挖掘機械第三方施工預警系統(tǒng)的開發(fā)及應用

張東京，閆長征，張夢奇，孫向榮

山東省石油天然氣管道保護服務中心（山東 濟南 250012）

0 引言

石油天然氣長距離輸送管道是油氣資源和市場之間的橋梁，在國家能源安全中具有舉足輕重的作用。2020年底，我國石油天然氣管道的總里程已達到了17.5×104km[1]，沿途地形地貌復雜多變，存在較大安全隱患。眾所周知，油氣長輸管道內(nèi)介質(zhì)的易燃燒、易爆炸、高壓力等特點，決定了一旦發(fā)生泄漏，極易引發(fā)爆炸或者火災，造成嚴重后果。2013年11月22日，中石化輸油儲運公司濰坊分公司輸油管線在青島市黃島區(qū)破裂，事故共造成重大人員傷亡，直接經(jīng)濟損失7.5億元。2020年3月15日，尼日利亞拉各斯州發(fā)生一起油氣管道爆炸事故，造成20人死亡、100多座房屋被毀，約1萬人流離失所。由外部因素導致的油氣管道事故中有高達61%[2]是由違規(guī)施工造成的，因此做好違規(guī)施工預警的工作，對于保護管道安全至關重要。

當前，第三方施工預警的方法和手段主要包括人工巡線預警、視頻監(jiān)控預警、光纖管道預警、無人機巡線預警等。

人工巡線預警由巡線人員在管道上方徒步踏線，及時發(fā)現(xiàn)管道周邊的問題隱患并進行預警，可以保證預警的準確度。但是傳統(tǒng)的人工巡線工作量大而且條件艱苦，特別是對山區(qū)、河流、沼澤、以及無人區(qū)等地的石油天然氣管道的巡檢，或是遇到冰災、水災、地震、滑坡等自然災害，所花時間長、人力成本高，無法實現(xiàn)油氣管道沿線24 h實時預警。

視頻監(jiān)控預警系統(tǒng)[3-8]對油氣管道高后果區(qū)等實時監(jiān)測和安全管控，可以做到全時段預警，但是出于成本考慮，視頻監(jiān)控系統(tǒng)僅安裝在人員密集型高后果區(qū)、管道交叉穿跨越等重要敏感點位，無法實現(xiàn)油氣管道沿線全線預警。

光纖管道安全預警系統(tǒng)[9-16]實現(xiàn)了對人為或機械動土施工等可能威脅管道安全的事件，全時段、全線路預警，及時將預警情況通知管道維護人員，有效避免管道事故的發(fā)生。但是光纖預警存在較高的誤報率，增加了預警處置成本。

無人機巡線預警系統(tǒng)[17-20]具有一定優(yōu)勢，無人機機身輕巧，并裝載有先進的航測系統(tǒng)，巡線成本低，不受地形環(huán)境限制，巡檢效率高。但是無人機巡線受天氣等自然條件影響較大，做不到24 h實時預警。

綜合以上預警方法的特點，研發(fā)了挖掘機械第三方施工預警系統(tǒng)，成功地應用于山東省油氣長輸管道上，數(shù)據(jù)顯示，該預警系統(tǒng)可以實現(xiàn)油氣管道全線路實時高精度預警。

1 業(yè)務流程設計

挖掘機械第三方施工預警系統(tǒng)由地理信息系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)等部分組成。將北斗或GPS全球定位系統(tǒng)部署在施工設備上，及時準確定位其坐標，監(jiān)控其動力臂機構啟動及運行情況。當施工設備行駛至油氣長輸管道兩側(cè)50 m（根據(jù)GB 20369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》及目前最長的挖掘機械動力臂長度測算）范圍內(nèi)時，預警系統(tǒng)跟蹤并記錄施工設備運動軌跡。當施工設備動力臂機構啟動時，預警系統(tǒng)通過調(diào)取第三方施工數(shù)據(jù)庫，查詢挖掘設備所在位置有無第三方施工備案，如果有備案，則不進行預警，如果沒有備案，預警系統(tǒng)即以聲音、圖像等多種方式發(fā)出預警，自動以短信和電話形式將預警類型、位置等詳細信息發(fā)送當?shù)毓艿辣Ｗo部門和單位。管道巡護人員可通過短信位置鏈接迅速趕往現(xiàn)場精準處置預警信息，充分防范油氣管道遭受破壞，避免事故發(fā)生。第三方施工預警系統(tǒng)的高靈敏度、零誤報率等特點，在預防第三方施工破壞上實現(xiàn)了全線路、全時段的預警，大大減少巡護人員數(shù)量，充分降低巡護工作強度，顯著提高了管道保護的技防水準。業(yè)務流程設計如圖1所示。

圖1 業(yè)務流程設計

2 預警系統(tǒng)組成

第三方施工預警系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集設備、傳輸網(wǎng)絡、施工預警平臺3部分組成（圖2）。

圖2 預警系統(tǒng)組成

2.1 前端數(shù)據(jù)采集設備

數(shù)據(jù)采集設備內(nèi)嵌于挖掘機械儀表盤內(nèi)，防止人為及外力的損壞；設備采用GPS或北斗定位（圖3），對施工設備進行24 h精準定位；并能夠獲取挖掘機機械臂作業(yè)情況。

圖3 前端數(shù)據(jù)采集設備

2.2 傳輸網(wǎng)絡

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集設備收集到的施工設備位置信息和機械臂作業(yè)信息，通過Interner技術、無線通訊技術、物聯(lián)傳感技術上傳到數(shù)據(jù)庫，進行云計算和大數(shù)據(jù)分析。

2.3 施工預警平臺

施工預警平臺由數(shù)據(jù)庫、調(diào)度中心、監(jiān)控大屏等組成（圖4）。數(shù)據(jù)庫將云計算和大數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果反饋到調(diào)度中心和用戶客戶端，對施工設備的施工作業(yè)行為進行預警。

圖4 施工預警平臺

3 開發(fā)環(huán)境及應用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境及特點

該系統(tǒng)開發(fā)采用直接面向?qū)ο蟮腏ava語言，該語言具有卓越的通用性、高效性，平臺移植性及安全性[21]。系統(tǒng)編程采用Springboot+vue主流框架實現(xiàn)前后端分離，開發(fā)更加便捷快速。管道坐標等數(shù)據(jù)存儲采用Oracle空間數(shù)據(jù)庫，處理速度快、安全級別高、穩(wěn)定性強，便于程序開發(fā)。管道沿線地理信息系統(tǒng)（GIS）系統(tǒng)基于地理信息公共服務平臺（天地圖），天地圖通常為政府部門所使用，權威性強、準確度高。

該系統(tǒng)以解決問題為出發(fā)點，積極開拓思路，從第三方施工機械所屬企業(yè)這個源頭上控制破壞管道的行為，為管道保護提供有效解決方案，有效發(fā)動了管道保護涉及的各有關部門和單位積極參與，督促了有關企業(yè)及主要負責人承擔政治和社會責任，保證管道安全平穩(wěn)運行。

該系統(tǒng)部署在山東省政務云平臺。云平臺建設周期短，最快服務器部署可以到分鐘級，提高了工作效率；云平臺運行成本低，可實現(xiàn)業(yè)務應用軟件與物理基礎設施、IT資源所有權與使用權的分離，降低設備采購成本；云平臺集約化、專業(yè)化、市場化強，可實現(xiàn)跨部門信息資源共享與業(yè)務協(xié)同。

3.2 應用實例

山東省長輸油氣管道總長度近1.3萬km，安全管理責任重大，推廣山東省境內(nèi)的挖掘機械安裝全球定位設備，可在全省范圍內(nèi)實現(xiàn)有效預警。系統(tǒng)目前處于試運行階段，已在40臺挖掘機安裝全球定位設備并對其位置實時監(jiān)控，平時并不干預施工挖掘機械的正常工作，對管道周邊50 m范圍內(nèi)的挖掘機械施工及時、準確地實現(xiàn)了預警。2021年7月8日,一臺挖掘機進入濰東線天然氣管道途徑壽光西立交西北寇家六村管道50 m范圍，系統(tǒng)跟蹤并記錄挖掘機械運行軌跡（圖5），15時32分，挖掘機械動力臂機構工作，平臺進行預警并分別給管理相關管道企業(yè)負責人及當?shù)赜蜌夤艿辣Ｗo主管部門負責人發(fā)出預警短信息（圖6）。當?shù)毓艿榔髽I(yè)立即趕赴挖掘機施工地點核實情況，企業(yè)立即派出巡線工作人員進行實地核實：挖掘機正在開展土石挖掘工作，隨即對挖掘機手進行現(xiàn)場管道保護宣傳，以確保管道安全。

圖5 進入預警監(jiān)控范圍

圖6 發(fā)送預警信息

4 結(jié)束語

目前，第三方施工預警系統(tǒng)正在試運行，可準確跟蹤已安裝北斗或GPS定位系統(tǒng)的挖掘機械，出現(xiàn)異常情況及時發(fā)出預警，實現(xiàn)零誤報率。未來推動更多挖掘機械安裝定位設備，將有利于更好地開展油氣管道保護工作。

石油天然氣管道主要分為輸送天然氣的管道和輸送石油的管道，對于輸氣管道來說，管道保護側(cè)重防止挖掘機等施工機械對管道本體的破壞；對于輸油管道來說，管道保護側(cè)重防止定向鉆等工程機械實施打孔盜油的違法行為，因此建議將定向鉆等工程機械設備安裝GPS或北斗定位系統(tǒng)并納入監(jiān)控范圍，及時反饋定位、發(fā)出預警，確保安全。

在油氣長輸管道企業(yè)組織管道鋪設、改線、焊接等作業(yè)，選擇施工單位時，可將施工單位所用挖掘設備是否安裝北斗或GPS全球定位系統(tǒng)作為重要參考，倒逼各施工單位提高管道保護意識，主動接受監(jiān)管。對施工機械操作手施行準入制度，對其進行挖掘機駕駛員安全操作規(guī)范、《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》等內(nèi)容考核，明確管道安全施工范圍和注意事項，通過考核與培訓的操作手才有資格參與相應的工程建設。管道運營方應將挖掘機操作手資料錄入第三方施工預警系統(tǒng)，及時進行線上匯報。組織現(xiàn)場施工時，由管道運營方技術人員按照《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》要求，開展旁站監(jiān)督，確保在管道、光纜走向確定的前提下安全可靠作業(yè)。管道運營企業(yè)按照石油天然氣管道第三方施工技術要求，加強對現(xiàn)場開挖作業(yè)的風險識別與管控，制定相應的應急處置措施，確保施工安全可靠。

目前，山東省已在人員密集型高后果區(qū)安裝視頻監(jiān)控，第一時間將畫面回傳至視頻監(jiān)控室，并且視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)與第三方施工預警系統(tǒng)互聯(lián)互通，及時處理現(xiàn)場違章作業(yè)，避免誤操作。未來，可考慮將挖掘機械第三方施工預警系統(tǒng)充分融合其他系統(tǒng)，統(tǒng)一接口標準，共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)[22]，全面保障油氣管道安全。