試論城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)

＊郝帥 孫婷婷

（大豐華潤燃?xì)庥邢薰?江蘇 224000）

當(dāng)前，社會生產(chǎn)生活方式對能源的需求不斷增加，國內(nèi)多數(shù)城鎮(zhèn)為了打造“綠色經(jīng)濟(jì)”減少污染，都在大力推廣天然氣等清潔能源的使用，為城鎮(zhèn)居民的生產(chǎn)生活提供了較好的能源便利條件。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗巧a(chǎn)生活能源供給的重要載體，其安全運行關(guān)系著城鎮(zhèn)居民的重大民生，受到了各級政府職能部門的高度關(guān)注。燃?xì)獾氖褂蒙婕暗交A(chǔ)管網(wǎng)的建設(shè)與運維，其使用過程中的安全是關(guān)系到民生和城鎮(zhèn)發(fā)展的重要問題。由于燃?xì)夤芫W(wǎng)布設(shè)廣泛，種類涉及干線、支線；存儲、轉(zhuǎn)儲等不同形式，一些用戶的維護(hù)使用和城鎮(zhèn)工程造成的破壞，都有可能造成管網(wǎng)受損。同時由于管網(wǎng)布設(shè)面積廣，涉及單位、住戶眾多，巡查、管理難度大，很難定期實現(xiàn)大規(guī)模的檢查、巡視，造成的安全隱患也隨著管網(wǎng)的密集布設(shè)不斷增多。如果不通過現(xiàn)代化手段，實現(xiàn)自動化、智能化的監(jiān)控，將無法防患于未然，嚴(yán)重影響城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運行，造成的問題也會牽一發(fā)而動全身，造成供氣中斷或燃?xì)庑孤?，這些都對城鎮(zhèn)燃?xì)獾目沙掷m(xù)發(fā)展造成不可估量的損失。目前天然氣運行管道的巡查仍以人工為主，對管道周圍的施工情況無法實時掌控，造成巡查時間與施工時間存在時間差，極易造成管控盲區(qū)，從而發(fā)生第三方破壞事件，造成燃?xì)夤艿罁p壞泄漏，進(jìn)而引發(fā)衍生事故。本文擬提出建立一套城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)，運用智能化手段達(dá)到安全管控的目的。

1.城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究背景

城鎮(zhèn)化是社會主義現(xiàn)代化的重要實現(xiàn)方式，城鎮(zhèn)建設(shè)不斷跨越式發(fā)展，高層建筑物層出不窮，這些都是現(xiàn)代城鎮(zhèn)規(guī)?；闹匾獦?biāo)志，發(fā)展對于能源的需求更加迫切。作為城鎮(zhèn)能源供給線，燃?xì)夤芫€伴隨著城鎮(zhèn)發(fā)展不斷延伸，由于其深埋地下，所以很少被關(guān)注。城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔偷姆秶粩鄶U(kuò)大，容量不斷增加，這也造成了各類燃?xì)夤芫W(wǎng)問題不斷凸顯，地下燃?xì)夤艿啦荚O(shè)的密度不斷增加，層疊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其管線復(fù)雜度和交織性不斷增加，出現(xiàn)管路問題的概率也在不斷增大；城鎮(zhèn)道路擴(kuò)展、橋梁跨接、通信線纜入地、供水排水管路布設(shè)等工程的實施，都會對于深埋于地下的燃?xì)夤艿涝斐芍苯踊蜷g接的影響。特別是在城鎮(zhèn)規(guī)劃過程中，由于對于燃?xì)夤艿赖闹匾暢潭炔桓?，一些?guī)劃施工沒有嚴(yán)格按照燃?xì)夤艿浪?guī)范的安全距離開展施工，在施工過程中或多或少都會對燃?xì)夤艿涝斐蓳p傷甚至破裂，如果不能及時發(fā)現(xiàn)將會對城鎮(zhèn)安全造成巨大的影響。同時，燃?xì)夤艿来蠖嗵幱诘叵?，各地的地質(zhì)環(huán)境、地理沉降、建筑沉降或破損腐蝕，都會對于管道的密封性和安全性造成一定影響，安全隱患隨著燃?xì)夤艿酪?guī)模發(fā)展呈級數(shù)上升趨勢，如果不引起重視，勢必造成管路損壞，引起泄漏導(dǎo)致事故發(fā)生

根據(jù)國家應(yīng)急管理部門統(tǒng)計，2021年5月以來，我國發(fā)生影響較大的燃?xì)馐鹿蔬_(dá)到179起，事故造成的損失巨大，對人民的生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。上述事故中，在室內(nèi)發(fā)生的燃?xì)馐鹿蕿?4起，室外燃?xì)夤苈肥鹿?5起。特別是2021年6月13日清晨，湖北省十堰市張灣區(qū)車城街辦艷湖社區(qū)集貿(mào)市場發(fā)生嚴(yán)重的燃?xì)夤苈繁ㄊ鹿剩捎谑掳l(fā)突然，事故現(xiàn)場又位于人員密集區(qū)域，樓宇、商家林立，同時發(fā)生時間為清晨，正是集貿(mào)市場最繁忙的時段，所以造成了非常嚴(yán)重的后果，事故中共計造成25人死亡，138人受傷，重傷者達(dá)37人。此次燃?xì)獗ㄊ鹿首罱K調(diào)查結(jié)果為設(shè)施維護(hù)不當(dāng)引起。這足以說明城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿啦皇前惭b之后就可以一勞永逸的工程，由于它時刻處于動態(tài)的運行過程中，其安全監(jiān)測必須實現(xiàn)常態(tài)化，對于任何細(xì)小的問題隱患都不能放過，必須未雨綢繆，常抓不懈，這樣才能杜絕燃?xì)夤艿腊踩[患，做到警鐘長鳴。

由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪罁?jù)城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活需要規(guī)劃設(shè)計，其布設(shè)面積寬泛，管道密集度高，其支線管網(wǎng)深入小區(qū)、企業(yè)、樓宇、商家、家庭，燃?xì)夤艿赖氖褂枚际?65天×24小時不間斷狀態(tài)，同時較于其他通信、電力傳輸線路不同，燃?xì)夤艿劳鶝]有備份通道，這就對于其安全監(jiān)測提出了更高要求，必須在不中斷運行的過程中實現(xiàn)全網(wǎng)的實時監(jiān)控。傳統(tǒng)的人工巡檢模式，由于受到人員配置、管路部署、城鎮(zhèn)基礎(chǔ)施工等各方面的影響，很難做到全面、準(zhǔn)確、可靠。在監(jiān)測過程中由于受到現(xiàn)場環(huán)境、監(jiān)測點狀態(tài)、惡劣天氣的影響，也會對巡檢時間周期造成影響，無法及時地發(fā)現(xiàn)隱患。

鑒于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗褂玫拈L期性和檢測的不可預(yù)見性，在加強安全設(shè)計的基礎(chǔ)上，必須加強實時監(jiān)測水平，而僅僅依靠人工巡檢和抽檢等方式開展全網(wǎng)的檢測很難滿足安全運行的需求。因此應(yīng)該利用先進(jìn)的科技手段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在管網(wǎng)設(shè)計之初和改造過程中構(gòu)建與之安全密切相關(guān)的動態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，針對城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫€、主干線、支線、長輸管線、城市燃?xì)庹{(diào)壓柜、調(diào)壓站等不同燃?xì)鈧鬏斣O(shè)施的特點開展監(jiān)測，通過多種傳感器手段，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)細(xì)微的物理變化，實時對管網(wǎng)運行的燃?xì)鈮毫?、流量和燃?xì)饷芏冗M(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)可能的滲漏和流量異常，通過數(shù)據(jù)記錄和比對，監(jiān)測全網(wǎng)安全動態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象及時報警，并形成合理高效的處突建議，最大限度的為城鎮(zhèn)燃?xì)獍踩ｑ{護(hù)航。

2.城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)簡介

圖1 系統(tǒng)原理圖

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩\行智能化監(jiān)控，是指運用先進(jìn)的信息技術(shù)，融合物聯(lián)網(wǎng)理念，通過本質(zhì)安全的前端多種傳感器進(jìn)行燃?xì)夤艿牢锢韰?shù)匯聚，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集，再通過數(shù)據(jù)中心進(jìn)行研判，通過數(shù)據(jù)擬合得到管道當(dāng)前運行狀態(tài)，達(dá)到現(xiàn)實監(jiān)視效果。考慮科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和可用性，主要通過物聯(lián)技術(shù)的綜合應(yīng)用，以六個模塊和子系統(tǒng)構(gòu)建完備的動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要包括：傳感器模塊、太陽能供電板、遠(yuǎn)程傳輸模塊、聲光報警模塊、手機(jī)端接收模塊、后臺管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通信可以借助公共通信供應(yīng)商，也可以通過自組網(wǎng)方式實現(xiàn)，這樣就可以實現(xiàn)對燃?xì)夤艿乐腥細(xì)鈮毫Α⑤斔土髁?、泄漏狀況、外力干擾等具體情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，從而達(dá)到動態(tài)的數(shù)據(jù)交互和靜態(tài)的管控策略，保證管道的運行安全。通過系統(tǒng)建設(shè)，為燃?xì)夤竞统擎?zhèn)職能部門提供可靠、有效、有用的自動化在線監(jiān)測技術(shù)手段，提升燃?xì)獍踩a(chǎn)運輸?shù)乃?。同時，燃?xì)夤艿腊踩\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)還能加強燃?xì)夤芫W(wǎng)安全監(jiān)控，預(yù)判管網(wǎng)隱患危險，進(jìn)行閾值報警，確保應(yīng)急響應(yīng)時間，通過對燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析研判，還能很好地進(jìn)行氣源信息歸集，快速處置燃?xì)夤艿劳话l(fā)事件。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

(1)傳感器模塊

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿辣O(jiān)測系統(tǒng)的感知層主要由壓力計、氣體探測器、內(nèi)嵌溫度計、流量計、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及外部視頻監(jiān)控組成。傳感器模塊是燃?xì)夤艿辣O(jiān)測系統(tǒng)的前端關(guān)鍵部分，是系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，通過前端設(shè)備實現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)測參數(shù)采集。

傳感器模塊端側(cè)均采用MC9S08AW60八位協(xié)處理單元，可以有效地執(zhí)行各種感應(yīng)信息的變化計算需求。HC08優(yōu)化指令子集，更有利于調(diào)試開發(fā)，配合單線背景調(diào)試模式接口，可以有效地提高不同傳感器對應(yīng)接口的適配調(diào)試效率。其60KB的片內(nèi)可編程Flash資源，可以靈活地調(diào)用，配合I2C總線傳輸，可以更加靈活地與各種接口的傳感器進(jìn)行連接。壓力計、氣體探測器、內(nèi)嵌溫度計、流量計傳感器均采用靈敏度較高的傳感器單元，同時各類傳感器芯片具備I2C及SPI總線結(jié)構(gòu)，便于與MC9S08AW60單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中氣體探測、溫度、壓力、流量等管道環(huán)境傳感器，應(yīng)滿足移動應(yīng)用、小型化、低功耗及本質(zhì)安全的特點，特別是可以在較為惡劣的地下環(huán)境應(yīng)用的能力，采用雙向串行、多主控接口，實現(xiàn)高效的傳感信息采集及數(shù)據(jù)交互。其中氣體探測芯片應(yīng)該對于管道燃?xì)饩哂辛己玫臋z測效果，特別是對CH4的高敏感性，這樣才有利于對于管道泄露點的準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)。

(2)遠(yuǎn)程傳輸模塊

圖2 數(shù)據(jù)傳輸模塊原理圖

為了更為高效地傳輸燃?xì)夤艿纻鞲衅鞫说谋O(jiān)控數(shù)據(jù)，采用NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)及有線網(wǎng)絡(luò)組合應(yīng)用的方式進(jìn)行傳輸，即確保數(shù)據(jù)傳輸效率，又實現(xiàn)本質(zhì)安全的信息傳輸。采用網(wǎng)絡(luò)透傳模式，之后再根據(jù)各個傳感器ID進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實現(xiàn)較為高效的交互模式。為了確保各項數(shù)據(jù)的科學(xué)性、完備性和準(zhǔn)確性，必須通過合理地設(shè)計有線、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用5G或NB-IoT傳輸技術(shù)，形成可靠的網(wǎng)絡(luò)通信硬件環(huán)境，采用MQTT等分布式傳輸協(xié)議支持，確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞竭m合不同的傳輸環(huán)境，為最終監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建創(chuàng)造條件。傳輸模塊原理如圖2所示。

(3)聲光報警模塊

管道中實時刷新檢測燃?xì)饷芏群?，一旦突破閾值，就需要在相?yīng)區(qū)域發(fā)出聲光報警，并與主控中心關(guān)聯(lián)，及時做出響應(yīng)，保障城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活安全。利用此系統(tǒng)，當(dāng)燃?xì)夤艿乐車惺┕ほE象時，燃?xì)夤艿谰編戏降膲毫鞲衅鞲袘?yīng)到壓力變化，可以通過手機(jī)端App通知運維人員前往施工現(xiàn)場進(jìn)行安全監(jiān)護(hù)，同時遠(yuǎn)程控制施工現(xiàn)場的聲光報警器發(fā)出警報，提醒施工方下方有燃?xì)夤艿馈?/p>

(4)手機(jī)端接收模塊

維護(hù)人員可通過系統(tǒng)的App客戶端查看燃?xì)夤艿肋\行情況。當(dāng)某個傳感器感知管道出現(xiàn)異常，通過遠(yuǎn)程傳輸模塊將信息上傳至后臺管理系統(tǒng)，后臺管理系統(tǒng)對壓力變化差值進(jìn)行分析，如壓差超過臨界值，即時將施工位置范圍發(fā)送至運維人員手機(jī)端，設(shè)備監(jiān)測標(biāo)記變?yōu)榧t色，并彈窗提醒，App端也同時告警，其PC端和手機(jī)端界面第一時間知曉燃?xì)庑孤┣闆r。同時，系統(tǒng)維護(hù)人員還可以通過數(shù)據(jù)總覽功能查看設(shè)備安裝量、監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警及處理情況等信息，并分析隱患態(tài)勢。

(5)后臺管理系統(tǒng)

后臺管理系統(tǒng)是城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆?wù)層，將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合匯集和分類分析，同時根據(jù)數(shù)據(jù)分析中各種需求接口進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化分離，并采用可讀性較強的GUI界面進(jìn)行展示，突出故障情況、故障點位，為城鎮(zhèn)燃?xì)夤芸刂行奶峁┛煽康墓芸匾罁?jù)。非實時的整合已有燃?xì)夤艿罋v史數(shù)據(jù)、管道結(jié)構(gòu)，對應(yīng)數(shù)據(jù)分析算法，配合燃?xì)夤?yīng)企業(yè)和城鎮(zhèn)管理職能部門診斷管網(wǎng)存在問題，為燃?xì)夤艿腊踩\行、提質(zhì)增效提供科學(xué)決策依據(jù)。

(6)太陽能供電板

采用太陽能供電板，才能保證各類設(shè)備能夠在野外部署或在電網(wǎng)供電不便的地方應(yīng)用。太陽能供電板是整個系統(tǒng)前端傳感與信息傳導(dǎo)部分的能源供給單元，其中太陽能電池組件可以高效地轉(zhuǎn)換太陽輻射能；用太陽能控制器管理各個供電板的工作狀態(tài)，確保供電電壓的穩(wěn)定；鋰電池組保證持續(xù)不斷的電力供應(yīng)。

3.城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能優(yōu)勢

通過建設(shè)覆蓋大豐城區(qū)的燃?xì)夤艿腊踩\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化、信息化的物聯(lián)技術(shù)，構(gòu)建起了全天時、全天候的地上、地下管網(wǎng)不間斷監(jiān)管體系，其各類傳感裝置可以靈敏地發(fā)現(xiàn)管道上的細(xì)微氣密、壓力和溫度變化，通過與歷史數(shù)據(jù)比對，可以最大限度的在管網(wǎng)故障初期及早發(fā)現(xiàn)，定位故障點，給故障排除提供有效的時間窗口。

(1)有效增加管道運行安全管理功能

確保大豐城區(qū)燃?xì)夤艿腊踩芾砀泳?xì)化，用智能化的管理模式，用信息化的技術(shù)手段，將城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖难膊?、巡檢用自動化、智能化的監(jiān)測輔以人工巡視，實現(xiàn)責(zé)權(quán)明晰，管理具象，為管網(wǎng)的安全運行創(chuàng)造條件。該系統(tǒng)可以通過后臺管理系統(tǒng)實時監(jiān)控本區(qū)域內(nèi)所有管網(wǎng)的運行情況，一旦管道上方壓力變換超過臨界值，將會及時將信息反饋給運維人員和現(xiàn)場施工方，防止第三方破壞事件。

(2)增強統(tǒng)計功能

由于系統(tǒng)采用了信息化技術(shù)，對于管道的各個監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行了全天時的統(tǒng)計，確保了數(shù)據(jù)的完備性，有利于規(guī)范檢查流程，確保監(jiān)測點位的完整性和巡查工作的閉環(huán)。通過系統(tǒng)智能化方式，制定巡檢計劃，遍歷監(jiān)測點位，生成監(jiān)測日志，管理各項管網(wǎng)安全數(shù)據(jù)，實現(xiàn)有效監(jiān)測。在管道的安監(jiān)管理過程中，用統(tǒng)計、綜合、計算方式檢視各項安全數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，為城鎮(zhèn)管道的改擴(kuò)建工作提供保障。通過該系統(tǒng)可以實時檢測到各片區(qū)管道的壓力數(shù)值及變化規(guī)律，從而對各處管道壓差臨界值進(jìn)行及時的修正，避免誤報警情況的發(fā)生。

(3)人力資源成本降低

由于采用了智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動報警和信息傳輸，最大化地減少了人工運維的干預(yù)，可以最大限度地減少巡查養(yǎng)護(hù)工作量，優(yōu)化人工巡檢的配合頻次，根據(jù)燃?xì)夤艿赖牟荚O(shè)特點和覆蓋區(qū)域，可以精細(xì)化地提供人員編排計劃，將安全工作與運維人員的考核用信息化的方式相融合，降本增效，確保城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)安全。

(4)低碳經(jīng)濟(jì)效益

可以有效地實現(xiàn)管網(wǎng)的不間斷運行時效，從而減少不必要的檢修及意外的燃?xì)庑孤稜顩r發(fā)生，大大提升企業(yè)的“綠色”運營能力。按照目前人工巡查車輛每公里碳排放量在120g左右，以大豐城區(qū)為例，每年巡查車輛的碳排放量約13t，如采用該系統(tǒng)，將大大降低由巡查所產(chǎn)生的碳排放量，并將其進(jìn)行碳交易，實現(xiàn)公司利益最大化。

4.結(jié)束語

能源安全涉及到社會生活建設(shè)的各個領(lǐng)域，城市燃?xì)庠诎踩\行方面的要求也越來越高，社會關(guān)注度也在不斷提升。我們要緊跟時代，加快管理方式變革，充分發(fā)揮信息化管控優(yōu)勢，通過建立一套城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋\行智能化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)管道運行安全管控的本質(zhì)安全。