城市下水道及化粪池可燃气体监控预警系统研制与应用

【摘要】：为预防城市市政排水管道设施中可燃气体蓄积引发的爆炸事故,提高市政环境应急监测的可靠性和实时性,开发了城市下水道及化粪池可燃气体安全监控预警系统,并运用于重庆市。 在重庆市市政委科技计划项目“重庆市市政(下水道和化粪池)有害气体安全监测预警系统应用研究(CJ2006-17)”的资助下,本研究设计了一种基于红外传感器技术和GPRS无线数据传输的远程监控预警系统。系统首先利用高灵敏度、性能稳定的红外可燃气传感器完成市政下水道和化粪池设施中可燃沼气浓度检测,经现场无线传输终端获取传感器监测数据,再通过GPRS无线通信技术发送给远程监控中心,监控中心通过数据库和监控软件的设计来实现对监测区域可燃气体浓度的实时监控和险情预报。通过在重庆市主城区市政下水道和化粪池的实践应用研究,监测结果准确、传输数据可靠、系统运行稳定、报警响应灵敏,能及时发现异常信息并作出预警指示。监控系统的建设实现了可燃气体浓度的实时监测和监控预警功能,对保障市政污水管网设施的安全运行具有积极意义和实用价值。主要研究内容包括: ①通过对重庆市城市下水道、化粪池存在的安全影响调查,论述了建设可燃气浓度监控预警系统的目的,并首次提出将无线传感器网络技术运用于市政排水管道可燃气体监测。根据远程监控系统的设计原则,结合本系统的应用目标和实现需求,从气体检测、设备选型、监测区域设置和传输方式选择进行论证,阐述了可燃气监控预警系统的整体框架。运用模块化的设计思想将整个系统分成三个子系统:气体浓度检测系统、数据传输系统和监控中心,并给出各子系统的组成和实现方案。 ②论述了传感器工作原理、基本特性和可燃气体检测实现方式,并根据设计要求及使用环境选定固定式红外可燃气传感器。根据报警机制选定可燃气最低爆炸下限作为浓度检测指标,并确定了三级报警响应级别;结合实际运行情况,分别确定了下水道和化粪池在不同报警级别下的浓度报警限值;通过现场测试确定了传感器的安装位置和现场设备安装原则。在连续使用6个月后,按照国家标准对传感器的示值误差、响应时间、报警误差三项技术指标进行检定,各项检测结果均满足国家标准要求,传感器工况稳定,报警检测结果准确。 ③从GPRS数据传输终端配置、无线通信网络设计和传输、通信协议制定三个方面来完成数据传输系统的设计,从而实现可燃气浓度监测数据的远程无线传输。设计使用GPRS-DTU作为无线数据传输终端,选择公网方式接入无线网络,动态IP地址接入方式完成与监控中心的“中心对多点”的组网连接方式,实现监控中心与不同监测终端之间的数据传输。对传输协议进行理论分析与实验测试,选择UDP协议作为本系统的数据传输协议,使数据传输的经济性和效率均得到优化。通过数据校验机制和通信协议设置,提高通信数据的正确性,也使得数据的双向传输得到实现。 ④论述了系统监控中心功能设计和软件实现过程。用模块化的设计思想和多线程的编程技术,便于系统的维护管理;从数据库创建和监控软件实现来完成监控中心系统软件设计。按照数据库与数据服务软件分开设计原则,优化了系统的可扩展性,通过组态软件生成数据库,利用数据服务软件调用数据库,然后根据数据库数据内容实现报警、查询功能;通过监控软件进行直观的浓度显示、历史数据统计、数据库查询和远程参数设置等操作。 ⑤为提高系统的数据传输成功率,提出“丢包重发”机制,从理论和数据传输试验两方面论证该机制在一定程度上增强了数据传输的稳定性和可靠性。对系统运行性能分析以及一年多的试运行测试,验证了系统的精确性和稳定性;监测结果较好地反映出不同区域内可燃气浓度随季节、时间、排污情况不同而产生的变化;通过化粪池可燃气产生与污水排放情况和污染物浓度之间的相关性分析,研究了可燃气产生与排污活动之间的变化规律。依托本监控预警系统在重庆市的应用实践表明,利用无线传感器网络技术进行市政下水道和化粪池可燃气体的远程监测和安全预警是可行的,系统有效表征监测设施内可燃气变化情况,预警预报准确有效,达到监控预警的建设目的。 ⑥在对可燃气体安全监控预警系统的体系构建,实际运行测试以及实现目的的基础上,提出了下水道及化粪池可燃气体安全监控预警系统建设技术导程(附录),起到对系统推广运用的规范指导和更好地完成对本系统软硬件的优化设计、开发、管理和维护。 【关键词】：可燃气体 红外传感器 通用无线分组业务 监控中心 预警系统
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X932
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 引言12-16
• 1.1.1 研究背景和意义12-13
• 1.1.2 安全预警监控研究的目的13-16
• 1.2 国内外主要研究方向及现状16-25
• 1.2.1 市政污水管道可燃气体监测研究现状16-20
• 1.2.2 远程监控系统研究现状20-24
• 1.2.3 无线通讯传输技术应用现状24-25
• 1.3 本文研究内容及成果25-27
• 1.4 论文创新点27
• 1.5 本章小结27-28
• 2 可燃气体远程监控系统总体方案28-42
• 2.1 系统总体方案设计28-35
• 2.1.1 系统设计思路和结构模型设计28-29
• 2.1.2 设计原则29-30
• 2.1.3 系统建设要求30-33
• 2.1.4 系统功能需求分析33-34
• 2.1.5 系统整体结构34-35
• 2.2 可燃气检测系统35-36
• 2.2.1 可燃气体检测36
• 2.2.2 数据传输设备36
• 2.3 数据传输系统36-39
• 2.3.1 网络实现方式36-38
• 2.3.2 GPRS 数据传输技术38-39
• 2.3.3 子系统间数据接口设计39
• 2.4 监控中心与系统软件39-41
• 2.4.1 监控中心功能39-40
• 2.4.2 系统软件总体设计40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 3 现场监测系统42-63
• 3.1 现场监测终端的设计42-43
• 3.2 可燃气体传感器选型及整体设计43-50
• 3.2.1 传感器工作原理43-44
• 3.2.2 气体传感器结构44-47
• 3.2.3 可燃气体检测仪的选定47-50
• 3.3 可燃气体检测及传感器设置50-57
• 3.3.1 可燃气体的检测指标50-54
• 3.3.2 传感器的安装设置54-57
• 3.4 传感器技术指标检定57-62
• 3.4.1 检定目的及设备57
• 3.4.2 检定指标及方法57-58
• 3.4.3 测试及结果分析58-62
• 3.5 本章小结62-63
• 4 远程数据传输系统63-82
• 4.1 GPRS 数据传输63-65
• 4.1.1 GPRS 无线通信特点63
• 4.1.2 GPRS 网络结构63-65
• 4.2 GPRS 数据传输终端65-69
• 4.2.1 GPRS 终端65-67
• 4.2.2 模块参数配置67-69
• 4.3 无线通信网络设计69-74
• 4.3.1 组网结构设计70-71
• 4.3.2 网络接入方式71-74
• 4.4 传输协议的选择74-78
• 4.4.1 系统应用特点74-75
• 4.4.2 TCP 和UDP 协议的数据传输75-78
• 4.4.3 传输协议确定78
• 4.5 通信协议的制定78-81
• 4.5.1 GPRS 终端到监控中心的通信79
• 4.5.2 监控中心到GPRS 终端的通信79-80
• 4.5.3 通信的可靠性设计80-81
• 4.6 本章小结81-82
• 5 监控中心系统软件设计与功能实现82-90
• 5.1 监控中心的功能设计82-83
• 5.2 系统软件总体设计思路83-84
• 5.3 监控数据库软件设置84-86
• 5.3.1 组态软件设置84-86
• 5.3.2 数据服务软件86
• 5.4 监控软件特点分析86-89
• 5.4.1 软件结构86-87
• 5.4.2 操作界面设计87-89
• 5.5 本章小结89-90
• 6 系统应用测试与实际运行分析90-118
• 6.1 工程概况90-94
• 6.1.1 渝中区下水道90-91
• 6.1.2 沙坪坝区化粪池91-93
• 6.1.3 监控系统运行情况93-94
• 6.2 数据传输测试与结果分析94-99
• 6.2.1 网络状况测试94-96
• 6.2.2 数据传输成功率分析96-97
• 6.2.3 数据传输试验与分析97-99
• 6.3 监控系统运行效果及性能分析99-109
• 6.3.1 测试项目与方案99-100
• 6.3.2 测试设备100
• 6.3.3 系统精确性100-101
• 6.3.4 系统可靠性101-102
• 6.3.5 系统稳定性102-109
• 6.4 可燃气浓度与排污相关分析109-116
• 6.4.1 测试内容与方案109-110
• 6.4.2 污水排放规律110-111
• 6.4.3 污染物浓度111-112
• 6.4.4 可燃气体浓度变化112-113
• 6.4.5 相关性分析113-116
• 6.5 本章小结116-118
• 7 总结与展望118-122
• 7.1 总结118-120
• 7.2 展望120-122
• 致谢122-123
• 参考文献123-133
• 附录133-146
• A 下水道、化粪池气体安全监控预警系统建设技术导程133-146
• B 作者攻读博士学位期间发表的学术论文146
• C 作者攻读博士学位期间参与科研项目情况146

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