基于北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)的城市燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)方法

周中偉，龔小飛，黃 強(qiáng)，鄭顯豐，楊 忠

(重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司管道維護(hù)分公司，重慶 400020)

由于燃?xì)獗旧砭哂幸兹肌⒁妆鸵讛U(kuò)散的特性，其運(yùn)輸管道及附屬設(shè)施在制造、轉(zhuǎn)移和安裝等環(huán)節(jié)均存在不確定因素，容易導(dǎo)致燃?xì)庑孤?。燃?xì)夤芫W(wǎng)涉及的地區(qū)較廣，且深埋于地下，其位置具有隱蔽性，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控和維修，加之受到周圍環(huán)境腐蝕、電流干擾和意外破壞等因素的影響，燃?xì)庑孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)也隨之增大，可能導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸等事故的發(fā)生，威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，為了避免燃?xì)夤艿佬孤┦鹿实陌l(fā)生，需要對(duì)其進(jìn)行全天候不間斷檢測(cè)。

1 常見的城市燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)技術(shù)

1.1 直接檢測(cè)

1.1.1 超聲波檢測(cè)

該技術(shù)主要是在管道內(nèi)加設(shè)能發(fā)出超聲波的設(shè)備，通過檢測(cè)其信號(hào)來判斷燃?xì)庑孤┣闆r[1]。采用該技術(shù)能夠精準(zhǔn)地判斷發(fā)生泄漏的具體位置，出現(xiàn)誤報(bào)的可能性較低，但其缺點(diǎn)在于檢測(cè)成本較高，只能夠進(jìn)行間歇性檢測(cè)。

1.1.2 傳感器檢測(cè)

這種檢測(cè)方法主要是在管道外側(cè)平行鋪設(shè)光纖或者電纜，再將其連接傳感器，當(dāng)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏時(shí)，傳感器會(huì)及時(shí)地發(fā)出警報(bào)，并對(duì)泄漏位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位和檢測(cè)[2]。其檢測(cè)方式具有靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴，不利于大范圍應(yīng)用。

1.1.3 聲發(fā)射檢測(cè)

城市燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏時(shí)天然氣會(huì)沿著縫隙向管道外噴射，在這個(gè)噴射的過程中會(huì)振動(dòng)產(chǎn)生聲波，利用聲波對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，具有靈敏度高和定位精準(zhǔn)的特點(diǎn)。

1.2 間接檢測(cè)

1.2.1 壓力法

壓力法的主要原理為通過觀察燃?xì)夤艿缐毫ψ兓袛喙艿朗欠癯霈F(xiàn)泄漏情況。壓力法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和較高的檢測(cè)靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)較大。

1.2.2 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法利用流量計(jì)、溫度計(jì)及壓力表等測(cè)量儀器，根據(jù)氣體物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)燃?xì)獾奈⑷跣孤┣闆r，但是無法確定其具體泄漏位置，精準(zhǔn)定位功能不佳。

1.2.3 基于數(shù)學(xué)模型的檢測(cè)技術(shù)

基于數(shù)學(xué)模型的檢測(cè)技術(shù)主要包括系統(tǒng)辨識(shí)法和濾波器法等[3]。該方法利用掌握的數(shù)據(jù)信息建立數(shù)學(xué)模型，定位管道泄漏點(diǎn)，成本較低，但其泄漏定位精準(zhǔn)度不高。

1.2.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)技術(shù)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)技術(shù)通過將管道的運(yùn)行條件以及泄漏信息統(tǒng)一地輸入到信息系統(tǒng)中;經(jīng)過信息系統(tǒng)建構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤艿赖男孤z測(cè)定位。雖然其靈活度較高，但是對(duì)泄漏的定位精準(zhǔn)度較低。

1.2.5 統(tǒng)計(jì)決策法

統(tǒng)計(jì)決策法是通過對(duì)比管道內(nèi)進(jìn)出口壓力與流量的變化，并進(jìn)行連續(xù)性計(jì)算，最終定位泄漏位置。

2 現(xiàn)有燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)方法的問題

燃?xì)夤艿赖陌踩珯z測(cè)早已成為燃?xì)夤咎貏e重要的工作內(nèi)容，大部分公司都設(shè)有專業(yè)的泄漏檢測(cè)設(shè)備、專門的檢測(cè)隊(duì)伍以及嚴(yán)格規(guī)范的要求和文件規(guī)定。但是現(xiàn)有燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)方法仍然存在一定的問題：

(1)檢測(cè)效率低。目前比較常見的檢測(cè)方式是人工檢測(cè)，即在局部區(qū)域采用車載或者步行的方式進(jìn)行定期巡檢，檢測(cè)區(qū)域僅僅停留在地面層，檢測(cè)速度和區(qū)域受到限制，工作效率極低，檢測(cè)周期較長，對(duì)于突發(fā)性事件缺少快速處理的能力，既沒有預(yù)案，也沒有最優(yōu)的解決方案。

(2)覆蓋范圍小?，F(xiàn)有的檢測(cè)工作通常都是以已知管道為出發(fā)點(diǎn)，從管道上方和兩側(cè)入手，儀器覆蓋范圍較為固定。當(dāng)檢測(cè)位置與管道泄漏點(diǎn)存在一定距離時(shí)，容易出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)，檢測(cè)范圍受限。

(3)檢測(cè)靈敏度較低。地下管網(wǎng)鋪設(shè)較為密集，當(dāng)?shù)孛娣e聚的甲烷體積分?jǐn)?shù)小于1%時(shí)，檢測(cè)設(shè)備就無法快速準(zhǔn)確地判斷泄漏氣體的來源，使檢測(cè)靈敏度降低，增加了檢測(cè)時(shí)間，影響管道維修的工作效率[4]。

(4)定位精準(zhǔn)度低。現(xiàn)有的檢測(cè)方式受到很多因素的制約，難以精準(zhǔn)定位，無法及時(shí)地找到與泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面位置點(diǎn)。天然氣長期積聚與擴(kuò)散，存在較大的安全隱患。

3 北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)分析

3.1 北斗精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

截至目前，國內(nèi)衛(wèi)星定位技術(shù)取得了重大突破，國內(nèi)已經(jīng)自主成功發(fā)射了43顆北斗衛(wèi)星，并且完成了北斗三號(hào)系統(tǒng)星座的所有部署任務(wù)。北斗精準(zhǔn)定位系統(tǒng)是由國內(nèi)自主研發(fā)的可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)檢測(cè)的精準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)，主要包括空間終端、地面終端和用戶終端三個(gè)終端，系統(tǒng)的幾大優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

(1)系統(tǒng)覆蓋范圍廣，而且定位極其精準(zhǔn)；

(2)導(dǎo)航定位能夠與通信集成，定位精度和授時(shí)精度特別高，且系統(tǒng)具備雙向短報(bào)文通信的功能；

(3)具有融合北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)兩大核心資源的能力；

(4)能夠?yàn)榧瘓F(tuán)用戶提供大范圍的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及傳輸應(yīng)用等功能；

(5)采用混合星座定位模式；

(6)兼容性特別強(qiáng)；

(7)系統(tǒng)由國內(nèi)自主研發(fā)和控制，安全保密性極強(qiáng)。

近年來，國內(nèi)燃?xì)夤艿栏咚侔l(fā)展，幾乎遍布了所有城市，雖然為人民的生活生產(chǎn)提供了很大的便利，但同時(shí)也增加了無處不在的安全隱患，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿剩蜁?huì)在瞬間引發(fā)爆炸，導(dǎo)致巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于燃?xì)夤芫W(wǎng)通常安置在城市地下，采用常規(guī)檢測(cè)手段很難發(fā)現(xiàn)其異樣和泄漏程度，而采用北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)能夠快速有效地解決這一問題，為天然氣泄漏的檢測(cè)提供了重要的技術(shù)手段[5]。

3.2 北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)的工作原理

基于北斗精準(zhǔn)定位的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括北斗定位裝置、泄漏檢測(cè)裝置、用戶終端和云服務(wù)平臺(tái)等[6]。

圖1 北斗精準(zhǔn)定位泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

北斗定位裝置的主要作用就是收集系統(tǒng)采集到的燃?xì)怏w積濃度值，在燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時(shí)提供精準(zhǔn)定位；用戶終端主要通過與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)連接來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后顯示在終端設(shè)備上；云服務(wù)平臺(tái)與用戶終端相連，其主要作用就是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)暢通條件下，兩者可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在日常巡檢過程中，終端只需采用藍(lán)牙等方式進(jìn)行聯(lián)通。將北斗定位裝置與泄漏檢測(cè)裝置進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合，保證檢測(cè)位置與實(shí)際位置的統(tǒng)一；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)實(shí)況進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，有助于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的便捷操作；基于藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線連接和實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)功能，并保留歷史數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理提供了有利條件。

4 北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)的應(yīng)用

4.1 城市燃?xì)夤艿佬孤╋L(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

根據(jù)現(xiàn)有的城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)管理指標(biāo)，國內(nèi)外很多學(xué)者建立了城市燃?xì)夤艿佬孤╋L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，綜合分析了城市燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏的可能性；又基于故障樹模型，詳細(xì)分析了造成城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿实膬?nèi)外部風(fēng)險(xiǎn)因素，并對(duì)其進(jìn)行了預(yù)測(cè)和診斷，從而歸納出城市燃?xì)夤艿佬孤╋L(fēng)險(xiǎn)管理要點(diǎn)[7]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市燃?xì)夤艿佬孤┑淖畲笤蚴枪艿栏g，其次是自然環(huán)境以及人為因素。管道腐蝕主要是因?yàn)楣艿雷陨泶嬖谌毕荩艿婪蹠r(shí)間太長，且受到管外的腐蝕環(huán)境影響。管道缺陷不僅會(huì)影響管道的強(qiáng)度及耐腐蝕性，使管道發(fā)生穿孔或者破裂，而且同樣會(huì)使伴隨的管道附件發(fā)生泄漏、斷裂或穿孔。在城市中建筑密集、人流量大、社會(huì)活動(dòng)比較頻繁并且規(guī)模較大，由于施工不當(dāng)導(dǎo)致燃?xì)夤艿榔茐?，也有可能使燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏。除此之外，土壤的自然沉降以及氣象災(zāi)害等自然環(huán)境的影響，均可造成管道破裂和燃?xì)庑孤┦鹿实陌l(fā)生。

為進(jìn)一步有效判別城市燃?xì)夤艿佬孤┑脑?，詳?xì)闡述造成事故發(fā)生的影響因素，建立了故障樹模型，如圖2所示。故障樹模型中包含多個(gè)中間事件，為事故發(fā)生的主要影響因素。

圖2 城市燃?xì)夤艿佬孤┦鹿使收蠘?/p>

4.2 北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

4.2.1 實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況

在城市燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)可以快速有效地將檢測(cè)數(shù)據(jù)與精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并將其上傳至后臺(tái)系統(tǒng)中，為以后的研究和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過該技術(shù)不僅可以實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)，而且能夠積累并保存重要的歷史記錄，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后可以計(jì)算管道的風(fēng)險(xiǎn)狀況，并預(yù)測(cè)管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)，有利于開展下一步的工作計(jì)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。在日常巡檢過程中，只要保證同一個(gè)人、同一個(gè)巡檢車或經(jīng)過訓(xùn)練的巡檢犬等處于同一個(gè)移動(dòng)體就能完成巡檢任務(wù)，然后通過藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至手持終端。

北斗定位裝置能夠收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)影像圖與網(wǎng)圖的相互切換，形成豐富的地圖種類、設(shè)備層以及管線層，可以體驗(yàn)到多種場(chǎng)景的真實(shí)效果。

4.2.2 為預(yù)案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持

北斗精準(zhǔn)定位系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確無誤地記錄燃?xì)庑孤┪恢玫臄?shù)據(jù)信息，而且可以迅速地采集燃?xì)鉂舛葦?shù)據(jù)。首先，在日常巡檢工作中，工作人員手持終端就可以接收系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)信息，每個(gè)點(diǎn)位的測(cè)量記錄均由濃度軌跡逐漸疊加而成，因而地圖可以直觀地展現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)實(shí)情況，工作人員通過查看地圖就能夠清楚地掌握區(qū)域內(nèi)的燃?xì)庑孤┣闆r。同時(shí)，工作人員根據(jù)實(shí)際需要可將數(shù)據(jù)劃分為安全數(shù)據(jù)、邊界數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)數(shù)據(jù)三類。在數(shù)據(jù)記錄過程中一般將異常數(shù)據(jù)標(biāo)記成不同的、醒目的顏色，能夠清楚地指示監(jiān)測(cè)區(qū)域的泄漏情況，為預(yù)案設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支持。

4.2.3 實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享

工作人員可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)疑似泄漏點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記，相應(yīng)地添加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并將其上傳至云服務(wù)平臺(tái)，及時(shí)記錄并保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，為應(yīng)急作業(yè)提供參考性意見，使云服務(wù)平臺(tái)能夠系統(tǒng)全面地掌握全部區(qū)域內(nèi)的泄漏檢測(cè)情況。同時(shí)，工作人員通過地圖與手持終端也可以查看最新的上傳記錄，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，有助于更加便捷及時(shí)地開展協(xié)同作業(yè)。

5 結(jié)束語

城市燃?xì)夤艿拦こ淌菢O其重要的民生工程，燃?xì)夤艿赖陌踩种匾?。為了避免燃?xì)夤艿佬孤┦鹿实陌l(fā)生，保證人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，需要應(yīng)用泄漏檢測(cè)定位技術(shù)對(duì)其進(jìn)行有效地檢測(cè)。由于北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取管網(wǎng)壓力、燃?xì)鉂舛纫约熬珳?zhǔn)位置等關(guān)鍵信息，顯著降低了燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生概率，從而快速有效地解決了生活中的實(shí)際問題。