董志，齊釗

(1.浙江浙能燃?xì)夤煞萦邢薰?，浙?杭州 310000；2.山東產(chǎn)研衛(wèi)星信息技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250098)

0 引言

2022年度中國(guó)天然氣消費(fèi)量達(dá)到3663×108m3，長(zhǎng)輸天然氣管線總里程達(dá)到了11.6×104km。

隨著管道里程快速增加，不可避免地會(huì)穿越地勢(shì)陡峭、環(huán)境多變的山區(qū)地段，這些區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、交通運(yùn)輸不便，給管道的安全管理帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如：2017年，貴州晴隆縣一輸氣管道因強(qiáng)降雨導(dǎo)致滑坡而發(fā)生泄漏事故，造成40多人死傷[1]；2021年，某天然氣公司管道附近由于強(qiáng)降雨發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害超250次，對(duì)天然氣管道的安全造成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的管理方式和方法與山區(qū)管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)特征并不匹配，為了保證天然氣管道平穩(wěn)運(yùn)行、保證周邊人民生命財(cái)產(chǎn)安全，需要結(jié)合山區(qū)管道特點(diǎn)制定針對(duì)性的完整性管理措施，構(gòu)建山區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)防控體系。

1 山區(qū)管道完整性管理流程

1.1 山區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

準(zhǔn)確識(shí)別山區(qū)管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)是實(shí)現(xiàn)完整性管理的前提條件，結(jié)合山區(qū)管道的敷設(shè)環(huán)境，從“人、機(jī)、環(huán)境”三個(gè)角度開(kāi)展山區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。

(1)人為因素：誤操作、施工、蓄意破壞；

(2)管道本體：電腐蝕、應(yīng)力腐蝕；

(3)地質(zhì)災(zāi)害：崩塌、滑坡、泥石流。

1.2 山區(qū)管道完整性管理流程

根據(jù)山區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果以及GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中的完整性管理六個(gè)步驟，制定出山區(qū)管道完整性管理流程。

如圖1所示，山區(qū)天然氣管道管理流程主要分為七個(gè)步驟：(1)根據(jù)高后果區(qū)等級(jí)對(duì)山區(qū)管道進(jìn)行分區(qū)；(2)從管道、人員、環(huán)境三方面收集數(shù)據(jù)，管道數(shù)據(jù)包括管道本體數(shù)據(jù)以及水工保護(hù)措施數(shù)據(jù)，人員數(shù)據(jù)包括員工操作數(shù)據(jù)以及第三方人員數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)包括可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的所有數(shù)據(jù)；(3)采用RBI、SIL等方法對(duì)管道、人員、地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)分析，確定風(fēng)險(xiǎn)大小、后果，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序；(4)基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展管道本體、地災(zāi)易發(fā)性、水工保護(hù)措施有效性以及人員作業(yè)安全性的評(píng)價(jià)作業(yè)，確定管道以及保護(hù)措施的完整情況；(5)根據(jù)完整性評(píng)價(jià)結(jié)果，制定相應(yīng)的處置方案，如地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水工保護(hù)措施修復(fù)、管道檢測(cè)及維護(hù)等；(6)建立山區(qū)管道完整性管理數(shù)據(jù)庫(kù)，將各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)系起來(lái)，打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)完整性管理數(shù)據(jù)共享；(7)開(kāi)展完整性管理效能評(píng)價(jià)，不斷改進(jìn)、完善完整性管理各個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 山區(qū)管道完整性管理流程

1.3 管理難點(diǎn)

1.3.1 災(zāi)害預(yù)測(cè)難

受到多方面因素影響，包括地形地貌、降水、植被、原生缺陷等，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生(概率、規(guī)模、位置)具有很強(qiáng)的不可預(yù)測(cè)性，導(dǎo)致災(zāi)害預(yù)測(cè)難度較大。

1.3.2 管道監(jiān)測(cè)難

山區(qū)地形起伏劇烈、植被茂密，人工巡檢難度較大，當(dāng)山區(qū)管道發(fā)生事故或附近存在施工作業(yè)時(shí)，很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。

1.3.3 事故處理難

當(dāng)山區(qū)管道發(fā)生事故需要進(jìn)行維搶修作業(yè)時(shí)，由于管道沿線地形復(fù)雜、交通惡劣、社會(huì)依托差，導(dǎo)致管道維修設(shè)備、機(jī)具很難運(yùn)輸至作業(yè)前線，增大了維搶修作業(yè)難度。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

從山區(qū)天然氣管道管理難點(diǎn)可以看出，對(duì)山區(qū)管道，應(yīng)該建立主動(dòng)式的防護(hù)措施，利用衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、光纖、視頻行為分析系統(tǒng)等建立“空—天—地”的管道風(fēng)險(xiǎn)智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑“面—點(diǎn)”結(jié)合的第三方施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)山區(qū)管道全方位監(jiān)控，做到“事前早發(fā)現(xiàn)”。

2.1 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)

激光雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展使得衛(wèi)星在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。目前常用的是利用衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)管道周圍地面沉降情況，其原理是每隔一段時(shí)間(一般是12 d)利用合成孔徑雷達(dá)對(duì)同一位置進(jìn)行拍攝，通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的地表影像信息，可以獲取管道周圍地面的形變數(shù)據(jù)，識(shí)別管道沿線的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是全天時(shí)、全天候、靈敏度高、分辨率高、識(shí)別范圍廣[2]。

2.2 光纖預(yù)警技術(shù)

光纖預(yù)警技術(shù)在管道安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其原理是用管道同溝敷設(shè)的光纜作為傳輸媒介，從光纜一側(cè)的發(fā)射器中注入探測(cè)光脈沖，當(dāng)光纜受到外界干擾時(shí)，光纜中的光纖折射率發(fā)生改變，引起探測(cè)光的相位差。通過(guò)檢測(cè)相位差的變化并解析，就能夠判斷受到干擾的位置以及干擾的類型。目前，光纖預(yù)警技術(shù)主要應(yīng)用于天然氣管道周圍施工監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)以及周界安防等領(lǐng)域[3]。

2.3 無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)

為了降低一線巡線人員的作業(yè)強(qiáng)度，一些管道營(yíng)運(yùn)公司開(kāi)始使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展管道線路巡查工作，這些無(wú)人機(jī)下端均會(huì)搭載一個(gè)高清攝像頭，用于拍攝管道沿線的影像信息，并將這些信息上傳至后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)工作人員能夠根據(jù)這些信息判斷管道周圍是否存在危險(xiǎn)源。

目前，無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)輸管道中主要有兩個(gè)工作：一種是日常巡檢，另一種是定點(diǎn)核查[4]。在日常巡檢工作模式下，無(wú)人機(jī)會(huì)從一個(gè)站場(chǎng)(閥室)飛向另一個(gè)站場(chǎng)(閥室)，將管道沿線的信息拍攝下來(lái)，傳回后方供作業(yè)人員查看；在定點(diǎn)核查工作模式下，無(wú)人機(jī)起飛前需要先設(shè)定一個(gè)坐標(biāo)位置，無(wú)人機(jī)到達(dá)坐標(biāo)位置后才開(kāi)啟攝像頭，對(duì)預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行全方位、多角度的拍攝、取證，將結(jié)果發(fā)送至后臺(tái)。

2.4 視頻行為監(jiān)控技術(shù)

目前，一些管道營(yíng)運(yùn)單位會(huì)在管道周圍的施工區(qū)域放置視頻行為監(jiān)控系統(tǒng)，防止可能出現(xiàn)的越界施工、違規(guī)作業(yè)等情況[5]。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作過(guò)程包括以下步驟：(1)攝像頭錄制管道周圍影像；(2)后臺(tái)計(jì)算機(jī)讀取這些影像資料，并采用均勻稀疏采樣的方式將其轉(zhuǎn)化為圖像；(3)讀取這些圖像中異物的特征，如挖掘機(jī)、作業(yè)人員等；(4)將提取到的信息與訓(xùn)練出的樣本庫(kù)里的樣本進(jìn)行對(duì)比，判斷圖像中的異物類型，若判斷結(jié)果是挖掘機(jī)等對(duì)管道有威脅的物體，會(huì)自動(dòng)保存該結(jié)果并將其推送至客戶端，通知后臺(tái)作業(yè)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)。

2.5 管道露管檢測(cè)技術(shù)

盡管使用衛(wèi)星系統(tǒng)可以大范圍地開(kāi)展管道周圍地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作，但是受到衛(wèi)星拍攝時(shí)間等因素的影響，難以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的位置并做出報(bào)警，因此，管道運(yùn)營(yíng)單位在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域都會(huì)埋設(shè)一些檢測(cè)設(shè)備，這些設(shè)備的核心是光敏元件。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備在地質(zhì)災(zāi)害的作用下發(fā)生裸露時(shí)，光敏元件在陽(yáng)光的照射下會(huì)觸動(dòng)報(bào)警裝置，后者將這些信息發(fā)送至服務(wù)器，作業(yè)人員根據(jù)這些信息能知曉地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生位置。

2.6 聯(lián)合防護(hù)體系建設(shè)

2.6.1 管道防護(hù)體系建設(shè)

搭建統(tǒng)一的山區(qū)管道防護(hù)平臺(tái)，統(tǒng)一管理管道風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)合運(yùn)作、管道風(fēng)險(xiǎn)智能識(shí)別、應(yīng)急策略自動(dòng)生成，可以起到事半功倍的作用。山區(qū)管道防護(hù)體系建設(shè)如圖2所示。

圖2 山區(qū)管道防護(hù)體系建設(shè)

整個(gè)體系分為三個(gè)層級(jí)，分別為感知層、數(shù)據(jù)處理層以及輔助決策層。其中，感知層由無(wú)人機(jī)、光纖、攝像頭等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(設(shè)施)構(gòu)成，用于獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器；數(shù)據(jù)處理層由若干電腦處理器組成，用于分析處理現(xiàn)場(chǎng)感知設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)類型將其分類，判斷這些數(shù)據(jù)的有效性，篩選出對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別有用的信息，并將這些信息與歷史數(shù)據(jù)或設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否存在威脅，并將可能造成風(fēng)險(xiǎn)的信息全部傳送至輔助決策層。輔助決策層收到數(shù)據(jù)處理層的信息后，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的類型采取不同的措施。以第三方施工為例，說(shuō)明本完整性管理平臺(tái)的用法。

2.6.2 第三方施工核查

當(dāng)光纖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到管道周圍存在施工活動(dòng)時(shí)，會(huì)將施工信息發(fā)送給數(shù)據(jù)分析層，后者將危險(xiǎn)事件類別和位置發(fā)送給輔助決策層。輔助決策層判斷出這是一個(gè)可能威脅管道安全的第三方活動(dòng)，然后立即給距離最近的無(wú)人機(jī)發(fā)送飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)飛行到指定位置后會(huì)下降一定的高度，對(duì)可疑位置進(jìn)行全方位的拍攝。若確實(shí)發(fā)現(xiàn)存在第三方施工，會(huì)立即開(kāi)展取證工作，同時(shí)作業(yè)人員也可以通過(guò)無(wú)人機(jī)向?qū)Ψ胶霸挘浦惯`法施工活動(dòng)。

2.6.3 管道應(yīng)急搶修

當(dāng)?shù)谌绞┕ひ呀?jīng)造成管道損毀時(shí)，除了派遣無(wú)人機(jī)前往現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取證外，輔助決策層還會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)、已有的維修案例自動(dòng)生成維修方案，包括維修方法、作業(yè)人員、需要的設(shè)備及庫(kù)存等，為管道應(yīng)急搶修提供依據(jù)。

3 結(jié)論

本文以山區(qū)天然氣管道為研究對(duì)象，從“人、機(jī)、環(huán)境”三方面介紹了山區(qū)管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)，提出了包含人、管道、環(huán)境的山區(qū)天然氣管道完整性管理流程，在此基礎(chǔ)上介紹了一些可以用于山區(qū)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與識(shí)別的新技術(shù)，詳細(xì)敘述了每項(xiàng)技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方式和用途，得出以下結(jié)論：

(1)山區(qū)管道處于復(fù)雜的地形地貌中，面臨的威脅和管理上的困難與其他管道存在明顯不同，在制定管理方案時(shí)一定要考慮環(huán)境因素，重點(diǎn)關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道的影響。

(2)介紹了衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)、光纖預(yù)警技術(shù)、無(wú)人機(jī)巡檢技術(shù)、視頻行為監(jiān)控技術(shù)、管道露管檢測(cè)技術(shù)的原理和用途，建立了包含感知層、數(shù)據(jù)分析層、輔助決策層的山區(qū)管道防護(hù)平臺(tái)，并以第三方施工為例，說(shuō)明不同情況下應(yīng)急響應(yīng)措施的區(qū)別。