延旭博

（河北省天然氣有限責(zé)任公司，河北石家莊 050000）

長輸天然氣管網(wǎng)是連接上游油氣管網(wǎng)和下游天然氣用戶的紐帶和中間環(huán)節(jié)，其安全運(yùn)行對能源保障和民生都有重要意義。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)加快，長輸天然氣管網(wǎng)周邊高后果區(qū)明顯增多，一旦發(fā)生破壞事故，將會(huì)嚴(yán)重影響周邊安全和下游用戶的能源供給。

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工巡檢空窗期長、時(shí)效性差的不足，在管道沿線加裝智能視頻監(jiān)控、光纖預(yù)警設(shè)備及環(huán)境參數(shù)采集等設(shè)備，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能分析等手段，開發(fā)長輸管道智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[1]，全時(shí)全天候監(jiān)控第三方在管線周邊實(shí)施靈活機(jī)動(dòng)的機(jī)械挖掘、地勘鉆探和定向穿越等影響管道安全的高危作業(yè)，可在管道遭遇實(shí)質(zhì)性破壞之前給出報(bào)警信息，為管道安全巡護(hù)提供指導(dǎo)。

1 智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 長輸管道的安全風(fēng)險(xiǎn)

長輸天然氣管道管理的主要依據(jù)和規(guī)范有《石油天然氣管道保護(hù)法》《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》《關(guān)于加強(qiáng)油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作的通知》《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—長輸管道》等。上述法律、規(guī)范對于管道的線路安全，特別是對高后果區(qū)段管道提出了明確要求：要采取有效的措施，降低高后果區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格控制高后果區(qū)增加，同時(shí)提升風(fēng)險(xiǎn)處置能力。

管道面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)有以下3 個(gè)方面：①第三方施工破壞。第三方施工破壞是管道線路安全的主要隱患，特別是各類施工機(jī)械的普及、非開挖定向鉆技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得第三方施工破壞出現(xiàn)普遍高發(fā)、進(jìn)展快速、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。如定向鉆可在管道數(shù)百米外施工，并對管道造成破壞。②安全距離不足。根據(jù)相關(guān)法律規(guī)定，管道中心線兩側(cè)5 m 內(nèi)為管道的保護(hù)區(qū)域，不能種植樹木、建設(shè)各類建筑等，但這類事件一直頻發(fā)。特別是在管道周邊建設(shè)封閉的廠區(qū)、建筑，一旦發(fā)生天然氣泄漏，泄漏的氣體在密閉空間聚集，爆炸風(fēng)險(xiǎn)極高。③管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。管道一般采用防腐層和陰極保護(hù)聯(lián)合的方法進(jìn)行腐蝕控制。隨著管道運(yùn)行年限增加，防腐層效果下降，同時(shí)受管道周邊新建的各類輸電線路、電氣化鐵路、變電站及地鐵等設(shè)施影響，交直流雜散電流對管道的干擾加劇，陰極保護(hù)系統(tǒng)可能失效，管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)對上述提出的長輸管道面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能。

硬件系統(tǒng)方面，針對第三方施工破壞和安全距離不足，采用智能視頻監(jiān)控和光纖震動(dòng)預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對施工機(jī)械的準(zhǔn)確識(shí)別和定位，并通過存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將信息及時(shí)傳遞給軟件端。通過對管道周邊施工的預(yù)警，線路管理人員可及時(shí)發(fā)現(xiàn)、制止各類違法施工和違章建筑，降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。針對腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，采用陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳技術(shù)，定期采集管道保護(hù)電位、交直流干擾參數(shù)、腐蝕速率等信息，通過軟件端進(jìn)行分析和展示，實(shí)現(xiàn)對腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測和預(yù)警。此外，為了提高風(fēng)險(xiǎn)處置能力，及時(shí)掌握現(xiàn)場情況，通過環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，采集管道周邊的氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等信息，方便現(xiàn)場搶險(xiǎn)作業(yè)準(zhǔn)備工作。

軟件系統(tǒng)方面，通過對各類設(shè)備回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理、分析和展示，對各類風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，并配備聲光報(bào)警、APP 推送、短信提醒等手段，督促運(yùn)行管理人員核實(shí)處理，實(shí)現(xiàn)長輸管道安全管控。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

長輸管道智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由3 個(gè)單元組成，分別是邊緣采集分析單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、中心監(jiān)控分析單元[2]。

邊緣采集分析單元主要包括視頻監(jiān)控、振動(dòng)光纖、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、環(huán)境傳感器等，這些設(shè)備對長輸管道進(jìn)行實(shí)時(shí)或定期數(shù)據(jù)采集，并由邊緣端計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行視頻和光纖震動(dòng)信號(hào)的分析。

數(shù)據(jù)傳輸單元是將數(shù)據(jù)采集單元所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和整合，通過4G/5G 無線網(wǎng)絡(luò)、光纖等傳輸渠道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一協(xié)議、統(tǒng)一傳輸。

中心監(jiān)控分析單元包括對接收到的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分析解釋、整理歸類、融合，并對接收到的傳輸數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行可視化展示、預(yù)警預(yù)報(bào)。

2 監(jiān)測硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 綜合監(jiān)控桿

綜合監(jiān)控桿布置在管道沿線，配置攝像頭、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、環(huán)境監(jiān)測、邊緣計(jì)算等功能。

桿體設(shè)計(jì)高度為8 m，部署云臺(tái)攝像機(jī)采集管道沿線視頻數(shù)據(jù)，配備智能邊緣計(jì)算設(shè)備，實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)的智能化分析。當(dāng)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)檢測到工程車輛、農(nóng)用機(jī)械時(shí)，前端設(shè)備啟動(dòng)攝像頭數(shù)據(jù)傳輸功能，然后平臺(tái)側(cè)二次分析現(xiàn)場視頻確認(rèn)報(bào)警信息進(jìn)行報(bào)警，并集成揚(yáng)聲器，具備遠(yuǎn)程喊話能力。智能監(jiān)測桿功能設(shè)計(jì)如圖1 所示。

邊緣計(jì)算設(shè)備主要檢測鏟斗機(jī)、推土機(jī)、壓路機(jī)、裝載機(jī)等施工裝備。在進(jìn)行深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練時(shí)，主要以這些設(shè)備作為識(shí)別目標(biāo)，同時(shí)需要考慮白天、夜間、陰雨天氣等不同天氣下的數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)增強(qiáng)。在服務(wù)器環(huán)境訓(xùn)練好深度學(xué)習(xí)模型后，將模型壓縮后部署在邊緣計(jì)算設(shè)備。當(dāng)邊緣設(shè)備處理視頻數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)攝像頭網(wǎng)絡(luò)通信，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺(tái)側(cè)，平臺(tái)側(cè)使用完整的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行二次識(shí)別，確認(rèn)異常后在平臺(tái)形成報(bào)警消息，平臺(tái)根據(jù)報(bào)警消息報(bào)警。智能監(jiān)測桿實(shí)現(xiàn)對施工車輛的自動(dòng)識(shí)別如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)測桿實(shí)現(xiàn)對施工車輛的自動(dòng)識(shí)別

考慮到監(jiān)控設(shè)備便于維護(hù)及安裝，設(shè)計(jì)為手動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，避免高空作業(yè)，提高了維護(hù)便捷性和安全性。將太陽能置于盤式載體的中心分布有利于在大風(fēng)等惡劣天氣下的桿體穩(wěn)定，同時(shí)雙面太陽能可提升電能轉(zhuǎn)化效能。在盤式載體的下方設(shè)置十字支架可為東南西北各方位提供全方位的監(jiān)控安裝方向，配合監(jiān)控自帶的萬向調(diào)節(jié)支架可實(shí)現(xiàn)360°無死角覆蓋。

2.2 供電系統(tǒng)

由于管道周邊無市電保障條件，需采用自供電源，供電方案采用太陽能加蓄電池的供電設(shè)備提供電力保障，在條件具備地區(qū)，可加裝風(fēng)力發(fā)電裝置。綜合監(jiān)控桿各類設(shè)備的功耗統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 設(shè)備功耗統(tǒng)計(jì)

正常工況下，供電系統(tǒng)可確保設(shè)備能夠連續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)電力，考慮特殊天氣，在無光照的情況下，確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)間不少于3 d。前端系統(tǒng)所有設(shè)備整體功耗78 W，按照無光照3 d 測算，需配備功率720 W 太陽能板，容量為180 Ah 電池組。為了避免戶外高溫、低溫氣候影響電池壽命和容量，將電池倉布置在地面0.5 m 以下，根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境溫度為-15 ℃時(shí)，艙體的實(shí)測溫度為0～2 ℃，有效地保證了電池的正常供電。

2.3 光纖預(yù)警模塊

光纖預(yù)警技術(shù)是在管道建設(shè)期，與管道同溝鋪設(shè)光纖，與管道同步投入運(yùn)行，可以作為管道相關(guān)設(shè)備的通信通道使用。當(dāng)管道周邊出現(xiàn)大型機(jī)械施工、重型車輛通行等可能危害管道安全的事件時(shí)，光纖會(huì)產(chǎn)生不同于正常情況的震動(dòng)信號(hào)，探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)上位機(jī)解調(diào)，計(jì)算出傳感光纖上各點(diǎn)的震動(dòng)信息；通過光纖的震動(dòng)信號(hào)特征識(shí)別、波形分析，結(jié)合信號(hào)數(shù)據(jù)庫和智能識(shí)別技術(shù)，就可以監(jiān)測管道周邊的施工、車輛活動(dòng)、人工破壞管道等危害行為。通過與管道幾何位置相結(jié)合，將震動(dòng)事件與地理位置相對應(yīng)；再通過震動(dòng)信號(hào)特征提取與分析，實(shí)現(xiàn)震動(dòng)事件分類，判斷事件等級(jí)并給出預(yù)警[3]。

光纖震動(dòng)預(yù)警不僅可以記錄事件發(fā)生的時(shí)間，同時(shí)也可以定位震動(dòng)的位置，將震動(dòng)事件與地理位置相對應(yīng)，方便運(yùn)行人員第一時(shí)間趕往現(xiàn)場，避免危害行為的擴(kuò)大。

2.4 環(huán)境采集模塊

環(huán)境監(jiān)測設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)，可以同時(shí)監(jiān)測溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量這5 種常規(guī)氣象參數(shù)，為應(yīng)急搶險(xiǎn)提供參考。風(fēng)向風(fēng)速儀采用超聲波測風(fēng)原理，沒有軸承等部件，不會(huì)產(chǎn)生磨損，使用壽命更長，雨量監(jiān)測采用光學(xué)原理，不會(huì)堆積樹葉或泥土，無需清洗，免維護(hù)。

2.5 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊

陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊由智能采集儀、管道線、綜合采集探頭等構(gòu)成，由綜合監(jiān)控桿提供供電和通信功能。

通過焊接在管道上的管道線，綜合采集探頭可以同時(shí)測量管道的自然腐蝕電位、通電電位、斷電電位、交流電流密度、腐蝕速率等參數(shù)，通過綜合智能桿交換機(jī)和光纖收發(fā)器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線傳輸，將數(shù)據(jù)回傳至智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行展示，并可根據(jù)設(shè)置好的報(bào)警值進(jìn)行報(bào)警和預(yù)警提醒[4]。同時(shí)，可通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)采集時(shí)間和采集頻率的修改。

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸模塊

為每個(gè)桿體集成邊緣端存儲(chǔ)設(shè)備，可保障至少1 個(gè)月的視頻存儲(chǔ)容量。數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)現(xiàn)場光纖敷設(shè)情況，需至少支持4G 無線網(wǎng)絡(luò)和光纖專線傳輸2種方式。

3 監(jiān)測軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)概述

長輸管道智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)既要滿足管理人員直觀、簡明的監(jiān)視要求，又要實(shí)現(xiàn)信息豐富準(zhǔn)確、具備分析預(yù)判功能。因此，結(jié)合地理信息技術(shù)和GIS 數(shù)據(jù)底座，在首頁顯示綜合監(jiān)控硬件的安裝地理位置、視頻直播窗口、周邊環(huán)境、實(shí)時(shí)報(bào)警信息等[5]。

在數(shù)據(jù)查詢界面展示歷史報(bào)警信息、視頻檔案、陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)等。在趨勢分析界面，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)的綜合防范和預(yù)判。

3.2 軟件架構(gòu)

圍繞長輸管道的安全運(yùn)行和事故預(yù)防，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的可視化展示和查詢，利用圖表、圖像、視頻、趨勢圖等展示手段，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的挖掘利用。

數(shù)據(jù)采集：通過前端視頻監(jiān)測、光纖預(yù)警、陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳、環(huán)境等監(jiān)測設(shè)備，獲取監(jiān)測范圍內(nèi)視頻數(shù)據(jù)、光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)、陰保數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)通過光纖實(shí)時(shí)將視頻數(shù)據(jù)、光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)、陰保數(shù)據(jù)等進(jìn)行整合（如信號(hào)轉(zhuǎn)換等）后并行傳輸至服務(wù)器。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：對采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、分析解釋和整理歸類存儲(chǔ)，包括管道專題數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、智能探測數(shù)據(jù)庫、報(bào)警數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)中心依托成熟的大數(shù)據(jù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫管理軟件，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)與管理，為應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

安全防控：基于統(tǒng)一的時(shí)空信息共享服務(wù)框架，采用“云+端+AI”架構(gòu)，通過對接收到的視頻數(shù)據(jù)和預(yù)警信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、發(fā)布及可視化展示，提升管道智能安防監(jiān)控的自動(dòng)化能力，滿足管理人員的監(jiān)控、管理、運(yùn)行維護(hù)和配置等需求[6]。

3.3 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需包括以下功能模塊：視頻監(jiān)控、錄像回放、遠(yuǎn)程操控、監(jiān)測預(yù)警（泄漏監(jiān)測、光纖預(yù)警監(jiān)測、視頻識(shí)別、陰保監(jiān)測等）、統(tǒng)計(jì)分析、GIS 監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢與管理、綜合報(bào)表展示以及報(bào)警設(shè)置、顯示與查詢等。

視頻監(jiān)控：具備現(xiàn)場視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

錄像回放：提供現(xiàn)場視頻錄像管理，支持錄像調(diào)取，根據(jù)設(shè)備、時(shí)間段檢索查詢、下載等功能。

遠(yuǎn)程操控：當(dāng)發(fā)生潛在危險(xiǎn)或第三方破壞等情況，可支持視頻遠(yuǎn)程操作，并具備遠(yuǎn)程喊話的功能。

監(jiān)測預(yù)警：對管道設(shè)備狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括泄漏監(jiān)測、光纖預(yù)警監(jiān)測、視頻識(shí)別、陰保監(jiān)測等綜合監(jiān)測，并提取預(yù)警信息，以聲光電的形式輸出至監(jiān)控端。

統(tǒng)計(jì)分析：對獲取的現(xiàn)場信息（包括參數(shù)與視頻）進(jìn)行安全狀況分析研判。

GIS 監(jiān)控：包括監(jiān)控段管線三維地理場景構(gòu)建，地圖瀏覽，中心放大、縮小，全局放大、縮小，地圖鷹眼，圖層管理，管道要素基本信息查看，矢量/影像的切換顯示等，并具備GIS 分析能力，包括橫剖面分析、縱斷面分析等。

歷史數(shù)據(jù)查詢與管理：以曲線形式顯示各監(jiān)測參數(shù)隨時(shí)間的變化，同時(shí)對最大值、最小值及平均值等進(jìn)行顯示。

綜合報(bào)表展示：對實(shí)時(shí)監(jiān)測參數(shù)和歷史監(jiān)測參數(shù)等以數(shù)據(jù)報(bào)表的形式查詢與顯示。

報(bào)警設(shè)置、顯示與查詢：對各類監(jiān)控參數(shù)分別設(shè)置不同的預(yù)警閾值和報(bào)警閾值，并可對各報(bào)警事件采用最新報(bào)警在最上面顯示的方式進(jìn)行顯示與查詢。

4 現(xiàn)場實(shí)施及效果

4.1 現(xiàn)場硬件安裝

現(xiàn)場設(shè)備的可靠、良好安裝是正常運(yùn)行的前提，在安裝過程中要注意：①各類監(jiān)測設(shè)備內(nèi)有精密電氣元器件，在運(yùn)輸、安裝過程中要做好保護(hù)措施，避免因磕碰、高溫等損壞。②綜合監(jiān)控桿的桿體高、自重大，其安裝過程有一定的危險(xiǎn)性。桿體的基礎(chǔ)要經(jīng)專業(yè)設(shè)計(jì)，并確保按圖施工。③設(shè)備的電源線、信號(hào)線等均應(yīng)留有10%以上的裕量，避免因氣溫變化、土壤沉降等造成電纜斷線。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

現(xiàn)場硬件安裝完成后，需要進(jìn)行詳細(xì)的測試，包括綜合監(jiān)測桿的各單體設(shè)備的功能測試、綜合監(jiān)測桿的數(shù)據(jù)傳輸測試、遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的一致性測試、監(jiān)控程序與現(xiàn)場設(shè)備的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

4.3 效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)各類報(bào)警信息的準(zhǔn)確性，采取以下措施進(jìn)行效果驗(yàn)證：在綜合監(jiān)控桿覆蓋范圍內(nèi)，組織各類施工機(jī)械車輛，以不同角度、不同速度通過管道周邊的道路，同時(shí)統(tǒng)計(jì)相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)通行的社會(huì)車輛，對比長輸管道智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的報(bào)警信息，得到系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和誤報(bào)率。對于系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的陰極保護(hù)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)報(bào)警，通過現(xiàn)場人工測試對比，判斷其準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

隨著長輸管道安全風(fēng)險(xiǎn)的增加，有必要將新一代信息技術(shù)與管道的安全防護(hù)結(jié)合，構(gòu)建一套全面防范、重點(diǎn)加強(qiáng)、資源共享的長輸管道智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對管道沿線威脅管道安全的第三方施工、違章占?jí)旱犬惓Ｇ闆r的實(shí)時(shí)監(jiān)測、監(jiān)控、分析、定位和預(yù)警等功能，全面提升管道安全管理水平，保障管道安全運(yùn)行。