梁海濱, 陳 開, 雷光祥, 朱 林, 岑 康

(1.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?燃?xì)饧夹g(shù)研究院,黑龍江 哈爾濱 150016;2.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院,四川 成都 610500)

1 概述

城市對燃?xì)獾男枨蟛粩嘣鲩L,促使世界各地的燃?xì)庠O(shè)施快速發(fā)展和高度復(fù)雜,管網(wǎng)建設(shè)和管理等方面的缺陷日益積累,導(dǎo)致燃?xì)夤芫W(wǎng)安全事故頻發(fā)。由于燃?xì)夤芫W(wǎng)主要集中于人口、建筑物和財富密集的城市,城市的管道天然氣運輸被稱為高風(fēng)險過程工業(yè)之一[1],燃?xì)夤艿赖妮p微破裂可能造成災(zāi)難性事件,導(dǎo)致重大的生命和財產(chǎn)損失。根據(jù)歐洲天然氣管道事故數(shù)據(jù)組(EGIG)的統(tǒng)計[2],從1970年到2019年,EGIG共報告了1 411起天然氣管道事故。據(jù)中國燃?xì)鈪f(xié)會統(tǒng)計,僅2020年全國共計發(fā)生燃?xì)馐鹿?15起,造成傷亡652人[3]。因此,加強(qiáng)燃?xì)夤艿劳暾匝芯亢吞岣呷細(xì)獍踩芾硭匠蔀閷W(xué)界和業(yè)界的共識。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?簡稱燃?xì)夤艿?完整性管理日益受到國內(nèi)外的高度重視,成為關(guān)注的焦點。通過對文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn),雖然已有較多完整性管理相關(guān)的文獻(xiàn)[4],但采用知識圖譜方法對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計的研究非常少,也缺乏對燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼南到y(tǒng)總結(jié)和研究。因此,有必要對中英文相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)歸納總結(jié),采用知識圖譜方法,梳理燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼臒狳c、演化路徑和發(fā)展趨勢,為燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯康某掷m(xù)完善提供參考。

2 研究工具與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究工具

為實現(xiàn)對科學(xué)文獻(xiàn)貢獻(xiàn)的有效研究,許多學(xué)者和組織開發(fā)了很多優(yōu)秀的文獻(xiàn)計量分析軟件,如HistCite、CiteSpace、BibExcel、Proknow-C、VOSviewer等[5]。其中CiteSpace具有良好的數(shù)據(jù)管理、分析和可視化功能,對于中英文參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)支持比較好,得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)可[6-7]。作為一款強(qiáng)大的文獻(xiàn)計量分析軟件,CiteSpace專注于檢測和可視化學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中的引用關(guān)系、主題演化以及關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯恐?CiteSpace有助于研究人員識別關(guān)鍵的研究主題、探索學(xué)術(shù)趨勢和熱點,并通過可視化手段展示關(guān)鍵詞的時空演化趨勢。VOSviewer具有良好的可視化特性,對于文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析支持性比較好,VOSviewer主要用于分析文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)和共被引關(guān)系。在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯恐?VOSviewer能夠幫助研究人員進(jìn)行文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,繪制關(guān)鍵詞地圖,呈現(xiàn)關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)性和研究熱點。因此,本文將CiteSpace與VOSviewer結(jié)合,對中英文燃?xì)夤艿劳暾怨芾硐嚓P(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析,從量化研究視角挖掘燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯恐械臒狳c、發(fā)展脈絡(luò),指出燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯康陌l(fā)展方向。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選擇在中國知網(wǎng)、Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索與燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯肯嚓P(guān)的文獻(xiàn)。中國知網(wǎng)檢索關(guān)鍵詞為城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿?、完整性管?時間跨度選擇2013-2023年。Web of Science選擇核心合集,檢索詞TS=(“Town gas pipeline”O(jiān)R“Gas pipeline”AND“Integrity management”),時間跨度選擇2013-2023年。最終選取中國知網(wǎng)文獻(xiàn)94篇、Web of Science數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)279篇用于文獻(xiàn)計量分析,見圖1。由圖1可知,中文研究在2019年達(dá)到一個小高潮,而英文研究高潮在2017年。最近兩年相關(guān)論文發(fā)文量呈下降趨勢,可能與世界經(jīng)濟(jì)形勢與疫情影響了相關(guān)科研活動資助存在一定關(guān)系。雖然近年論文數(shù)量相對偏少,但考慮當(dāng)前燃?xì)馐鹿暑l發(fā)現(xiàn)狀,認(rèn)為當(dāng)前研究可能進(jìn)入一個積累階段,需要對其現(xiàn)有研究進(jìn)行梳理總結(jié),以揭示發(fā)展方向。

圖1 選取文獻(xiàn)的數(shù)量隨年份的分布

3 研究熱點分析

3.1 國內(nèi)研究熱點分析

關(guān)鍵詞聚類反映研究的熱點。當(dāng)兩個或多個關(guān)鍵詞在同一篇文獻(xiàn)中出現(xiàn)時,它們被稱為共現(xiàn)關(guān)鍵詞。通過對關(guān)鍵詞共現(xiàn)次數(shù)的分析,可以揭示燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯恐械臒狳c、特征和聯(lián)系。利用VOSviewer軟件可視化與燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯肯嚓P(guān)的中國知網(wǎng)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò),見圖2。圖2中,實心圓為節(jié)點,每個節(jié)點代表一個特定的關(guān)鍵詞,這些關(guān)鍵詞通常與研究領(lǐng)域、主題或文獻(xiàn)的內(nèi)容有關(guān)。當(dāng)兩個或多個關(guān)鍵詞在同一篇文獻(xiàn)中共同出現(xiàn)時,它們之間就會有一條線相連,表明它們之間存在關(guān)系。節(jié)點之間的距離表示節(jié)點的接近程度,距離越短,表示它們之間的關(guān)聯(lián)程度越高。關(guān)聯(lián)程度高意味著兩個節(jié)點在文獻(xiàn)中經(jīng)常一起出現(xiàn)。字號描述了關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)熱度,字號越大表明該關(guān)鍵詞越熱門。圖2表明,圍繞城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾碚归_的研究,2014年之前主要涉及完整性檢測、外防腐層、風(fēng)險評估、天然氣管道、體系框架等,2014年之后開始對燃?xì)夤芫W(wǎng)、技術(shù)進(jìn)展、分級管控、頂層架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)體系、管道檢測等開展研究,智慧燃?xì)獬蔀槿細(xì)夤艿姥芯康那把亍?/p>

圖2 中國知網(wǎng)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(軟件截圖)

文獻(xiàn)研究表明,燃?xì)夤艿朗艿礁鞣N綜合而復(fù)雜的風(fēng)險和不確定性的影響,如第三方損壞、腐蝕、管道設(shè)備操作不正確、制造缺陷等[8]。燃?xì)夤艿酪话阈枰?jīng)過人口密度較高的地區(qū),設(shè)備檢查維護(hù)不到位、人員管理不到位、城市地質(zhì)災(zāi)害影響等因素均可能導(dǎo)致燃?xì)夤艿佬孤?進(jìn)而引發(fā)次生事故(如中毒、窒息、火災(zāi)和爆炸等),造成災(zāi)難性后果。為避免風(fēng)險不確定性,有必要對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施實施風(fēng)險分析,對此,學(xué)者們提出了一系列有關(guān)燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼娘L(fēng)險分析法,例如灰色理論+DEMATEL[9]、AHP+熵權(quán)法[10]、FTA-DBN[11]等。因此風(fēng)險分析法成為研究熱點。

文獻(xiàn)[12]表明,管道運行的安全和穩(wěn)定與城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的完整性管理直接相關(guān),為保證城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全有效運行,燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)結(jié)合城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的具體情況,對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行完整性管理。目前,燃?xì)夤艿劳暾怨芾砻媾R的突出問題是信息化程度低、自控水平低[13]。趙永起等[14]認(rèn)為城市天然氣管網(wǎng)的完整性管理必須建立在健全的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上,應(yīng)采用現(xiàn)代的方法收集數(shù)據(jù)和信息,建立先進(jìn)的信息管理系統(tǒng),提高天然氣管網(wǎng)的完整性管理水平。馬彬等[15]認(rèn)為,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)技術(shù)和天然氣管網(wǎng)完整性管理集成,是實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化、可視化和智能化的重要途徑。因此,智慧燃?xì)庹鸩匠蔀檠芯繜狳c。

3.2 國際研究熱點分析

采用VOSviewer軟件對英文文獻(xiàn)進(jìn)行可視化的研究熱點網(wǎng)絡(luò)分析,見圖3。圖3表明,國際完整性管理研究的熱點包括風(fēng)險分析、風(fēng)險管理、泄漏檢測、失效概率、模型研究等。

圖3 Web of Science關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(軟件截圖)

國際油氣管道安全評價與完整性管理始于20世紀(jì)70年代的美國,美國油氣管道完整性管理早期主要針對長輸管道開展,針對城市燃?xì)夤艿赖难芯繌?000年開始[16]。國際注重充分利用數(shù)據(jù)庫技術(shù),以提高數(shù)據(jù)的完整性,在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上研究各種不利因素的失效概率模型和算法,進(jìn)行模擬和優(yōu)化。另外,發(fā)達(dá)國家的應(yīng)急管理體系相對完善,進(jìn)行了較多的失效分析和風(fēng)險分析,主要表現(xiàn)為:各級政府職能部門與運營企業(yè)、其他相關(guān)組織的協(xié)調(diào)機(jī)制更為便捷;事故應(yīng)急及搶險救援方面的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)較為完備,針對不同原因、規(guī)模、地理位置、復(fù)雜程度的事故建立了有針對性的處理方法等。如Tutunchi等[17]研究了城市天然氣PE管道系統(tǒng)中可信的失效機(jī)制,評估各種失效情景下的失效概率和失效后果,最終確定城市天然氣管道系統(tǒng)中不同部分的技術(shù)檢查活動的優(yōu)先順序。

4 熱點演化路徑分析

4.1 國內(nèi)研究熱點演化路徑分析

為全面洞察國內(nèi)燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼难芯柯窂?運用了CiteSpace的聚類與路徑分析功能,繪制出了可視化知識圖譜,得到7條熱點演化路徑,見圖4。

圖4 國內(nèi)研究熱點演化路徑的聚類知識圖譜(軟件截圖)

圖4表明,近10年來燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼难芯糠种?即7條熱點演化路徑)主要包括燃?xì)夤芫W(wǎng)、風(fēng)險評價、完整性、運營風(fēng)險、安全管理、評估方法、全面檢驗等領(lǐng)域,體現(xiàn)為完整性管理的不同環(huán)節(jié)。

經(jīng)過不斷研究,研究者總結(jié)了完整性管理的6個基本環(huán)節(jié),為數(shù)據(jù)管理、泄漏管理、風(fēng)險評價、完整性評價、維修維護(hù)和效能評價[18]。不同燃?xì)馄髽I(yè)根據(jù)自身情況進(jìn)行調(diào)整[14-15,19]。當(dāng)前對于數(shù)據(jù)管理、維修維護(hù)和效能評價的研究較為薄弱。其中,管道建設(shè)期、運營期、維護(hù)期的數(shù)據(jù)管理是研究完整性管理的重點[20],建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理是研究的前提。總體分析得知,國內(nèi)對完整性效能評價的手段相對不成熟,對燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼挠行嵤┬纬闪艘欢ㄗ璧K。

4.2 國際研究熱點演化路徑分析

為全面洞察國際燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼难芯柯窂?運用了CiteSpace的聚類與路徑分析功能,繪制出了可視化知識圖譜,得到9條熱點演化路徑,見圖5。圖5表明,國際研究主要集中在區(qū)域供熱、可持續(xù)性、風(fēng)險評估、腐蝕缺陷、城市區(qū)域、生命周期評價、城市開采、模型、泄漏擴(kuò)散等領(lǐng)域。在初始階段,燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯康闹攸c是管道腐蝕、泄漏檢測和安全評估。研究者主要關(guān)注燃?xì)夤艿赖奈锢硖匦?、材料性能和腐蝕機(jī)制等方面的問題,以及如何使用傳感器和相關(guān)技術(shù)來監(jiān)測管道泄漏。熱點詞包括Pipeline Corrosion(管道腐蝕)、Leak Detection(泄漏檢測)和Safety Assessment(安全評估)等。在發(fā)展階段,研究熱點進(jìn)一步拓展,涉及到交叉研究領(lǐng)域和應(yīng)用場景。如研究者開始關(guān)注管道完整性管理與可持續(xù)性發(fā)展、環(huán)境影響評估和社會責(zé)任等方面的關(guān)系,并且研究方法也逐漸多樣化,包括數(shù)據(jù)分析、模型建立和決策支持等。熱點詞出現(xiàn)了Sustainability(可持續(xù)性)和Life Cycle Assessment(生命周期評價)等。目前,研究路徑繼續(xù)向更具體的方向發(fā)展,如燃?xì)夤艿赖奶囟▎栴}(地震風(fēng)險和管道損壞機(jī)制等)。此外,研究者提倡利用新興技術(shù)和方法,如無損檢測、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等,對燃?xì)夤艿劳暾怨芾磉M(jìn)行研究。

圖5 國際研究熱點演化路徑的聚類知識圖譜(軟件截圖)

5 國內(nèi)外研究對比與發(fā)展趨勢分析

5.1 國內(nèi)外研究熱點及研究方法對比分析

綜上所述,國內(nèi)外在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼闹饕獌?nèi)容上還存在一定差異。從中英文文獻(xiàn)的分析對比可以發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外刊物主要集中在完整性管理的風(fēng)險評價研究上。從關(guān)鍵詞可以看出,國內(nèi)外研究的關(guān)注點各有特點,國內(nèi)研究熱點為風(fēng)險評價和智慧燃?xì)獾阮I(lǐng)域,國際研究熱點則聚焦于風(fēng)險分析、泄漏檢測、失效概率、模型研究等。此外,國內(nèi)研究還注重燃?xì)夤芫W(wǎng)安全管理,包括燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全評估、風(fēng)險管理和應(yīng)急管理等方面;國際研究還注重燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化管理、可持續(xù)綠色能源替代技術(shù)和能源系統(tǒng)融合與協(xié)同優(yōu)化等方面。燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化管理包括基于先進(jìn)傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等的智能監(jiān)測、智能預(yù)警和智能管理系統(tǒng)等。

國內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯恐饕捎迷囼炇以囼?、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬等方法。試驗室試驗主要包括燃?xì)庑孤z測技術(shù)的驗證和泄漏修復(fù)技術(shù)的試驗,現(xiàn)場測試主要包括燃?xì)夤芫W(wǎng)的監(jiān)測和修復(fù)實踐,數(shù)值模擬主要用于研究燃?xì)庑孤U(kuò)散規(guī)律和管網(wǎng)安全評估等。國際城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯縿t更加注重數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型化方法,包括基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)測和管理系統(tǒng)、基于數(shù)學(xué)建模和仿真的燃?xì)庑孤U(kuò)散模型和管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型等。此外,國際研究還采用了經(jīng)濟(jì)評估和環(huán)境評估等方法,綜合考慮了燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼纳鐣?、?jīng)濟(jì)和環(huán)境影響。

5.2 發(fā)展趨勢分析

從研究路徑上發(fā)現(xiàn),完整性管理在數(shù)據(jù)管理、維修維護(hù)、效能評價研究上有待加強(qiáng)。

① 數(shù)據(jù)管理研究。數(shù)據(jù)管理是進(jìn)行燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼牡谝徊健Ｊ紫?由于許多國家管道完整性管理起步較晚,對于故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)關(guān)注度不夠和積累有限,難以滿足管道量化風(fēng)險評估的需要,經(jīng)常使用其他國家成熟的故障數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐。但由于其他國家管道的環(huán)境和故障原因不同,難以直接使用其他國家的故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定量風(fēng)險評估。其次,大多數(shù)城市燃?xì)馐鹿收{(diào)查數(shù)據(jù)的缺失,導(dǎo)致許多研究都是專家定性分析。未來應(yīng)加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,以提高管網(wǎng)運營管理中數(shù)據(jù)采集的統(tǒng)一性和完整性,避免沖突,促進(jìn)數(shù)據(jù)的共享。在數(shù)據(jù)收集中,可以充分利用各種傳感器和監(jiān)測數(shù)據(jù),整合各種傳感手段、方法和儀器的檢測結(jié)果,確保風(fēng)險評估和完整性評估的可靠性。實現(xiàn)有限人力資源和設(shè)備的科學(xué)合理配置,并對現(xiàn)有管理體系的有效性進(jìn)行評估,達(dá)到逐步完善管理的目標(biāo)。基于加強(qiáng)的完整性數(shù)據(jù)管理,建立基于全生命周期的智慧管網(wǎng)風(fēng)險管控機(jī)制,可以全面實現(xiàn)系統(tǒng)智能化數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險因素精準(zhǔn)識別、系統(tǒng)自適應(yīng)反饋與控制、高精度的完整性檢測評價等,最大限度降低失效概率,減少次生災(zāi)害發(fā)生。

② 維修維護(hù)研究。隨著國內(nèi)外城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大和使用年限的增長,研究和改進(jìn)燃?xì)夤艿谰S修維護(hù)方法和技術(shù)變得尤為重要。首先,智能監(jiān)測和維護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展將為燃?xì)夤艿谰S修維護(hù)提供更多可能性。通過傳感器、無線通信和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),可以實時監(jiān)測管道的狀態(tài)和運行參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)異常和潛在故障?；谌斯ぶ悄芎蜋C(jī)器學(xué)習(xí)的算法也可以對管道進(jìn)行預(yù)測性維護(hù),避免突發(fā)故障和安全事故的發(fā)生。其次,繼續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新無損檢測技術(shù),提高其靈敏度和準(zhǔn)確性。在燃?xì)夤艿赖木S修維護(hù)中,注重環(huán)境友好型方法的研究和應(yīng)用。推廣使用可再生能源作為管道維護(hù)設(shè)備的動力源,減少對傳統(tǒng)能源的依賴,降低環(huán)境污染。

③ 效能評價研究。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿烙捎趶?fù)雜的敷設(shè)環(huán)境,與長輸管道存在一定差異。在對燃?xì)夤艿劳暾怨芾磉M(jìn)行效能評價時,研究者多從完整性管理帶來的經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā),忽視了對完整性管理進(jìn)行系統(tǒng)性的分析評價。目前城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖男茉u價理論相對豐富,對于細(xì)節(jié)研究很少,需要建立完整的標(biāo)準(zhǔn)的效能評價指標(biāo)體系。同時,各燃?xì)馄髽I(yè)可以發(fā)展有自己特色的效能評價指標(biāo)體系,使其促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展。

6 結(jié)論與建議

① 圍繞城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾碚归_的研究,國內(nèi)研究熱點為風(fēng)險評價和智慧燃?xì)獾?國際研究熱點則聚焦于風(fēng)險分析、風(fēng)險管理、泄漏檢測、失效概率、模型研究等。

② 國內(nèi)研究有7條熱點演化路徑,分別為燃?xì)夤芫W(wǎng)、風(fēng)險評價、完整性研究、運營風(fēng)險研究、安全管理研究、評估方法研究、全面檢驗研究。國際研究有9條熱點演化路徑,分別為區(qū)域供熱、可持續(xù)性、風(fēng)險評估、腐蝕缺陷、城市區(qū)域、生命周期評價、城市開采、模型、泄漏擴(kuò)散。

③ 從研究路徑上發(fā)現(xiàn),燃?xì)夤艿劳暾怨芾碓跀?shù)據(jù)管理、維修維護(hù)、效能評價研究上有待加強(qiáng)。

④ 建議燃?xì)馄髽I(yè)在進(jìn)行燃?xì)夤艿劳暾怨芾硌芯繒r基于系統(tǒng)工程思想分析問題,重視數(shù)據(jù)管理,加強(qiáng)信息化建設(shè),注重全過程研究,采用科學(xué)技術(shù)方法及智能化手段,建立一套行之有效的適合企業(yè)的燃?xì)夤艿劳暾怨芾順?biāo)準(zhǔn)。