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采用电磁波的输油管道系统中的无线传感器网络
Mustafa Alper Akkaş1 , Radosveta Sokullu2 , Abdullah Balcı3
1Pamukkale University Department of Electrical amp; Electronic Engineering, DENIZLI 20070, TURKEY
alperakkas@pau.edu.tr
2,3Ege University, Department of Electrical amp; Electronics Engineering, IZMIR 35040, Turkey
radosveta.sokullu@ege.edu.tr, abdullah.balci@ege.edu.tr
摘要
WUSNs（无线地下传感器网络）的实现将引领许多新兴应用，如智能农业，地下管线，油藏监测，隐蔽边境巡逻，地震和滑坡预报，地下矿山防灾救援等。地下敌对 环境阻止直接使用大多数（如果不是全部）现有的无线通信和网络解决方案，因为当穿透土壤，沙子，岩石，水时，路径损耗极大，通信范围小，电磁波动态高 ，地下环境和管道中的原油介质。本文的目的是解决在输油管道系统中实现无线传感器网络的这些独特而重要的挑战。研究还侧重于使用无线传感器网络开发一个通用框架，以提供持续监控。
关键词：-输油管道系统，管道输送，无线地下传感器网络，电磁吸收。
1．简介
WUSNs被设想在不同的地下环境中运行，包括土壤介质，油藏，地下矿井和隧道。如[1,2,3,4]中详述的土壤介质中一般WUSNs的系统结构由埋在地下土壤介质中的大量无线传感器节点组成。如[1,2,3,4]中所定义的，WUSNs是在地面下操作的无线传感器节点的网络。与目前使用有线通信方法进行网络部署的地下传感器网络相比，WUSNs在数据的及时性，易部署性和数据收集性，隐藏性，可靠性和覆盖密度方面具有优势[1,2,3,4]。作为完善的无线传感器网络（WUSNs）[3,4,5]范例的自然延伸，WUSNs可以部署在管道系统中运行，并且还可以设想提供实时监控功能。WUSNs是一个充满希望且不断扩展的领域，它将能够实现各种新颖的应用，而现有的地下监测技术无法实现这些应用。
管道运输是通过管道运输货物。液体和气体通过管道输送，任何化学稳定的物质都可以通过管道输送。管道存在用于运输原油和精炼石油，燃料：例如石油，天然气和生物燃料以及其他流体，包括污水，泥浆，水和啤酒。当管道需要在山上移动时，或者由于考虑到蒸发，污染或环境影响而导致运河或渠道选择不当时，管道可用于长距离输送饮用水或灌溉用水。使用压缩空气的气动管可用于运输固体胶囊。输油管道由通常埋在地下的钢管或塑料管制成。油沿着管道通过泵站移动通过管道。输送易燃或爆炸性材料（如天然气或石油）的管道存在特殊的安全问题，并且发生了各种事故。管道可能成为破坏，破坏甚至恐怖袭击的目标。在战争中，管道通常是军事攻击的目标。对于石油和天然气行业，最常见和最重要的应用涉及实时过程控制，安全，维护和生产性能的监控[6]。
２．相关工作
Yuanwei Jinet等在文献[7]描述了一种用兰姆波监测管道系统的传感器网络平台，兰姆波是被引导的超声波，可以在板中传播相当长的距离。管道系统广泛用于石油，天然气，水和污水的分配和运输。由于老化和快速腐烂的管道系统基础设施导致的泄漏和破裂每年花费数百万美元; 他们还明确了连续自动监测系统的必要性，这些系统能够在达到重大灾害的严重程度之前提供诸如腐蚀和泄漏等缺陷的早期检测和早期预警。在本文中，讨论了传感器网络如何使用兰姆波检测，定位和量化管道系统中的突发，泄漏和其他异常。
Anupama K.R.等在文献[8]提出了一种使用无线传感器网络技术的管道监测系统。该研究涉及使用100多种无线传感器网络元件开发基于远程条件的石油和天然气管道应用。本文描述了研究方法和逐步系统开发程序。它首先描述了适用于管道监测系统的特定应用试验台。
Huaping Yu等在文献[9]提出了一种基于传感器节点线部署策略和WSN数据融合策略的高效管道状态信息采集算法。该算法的分析结果表明，该算法能够显着提高网络在延迟和能量上的性能，保证紧急数据的有效传播，延长网络的生命周期。它具有高性能，低成本和控制效率的特点。
上面提到的大多数研究都没有对管道中的通道进行建模。通过无线传感器设备的建模，基于标准化节点和网络的软件趋向于更简单且更便宜的解决方案。
３．无线地下传感器网络应用
地下无线传感器网络主要用于农业，环境监测或军事目的：无线传感器网络用于智能农业，高尔夫球场，智能灌溉系统，矿井和边境地区。
在[10]中描述的应用中，无线节点以固定距离埋在土壤中，并提供有关土壤特定参数的实时信息，如湿度，温度，矿物成分等。地下传感器收集信息并将其传输到上方 水槽位于地面之上。根据收集的日期，控制中心可以调节温室的运行条件 - 增加或降低温度，调节浇水过程或如果特定矿物质的含量减少，可以自动进料到土壤。
高尔夫球场应用WUSN的另一个应用在[11]中描述。在高尔夫球场中，土壤的湿度和草的状况是最重要的。因此，在他们的工作中，Ugmo等人使用WUSN和专门设计的传感器来确保适当的湿度，盐度和温度值，最适合所用草类型。虽然它可能看起来有点微不足道作为一个实现，但这是一个非常复杂的操作WUSN的例子。
在灌溉系统中，获取有关浇水管状况的精确信息以及每次通过的水量非常重要。
因此在[12]中进行了一项实例研究，该研究可以应用于地下浇水管，提供有关泵送水量的最新信息。
地球滑坡，瓦斯喷发或洪水是矿井中可能发生的最危险的情况之一。为了防止这种灾难，可以使用WSN网络。[13]中描述了开发的应用之一。无线传感器网络由放置在墙壁上的传感器节点和竖井中的支柱组成，提供有关在该区域工作的人数，温度，湿度，压力和气体成分的信息。该系统可用于监控，并通过适当的数据分析，即使发生灾难，也可用作警告系统。由于这样的系统，可以事先预测可能的矿井灾害。
另一个可以从小型网络中获益的应用领域是地下油藏的勘探。在含石油区域中部署在地下的传感器节点可以提供关于储备的某些特征的有价值信息。该应用要求无线传感器节点在地下部署在三维水力压裂中，尺寸为100 mtimes;3 mtimes;1 cm（长times;高times;宽）。由于结构的宽度小于1cm，传感器试剂的尺寸以毫米级为单位。在采油过程中还存在侧面裂缝，其中结构的宽度非常小，因此传感器的尺寸在很小的范围内[3]。提高采收率的一种有希望的方法是使用WUSN并在油田的三维水力压裂中部署传感剂，以实现实时油藏监测并提供全面的传感测量，如压力，温度，含油饱和度和流体 类型。
4. 基于EM波的油管系统技术
输油管道系统中WUSNs的系统结构如图1所示。蓝色部分（介质1）显示了油和黑色线条显示了由钢管或塑料管制成的管道。介质2被认为是相对磁导率为5000的钢。
图 1石油管道系统无线传感器网络的系统架构。
红色地下无线传感器，可以将温度，湿度，压力和油成分发送到地面水槽。通过这种方式，可以计算管道损坏预防和泄漏检测等管道安全解决方案。表面接收器天线可以以两种不同的方式定位，首先它们的天线可以通过孔从管道内部定位，或者可以位于管道外部，如图1所示。
4.1．油中通道吸收特性的计算
考虑到油的性质，路径损失的变化。
根据Friis方程[14]，众所周知，距离发射机距离为r的自由空间中的接收信号强度以对数形式表示为
（1）
其中P t是发射 功率，G r和G t是接收器和发射器天线的增益，Lwo是自由空间中的路径损耗，以dB为单位，可以写为
（2）
其中d是发射器和接收器之间的距离，单位为米，f是以MHz为单位的工作频率，c是真空中的光速，3times;108米/秒。对于在油中的传播，应在Friis方程（1）中包括校正因子以说明油介质的影响。结果，接收信号可以被重写为
（3）
其中Lwo = L0 Loil。L油代表由油中传播引起的额外路径损失，其通过考虑以下与空气中的EM波传播的差异来计算：（1）信号速度，因此波长lambda;是 不同的和（2）波的幅度将根据频率衰减。因此，油中的附加路径损失L油由两种组分组成，即Loil =Lbeta; Lalpha;。其中Lbeta;是由于水中信号波长的差异引起的衰减损耗lambda;，与自由空间中的波长相比，lambda;0和Lalpha;是衰减常数alpha;衰减引起的传输损耗。
因此，Lbeta;= 20log（lambda;0/lambda;），Lalpha;=e2alpha;d。波长lambda;=2pi;/beta;，自由空间lambda;0= c / f，其中beta;是相移常数，c = 3times;10 8 m / s，f是工作频率，Lbeta;和Lalpha; 可以用dB表示如下：
（4）
假设自由空间中的路径损耗为L 0 = 20 log（4pi;d/lambda;0），则油中EM波的路径损耗L wo如下：
（5）
其中距离d以米为单位，衰减常数alpha;为1 / m，相移常数beta;为弧度/ m。注意，（5）中的路径损耗L wo取决于衰减常数alpha;和相移常数beta;。这些参数的值取决于油的介电性质。alpha;和beta;的值取决于水的介电性质，其以gamma;=alpha; jbeta;给出。
, （6）
其中f是工作频率，mu;是磁导率，油介质值的相对介电常数的实部和虚部取自[15]。
4.1.1．单路径信道模型
最后，对于像油罐一样深的油环境，可以使用公式5计算路径损失的值。其原因在于，在真正的深油中，管道产生的反射小到可以忽略不计。因此，在考虑深槽中两个节点之间的通信时，采用单路径油模型。
图2给出了100至500 MHz频段内单路径模型的路径损耗值。此应用程序可以消耗天线尺寸，这就是使用100到500 MHz频段的原因。仔细检查该图，可以看出，正如预期的那样，路径损耗随着频率的增加而增加。假设，假设系统损耗为100 dB，那么从图中可以看出300 MHz的通信范围将达到7 m。
图 2单路油模型环境的路径损耗为100至500 MHz频段
图3是图2的3D版本，其允许我们更好地检查非线性方式，其中路径损耗根据频带和考虑的频带的距离而改变。总的来说，路径损耗随着频率的增加而增加，从而减少了通信距离。
图 3 100-500MHz频段单径油模型频率，距离和路径损耗之间关系的三维表示。
在根据手头的工作进行检查时，公式（6）中所需的工作频率选择在100和500MHz之间。这种选择的原因如下：最近一些重要的使用MICAz节点进行地下通信的实验，这些节点在2.4 GHz频段运行，表明该频段的通信范围只能扩展到1 m [16]。同样在液体介质中，距离随着频率的增加而减小。然而，考虑到今天许多商用传感器工作在315/433 MHz [17]，在单路油环境分析中，我们研究了它们的通信范围并证明，它可以扩展到7米 因此，较低频段可以优于较高频段，以便在深水中进行通信。另一方面，145降低工作频率低于300 MHz会增加天线尺寸，将距离增加到10 m，但这也会妨碍WUSN的实际实施。
4.1.2．双路信道模型
来自表面和底部的反射取决于油和铁之间界面处的反射系数。反射系数由公式7给出：[18]。
（7）
其中rho;1和rho;2分别是第一和第二介质的密度，v 1和v 2是两种介质中的波速。我们使用钢的相对磁导率为5000。来自表面和从底部的反射损失是L ref并且在等式8中示出。
（8）
其中公式8中所示的V的计算如下所示：
（9）
其中r是反射路径长度，并且分别是反射系数的幅度和相位，Delta;（r）是r和d之间的差。另外，r可以如下计算：
（10）
这里d是两个传感器之间的最短距离，H i是传感器和界面之间的最短距离，r i是传感器和相对反射点（钢）之间的距离。图4提供了管道处的通道路径的图形表示。单通道通道包括d 1和d 2（路径d），而双通道通道模型包括r 1 -r 3和r 2 -r 4（来自油 - 铁界面的反射）。图4中的图是包括所设想的硬件组件（为了清楚地示出了两个节点）的简单框图，以及在上面的理论推导中考虑的节点之间的距离。应该提醒的是，所考虑的网络的主要要求之一（如图1所示的一般结构）是对地下和地上
资料编号：[3377]
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