城市燃氣管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)綜合監(jiān)測與應急處置技術研究

韓君慶++陳建國

[摘 要] 城市的地下管線系統(tǒng)能否安全運行直接影響到城市功能能否正常運轉(zhuǎn)，尤其是易燃易爆的燃氣管網(wǎng)，其能否安全運行關乎人民的生命財產(chǎn)安全，因此，燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測及其相關應急處置機制的研究顯得極有必要。文章以城市A為燃氣管網(wǎng)部署研究城市，設計了燃氣管網(wǎng)的監(jiān)測、信息傳輸、數(shù)據(jù)分析以及決策預警等方面的技術框架，并對與燃氣管網(wǎng)的安全運行密切相關的關鍵技術進行了總結(jié)。最后通過對A市出現(xiàn)的一個真實突發(fā)事件進行全流程處置來展示研究成果。

[關鍵詞] 城市生命線；物聯(lián)網(wǎng)；突發(fā)事件；應急處置；綜合監(jiān)測；燃氣管網(wǎng)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 19. 080

[中圖分類號] TN915.08 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）19- 0186- 04

0 引 言

城市的地下管線擔負著城市的信息傳遞、能源輸送、排澇減災、廢物排棄的功能，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，它就像人體內(nèi)的“血管”和“神經(jīng)”，因此，被人們稱為城市的“生命線”。隨著世界城市化進程的加速，城市地下管線建設發(fā)展非常迅猛，隨之而來的地下管線管理方面的問題也越來越多，突發(fā)緊急事件頻繁發(fā)生。燃氣設施及其附屬管線是城市地下管線的重要組成部分，是市政公用事業(yè)城市的重要的基礎設施之一，是現(xiàn)代城鎮(zhèn)的重要基礎設施，與經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活息息相關。城鎮(zhèn)燃氣對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、促進城鎮(zhèn)發(fā)展、提高人民生活水平發(fā)揮了極其重要的作用。同時，燃氣本身又具有易燃、易爆和有毒的特點，一旦管道設施發(fā)生泄漏，極易發(fā)生火災、爆炸及中毒事故，使國家和人民生命財產(chǎn)遭受損失。2004年7月30日，比利時發(fā)生一起然氣管道爆炸事故，造成23人死亡，200多人受傷。2014年8月1日，臺灣高雄市輸氣管道發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，造成16人死亡。2015年4月17日，美國加州一條天然氣輸氣管道被破壞，導致爆炸和火災，并造成15人受傷。燃氣行業(yè)現(xiàn)在成為社會所關注的焦點，其發(fā)生事故所造成的損失，不僅僅是一些經(jīng)濟上的損失，給自身的發(fā)展增加難度，更會給當?shù)氐耐顿Y環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展造成一些負面的影響。如何有效避免、把此類事件發(fā)生的可能性降低到最低點，已成為當前城市安全運行管理的重中之重。因此，燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測及其相關應急處置機制的設立顯得極為必要。

本文研究以城市A為背景，以2.5公里燃氣管網(wǎng)為研究目標，構(gòu)建燃氣管網(wǎng)風險隱患的識別、監(jiān)測、預警、評估以及應急處置系統(tǒng)，建立相關風險分析理論和識別技術框架，構(gòu)建燃氣管網(wǎng)工程物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡，實現(xiàn)實時監(jiān)測，提供城市燃氣管網(wǎng)健康狀態(tài)和評估報告，為實現(xiàn)主動式安全保障提供技術支持和理論依據(jù)。其研究成果可以為整個燃氣管網(wǎng)工程的安全運行管理先行探索創(chuàng)新路徑，并為相關管理機制的建立奠定堅實基礎。

1 總體研究框架

A市燃氣管網(wǎng)安全運行監(jiān)測系統(tǒng)以公共安全科技為支撐，融合應用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、BIM/GIS等現(xiàn)代信息技術，透徹感知燃氣管網(wǎng)的運行狀況，分析燃氣管網(wǎng)風險及耦合關系，深度挖掘燃氣管網(wǎng)運行規(guī)律，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)風險的及時感知，早期預測預警、和高效處置應對。確保燃氣管網(wǎng)的主動式安全保障。

本項目將基于上述技術和應用框架，通過對燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間進行風險識別，評估地下空間轟燃爆炸風險；實時監(jiān)測燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間可燃氣體濃度；形成泄漏地段的快速風險預警，降低密閉空間爆炸危險性。系統(tǒng)將得到的預警信息與其他生命線安全監(jiān)測系統(tǒng)的信息以及用地類型等數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合分析并識別出可能發(fā)生次生事件的區(qū)域。為燃氣管網(wǎng)的巡檢和養(yǎng)護提供科學依據(jù)，為相關部門進行科學決策和應急處置提供支持。

城市燃氣管網(wǎng)安全監(jiān)測系統(tǒng)為城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)管提供全業(yè)務、全體系、成套化的技術支撐服務，進行頂層設計與系統(tǒng)總體框架構(gòu)建，并在統(tǒng)一框架下模塊化構(gòu)建專項應用，提供開放式接口適配，實現(xiàn)各業(yè)務應用以及系統(tǒng)與外部系統(tǒng)互聯(lián)互通、資源共享、協(xié)同協(xié)作，又能獨立運行。以物聯(lián)網(wǎng)“感傳知用”為技術架構(gòu)進行構(gòu)建，燃氣管道安全運行管理系統(tǒng)的總體研究框架如圖1所示。

研究內(nèi)容包括以下幾個方面：

（1）前端感知系統(tǒng)。燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測項目前端感知系統(tǒng)主要包括甲烷、乙烷、一氧化碳和硫化氫前端監(jiān)測儀以及氣體采集設備等。前端感知系統(tǒng)主要對燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間的可燃和有毒氣體的濃度進行監(jiān)測，包括監(jiān)測點的布設和監(jiān)測方式的選擇設計等。監(jiān)測點的布設首先通過對燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間的風險等級辨識，確立監(jiān)測空間位置，然后根據(jù)實際空間類型選擇監(jiān)測方式。監(jiān)測方式包括前端氣體采集儀的設計、安裝和供電等。

（2）網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)作為連接燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間前端傳感器的網(wǎng)絡以及后端監(jiān)測中心的廣域鏈路，是整個項目中最為重要的支撐保障系統(tǒng)。主要通過感知網(wǎng)和廣域網(wǎng)等網(wǎng)絡傳輸手段，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的匯集、傳輸，系統(tǒng)應用時的數(shù)據(jù)交互。

（3）專項應用系統(tǒng)。燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測系統(tǒng)包括：①地下空間風險識別子系統(tǒng)（利用緩沖區(qū)分析技術，在城市地下管網(wǎng)三維模型上建立不同危險距離為半徑的緩沖虛擬空間，分析緩沖虛擬空間與污水管網(wǎng)三維模型、雨水管網(wǎng)三維模型、電纜溝網(wǎng)絡三維模型、地下超市三維模型以及地下停車場三維模型的交集部分，從而分析判斷得出這些地下空間的風險等級信息）；②動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)（動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)將管網(wǎng)及密閉空間的功能信息和監(jiān)測信息以集成的方式展現(xiàn)在相應的用戶終端界面上，本系統(tǒng)包括管網(wǎng)及相鄰空間三維可視化、分類信息顯示、信息查詢和信息分析）；③安全分析子系統(tǒng)（針對地下空間內(nèi)可燃氣體的安全進行評估，包括危險空間可燃氣體濃度評估、危險空間可燃氣體泄漏檢測評估、可燃氣體擴散分析、可燃氣體泄漏后果預測評估還有其他專項評估）；④預測預警子系統(tǒng)（根據(jù)當前掌握的信息，運用綜合預測分析模型，進行快速計算，對事態(tài)發(fā)展和后果進行模擬分析，預測可能發(fā)生的次生、衍生事件，確定事件可能的影響范圍、影響方式、持續(xù)時間和危害程度等，并結(jié)合相關預警分級指標提出預警分級的建議）；⑤輔助決策子系統(tǒng)（輔助決策支持系統(tǒng)提供對燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全狀況的總體概覽，系統(tǒng)涵蓋領導桌面、綜合統(tǒng)計分析和智能輔助方案）。

燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。系統(tǒng)將首先對地下管網(wǎng)及相鄰空間進行可燃氣體爆炸風險評估，確定各個空間的風險等級分布，在此基礎上進行傳感器的優(yōu)化設。對有不同風險等級地下空間進行分級監(jiān)測。監(jiān)測方式包括利用固定式可燃氣體監(jiān)測儀對可燃氣體的濃度進行監(jiān)測，燃氣公司的移動監(jiān)設備對可能存在的燃氣泄漏進行監(jiān)測和網(wǎng)絡輿情監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，對地下空間發(fā)生爆炸的風險進行劃分，并通過計算定位泄漏的位置和分析風險的發(fā)展態(tài)勢。系統(tǒng)將就事故信息向有關部門發(fā)布風險圖和預警信息。系統(tǒng)還將生成應急輔助決策預案，包括資源調(diào)配圖、智能預案的生成等等。

2 關鍵技術

燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測系統(tǒng)所使用的技術涉及前端管網(wǎng)空間安全信息感知、采集、傳輸、處理等四個環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)以公共安全科技為主線，涵蓋地下空間風險識別技術、爆炸防護理論、氣體化學分析技術、預測預警、安全評估等公共安全技術，其具體關鍵技術如圖3所示。

2.1 危險空間的識別技術

根據(jù)管網(wǎng)的功能、服務對象和周圍環(huán)境進行區(qū)域劃分，進行三維空間建模；利用專題圖層疊加、空間拓撲構(gòu)建和臨近空間分析，獲得燃氣管網(wǎng)與其他地下空間相鄰區(qū)域的分布數(shù)據(jù)，如地理坐標、空間體積和空間屬性等，評估空間的風險等級。

2.2 混合氣體爆炸危險性分析技術

通過對不同組分、不同比例燃氣與污水、雨水等管網(wǎng)的雜質(zhì)氣體（CO，H2S等）混合后在常見危險密閉環(huán)境中的爆炸機理、爆炸濃度極限、爆炸沖擊波壓力、爆炸火焰溫度、毀傷范圍等關鍵參數(shù)，建立混合氣體爆炸危險性快速評估模型，科學有效評估可燃混合氣體的爆炸風險。

2.3 泄漏后果預測技術

根據(jù)事故的種類不同所產(chǎn)生的危害作用不同，如天然氣噴射燃燒、天然氣混合爆炸、水漫路面、水沖擊路面坍塌等，結(jié)合事故發(fā)生地的區(qū)域劃分、地質(zhì)條件、管網(wǎng)信息和用戶分布，對人員傷亡、經(jīng)濟損失、交通和用水影響區(qū)域進行預測。

2.4 密閉空間泄漏源反演技術

根據(jù)氣體不同時間的濃度監(jiān)測場，設置泄漏空間邊界條件和校正因子，用優(yōu)化算法和隨機逼近等反演方法對密封空間泄漏源進行反演推算。

3 突發(fā)事件處理實例

從一個真實發(fā)生的燃氣泄漏處理案例展示研究結(jié)果。

2016年6月28日13：14，系統(tǒng)發(fā)出了警報：可燃氣體濃度達到4.2%，接近爆炸極限，如圖4所示。通過對平臺報警數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)某設備（編號A317015025）數(shù)據(jù)存在規(guī)律性變化，其中在凌晨四點左右壓力濃度最高，在白天濃度降低，部分時刻會降低至高報閾值以下，如圖5所示。

經(jīng)查實，該井位于A市登云庭小區(qū)西門，離門衛(wèi)室約2米，為燃氣井，井內(nèi)可燃氣體監(jiān)測儀為6月21晚安裝，如圖6、圖7所示。

比較歷史監(jiān)測曲線和瓦斯泄漏特征曲線，這兩條曲線的匹配程度很高，初步判斷是漏氣，如圖8所示。進一步分析氣體溯源模型，發(fā)現(xiàn)泄露可能發(fā)生在登云庭小區(qū)西門或者黎明公交車站，如圖9所示。

通過對可燃氣體擴散模型的分析，得到了周圍受影響的目標，包括電力、雨水管道等，共有22個，如圖10所示。同時通過分析可以得到泄漏氣體的爆炸時間是34小時后，如圖11所示。并分析了爆炸對其他管道、關鍵防護目標以及其他關鍵危險以及爆炸的影響。

通過分析發(fā)現(xiàn)，其危險程度較高，且由于泄露處于小區(qū)的入口，一旦發(fā)生爆炸，后果嚴重。因此第一時間及時通知受災地區(qū)和單位，并做好緊急疏散、交通管制等工作，以防出現(xiàn)傷亡。然后通知煤氣公司，搶修人員在管道連接處發(fā)現(xiàn)了一個縫隙，這個縫隙導致煤氣泄漏。相關人員進行搶修處理，避免了瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

同時系統(tǒng)還可以結(jié)合燃氣管網(wǎng)運行周期，定期給出運行評價報告，可以統(tǒng)計報警類型、燃氣事故原因等，總結(jié)監(jiān)測區(qū)的安全情況，并對燃氣泄漏事故提出相應的處理建議。

4 結(jié) 論

隨著天然氣行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的城市開始開發(fā)和使用燃氣管道，隨之發(fā)生的燃氣爆炸事故也越來頻繁。如何保證城市燃氣管網(wǎng)的安全運行，科學地處理事故，是目前城市管理者面臨的難題。本文從公共安全突發(fā)事件的管理理論出發(fā)，從突發(fā)事件的預防、分析和處置三個方面構(gòu)建了城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)測、網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)分析和決策分析等技術框架。最后，以城市A為切入點，對整個突發(fā)事件處置過程進行了研究。本文的研究內(nèi)容可以實現(xiàn)對天然氣管網(wǎng)隱患的早期發(fā)現(xiàn)，及早預防、早期預警和及早處置，盡可能減少突發(fā)事件造成的損失。

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