數(shù)據(jù)分析技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩芸氐膽?yīng)用

王文想

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,廣東深圳518000)

1 概述

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖谌绞┕て茐膶?dǎo)致的管網(wǎng)事故占全部管網(wǎng)事故的80%以上,事故數(shù)量占比高,是管網(wǎng)運(yùn)行管理的防控重點(diǎn)。近些年,燃?xì)馄髽I(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)輔助開展管道安全管控,是將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)的新型風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防技術(shù)手段。

2 數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用邏輯

數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用邏輯見圖1。數(shù)據(jù)分析技術(shù)的環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理分析、信息展示及應(yīng)用。其中數(shù)據(jù)收集處于數(shù)據(jù)分析前端,一方面在管道建設(shè)期以及管道運(yùn)行期收集管道的位置信息、管徑、閥門開關(guān)信息等,形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),另一方面借助物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備收集圖像、視頻等形成非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理分析是核心環(huán)節(jié),在這個(gè)環(huán)節(jié)通過數(shù)據(jù)清洗、挖掘、對(duì)比分析等對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)加工處理,從中提取管道風(fēng)險(xiǎn)信息并輔助燃?xì)馄髽I(yè)決策,這在一定程度上輔助燃?xì)馄髽I(yè)管理模式從事后處置向事前預(yù)防轉(zhuǎn)變。

圖1 數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用邏輯

3 城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩芸卮嬖诘膯栴}

《城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾項(xiàng)l例》是城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾碜罡咝姓ㄒ?guī)[1],條例共8章55條,涉及燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)的條款僅12條,其重點(diǎn)并非管道保護(hù)而是燃?xì)夤芾?。從法律效力角度講,當(dāng)條例與法律沖突時(shí),只能服從法律的相關(guān)規(guī)定。在政府監(jiān)管部門對(duì)燃?xì)獍踩录芾碛l(fā)重視的趨勢下,僅靠傳統(tǒng)的人工巡查來保障管道安全存在一定局限性,通過分析管道泄漏事件發(fā)生過程,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩芸卮嬖诠芫W(wǎng)基本信息管理不完善、管網(wǎng)周邊工地監(jiān)督有漏洞、管網(wǎng)周邊作業(yè)動(dòng)向不明確[2]、管網(wǎng)沿線壓力波動(dòng)不掌握[3]、管網(wǎng)沿線泄漏發(fā)現(xiàn)不及時(shí)等問題。

針對(duì)以上問題,利用數(shù)據(jù)分析思維,采用有效的安全管控技術(shù),是解決以上安全隱患的關(guān)鍵。本文結(jié)合管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、北斗定位車輛預(yù)警技術(shù)、管網(wǎng)壓力波動(dòng)分析技術(shù)、氣體濃度分析技術(shù)等管控技術(shù)構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析的管道安全管控模型(見圖2),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏構(gòu)成要素的監(jiān)測預(yù)警,最終達(dá)到由事后處置到事前預(yù)防的城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖娜轿话踩芸亍?/p>

圖2 基于數(shù)據(jù)分析的管道安全管控模型

4 城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩芸丶夹g(shù)

4.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)

管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)是基于管道物理結(jié)構(gòu)的連接特點(diǎn),以及氣體在管道中的流動(dòng)對(duì)管道屬性進(jìn)行合理性、正確性分析判斷。依據(jù)管道物理連接特性,可以形成各種管道拓?fù)浞治鲆?guī)則,輔助企業(yè)對(duì)管道基礎(chǔ)信息進(jìn)行校核。常見的拓?fù)浞治鲆?guī)則包括設(shè)施位置重復(fù)、管道缺少節(jié)點(diǎn)、相鄰管道的夾角小于90°、異徑管前后管道管徑相同、節(jié)點(diǎn)連接管段過多、管道相通情況下帶氣狀態(tài)信息不一致等。

直通兩側(cè)管道拓?fù)浞治雠e例。直通是中壓管道上常見的管件,主要用于將兩根管道連接在一起。根據(jù)直通的物理連接特性可知,與直通相連接的管道,其管道材質(zhì)、管徑、壁厚、帶氣狀態(tài)必須一致,如果管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中已知直通一側(cè)的管道屬性,便可以推算出另一側(cè)的管道屬性。

同理,異徑管的物理連接特性決定了兩側(cè)管道的管徑不一致,鋼塑轉(zhuǎn)換件的物理連接特性決定了兩側(cè)的管道材質(zhì)不一致,氣源閥門的開關(guān)狀態(tài)決定了區(qū)域內(nèi)管道的帶氣狀態(tài)等。基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)應(yīng)用流程見圖3。

圖3 基于管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)應(yīng)用流程

某燃?xì)馄髽I(yè)地理信息系統(tǒng)中,中低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)約8 000 km,安裝的中壓閥門約25 000個(gè)。對(duì)該管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治?結(jié)果見表1。

由表1可以看出,閥門兩側(cè)管道帶氣狀態(tài)異常、節(jié)點(diǎn)連接管段過多、節(jié)點(diǎn)兩側(cè)管徑異常數(shù)量較大。閥門兩側(cè)管道帶氣狀態(tài)異常5 600處,例如,如果閥門兩側(cè)管道均為帶氣管道,閥門狀態(tài)為關(guān),則判定該閥門為狀態(tài)存疑閥門;如果閥門一側(cè)管道帶氣,另一側(cè)不帶氣,閥門狀態(tài)為開,則也判定為狀態(tài)存疑閥門。

表1 該燃?xì)馄髽I(yè)管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果

為預(yù)防此類風(fēng)險(xiǎn),在管道建設(shè)期燃?xì)馄髽I(yè)可將管網(wǎng)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)用于施工單位移交的管道數(shù)據(jù)的校驗(yàn),發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正。

4.2 圖像識(shí)別技術(shù)

圖像識(shí)別技術(shù)是通過獲取圖像和圖像識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)管道周邊第三方施工的危險(xiǎn)行為監(jiān)測預(yù)警,輔助巡查人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置。

以挖掘機(jī)為例,基于圖像識(shí)別技術(shù)的第三方施工安全管控見圖4。

以挖掘機(jī)為例,首先對(duì)挖掘機(jī)建立圖像數(shù)據(jù)識(shí)別模型。主要原理是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)算法對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行特征提取,建立特征識(shí)別模型。然后將挖掘機(jī)圖像輸入模型進(jìn)行物體分類,以提升模型的識(shí)別精度。

具體應(yīng)用時(shí),AI攝像頭獲取管道周邊環(huán)境圖像,通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器,監(jiān)控平臺(tái)對(duì)施工現(xiàn)場監(jiān)測。若出現(xiàn)與預(yù)設(shè)危險(xiǎn)狀態(tài)(如管道周邊出現(xiàn)挖掘機(jī))相符的情況時(shí),監(jiān)控平臺(tái)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警,并將預(yù)警信息與現(xiàn)場情況發(fā)送到PC終端和手機(jī)終端,以便人員處置。

4.3 北斗定位車輛預(yù)警技術(shù)

通過將北斗定位技術(shù)與電子圍欄技術(shù)相結(jié)合,可以對(duì)小散工程中的挖掘機(jī)進(jìn)場起到預(yù)警作用。具體步驟如下。

① 將管網(wǎng)坐標(biāo)信息導(dǎo)入監(jiān)控平臺(tái),監(jiān)控平臺(tái)的預(yù)警系統(tǒng)以管道為中心,預(yù)警范圍為半徑,自動(dòng)生成電子圍欄警戒區(qū)域。

② 通過政府全面普查城市中挖掘機(jī),為每臺(tái)挖掘機(jī)安裝北斗定位模塊,將其數(shù)據(jù)接入預(yù)警系統(tǒng),通過定位模塊獲取挖掘機(jī)實(shí)時(shí)位置、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)、行駛速度等。

③ 當(dāng)挖掘機(jī)行駛時(shí),將挖掘機(jī)實(shí)時(shí)位置與電子圍欄警戒區(qū)域信息進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)判斷出挖掘機(jī)實(shí)時(shí)位置在電子圍欄警戒區(qū)域內(nèi)時(shí),立刻向預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警,實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)侵入遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

考慮到挖掘機(jī)長時(shí)間停留在電子圍欄警戒區(qū)域內(nèi)情況,同一臺(tái)挖掘機(jī)在同一處的報(bào)警時(shí)間間隔需要適當(dāng)延長。針對(duì)一些大型工地或者重要干網(wǎng)區(qū)域,可以在此基礎(chǔ)上結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)雙重安全管控。挖掘機(jī)預(yù)警見圖5。

圖5 挖掘機(jī)預(yù)警(軟件截圖)

4.4 壓力波動(dòng)分析技術(shù)

以SCADA系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),通過分析管網(wǎng)壓力波動(dòng)有助于預(yù)防管網(wǎng)事故。管網(wǎng)正常運(yùn)行情況下,管網(wǎng)壓力始終處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)范圍,即使通過調(diào)節(jié)手段提升或降低管網(wǎng)運(yùn)行壓力,管網(wǎng)壓力波動(dòng)也相對(duì)平穩(wěn)。當(dāng)管網(wǎng)發(fā)生泄漏或其他異常時(shí),管網(wǎng)壓力會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間劇烈波動(dòng)。

各燃?xì)馄髽I(yè)對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)壓力監(jiān)測主要集中在調(diào)壓箱(柜),各燃?xì)馄髽I(yè)對(duì)壓力監(jiān)測設(shè)備類型、傳感器品牌等沒有相對(duì)嚴(yán)格和明確的要求。壓力波動(dòng)分析技術(shù)應(yīng)用主要集中在壓力是否超限、管網(wǎng)壓力分布是否合理等。

4.5 氣體濃度分析技術(shù)

氣體濃度分析技術(shù)相對(duì)較成熟,燃?xì)庑孤┨綔y器基于氣體檢測結(jié)合NB-IoT技術(shù)及超低功耗電路設(shè)計(jì)。

燃?xì)庑孤┨綔y器采用閥井式、樁式或地面式設(shè)置。樁式和地面式燃?xì)庑孤┨綔y器可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測地下燃?xì)夤艿姥鼐€土壤中可燃?xì)怏w濃度,閥井式燃?xì)庑孤┨綔y器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測閥井等密閉空間可燃?xì)怏w濃度。

燃?xì)庑孤┨綔y器根據(jù)探測器類型,可分為催化燃燒型、紅外型、激光型。催化燃燒型燃?xì)庑孤┨綔y器是在一定電阻的貴金屬絲上涂制載體和催化劑,構(gòu)成催化檢測元件,當(dāng)催化檢測元件與甲烷氣體接觸時(shí)進(jìn)行催化氧化燃燒(無焰燃燒),檢測元件溫度升高,電阻改變,輸出信號(hào)改變。紅外型燃?xì)庑孤┨綔y器是當(dāng)紅外光通過待測氣體時(shí),氣體吸收特定波長紅外光,吸收關(guān)系服從Lambert-Beer吸收定律,利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系鑒別氣體組分并確定其濃度。激光型燃?xì)庑孤┨綔y器能對(duì)甲烷體積分?jǐn)?shù)(0～100%范圍)全量程監(jiān)測,性能穩(wěn)定、靈敏度高、壽命長、抗中毒[4]。

燃?xì)夤艿婪笤O(shè)時(shí),根據(jù)施工方式不同,可能穿過井或溝渠,存在高溫、高濕環(huán)境,因此,設(shè)備選用過程中,除了考慮探測器類型外,還應(yīng)考慮設(shè)備的防水、防高溫、防爆、防偷盜及電池壽命等屬性,針對(duì)不同區(qū)域、不同類型管網(wǎng),通過調(diào)整監(jiān)測設(shè)備類型及組合方式,實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)全覆蓋監(jiān)測。現(xiàn)場設(shè)置的樁式燃?xì)庑孤┨綔y器見圖6。

5 結(jié)束語

本文通過研究傳統(tǒng)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩芸氐牟蛔阒?結(jié)合數(shù)據(jù)分析技術(shù)基于管道基礎(chǔ)信息的管理、第三方施工工地的監(jiān)督、小散工程挖掘機(jī)的監(jiān)控、管道壓力波動(dòng)的變化等關(guān)鍵場景,提出新型城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿腊踩芸啬Ｐ图捌鋺?yīng)用實(shí)踐。認(rèn)為燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)重視管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累,建立統(tǒng)一的管道數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)推動(dòng)政府出臺(tái)相應(yīng)的燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)法規(guī),進(jìn)一步完善法規(guī)制度。燃?xì)馄髽I(yè)還應(yīng)提升市民的管道保護(hù)意識(shí),建立聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制,管道保護(hù)需要企業(yè)、政府、市民多方參與。