摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣供應(yīng)和消費(fèi)規(guī)模也在同步快速增長，天然氣行 業(yè)下游基礎(chǔ)設(shè)施、城市管網(wǎng)總長度也在迅猛增長。天然氣企業(yè)迎來發(fā)展的同時(shí)，面臨的挑 戰(zhàn)也不容忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全國發(fā)生管網(wǎng)事故151起。事故原因主要包括第三方破 壞、管線老化腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害等。如何有效監(jiān)測事故隱患，快速定位泄漏點(diǎn)，及時(shí)應(yīng)對(duì)成 為急需解決的問題。本文論述了如何利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立管網(wǎng)安全監(jiān) 測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、預(yù)警、險(xiǎn)情處置的聯(lián)動(dòng)，從而提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：安全風(fēng)險(xiǎn)；泄漏監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；GIS；大數(shù)據(jù)

1 燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)

隨著管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間的延長，地下管線面臨的風(fēng)險(xiǎn)越來越大，其中，燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)最高，造成影響最大，處置不及時(shí)極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，給城市管理和燃?xì)馄髽I(yè)造成負(fù)面影響較大，此類風(fēng)險(xiǎn)是各燃?xì)馄髽I(yè)最為關(guān)注的。從近些年的事故案例看，造成燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏的主要原因包括：第三方破壞、腐蝕因素、地質(zhì)因素、設(shè)備因素4類。例如：受多因素引起的土層不均勻沉降導(dǎo)致管道沉降，管道接口、焊縫等受到應(yīng)力拉伸導(dǎo)致管道泄漏甚至斷裂，其次，重物碾壓、第三方施工或高大喬木生長等導(dǎo)致管道局部應(yīng)力過大、導(dǎo)致泄漏等情況時(shí)有發(fā)生。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，目前燃?xì)馄髽I(yè)多采用人工巡檢的手段，同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展，智能監(jiān)測技術(shù)已逐步成熟并已有部分實(shí)際應(yīng)用。目前來看，人工巡檢和智能監(jiān)測的區(qū)別主要如下。

1.1 人工巡檢

目前，在管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，多采用加強(qiáng)工程質(zhì)量管控，加強(qiáng)管線巡檢，更換老舊管網(wǎng)和設(shè)備等手段來減少泄漏的發(fā)生概率，此類方法都屬于常規(guī)管理手段，可從一定程度上降低管網(wǎng)的泄漏概率，但從實(shí)際運(yùn)行來看，難以完全杜絕泄漏的發(fā)生，及時(shí)性和有效性不佳，對(duì)人員素質(zhì)和責(zé)任心依賴較重。

1.2 智能監(jiān)測系統(tǒng)

針對(duì)人工巡檢的弊端，如何對(duì)已發(fā)生的泄漏采取有效的監(jiān)測、預(yù)警、處置措施從而避免事故的發(fā)生是安全運(yùn)行的重點(diǎn)，因此，需要構(gòu)建一套實(shí)時(shí)、持續(xù)、可靠的針對(duì)地下密閉空間的可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的地下燃?xì)夤芫€運(yùn)行監(jiān)測，同時(shí)克服井室內(nèi)氣體組分復(fù)雜、高水位、通信信號(hào)差、無市電供電等難題，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)泄漏并進(jìn)行預(yù)警，以彌補(bǔ)常規(guī)管理和人工巡檢的不足，為后續(xù)的處置提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，快速有效處置險(xiǎn)情，避免事故發(fā)生。

2 系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)

智能監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)主要由高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別、地下空間實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、信息流轉(zhuǎn)四大部分組成。由于燃?xì)夤芫€周邊存在大量地下空間，系統(tǒng)建立前首先要完成對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的識(shí)別，必須根據(jù)一定準(zhǔn)則從眾多地下空間中選取高風(fēng)險(xiǎn)空間進(jìn)行監(jiān)測，以確保監(jiān)測的可行性和充分性。同時(shí)由于地下環(huán)境復(fù)雜，沼氣等因素會(huì)影響監(jiān)測準(zhǔn)確率，為提高天然氣泄漏監(jiān)測的準(zhǔn)確率，需要建立系統(tǒng)識(shí)別模型來提高監(jiān)測準(zhǔn)確率，同時(shí)結(jié)合人工現(xiàn)場搶險(xiǎn)來確定是否為燃?xì)庑孤趽岆U(xiǎn)過程中，如何快速有效的傳遞關(guān)鍵信息也較為重要。諸如：地下管線剖面分析、周邊環(huán)境也會(huì)直接影響現(xiàn)場應(yīng)急處置的時(shí)效性，對(duì)險(xiǎn)情控制起到重要作用。因此，智能監(jiān)測系統(tǒng)需建立在大量數(shù)據(jù)分析和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，主要有以下幾點(diǎn)：

2.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別基于高泄漏管線、管線周邊承載體程度、社會(huì)敏感性三個(gè)維度進(jìn)行篩選。首先根據(jù)對(duì)近些年歷史搶維數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)先選擇燃?xì)夤芫€高泄漏區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)泄漏燃?xì)夤芫€按照不同維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取高泄漏管線特征，如鑄鐵管材，服役期限超15年等。通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)夤芫€屬性進(jìn)行篩選，獲取高泄漏燃?xì)夤芫€分布；其次基于人口密度柵格數(shù)據(jù)及危險(xiǎn)源、防護(hù)目標(biāo)POI數(shù)據(jù)，分析獲取承災(zāi)體相對(duì)密集區(qū)域，進(jìn)而針對(duì)性監(jiān)測；對(duì)社會(huì)敏感區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。政府機(jī)關(guān)、涉外單位、用氣大客戶等區(qū)域?qū)夥€(wěn)定需求較大，對(duì)地下空間爆炸事件相對(duì)敏感，因此對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性監(jiān)測。基于上述策略，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。

2.2 監(jiān)測布點(diǎn)

基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的結(jié)果，選擇風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高的地下空間進(jìn)行監(jiān)測布點(diǎn)，對(duì)于地下空間的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估布點(diǎn)主要考慮燃?xì)夤芫€泄漏可能性、聚集可能性、點(diǎn)火可能性及爆炸后果等方面，在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用基于風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化布點(diǎn)策略，對(duì)燃?xì)夤芫€及與燃?xì)夤芫€交叉的雨污水、電力管線檢查井等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測。

2.3 監(jiān)測準(zhǔn)確率

如何準(zhǔn)確識(shí)別地下空間是否是天然氣泄漏也很重要，為解決該問題，采用K-meams算法對(duì)歷史報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，分別形成沼氣堆積/燃?xì)庑孤﹫?bào)警數(shù)據(jù)周期性變化曲線樣本庫，基于此，系統(tǒng)可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線與樣本曲線間變異系數(shù)來判斷報(bào)警數(shù)據(jù)與樣本曲線間匹配度。基于匹配度、實(shí)時(shí)天氣、沼氣源、規(guī)律性、周邊同類地下空間報(bào)警曲線相似性等五個(gè)特征構(gòu)建判斷矩陣，實(shí)現(xiàn)報(bào)警源頭沼氣、疑似沼氣、燃沼并存、疑似燃?xì)狻⑷細(xì)馕孱悺吧矸菪畔ⅰ北孀R(shí)與置信度的分析。從而提高對(duì)地下空間天然氣泄漏的辨識(shí)準(zhǔn)確率。

2.4 信息流轉(zhuǎn)

當(dāng)監(jiān)測到泄漏險(xiǎn)情后，需要諸多信息來輔助現(xiàn)場的應(yīng)急處置，如：泄漏點(diǎn)周邊的人員密集程度，是否有醫(yī)院、學(xué)校等場所，是否需要停氣，影響區(qū)域有多大，需要發(fā)布哪些信息以減少危險(xiǎn)影響程度，此類信息都要快速準(zhǔn)確的提供至現(xiàn)場應(yīng)急指揮人員，以便其做出決策。目前此類信息多通過多個(gè)渠道匯總，時(shí)效性、準(zhǔn)確性都難以保證，很可能會(huì)造成現(xiàn)場處置時(shí)間的延誤，不利于險(xiǎn)情的控制。因此，系統(tǒng)利用GIS系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，統(tǒng)一匯聚地下管線數(shù)據(jù)、敏感用戶數(shù)據(jù)、人口密集區(qū)域數(shù)據(jù)為現(xiàn)場決策提供完整的數(shù)據(jù)支持。

2.5 數(shù)據(jù)分析

在險(xiǎn)情預(yù)警、應(yīng)急處置過程中，會(huì)產(chǎn)生諸如：管道信息、預(yù)警信息、險(xiǎn)情信息、現(xiàn)場處置信息等多種數(shù)據(jù)，此類數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)分析管網(wǎng)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)、泄漏原因、重點(diǎn)巡檢管段都具有較高參考價(jià)值，可以為后續(xù)的管網(wǎng)安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。但目前由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)和分析功能，未充分挖掘此類數(shù)據(jù)的價(jià)值。因此，系統(tǒng)通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚和分析平臺(tái)，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)處置過程數(shù)據(jù)挖掘和利用，為后續(xù)管線巡檢計(jì)劃的制定、管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別、應(yīng)急處置方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

3 系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

基于上述研究成果，由合肥市建設(shè)局統(tǒng)籌規(guī)劃，合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)與某研究院合作開發(fā)了針對(duì)地下燃?xì)夤芫€泄漏的智能監(jiān)測系統(tǒng)。通過將物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)集成利用的方式，建立從前端監(jiān)測傳感設(shè)備到后臺(tái)數(shù)據(jù)分析安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管線的實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測、預(yù)警處置、開挖分析、數(shù)據(jù)分析、安全評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等功能，提前預(yù)警燃?xì)獗L(fēng)險(xiǎn)，并依靠專業(yè)模型分析定位燃?xì)庑孤c(diǎn)、預(yù)測爆炸損傷范圍，為事故應(yīng)急處置提供科學(xué)的輔助決策支持，通過應(yīng)急指揮平臺(tái)匯聚各系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)高效處置，從而避免燃?xì)庑孤?dǎo)致的事故。

采用智能化的物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備對(duì)燃?xì)饧爸苓咇烤M(jìn)行可燃?xì)怏w實(shí)時(shí)監(jiān)測，由于窨井無電源接入，且為易燃易爆環(huán)境，故監(jiān)測和傳輸需滿足低功耗、長時(shí)間、高穩(wěn)定、防爆的特點(diǎn)。基于此，采用NB-IoT技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，NB-IoT是基于窄帶的窩峰網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)勢主要有低功耗和長壽命電池，其具有更簡單的波形，因此功耗低，正常使用下，使用5W/h電池的設(shè)備可以使用長達(dá)10年。安全性更高，NB-IoT的安全性和4G一樣，具有加密和基于SIM卡的身份驗(yàn)證功能，安全性更高。另外其模塊成本更低，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)均為運(yùn)營商級(jí)，可靠性更高。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，非常適合在大規(guī)模地下空間無外接電源場景下應(yīng)用。

GIS系統(tǒng)是燃?xì)馄髽I(yè)管網(wǎng)運(yùn)行的核心，但目前數(shù)據(jù)主要是燃?xì)夤芫€，并未將相鄰地下空間管線數(shù)據(jù)采集錄入，在泄漏發(fā)生時(shí)無法準(zhǔn)確判斷周邊環(huán)境，開挖搶險(xiǎn)時(shí)也存在損壞周邊管線的風(fēng)險(xiǎn)。整套系統(tǒng)以ArcGis為基礎(chǔ)，將周邊雨污水、電力、通訊等管線數(shù)據(jù)整理入庫，同時(shí)對(duì)人口密集區(qū)，如：學(xué)校、醫(yī)院、商場等防護(hù)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和錄入，并列為敏感區(qū)域，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維建模，供險(xiǎn)情處置決策。通過接入遙感影像、城市建筑三維實(shí)景模型、人口／交通／物流分布等地理信息，形成物理世界和信息世界的匯集融合，將燃?xì)夤芫€安全運(yùn)行資源數(shù)據(jù)以圖層化精確展示，提供全視野、全時(shí)程景觀功能，具備可度量、可圈選、可分析、可策劃的情景操控能力。

（1）可燃?xì)怏w濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測：根據(jù)坐標(biāo)將監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)集成在GIS系統(tǒng)上實(shí)時(shí)顯示，通過前端物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測，自動(dòng)匹配生成報(bào)警等級(jí)，當(dāng)出現(xiàn)泄漏報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并生成報(bào)警工單，將坐標(biāo)、泄漏濃度、周邊環(huán)境等信息推送至搶險(xiǎn)系統(tǒng)，應(yīng)急人員在APP端接單后根據(jù)信息第一時(shí)間趕往現(xiàn)場查漏處置，同時(shí)在GIS手持端可實(shí)時(shí)查看周邊監(jiān)測點(diǎn)的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)，掌握泄漏擴(kuò)散的情況，防止險(xiǎn)情的進(jìn)一步擴(kuò)大。

（2）處置信息聯(lián)動(dòng)：依托系統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)和險(xiǎn)情數(shù)據(jù)，利用APP端和PC端的信息聯(lián)動(dòng)，將搶險(xiǎn)現(xiàn)場情況（包括：現(xiàn)場人員信息、實(shí)際操作信息、管線信息、爆管分析結(jié)果、險(xiǎn)情周邊敏感用戶信息等）實(shí)時(shí)回傳至PC端，并實(shí)時(shí)同步至指揮人員APP端，打造一條險(xiǎn)情信息共享的數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)了從險(xiǎn)情發(fā)現(xiàn)到處置完成的全生命周期管理，有效解決了搶險(xiǎn)現(xiàn)場無數(shù)據(jù)支撐，搶險(xiǎn)過程不能有效獲取實(shí)時(shí)信息，不能有效對(duì)搶險(xiǎn)過程進(jìn)行指揮的弊端。

（3）開挖分析：通過對(duì)各類管線數(shù)據(jù)的匯聚，利用三維模型，計(jì)算并展示開挖點(diǎn)周邊的管線埋深、間距、材質(zhì)等信息，三維展示各類管線空間關(guān)系，避免管線施工任意開挖導(dǎo)致其他管線破壞。系統(tǒng)支持圓形、矩形、自定義三種模式的開挖功能，其中圓形支持半徑最大為100m的圓形地面開挖，矩形支持最大30m*30m的開挖。現(xiàn)場處置人員可直接通過APP端點(diǎn)選的方式獲取開挖點(diǎn)地下剖面圖，最大限度實(shí)現(xiàn)了根據(jù)現(xiàn)場情況提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐的目的，為應(yīng)急處置提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

（4）管線風(fēng)險(xiǎn)熱力圖：系統(tǒng)通過建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和功能運(yùn)算，依據(jù)燃?xì)夤芫€的維修數(shù)據(jù)，得到了燃?xì)夤芫€維修熱力圖和管線材質(zhì)維修頻次與管線占比分布圖。根據(jù)監(jiān)測井內(nèi)可燃?xì)怏w濃度、人流密度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與地上重要危險(xiǎn)源和重要建筑物進(jìn)行運(yùn)算整合，最終得到燃?xì)夤芫€風(fēng)險(xiǎn)熱力圖。可視化的熱力圖可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、高風(fēng)險(xiǎn)燃?xì)夤芫€進(jìn)行辨識(shí)，便于針對(duì)性巡檢及管網(wǎng)改造。

系統(tǒng)通過對(duì)預(yù)警、處置過程數(shù)據(jù)的收集，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，結(jié)合燃?xì)夤芫W(wǎng)維修歷史數(shù)據(jù)和燃?xì)夤芫W(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評(píng)估燃?xì)夤芫€相鄰地下空間的安全性，結(jié)合管線使用年限、材質(zhì)、埋深、檢修記錄、監(jiān)測結(jié)果等指標(biāo)，得出燃?xì)夤芫W(wǎng)健康狀態(tài)，給出燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行得分。結(jié)合對(duì)監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、報(bào)警趨勢分析等定期提供燃?xì)獾叵驴臻g安全分析。為后續(xù)的管網(wǎng)運(yùn)維、巡檢、隱患排查提供依據(jù)。

截至目前，整套系統(tǒng)在合肥市得到成功應(yīng)用，已累計(jì)安裝物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測傳感設(shè)備2萬余臺(tái)，對(duì)鑄鐵管網(wǎng)等老舊、重點(diǎn)管段實(shí)現(xiàn)全覆蓋，同時(shí)覆蓋燃?xì)庀噜彽叵驴臻g的電力、雨污水、通訊窨井，累計(jì)監(jiān)測泄漏報(bào)警3 000余起，其中成功預(yù)警燃?xì)庑孤?00余起，監(jiān)測到沼氣堆積報(bào)警2 800余起，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)處置險(xiǎn)情200余次。實(shí)現(xiàn)了對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)管線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)泄漏預(yù)警，極大降低了管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，避免了事故發(fā)生。

4 結(jié)束語

本套系統(tǒng)集成了多項(xiàng)信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可燃?xì)怏w監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)、GIS、數(shù)據(jù)分析與可視化技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市地下空間燃?xì)庑孤┑挠行ПO(jiān)測預(yù)警，有效的保障了城市公共安全免受燃?xì)夤芫€泄漏的威脅，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)隱患的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早預(yù)警和早處置，盡可能減少突發(fā)事件造成損失的目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中與人工巡檢結(jié)合對(duì)于泄漏預(yù)警和應(yīng)急處置效果良好。目前，多數(shù)城燃企業(yè)已建立了完善的GIS系統(tǒng)，因此，在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)完善地區(qū)該系統(tǒng)具備一定的推廣價(jià)值。隨著整套系統(tǒng)逐步深入應(yīng)用，后續(xù)將繼續(xù)在數(shù)據(jù)挖掘、泄漏點(diǎn)定位、擴(kuò)散分析方面加大探索力度，為燃?xì)夤芫€安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。