星地協(xié)同在城市燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)中的應(yīng)用實(shí)踐

崔萬(wàn)祥

(浙江浙能燃?xì)夤煞萦邢薰?，浙?杭州 310000)

0 引言

燃?xì)夤艿涝陂L(zhǎng)期服役的過(guò)程中，因承受運(yùn)行和環(huán)境荷載的長(zhǎng)期作用，并長(zhǎng)期受到材料老化、震動(dòng)疲勞、腐蝕效應(yīng)、第三方破壞等災(zāi)變因素的影響，管道損傷破壞事件頻頻發(fā)生，根據(jù)《全國(guó)燃?xì)馐鹿史治鰣?bào)告(2022 年全年綜述)》的數(shù)據(jù)，第三方施工破壞引發(fā)的天然氣管網(wǎng)事故占比最高，達(dá)到73.7%。保護(hù)和管理燃?xì)夤艿酪殉蔀槌鞘泄芾淼囊豁?xiàng)重要任務(wù)，目前管道安全檢測(cè)方法主要依靠人工巡檢或基于管道運(yùn)行參數(shù)及管壁狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)管道泄漏檢測(cè)起到一定作用，但在泄漏事故發(fā)生后，以被動(dòng)的方式進(jìn)行報(bào)警。對(duì)燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有很多有益的探索，南立團(tuán)等[1]使用衛(wèi)星對(duì)管道周邊的異常情況進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)；白路遙等[2]提出利用管體變形監(jiān)測(cè)技術(shù)與遙感監(jiān)測(cè)地表位移相結(jié)合的方法，監(jiān)測(cè)管道周邊地質(zhì)災(zāi)害；周京齋等[3]把分布式光纖安防系統(tǒng)應(yīng)用于燃?xì)夤芫€(xiàn)第三方施工預(yù)警防護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線(xiàn)周邊振動(dòng)信息的定位、監(jiān)測(cè)及預(yù)警；BAGLIANI等[4]使用C 波段的雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用PS-InSAR 技術(shù)對(duì)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中引起的形變進(jìn)行時(shí)序觀測(cè)。

為改變過(guò)去被動(dòng)的防護(hù)方式，為燃?xì)夤艿婪雷o(hù)提供主動(dòng)防范手段，減少管道破壞事件的發(fā)生率，本文提出了一種基于空地協(xié)同的燃?xì)夤艿婪榔茐念A(yù)警方法，并開(kāi)發(fā)出一套完整的預(yù)警平臺(tái)。

1 多源遙感數(shù)據(jù)在管道保護(hù)中的應(yīng)用

隨著圖像傳感技術(shù)和航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，在軌的光學(xué)和雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)量已十分可觀，遙感影像的時(shí)空分辨率得到了顯著提升，獲取遙感影像的方式也更加便捷。高分辨率光學(xué)遙感影像中包含著大量的地物細(xì)節(jié)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行充分挖掘與利用十分重要。利用多時(shí)相高分光學(xué)遙感影像，對(duì)管線(xiàn)周邊地形信息、地物信息等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，利用雷達(dá)影像對(duì)管線(xiàn)周邊地形進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，通過(guò)多源遙感影像獲取對(duì)管線(xiàn)造成破壞的潛在危險(xiǎn)因素，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、提前采取相關(guān)措施干預(yù)。

1.1 高分光學(xué)遙感影像監(jiān)測(cè)管道周邊風(fēng)險(xiǎn)信息

光學(xué)遙感影像的空間分辨率已達(dá)到0.5 m，可識(shí)別更加精細(xì)的地物信息。在對(duì)遙感影像信息進(jìn)行挖掘和應(yīng)用之前，需對(duì)原始影像預(yù)先進(jìn)行正射校正、配準(zhǔn)、融合等處理來(lái)提高影像的質(zhì)量和可用性，確保后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。對(duì)預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行解譯，提取出影像中的關(guān)鍵特征，如施工工地、工程機(jī)械、土地利用等信息，疊加管網(wǎng)路由數(shù)據(jù)，識(shí)別管道周邊可能存在的風(fēng)險(xiǎn)源，例如識(shí)別管道周邊區(qū)域的挖機(jī)作業(yè)，提供風(fēng)險(xiǎn)信息給燃?xì)獗Ｗo(hù)單位進(jìn)行分析和決策。光學(xué)遙感影像監(jiān)測(cè)管道周邊風(fēng)險(xiǎn)的方法如圖1 所示。

圖1 光學(xué)遙感影像監(jiān)測(cè)管道周邊風(fēng)險(xiǎn)

1.2 合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)管道沉降信息

合成孔徑雷達(dá)(SAR)可以主動(dòng)發(fā)射長(zhǎng)波并接收反射信息，利用長(zhǎng)波的穿透特性能夠不受天氣影響對(duì)地表實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)。與光學(xué)遙感不同的是，通過(guò)主動(dòng)發(fā)射和接收雷達(dá)波，雷達(dá)衛(wèi)星可以獲得地面物體的強(qiáng)度信息和相位信息。隨著合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，用于探測(cè)地表形變的差分干涉測(cè)量技術(shù)(D-InSAR)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)干涉差分處理可獲得毫米級(jí)精度的地表形變信息，通過(guò)處理長(zhǎng)時(shí)間序列的雷達(dá)影像，分析區(qū)域內(nèi)的沉降速率和形變量，以發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)信息。利用D-InSAR 技術(shù)可對(duì)地面進(jìn)行大范圍的形變監(jiān)測(cè)，可發(fā)現(xiàn)管道周邊累計(jì)沉降量較高和沉降速率躍遷變化的區(qū)域，洞察潛在風(fēng)險(xiǎn)。D-InSAR 地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 D-InSAR 地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖

2 施工機(jī)械實(shí)時(shí)定位及風(fēng)險(xiǎn)分析

第三方工程機(jī)械的不規(guī)范作業(yè)是導(dǎo)致發(fā)生管道事故的主要風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源，因此對(duì)工程機(jī)械的監(jiān)管十分必要。通過(guò)安裝車(chē)載北斗高精度定位終端來(lái)實(shí)時(shí)獲取施工車(chē)輛的位置信息，并利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心對(duì)車(chē)輛位置進(jìn)行處理和分析，利用云控中心對(duì)施工機(jī)械位置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤艿乐苓吺┕で闆r的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和預(yù)警。

針對(duì)施工車(chē)輛定位的需求，對(duì)車(chē)載北斗定位終端進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)，主要包括以下方面：(1)為保證施工車(chē)輛位置信息的精度，選用高精度的北斗芯片，優(yōu)化定位算法，以實(shí)現(xiàn)定位精度優(yōu)于1 m 的要求；(2)為確保實(shí)時(shí)性，采用高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方式，如5G 網(wǎng)絡(luò)；(3)為確保設(shè)備在高溫、低溫、高濕、高海拔等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，在硬件選型、組裝、調(diào)試、測(cè)試等方面進(jìn)行優(yōu)化，確保終端設(shè)備可靠性。

3 基于空地協(xié)同的燃?xì)夤艿婪榔茐念A(yù)警系統(tǒng)

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)和地面北斗定位終端構(gòu)建燃?xì)夤艿婪榔茐念A(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)由第三方施工破壞預(yù)警分系統(tǒng)和地質(zhì)災(zāi)害沉降監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)組成。通過(guò)施工機(jī)械定位和高分辨率光學(xué)遙感影像圖像識(shí)別施工信息，通過(guò)InSAR 沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取埋地管道周邊的地形變化情況，最終對(duì)識(shí)別出的多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤艿榔茐牡闹鲃?dòng)預(yù)警。燃?xì)夤艿婪榔茐念A(yù)警系統(tǒng)技術(shù)流程圖如圖3 所示。

圖3 燃?xì)夤艿婪榔茐念A(yù)警系統(tǒng)技術(shù)流程圖

3.1 第三方施工破壞預(yù)警分系統(tǒng)

第三方施工破壞預(yù)警分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)預(yù)警第三方施工破壞燃?xì)夤艿?，通過(guò)獲取工程機(jī)械的實(shí)時(shí)位置和燃?xì)夤艿赖南鄬?duì)位置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，并設(shè)置電子圍欄，同時(shí)獲取高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像以宏觀視角監(jiān)測(cè)管道周邊施工情況，并將風(fēng)險(xiǎn)信息通過(guò)預(yù)警平臺(tái)及時(shí)告知相關(guān)當(dāng)事人，如圖4 所示。

圖4 第三方施工破壞預(yù)警分系統(tǒng)示意圖

3.2 地質(zhì)災(zāi)害沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警分系統(tǒng)

地質(zhì)災(zāi)害沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害破壞燃?xì)夤艿?，地質(zhì)災(zāi)害引起的地表沉降累積和突變會(huì)造成燃?xì)夤艿朗芰ψ兓瑢?dǎo)致管道損傷。通過(guò)D-InSAR 技術(shù)高精度、長(zhǎng)時(shí)序地對(duì)燃?xì)夤艿兰爸苓叺乇磉M(jìn)行監(jiān)測(cè)，生成地表形變速率，評(píng)估沉降風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而準(zhǔn)確及時(shí)識(shí)別埋地管道風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)沉降較為嚴(yán)重的區(qū)域提前預(yù)警，如圖5 所示。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警分系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

(1)探索基于星地協(xié)同的監(jiān)測(cè)方法在城市燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)中的應(yīng)用，開(kāi)辟準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測(cè)燃?xì)夤艿榔茐牡男峦緩剑?/p>

(2)結(jié)合衛(wèi)星遙感和北斗定位技術(shù)，提升埋地管道保護(hù)的預(yù)警水平，最大程度減少能源和人力資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)埋地管線(xiàn)破壞提前主動(dòng)預(yù)警，將燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)由原來(lái)的被動(dòng)保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)保護(hù)；

(3)構(gòu)建燃?xì)夤艿婪榔茐念A(yù)警系統(tǒng)，提高智能化管理水平，長(zhǎng)期穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)燃?xì)夤艿乐苓咃L(fēng)險(xiǎn)。