庚琳，尹向陽，趙佳麗，隋楠，冷雪，邊海容，張學(xué)鋒

1.中國石油天然氣管道工程有限公司（河北 廊坊 065000）2.國家管網(wǎng)集團山東天然氣管道有限公司（山東 濟南 250000）3.國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著管道里程的跨越式發(fā)展，新建管道以及在役管道工地倍數(shù)增加，隨之而來的是各類安全、合規(guī)及管理難題。據(jù)不完全統(tǒng)計，在施工現(xiàn)場中約80%的事故是由工地管理不嚴(yán)造成，工地管理同樣是管道企業(yè)的短板，如何加強工地現(xiàn)場安全管理，如何有效監(jiān)管施工和承包商是工地建設(shè)的首要問題[1-3]。2017 年中國石油率先提出了建設(shè)“智能管道，智慧管網(wǎng)”的發(fā)展目標(biāo)，將實現(xiàn)油氣管網(wǎng)“全數(shù)字化移交、全智能化運營、全生命周期管理”，智慧工地的構(gòu)建是其中至關(guān)重要的一環(huán)[4-7]。智慧工地的推行將極大程度上解決管道施工現(xiàn)場的質(zhì)量、安全、成本、周期等問題。

分析參考其他行業(yè)的智慧工地政策及要求，將對管道智慧工地的發(fā)展及構(gòu)建起到借鑒作用。市政、電力、建筑行業(yè)為最早開展“智慧”研究與嘗試的行業(yè)。21 世紀(jì)初，中國智慧科學(xué)院、國脈互聯(lián)智慧城市研究中心等機構(gòu)紛紛組建，工信部、住建部、發(fā)改委等下屬的支撐機構(gòu)、組織等也都加快了智慧城市布局。電力、建筑等行業(yè)隨后也開展了一些研究，且均具有各自行業(yè)特色和要求：①市政及建筑行業(yè)智慧工地政策要求。要求加快推進建筑信息模型（BIM）技術(shù)在規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工和運營維護全過程的集成應(yīng)用，為項目方案優(yōu)化和科學(xué)決策提供依據(jù)[8-12]。②鐵路行業(yè)智慧工地政策要求分析。與管道行業(yè)類似，鐵路里程的快速發(fā)展必將導(dǎo)致鐵路信息化系統(tǒng)建設(shè)的快速發(fā)展，同時鐵路工地構(gòu)建的的信息化、智慧化也必然是未來鐵路行業(yè)發(fā)展的重要趨勢[13-15]。③電力行業(yè)智慧工地政策要求分析。要提高工程建設(shè)的現(xiàn)場管理和監(jiān)督，推進項目各項工作安全管理體制的實施，信息化技術(shù)的作用顯得尤為突出。工程建設(shè)項目管理體系的不斷改進和提高，能夠為電網(wǎng)工程智慧建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)保障[16-18]。

調(diào)研與分析發(fā)現(xiàn)，在智慧工地大規(guī)模開展的社會環(huán)境下，管道智慧工地行業(yè)將迎來蓬勃發(fā)展。鑒于管道行業(yè)工地具有綜合性強、復(fù)雜性高、技術(shù)性強、嚴(yán)格性高等特點，管道智慧工地盡管已經(jīng)有了很大進步，但仍處于行業(yè)中下游水平，其發(fā)展尚未成熟，存在成本高、應(yīng)用效果差等問題，同時存在缺乏智慧工地建設(shè)的有效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、碎片化的應(yīng)用尚不成體系等問題?；谏鲜龇治觯瑯?gòu)建具有管道行業(yè)特有的智慧工地是管道行業(yè)智慧工地的主要方向，形成一套模塊化的管道智慧工地構(gòu)建流程，將有效提升管道行業(yè)智慧工地構(gòu)建水平，為管道智慧工地相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供參考。

1 管道智慧工地概念模型

為了實現(xiàn)管道智慧工地的模塊化建設(shè)與設(shè)計，首先需結(jié)合管道行業(yè)自身特點，明確管道智慧工地的概念及設(shè)計的范圍模型。為實現(xiàn)管網(wǎng)公司“全數(shù)字化移交、全智能化運營、全生命周期管理”的目標(biāo)，從建設(shè)期、應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)要素3 個視角出發(fā)，給出了關(guān)于智慧工地整體范疇的一些抽象概念模型（圖1）。每個視角的具體描述如下：

圖1 管道智慧工地概念模型

1）建設(shè)周期維度視角。建設(shè)周期指建設(shè)過程中包含的不同階段，主要包括規(guī)劃階段、設(shè)計階段、建設(shè)階段和運維階段。

2）應(yīng)用領(lǐng)域維度視角。智慧管道的應(yīng)用領(lǐng)域不僅適用于建設(shè)期工地，也適用于運營期的工地。其中比較有代表性的工地如管道建設(shè)工地、儲罐大修工地、動火現(xiàn)場工地、泵機組大修工地等。

3）技術(shù)要素維度視角。技術(shù)要素是指支撐智慧工地構(gòu)建中各個功能所需要的相關(guān)技術(shù)要素，可分為對象技術(shù)和風(fēng)險管控技術(shù)。其中對象技術(shù)包括針對工地建設(shè)中的人、機、料、法、環(huán)各個環(huán)節(jié)所要涉及的對象；風(fēng)險管控技術(shù)指構(gòu)建工地監(jiān)管過程中可能面對的風(fēng)險環(huán)節(jié)，并采用相應(yīng)的技術(shù)手段實現(xiàn)風(fēng)險減緩。

2 管道智慧工地框架構(gòu)建

智慧工地模塊化構(gòu)建是在具體工業(yè)工程中的應(yīng)用，是建立在數(shù)字化、信息化基礎(chǔ)上的一種能實現(xiàn)全面感知、全面智能、全面互聯(lián)的新型信息化、模塊化方法。兩大主線分別為標(biāo)準(zhǔn)體系主線及安全體系主線，兩大主線相互依托，相互關(guān)聯(lián)；5 層分別為監(jiān)管層、應(yīng)用層、決策層、數(shù)據(jù)層、傳輸層、感知 層，各層級相互依賴、依次構(gòu)建（圖2）。

圖2 管道智慧工地推薦架構(gòu)設(shè)計圖

3 管道智慧工地技術(shù)構(gòu)建

3.1 視頻監(jiān)控模塊構(gòu)建

視頻監(jiān)控是智慧技術(shù)中最為常見也是最重要的技術(shù)手段，現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)采集及傳輸實現(xiàn)監(jiān)督與智能識別功能，便于掌控工地實時狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)管道工地中的安全風(fēng)險。通過視頻監(jiān)控模塊的構(gòu)建可以實現(xiàn)人員的安全監(jiān)管，物料、機具、車輛和環(huán)境的監(jiān)管等。一般來說，管道工地的視頻監(jiān)控模塊應(yīng)具備如下一些功能：

1）紅外實時監(jiān)控功能。實時獲得監(jiān)控區(qū)域內(nèi)清晰的熱感圖像及可見光圖像，同時能夠?qū)υ婆_及鏡頭進行操作，對視角、方位、焦距進行調(diào)整，實現(xiàn)全方位、多視角、無盲區(qū)、全天候式監(jiān)控。

2）巡檢預(yù)案功能。相較于人工現(xiàn)場巡檢的傳統(tǒng)巡視方式，預(yù)案可大大提高巡檢實時性及可靠性，還可按季節(jié)情況進行巡檢預(yù)案周期調(diào)整。

3）存儲及檢索。在監(jiān)控平臺上，可按時間、報警等進行自定義搜索錄像、圖片、溫度數(shù)據(jù)。

4）報警預(yù)案。預(yù)案有助于相關(guān)部門第一時間核實超溫設(shè)備，迅速做出部署，適時啟動停電安排，把損失控制到最小范圍。

5）系統(tǒng)管理。通過模塊提高整套視頻模塊的工作效率。

6）視頻質(zhì)量診斷（擴展）。

3.2 施工現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建

由于管道工地一般為線性工地，不同設(shè)備間的距離較大，且工地范圍可能較廣，最為重要的問題之一即是網(wǎng)絡(luò)覆蓋。對于站外管道上的線路施工，宜采用4G/5G 路由器結(jié)合無線AP 組合的方式進行網(wǎng)絡(luò)搭建，便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋（圖3）。

圖3 管道智慧工地網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法

通過接入點放大信號后可實現(xiàn)施工現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，滿足施工現(xiàn)場人員監(jiān)管、質(zhì)量監(jiān)管、物料監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)管、焊機監(jiān)管、過程監(jiān)管、機具監(jiān)管所需的網(wǎng)絡(luò)要求，再通過物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)管層，達(dá)到監(jiān)管的目的。

3.3 人員管理模塊構(gòu)建

人員監(jiān)管模塊的構(gòu)建可由如下幾個部分組成：

1）人臉識別門禁系統(tǒng)。無論人員、設(shè)備的管理均可與門禁類系統(tǒng)進行對接。門禁系統(tǒng)是人員、設(shè)備、物料等管理的初始部分，是工地管理的第一環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)可與考勤系統(tǒng)對接，并應(yīng)支持人員、設(shè)備、物料、訪客管理等。

2）陌生信息報警、捕獲。人員監(jiān)管模塊還需具備陌生人或黑名單人員信息捕捉、報警功能。即通過與管理人員通行權(quán)限對比，進行陌生人員特征識，一旦識別為陌生信息將立即拍照、捕捉，并對監(jiān)管者預(yù)警。

3）記錄及多維查詢。模塊還應(yīng)具備記錄及信息多維查詢功能，可以記錄所有信息。監(jiān)管者通過系統(tǒng)的功能可記錄并查詢所有進入工地人員的信息，并利用人工智能算法對人臉識別。同時系統(tǒng)會記錄時間、位置、人員類型等篩選查詢，也可以通過特征實現(xiàn)精確查找。

4）狀態(tài)監(jiān)控及熱點識別。管道工地人員監(jiān)管還可利用紅外熱像儀實現(xiàn)人員位置管控?？蛇x用集紅外、可見光于一體的網(wǎng)絡(luò)型紅外熱像儀，實現(xiàn)管控分析功能。

3.4 物料設(shè)備信息化構(gòu)建

油氣管道焊接設(shè)備管控中，有許多設(shè)備及物料需要智能管控，其中最關(guān)鍵的步驟無疑是焊接。此處，以焊接監(jiān)管為主介紹單一模塊的平臺構(gòu)建（圖4）。

圖4 焊接智能監(jiān)管平臺

焊接過程中的各個參數(shù)采集、對比、分析、優(yōu)化可有效提高焊接質(zhì)量。建設(shè)期管道工地的焊接施工可以將焊機的各項數(shù)據(jù)記錄并上傳至應(yīng)用層，管理者即可實現(xiàn)智能管理，在中俄東線、中段管道、國家管網(wǎng)集團廣東省網(wǎng)粵東、粵北天然氣管網(wǎng)工程的建設(shè)過程中均采用了該技術(shù)。焊接過程中的感知過程是完成智能化構(gòu)建最直接的單元，通過監(jiān)管焊機的焊槍電、電壓、溫度等數(shù)據(jù)，通過專有設(shè)備可以監(jiān)測焊縫、焊道、焊弧，可以識別焊接過程中的焊道數(shù)量、焊接層數(shù)，實現(xiàn)焊縫、焊弧實時監(jiān)控?；贛odbus等通訊協(xié)議將有效數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用層，這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過人工智能軟件處理后，即可將分析結(jié)果進行回傳?；貍鞯臄?shù)據(jù)將再次與焊縫、焊工以及探傷等情況進行關(guān)聯(lián)，優(yōu)化焊接過程。同時，焊接監(jiān)管平臺將記錄管道焊接全過程中的焊口基本信息、位置信息、焊接工藝等，可有效提高焊接控制質(zhì)量，避免后期風(fēng)險發(fā)生。

3.5 管道智慧工地會議信息化構(gòu)建

管道智慧工地綜合管理解決方案采用全業(yè)務(wù)的后臺服務(wù)層、基礎(chǔ)接入層、基礎(chǔ)應(yīng)用層、用戶接入層等4層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于工地安防應(yīng)用和業(yè)務(wù)應(yīng)用，以管道業(yè)務(wù)平臺為核心，構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)圖。集體決策及重要事項部署的關(guān)鍵管理行為，是單位的核心管理業(yè)務(wù)之一。但實際會議管理業(yè)務(wù)常面臨議題收集耗時費力、會議室管理混亂、會議決策效率低、決策跟蹤難以統(tǒng)籌等問題。會議管理可以作為各單位在疫情期間實現(xiàn)高效智慧會議的云解決方案（圖5）。

圖5 智慧工地會議監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

支持會議審批功能，具有自動審核、手動審核模式可選，發(fā)起人可選擇手動審核模式、自動審核模式。自動審核：發(fā)起人提交會議預(yù)約信息，預(yù)約信息自動審核通過，并通知相關(guān)參會人員。手動審核：發(fā)起人提交會議預(yù)約信息，會議信息同步至審核人員，審核人員查看詳情后可通過或拒絕會議，審核結(jié)果自動下發(fā)至發(fā)起人，并將會議通知落實至相關(guān)參會人員。

3.6 長輸管道巡檢監(jiān)管構(gòu)建

3.6.1 長輸管道施工過程中站點巡檢可視化

無人機巡檢管理平臺可用于長輸管道施工及運行過程中的巡檢。這一平臺主要運用4G/5G視頻寬帶、多終端、低延時、GIS 高清地圖以及人工智能邊緣計算技術(shù)，具備無人機4G/5G 通信、飛控、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控直播和基于行業(yè)應(yīng)用場景的無人機智能分析等功能，降低工業(yè)無人機使用門檻，滿足行業(yè)用戶光網(wǎng)巡檢、電力巡檢、智慧警務(wù)、智慧工地、安防監(jiān)控、生態(tài)環(huán)保、農(nóng)業(yè)種植等場景的無人機服務(wù)需求（圖6）。

圖6 線路無人機監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

飛行控制功能：可直接在平臺設(shè)置任務(wù)和飛行路線，無人機飛行任務(wù)完成后自動返航功能；也可在飛行過程中，重新設(shè)置飛行路線。

巡檢功能：針對人、車難以進入的線路及地面情況比較復(fù)雜的線路進行巡檢檢查，通過平面模型展示重點線路地形；直觀呈現(xiàn)重點線路的情況，對于需要3D成像的線路，可進行360°的全方位視角呈現(xiàn)，方便進行線路查詢。

監(jiān)控實時視頻、回放功能：無人機可快速機動到任何需要的區(qū)域上空，將視頻圖像實時傳輸回指揮中心，視頻監(jiān)控平臺采用H.264/MPEG-2/4壓縮方式，確保所傳視頻達(dá)到高清效果，將無人機所拍圖像清晰地展現(xiàn)至用戶面前，輔助指揮中心進行現(xiàn)場決策。

視頻智能分析實現(xiàn)科學(xué)管理：利用無人機高空俯瞰回傳的視頻監(jiān)控畫面，通過視頻智能分析技術(shù)，實現(xiàn)人體檢測、安全帽識別、車輛檢測、信息化設(shè)備檢測、人流監(jiān)測和態(tài)勢分析等智能應(yīng)用，大大提升業(yè)務(wù)預(yù)警能力，實現(xiàn)科學(xué)管理的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)大屏展示：平臺具備數(shù)據(jù)可視化展示功能，可在大屏直觀、全面、多平臺、多方位實現(xiàn)飛行軌跡管控和GIS 地圖展示，通過對智能分析結(jié)果的集中展示，輔助領(lǐng)導(dǎo)決策并可確保在第一時間安排指揮調(diào)度任務(wù)。

3.6.2 工地周界報警模塊技術(shù)

管道工地安防可用的另一項常見技術(shù)是周界報警模塊。工地周界報警系統(tǒng)可實現(xiàn)人員入口感知、投料口感知、設(shè)備出入感知、IP 電話接入等功能，最終將獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果在大屏顯示，實現(xiàn)統(tǒng)一管理、安全防范。在面對突發(fā)安全狀況時，通過該系統(tǒng)模塊能夠24 h 不停歇主動提醒管理方對風(fēng)險實時管控，這不僅降低了工地風(fēng)險，也大大降低了發(fā)生損失的可能。

4 管道智慧工地評價

鑒于管道工地的特點以及初步形成的特點，對管道行業(yè)的智慧工地進行設(shè)計及構(gòu)建合理性評價顯得尤為重要。對合理性進行評價常用層次分析法、熵權(quán)法以及模糊綜合評價法，其中：熵權(quán)法可能會降低業(yè)主對客觀事件的主觀能動性；層次分析法一般僅能獲得同類型工地的相對評估，不適用于管道多類型工地的綜合評價；而模糊綜合評價法能充分考慮業(yè)主或?qū)＜覍?biāo)準(zhǔn)及規(guī)定的主觀能動把控力，實現(xiàn)多種復(fù)雜工地的綜合評價。因此，推薦采用模糊綜合評價法對管道工地的設(shè)計及構(gòu)建合理性進行評價。

管道智慧工地的評價應(yīng)遵循客觀性、全面性、科學(xué)性的原則。即評價標(biāo)準(zhǔn)要客觀，滿足標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求；評價內(nèi)容要全面，針對管道工地的各個對象及環(huán)節(jié)；評價指標(biāo)要科學(xué)，建立的指標(biāo)能夠真實反映管道智慧工地的特點，并聯(lián)絡(luò)起各指標(biāo)間的關(guān)系。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研及其他行業(yè)智慧工地的構(gòu)建經(jīng)驗，先對評價指標(biāo)進行初選，通過前述內(nèi)容形成的智慧工地概念以及特性，結(jié)合管道工地的具體要求，形成總體指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，進一步細(xì)化、篩選指標(biāo)，最終確定了影響因素集U=（U1,U2,U3,U4,U5）=（項目信息管控，實施過程管控，人員安全管控，環(huán)境監(jiān)督管控，機具物料綜合管控）。根據(jù)確定的影響因素集進一步確定了指標(biāo)集，形成了管道智慧工地的評價指標(biāo)體系。其中：①項目信息管控應(yīng)至少包含項目名稱、類型、位置、目標(biāo)、規(guī)模、呈現(xiàn)方式、建設(shè)單位、人員配置、綜合配置、HSE 要求、風(fēng)險要求等三級指標(biāo)；②實施過程管控應(yīng)至少包含特種作業(yè)要求、許可證管理、二維碼管理、掃碼設(shè)備管理、交底管理、演練管理、HSE 監(jiān)管、進場管理、安全檢查、感知層管理、傳輸層管理、數(shù)據(jù)層管理、應(yīng)用層管理、監(jiān)管層管理等三級指標(biāo)；③人員安全管控應(yīng)至少包含人員信息管理、附屬信息、穿戴管理、行為管理、定位管理、考勤管理、健康管理、攝像頭管理、視頻感知管理、風(fēng)險檢查等三級指標(biāo)；④環(huán)境監(jiān)督管控應(yīng)至少包含氣體監(jiān)測、環(huán)境聯(lián)動報警、溫濕度監(jiān)測、風(fēng)力監(jiān)測、水位監(jiān)測、水量監(jiān)測、噪聲監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測等三級指標(biāo)；⑤機具物料管控應(yīng)至少包含車輛識別、移動物識別、數(shù)量統(tǒng)計、焊機管控、物料統(tǒng)計、設(shè)備檢查等三級指標(biāo)。

建立起管道智慧工地的評價指標(biāo)之后，即可確定各指標(biāo)信息。第二層影響因素集的各個指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重為ω=（ω1，ω2，ω3，ω4，ω5）。其中，ω1+ω2+ω3+ω4+ω5=1；第二層的各個指標(biāo)集分別為（Ui1，Ui2，Ui3，...，Uin）對應(yīng)的權(quán)重為（ωi1,ωi2,ωi3,...,ωin）。其中，ωi1+ωi2+ωi3+...+ωin=1（i 為影響因素集代碼）。采用專家打分法對管道智慧工地的指標(biāo)進行重要性評價，得到各指標(biāo)的權(quán)重。

通過獲得的綜合評價向量與評分，即可綜合判別模塊化的智慧工地設(shè)計與構(gòu)建效果，若評價結(jié)果較為一般可以改進設(shè)計方案。

5 結(jié)論

1）研究了智慧工地在長輸油氣管道行業(yè)的構(gòu)建方法，基于管道工地自身特點，定義了包括技術(shù)維度、應(yīng)用維度、周期維度的完整管道智慧工地概念，同時形成了感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、決策層、應(yīng)用層、監(jiān)管層的管道智慧工地整體及局部設(shè)計框架及涵蓋內(nèi)容。

2）給出了管道智慧工地構(gòu)建的技術(shù)流程，從監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、人員模塊、物料模塊、智能模塊、巡檢模塊等幾個方面介紹了各自的獨立構(gòu)建框架設(shè)計方法。

3）基于管道行業(yè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，利用模糊綜合評價法，構(gòu)建形成了管道智慧工地的設(shè)計與合理化評價體系，彌補現(xiàn)有管道智慧工地規(guī)范不足的缺陷，輔助建設(shè)單位實現(xiàn)需求與目標(biāo)的統(tǒng)一。提出的概念及構(gòu)建方法可有效提升管道行業(yè)工地的管理水平，提高管道智慧工地的構(gòu)建效率，統(tǒng)一不同運營單位及建設(shè)單位在工地建設(shè)過程中的分歧，有助于長輸油氣管道行業(yè)的高效、平穩(wěn)發(fā)展。