【论文精选】具有自学习功能的安全切断型智能燃气表

原创 邵泽华，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

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作 者： 邵泽华，李勇

第一作者单位：成都秦川物联网科技股份有限公司

摘自《煤气与热力》2022年5月刊

参考文献示例

邵泽华，李勇 .    具有自学习功能的安全切断型智能燃气表 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（5） ：B39-B40，B46.

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1    技术背景

 

①智能燃气表安全切断

 

目前大多数 燃气表 实现燃气安全切断的方式有两种：方式 1 是燃气表外接报警器，通过检测燃气泄漏及时关闭控制阀；方式 2 是燃气表在使用过程中感知流量、压力、表端状态，发生异常时，燃气表自动切断控制阀。方式 1 只有当燃气泄漏并在报警器检测空间内的燃气浓度达到一定值时，报警器才能检测到燃气泄漏，并向燃气表发出报警信号，由燃气表进行安全切断控制。方式 2 只有燃气表检测到当前燃气流量、压力、表端状态超过或低于设定的固定阈值时，才能够实现安全切断控制。

 

方式 1 在燃气泄漏量较小或用气环境空间开阔、通风良好的情况下，燃气浓度不能达到燃气报警器检测的最低浓度要求时， 燃气报警器 不能有效检测到燃气泄漏。方式 2 当燃气流量和压力未超出设定的固定阈值时，燃气表不能作出安全切断反应。因此通过这两种方式进行安全切断控制，存在一定的风险。

 

②自学习功能

 

自学习功能也称为自适应能力，是指智能物或智能系统在运行过程中，根据运行环境的变化，通过评估已有行为的正确性或优良度，自动修改自身参数或配置，以改进和优化自身特性，实现更加智慧化的物和系统。目前国内关于自学习功能的研究大多在人工智能、无人驾驶、变速箱、发动机等大型工业控制领域，在民用计量领域的研究和应用处于萌芽阶段。

 

本文所研究的 燃气表 的自学习功能是指在燃气表正常使用过程中，当常用流量、用气量、温度等用气环境发生明显变化时，燃气表能够通过调整和修正自身嵌入式应用软件的参数值，优化自身配置，以适应不同用气场景下的准确计量和安全管控，为用户提供更加准确、智慧和安全的用气环境。

 

2    具有自学习功能的安全切断型智能燃气表  

2.1   结构及原理

 

①结构

 

作者及团队设计了一种具有自学习功能的安全切断型智能燃气表 ^{［ 1 ］} ，其结构见图 1 ，包括控制阀、脉冲采样电路、主控 MCU 、存储器、阀门控制电路和无线通信模块等。

 

图 1    具有自学习功能的安全切断型智能燃气表的结构

 

②工作原理

 

燃气表正常使用时，控制阀处于开启状态，脉冲采样电路采集燃气流量电子脉冲信号，在输出端将信号传递给主控 MCU 。主控 MCU 对脉冲数和脉冲频率进行计算，通过与存储器内的最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率、最大用气量数据比较，更新最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率、最大用气量数据并存储于存储器中，或发现流量和用气量异常，发送关阀指令给阀门控制电路，阀门控制电路与控制阀连接，实现控制阀安全切断保护。在燃气表欠费状态、燃气泄漏等异常状态解除后，用户通过手动按下人工复位按钮，可实现燃气表自检，在确认异常状态消除的情况下打开控制阀。无线通信模块的输入端与主控 MCU 连接，在指定的时间向燃气综合管理系统发送用户用气数据、用气异常记录、安全切断记录、表端设备状态数据等。

 

③主控 MCU 的功能

 

在用气过程中，主控 MCU 会按照一定的时间间隔对当日累积用气量、用气脉冲频率和存储器存储的最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率进行比较，当日累积用气量、用气脉冲频率的任一参数超出存储器存储的最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率时，主控 MCU 会向阀门控制电路发送关阀指令，阀门控制电路与控制阀连接，实现控制阀安全切断。此时如果确实是用户正常用气，用户可按下人工复位按钮，在燃气表自检通过（自检通过说明燃气表无异常）后恢复通气。通气后，在正常使用时，若燃气表再次认为是异常导致关阀，用户可再次按下人工复位按钮恢复通气，燃气表保存此次导致控制阀关闭的相关参数，更新相关参数（最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率）。

 

存储器存储最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率以及近 30 d 内的用气历史数据，存储的最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率必须取自近 30 d 内的用气数据。超过 30 d 后，存储器自动将最早一天的用气历史数据移除，将最新一天的用气数据存入，燃气表也会自动比较得出近 30 d 的最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率作为判断标准进行更新。如此便消除了用户用气习惯因季节或人口等因素发生变化的影响。

 

2.2   特点

 

①能够自动更新最大用气量、最大常用流量脉冲频率和最小常用流量脉冲频率，解决了用户在实际用气过程中，不能动态确定最大用气量、最大常用流量、最小常用流量的难题。

 

②当用户用气量、流量超出存储的最大用气量、最大常用流量和最小常用流量时，燃气表能够实现安全切断功能，解决了燃气表无法及时、准确切断的问题，保证了用户用气安全。

 

③燃气表存储器仅存储最近指定时间内的用气数据，最大用气量、最大常用流量脉冲频率、最小常用流量脉冲频率也会随之更新，消除了用户用气习惯因季节或人口等因素发生变化的影响。

 

④在指定的时间达到后，燃气表通过无线通信模块将数据发送给燃气综合管理系统，燃气综合管理系统以此知晓终端设备的在线情况，相比由综合管理系统定时检测的方式，不用使终端设备一直在线，从而有效降低终端设备的功耗。

 

3    下一步研究方向

①自学习功能与自诊断功能的结合

 

智能燃气表安全切断功能的自学习在一定程度上解决了燃气表正常使用过程中出现的不关阀或误关阀的情况，通过判断用户用气量和常用流量的变化，及时作出安全切断反应，为用户提供更加安全的用气环境，燃气表在功能层面上得到了一定的优化和提升。

 

目前关于燃气表性能指标的测试，只有产品定型时的型式检验、产品出厂时的出厂检验，无法做到对燃气表全生命周期内性能指标的连续监控。在用户正常用表过程中，随着安装条件、使用环境等因素的影响，燃气表密封性、工作电流、计量准确性等性能指标可能发生改变，如果仅依靠对燃气表周期性地检定或巡检来确认燃气表性能指标的正常，很可能造成燃气表出现性能缺失的空白期。

 

作者及团队下一步的研究方向是通过结合燃气表性能参数的自学习能力，增加燃气表的自诊断功能，使燃气表在正常工作期间，能够定时或实时诊断自身性能状况。当检测到性能指标与设置的型式检验指标或出厂检验指标偏差较大时，燃气表通过自身结构的自主优化、嵌入式软件程序的调整或远程上报给燃气综合管理系统等方式，保证燃气表在其使用周期内性能指标的连续正常，避免出现性能缺失或降低的空白期。

 

②利用神经网络算法和统计学识别外界干扰

 

智能燃气表的自学习功能是通过比较用户即时用气参数与常用用气参数的偏差，通过安全切断手段来达到用户安全用气的目的，在一定程度上识别出了用户偶尔出现的非正常用气情景，燃气表在安全层面上得到了一定的改善和提升。

 

未来随着用户用气情景的多样化，仅通过比较用户即时用气参数与常用用气参数的偏差就作出安全切断响应，可能会出现燃气表反复进行安全检测、用户反复操作人工复位按钮的情况，一方面增加了燃气表的功耗，另一方面给用户带来了不便。

 

作者及团队下一步的研究方向是通过在燃气表嵌入式软件中增加神经网络算法和统计学分析等手段来真正地记忆用户不同场景下的用气习惯，形成用户用气图谱，筛选出偶尔出现的非正常用气情况，识别出非安全用气情景，更加准确地作出安全切断响应，减少表端安全检测次数和用户反复操作次数，提升燃气表智慧化的水平。

参考文献：

［ 1 ］邵泽华，吴岳飞，权亚强，等 .   一种具有自学习功能的安全切断型智能燃气表使用方法： ZL 2015 1 0055310.8 ［ P ］ . 2018-02-16.

 

（本文责任编辑：林国真）

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