维保企业以及客户的终端用户通过WebSocket通信协议与业务***通讯，根据不同的访问权限来获得相应的使用功能和数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，所述业务***遵循MVC设计模式，采用SpringBoot+Vue框架的B/S架构，后端开发应用SpringBoot+MyBatis+Redis+MySQL技术，前端开发采用Vue+ElementUI+Echarts技术。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，还包括：数据层，所述数据层使用MySQL数据库，使用MySQL存储各类传感的数据、加气站实时安全运行状态数据、历史故障数据、维保数据等***所需要的数据信息；MySQL最主要的两个存储引擎是MyISAM和InnoDB；MyISAM存储引擎属于非事务安全型；InnoDB是MySQL5.5之后的默认存储引擎，其属于事务安全型，支持具有提交、回滚及崩溃恢复等事务特性。

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，还包括：业务层，所述业务层是整个基于物联网技术的LNG加气站实时监控***中承上启下的关键一环，实现对终端传感器设备的“管、控、营”一体化，并且为上层***提供了应用开发和统一接口，构建传感器设备和云平台之间的端到端的通道；业务层选用工业云平台的WISE-PaaS工业互联网平台；WISE-PaaS是历经工业物联网长期考验之后，积累对边缘侧传感器、行业设备、丰富的数据采集协议的支持并提供云服务和灵活的算力支持，为应用层提供丰富灵活的开发接口。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，所述气体检测仪、温度传感器、压力传感器、流量传感器、烟雾传感器以及智能网络摄像头，采集到的设备各项数据，运用PHM技术和贝叶斯理论统计分析法，对尚处于正常工作状态的设备数据和历史维保工单进行分析，基于贝叶斯网络及基层传感器数据的***进行健康状态的预测。

9.根据权利要求8所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，基于贝叶斯网络及基层传感器数据的***进行健康状态的预测，包括：

S1，***分析贝叶斯各网络节点关系的构建：加气站***是由各子***、设备以及下层级的组件、零件相互配合完成的，基层级产品的运行时间、故障机理、环境情况等均直接或间接对***状态构成影响，因此构建各网络节点关系是建立预测模型的第一步；

S2，建立基层节点的预测模型：假设加气站故障机理的基层节点均具有退化特征，在构建得到上述贝叶斯各节点关系的基础上，结合各机理自身的特点及历史和实测数据构建对应的状态预测模型；

S3，确定各节点间信息的传递关系：通过可靠性模型等逻辑关系来确立非根节点和其父节点间的状态关系，分为状态逻辑关系、概率权重关系、特征参数函数关系，以描述其工作状态；

S4，***健康状态的预测：利用python对步骤一到步骤三构建的贝叶斯网络进行运算，预测***在某一时刻正常工作的概率和发生故障的概率。

10.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的LNG加气站实时安全监控***，其特征在于，所述应用层是整个***的前端，直接面对最终用户，包括：加气站实时安全运行状态、设备维保、应急救援、加气站健康管理、信息上报五大功能模块。前端开发采用Vue框架，使用双向绑定机制使开发者从原来对DOM的操作中解放出来；使用Element UI和Echarts进行用户界面交互，采用Axios与后端控制层进行数据通信及WebService调用。

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