張東京，閆長(zhǎng)征，張夢(mèng)奇，孫向榮

山東省石油天然氣管道保護(hù)服務(wù)中心（山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

石油天然氣長(zhǎng)距離輸送管道是油氣資源和市場(chǎng)之間的橋梁，在國(guó)家能源安全中具有舉足輕重的作用。2020年底，我國(guó)石油天然氣管道的總里程已達(dá)到了17.5×104km[1]，沿途地形地貌復(fù)雜多變，存在較大安全隱患。眾所周知，油氣長(zhǎng)輸管道內(nèi)介質(zhì)的易燃燒、易爆炸、高壓力等特點(diǎn)，決定了一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)爆炸或者火災(zāi)，造成嚴(yán)重后果。2013年11月22日，中石化輸油儲(chǔ)運(yùn)公司濰坊分公司輸油管線在青島市黃島區(qū)破裂，事故共造成重大人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。2020年3月15日，尼日利亞拉各斯州發(fā)生一起油氣管道爆炸事故，造成20人死亡、100多座房屋被毀，約1萬(wàn)人流離失所。由外部因素導(dǎo)致的油氣管道事故中有高達(dá)61%[2]是由違規(guī)施工造成的，因此做好違規(guī)施工預(yù)警的工作，對(duì)于保護(hù)管道安全至關(guān)重要。

當(dāng)前，第三方施工預(yù)警的方法和手段主要包括人工巡線預(yù)警、視頻監(jiān)控預(yù)警、光纖管道預(yù)警、無(wú)人機(jī)巡線預(yù)警等。

人工巡線預(yù)警由巡線人員在管道上方徒步踏線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道周邊的問(wèn)題隱患并進(jìn)行預(yù)警，可以保證預(yù)警的準(zhǔn)確度。但是傳統(tǒng)的人工巡線工作量大而且條件艱苦，特別是對(duì)山區(qū)、河流、沼澤、以及無(wú)人區(qū)等地的石油天然氣管道的巡檢，或是遇到冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡等自然災(zāi)害，所花時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)油氣管道沿線24 h實(shí)時(shí)預(yù)警。

視頻監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)[3-8]對(duì)油氣管道高后果區(qū)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全管控，可以做到全時(shí)段預(yù)警，但是出于成本考慮，視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅安裝在人員密集型高后果區(qū)、管道交叉穿跨越等重要敏感點(diǎn)位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)油氣管道沿線全線預(yù)警。

光纖管道安全預(yù)警系統(tǒng)[9-16]實(shí)現(xiàn)了對(duì)人為或機(jī)械動(dòng)土施工等可能威脅管道安全的事件，全時(shí)段、全線路預(yù)警，及時(shí)將預(yù)警情況通知管道維護(hù)人員，有效避免管道事故的發(fā)生。但是光纖預(yù)警存在較高的誤報(bào)率，增加了預(yù)警處置成本。

無(wú)人機(jī)巡線預(yù)警系統(tǒng)[17-20]具有一定優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)機(jī)身輕巧，并裝載有先進(jìn)的航測(cè)系統(tǒng)，巡線成本低，不受地形環(huán)境限制，巡檢效率高。但是無(wú)人機(jī)巡線受天氣等自然條件影響較大，做不到24 h實(shí)時(shí)預(yù)警。

綜合以上預(yù)警方法的特點(diǎn)，研發(fā)了挖掘機(jī)械第三方施工預(yù)警系統(tǒng)，成功地應(yīng)用于山東省油氣長(zhǎng)輸管道上，數(shù)據(jù)顯示，該預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)油氣管道全線路實(shí)時(shí)高精度預(yù)警。

1 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)械第三方施工預(yù)警系統(tǒng)由地理信息系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)等部分組成。將北斗或GPS全球定位系統(tǒng)部署在施工設(shè)備上，及時(shí)準(zhǔn)確定位其坐標(biāo)，監(jiān)控其動(dòng)力臂機(jī)構(gòu)啟動(dòng)及運(yùn)行情況。當(dāng)施工設(shè)備行駛至油氣長(zhǎng)輸管道兩側(cè)50 m（根據(jù)GB 20369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》及目前最長(zhǎng)的挖掘機(jī)械動(dòng)力臂長(zhǎng)度測(cè)算）范圍內(nèi)時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)跟蹤并記錄施工設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)施工設(shè)備動(dòng)力臂機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)調(diào)取第三方施工數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢挖掘設(shè)備所在位置有無(wú)第三方施工備案，如果有備案，則不進(jìn)行預(yù)警，如果沒有備案，預(yù)警系統(tǒng)即以聲音、圖像等多種方式發(fā)出預(yù)警，自動(dòng)以短信和電話形式將預(yù)警類型、位置等詳細(xì)信息發(fā)送當(dāng)?shù)毓艿辣Ｗo(hù)部門和單位。管道巡護(hù)人員可通過(guò)短信位置鏈接迅速趕往現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)處置預(yù)警信息，充分防范油氣管道遭受破壞，避免事故發(fā)生。第三方施工預(yù)警系統(tǒng)的高靈敏度、零誤報(bào)率等特點(diǎn)，在預(yù)防第三方施工破壞上實(shí)現(xiàn)了全線路、全時(shí)段的預(yù)警，大大減少巡護(hù)人員數(shù)量，充分降低巡護(hù)工作強(qiáng)度，顯著提高了管道保護(hù)的技防水準(zhǔn)。業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

2 預(yù)警系統(tǒng)組成

第三方施工預(yù)警系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、施工預(yù)警平臺(tái)3部分組成（圖2）。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)組成

2.1 前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備內(nèi)嵌于挖掘機(jī)械儀表盤內(nèi)，防止人為及外力的損壞；設(shè)備采用GPS或北斗定位（圖3），對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行24 h精準(zhǔn)定位；并能夠獲取挖掘機(jī)機(jī)械臂作業(yè)情況。

圖3 前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備

2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備收集到的施工設(shè)備位置信息和機(jī)械臂作業(yè)信息，通過(guò)Interner技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、物聯(lián)傳感技術(shù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析。

2.3 施工預(yù)警平臺(tái)

施工預(yù)警平臺(tái)由數(shù)據(jù)庫(kù)、調(diào)度中心、監(jiān)控大屏等組成（圖4）。數(shù)據(jù)庫(kù)將云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果反饋到調(diào)度中心和用戶客戶端，對(duì)施工設(shè)備的施工作業(yè)行為進(jìn)行預(yù)警。

圖4 施工預(yù)警平臺(tái)

3 開發(fā)環(huán)境及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及特點(diǎn)

該系統(tǒng)開發(fā)采用直接面向?qū)ο蟮腏ava語(yǔ)言，該語(yǔ)言具有卓越的通用性、高效性，平臺(tái)移植性及安全性[21]。系統(tǒng)編程采用Springboot+vue主流框架實(shí)現(xiàn)前后端分離，開發(fā)更加便捷快速。管道坐標(biāo)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Oracle空間數(shù)據(jù)庫(kù)，處理速度快、安全級(jí)別高、穩(wěn)定性強(qiáng)，便于程序開發(fā)。管道沿線地理信息系統(tǒng)（GIS）系統(tǒng)基于地理信息公共服務(wù)平臺(tái)（天地圖），天地圖通常為政府部門所使用，權(quán)威性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高。

該系統(tǒng)以解決問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，積極開拓思路，從第三方施工機(jī)械所屬企業(yè)這個(gè)源頭上控制破壞管道的行為，為管道保護(hù)提供有效解決方案，有效發(fā)動(dòng)了管道保護(hù)涉及的各有關(guān)部門和單位積極參與，督促了有關(guān)企業(yè)及主要負(fù)責(zé)人承擔(dān)政治和社會(huì)責(zé)任，保證管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。

該系統(tǒng)部署在山東省政務(wù)云平臺(tái)。云平臺(tái)建設(shè)周期短，最快服務(wù)器部署可以到分鐘級(jí)，提高了工作效率；云平臺(tái)運(yùn)行成本低，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件與物理基礎(chǔ)設(shè)施、IT資源所有權(quán)與使用權(quán)的分離，降低設(shè)備采購(gòu)成本；云平臺(tái)集約化、專業(yè)化、市場(chǎng)化強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)跨部門信息資源共享與業(yè)務(wù)協(xié)同。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

山東省長(zhǎng)輸油氣管道總長(zhǎng)度近1.3萬(wàn)km，安全管理責(zé)任重大，推廣山東省境內(nèi)的挖掘機(jī)械安裝全球定位設(shè)備，可在全省范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效預(yù)警。系統(tǒng)目前處于試運(yùn)行階段，已在40臺(tái)挖掘機(jī)安裝全球定位設(shè)備并對(duì)其位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，平時(shí)并不干預(yù)施工挖掘機(jī)械的正常工作，對(duì)管道周邊50 m范圍內(nèi)的挖掘機(jī)械施工及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了預(yù)警。2021年7月8日,一臺(tái)挖掘機(jī)進(jìn)入濰東線天然氣管道途徑壽光西立交西北寇家六村管道50 m范圍，系統(tǒng)跟蹤并記錄挖掘機(jī)械運(yùn)行軌跡（圖5），15時(shí)32分，挖掘機(jī)械動(dòng)力臂機(jī)構(gòu)工作，平臺(tái)進(jìn)行預(yù)警并分別給管理相關(guān)管道企業(yè)負(fù)責(zé)人及當(dāng)?shù)赜蜌夤艿辣Ｗo(hù)主管部門負(fù)責(zé)人發(fā)出預(yù)警短信息（圖6）。當(dāng)?shù)毓艿榔髽I(yè)立即趕赴挖掘機(jī)施工地點(diǎn)核實(shí)情況，企業(yè)立即派出巡線工作人員進(jìn)行實(shí)地核實(shí)：挖掘機(jī)正在開展土石挖掘工作，隨即對(duì)挖掘機(jī)手進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管道保護(hù)宣傳，以確保管道安全。

圖5 進(jìn)入預(yù)警監(jiān)控范圍

圖6 發(fā)送預(yù)警信息

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，第三方施工預(yù)警系統(tǒng)正在試運(yùn)行，可準(zhǔn)確跟蹤已安裝北斗或GPS定位系統(tǒng)的挖掘機(jī)械，出現(xiàn)異常情況及時(shí)發(fā)出預(yù)警，實(shí)現(xiàn)零誤報(bào)率。未來(lái)推動(dòng)更多挖掘機(jī)械安裝定位設(shè)備，將有利于更好地開展油氣管道保護(hù)工作。

石油天然氣管道主要分為輸送天然氣的管道和輸送石油的管道，對(duì)于輸氣管道來(lái)說(shuō)，管道保護(hù)側(cè)重防止挖掘機(jī)等施工機(jī)械對(duì)管道本體的破壞；對(duì)于輸油管道來(lái)說(shuō)，管道保護(hù)側(cè)重防止定向鉆等工程機(jī)械實(shí)施打孔盜油的違法行為，因此建議將定向鉆等工程機(jī)械設(shè)備安裝GPS或北斗定位系統(tǒng)并納入監(jiān)控范圍，及時(shí)反饋定位、發(fā)出預(yù)警，確保安全。

在油氣長(zhǎng)輸管道企業(yè)組織管道鋪設(shè)、改線、焊接等作業(yè)，選擇施工單位時(shí)，可將施工單位所用挖掘設(shè)備是否安裝北斗或GPS全球定位系統(tǒng)作為重要參考，倒逼各施工單位提高管道保護(hù)意識(shí)，主動(dòng)接受監(jiān)管。對(duì)施工機(jī)械操作手施行準(zhǔn)入制度，對(duì)其進(jìn)行挖掘機(jī)駕駛員安全操作規(guī)范、《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》等內(nèi)容考核，明確管道安全施工范圍和注意事項(xiàng)，通過(guò)考核與培訓(xùn)的操作手才有資格參與相應(yīng)的工程建設(shè)。管道運(yùn)營(yíng)方應(yīng)將挖掘機(jī)操作手資料錄入第三方施工預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行線上匯報(bào)。組織現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，由管道運(yùn)營(yíng)方技術(shù)人員按照《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求，開展旁站監(jiān)督，確保在管道、光纜走向確定的前提下安全可靠作業(yè)。管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)按照石油天然氣管道第三方施工技術(shù)要求，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開挖作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與管控，制定相應(yīng)的應(yīng)急處置措施，確保施工安全可靠。

目前，山東省已在人員密集型高后果區(qū)安裝視頻監(jiān)控，第一時(shí)間將畫面回傳至視頻監(jiān)控室，并且視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)與第三方施工預(yù)警系統(tǒng)互聯(lián)互通，及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)違章作業(yè)，避免誤操作。未來(lái)，可考慮將挖掘機(jī)械第三方施工預(yù)警系統(tǒng)充分融合其他系統(tǒng)，統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)[22]，全面保障油氣管道安全。