基于集成式SCADA系統(tǒng)的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)動(dòng)態(tài)分級(jí)智慧運(yùn)維

汪小蕾

（南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000）

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，對(duì)能源的需求持續(xù)攀升，作為一種清潔能源，燃?xì)庖哑占暗匠鞘泄I(yè)及生活中的各個(gè)方面[1]。因新城區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)的加速擴(kuò)建和老城區(qū)的燃?xì)夤芫W(wǎng)的逐漸老化，燃?xì)獍踩珕栴}日益突出，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿蓝嗦裨O(shè)于人口密集區(qū)域地下，其環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，施工及檢驗(yàn)檢修難度高，燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)維資源捉襟見肘，如何對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行安全分級(jí)并實(shí)施分級(jí)運(yùn)維已成為目前燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)單位及相關(guān)管理部門追求的重點(diǎn)。

如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展為各城市燃?xì)夤镜墓芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)提供了極大的便利，燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA（Supervisory Cont rol And Data Acquisition，即監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集）[2]系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況的集中監(jiān)測(cè)和控制。通過對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行普查、檢測(cè)和動(dòng)態(tài)評(píng)級(jí)，結(jié)合SCADA系統(tǒng)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)實(shí)施分級(jí)智慧運(yùn)維，可大大提高運(yùn)維效率、減少安全事故的發(fā)生，同時(shí)縮減運(yùn)維成本。

2 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)集成式SCADA系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

SCADA系統(tǒng)一般用于工業(yè)過程控制，用來完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的測(cè)試、采集、遠(yuǎn)傳并實(shí)施反饋調(diào)節(jié)，并可儲(chǔ)存記憶大量數(shù)據(jù)用于共享[3]。傳統(tǒng)燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)輸配管網(wǎng)簡(jiǎn)單的開關(guān)設(shè)備及參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和數(shù)值的采集、傳遞至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，再由調(diào)度人員反饋相應(yīng)指示通過通信信道傳達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，用以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)操作[4,5]。隨著城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的日漸擴(kuò)張對(duì)SCADA系統(tǒng)需求的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，SCADA逐漸被要求提高數(shù)據(jù)處理能力及吸納整合其他系統(tǒng)形成新的集成式系統(tǒng)。

新的集成式SCADA系統(tǒng)是在原有的SCADA系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理與模擬功能，整合巡檢系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及GIS地理信息系統(tǒng)，形成可視化可分析預(yù)警管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管線巡檢、第三方施工管控、隱患處理、用戶安檢及管網(wǎng)場(chǎng)站設(shè)備維護(hù)、維修、應(yīng)急搶險(xiǎn)等線上管控、線下作業(yè)的功能，其功能系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 燃?xì)夤芫W(wǎng)集成式SCADA系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1 視頻子系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)是集成式SCADA系統(tǒng)中的重要功能模塊，視頻源分為固定式和移動(dòng)式兩大類，固定式將視頻監(jiān)控應(yīng)用于燃?xì)夤芫W(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的部位，如燃?xì)忾T站、調(diào)壓站、用氣大戶等，對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)壓系統(tǒng)、閥門狀態(tài)、計(jì)量?jī)x表等實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)傳輸，實(shí)現(xiàn)圖像采集和監(jiān)測(cè)功能，能及時(shí)、直觀地發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)問題以便采取相應(yīng)措施[6]；移動(dòng)式源于施工、巡檢、搶救等過程中工作人員的手持智能終端對(duì)重要情況的實(shí)時(shí)視頻反饋，再由主管人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮一線人員操作。該系統(tǒng)可為實(shí)現(xiàn)施工管控、運(yùn)維監(jiān)管、燃?xì)庹{(diào)度及管網(wǎng)安全提供有力的基礎(chǔ)支撐。

2.2 GIS子系統(tǒng)

GIS系統(tǒng)是集成式SCADA系統(tǒng)中的基礎(chǔ)與核心，主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、儲(chǔ)存并進(jìn)行空間的顯示，該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫和圖形系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成對(duì)管網(wǎng)信息的全方位記錄和更新。通過及時(shí)更新與完善數(shù)據(jù)庫和圖形庫，相關(guān)人員可以在很短的時(shí)間內(nèi)了解城市范圍內(nèi)所有燃?xì)夤芫W(wǎng)的實(shí)時(shí)信息，如材質(zhì)、規(guī)格、長(zhǎng)度、使用年限，甚至是埋深及歷次檢驗(yàn)維修情況，同時(shí)還可以在相關(guān)同步界面上直觀地看到管線的鋪設(shè)狀況，再根據(jù)GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能，可以了解到某個(gè)閥門對(duì)相關(guān)用戶或管網(wǎng)的影響[7,8]。在GIS技術(shù)的支持下，結(jié)合北斗定位系統(tǒng)，在管網(wǎng)運(yùn)行、管理、規(guī)劃、施工、檢驗(yàn)及事故搶修等工作中可以發(fā)揮重要的依托和指導(dǎo)作用，是城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)智慧運(yùn)維的重要組成部分。

2.3 巡檢子系統(tǒng)

巡檢系統(tǒng)是集成式SCADA系統(tǒng)中的上層功能系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)為線上指揮、線下操作、同時(shí)相互更新的廣義巡檢系統(tǒng)，主要完成檢驗(yàn)、維修、施工、搶救等業(yè)務(wù)過程的任務(wù)生成、指導(dǎo)、過程控制流轉(zhuǎn)以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集更新和儲(chǔ)存[9,10]。巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)方式應(yīng)采用開放式可互相兼容模塊化，保證各種功能既獨(dú)立又相互協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)模塊的合理規(guī)劃和功能的合理裁剪。任務(wù)生成分日常巡檢、施工規(guī)劃和臨時(shí)任務(wù)三大類，由調(diào)度中心結(jié)合人員信息、管網(wǎng)信息（包括管網(wǎng)路線、運(yùn)行、安全風(fēng)險(xiǎn)情況等綜合信息）及臨時(shí)反饋信息生成靈活完善的工作任務(wù)，經(jīng)審核后通過數(shù)據(jù)傳輸授權(quán)至現(xiàn)場(chǎng)工作人員的手持智能終端，在GIS系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)的互交支持下，工作人員按照巡檢調(diào)度系統(tǒng)給出的任務(wù)和路線進(jìn)行任務(wù)開展和流轉(zhuǎn)，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行記錄和傳輸，對(duì)于異常情況及時(shí)核查、反饋并保存。巡檢系統(tǒng)中設(shè)有缺陷查詢處理模塊，該程序會(huì)根據(jù)缺陷進(jìn)行判斷，找到其中存在的問題，然后制定科學(xué)、合理的方案作為工作人員的重要參考，從而提升工作效率，保證城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全穩(wěn)定。

2.4 集成式SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)功能在于數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視和控制等，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)、分析、計(jì)算、利用和分享。新集成式SCADA系統(tǒng)具有增強(qiáng)的組態(tài)化特點(diǎn)，可根據(jù)需要自由進(jìn)行功能組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和系統(tǒng)組態(tài)，其標(biāo)準(zhǔn)化和開放性支持與視頻系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)及巡檢系統(tǒng)的兼容和集成，不同的功能系統(tǒng)模塊可集中到一個(gè)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)上；系統(tǒng)嵌入面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)環(huán)境，通過標(biāo)準(zhǔn)的、開放的數(shù)據(jù)訪問接口可訪問系統(tǒng)資源，還可根據(jù)需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用的疊加或融合。視頻子系統(tǒng)、GIS子系統(tǒng)及巡檢子系統(tǒng)構(gòu)成集成式SCADA系統(tǒng)中最為重要的三大嵌入功能模塊，同時(shí)SCADA母系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)管理及其他功能：如數(shù)據(jù)采集與管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、工藝流程顯示與查詢、計(jì)算統(tǒng)計(jì)和模擬形成的全方位預(yù)警和報(bào)警設(shè)限、管網(wǎng)運(yùn)行圖庫檢索、電動(dòng)閥門控制、設(shè)備臺(tái)賬管理、報(bào)表生成、人員管理、控制權(quán)限及訪問權(quán)限的限定、移動(dòng)辦公等等。

3 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)動(dòng)態(tài)分級(jí)

在對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行全面普查的基礎(chǔ)上，建立健全燃?xì)夤芫W(wǎng)臺(tái)賬，根據(jù)普查和檢測(cè)結(jié)果對(duì)管道進(jìn)行等級(jí)劃分，以事故后果嚴(yán)重程度為附加影響因子，最終得出該段管網(wǎng)修正風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以此為依據(jù)來合理運(yùn)用有限的人力和物力資源，有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行燃?xì)夤芫W(wǎng)的定期檢測(cè)、維護(hù)和更新改造等工作，達(dá)到最為有效的減少風(fēng)險(xiǎn)的目的，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本，保證安全運(yùn)行[11]。

3.1 管道等級(jí)劃分

根據(jù)SCADA系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)、管道現(xiàn)狀檢測(cè)和周邊環(huán)境對(duì)每段管道進(jìn)行等級(jí)劃分，一般綜合考慮管道的使用年限、管道敷設(shè)的時(shí)間、施工的質(zhì)量，埋地管的埋地深度、地下水位、管道所在地土壤性質(zhì)、防腐層類型、管道運(yùn)行故障數(shù)量等因素，必要時(shí)可以開挖獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再根據(jù)所有檢查檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行管道相對(duì)評(píng)級(jí)。本方案將所有類型管道的檢查檢測(cè)結(jié)果按出現(xiàn)損傷的可能性相對(duì)程度來劃分等級(jí)，共分為5級(jí)。

3.2 事故后果嚴(yán)重程度評(píng)級(jí)量化

事故后果嚴(yán)重程度綜合考慮管網(wǎng)壓力級(jí)別、所在地區(qū)等級(jí)及事故后修復(fù)難度，其評(píng)級(jí)量化由以下事故后果數(shù)值矩陣來確定。

表1 事故后果數(shù)值矩陣

由矩陣設(shè)計(jì)看，壓力等級(jí)因子對(duì)事故后果嚴(yán)重程度等級(jí)影響權(quán)重較大。

3.3 管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)量化及動(dòng)態(tài)分級(jí)

根據(jù)管道等級(jí)和事故后果嚴(yán)重程度等級(jí)量化后矩陣計(jì)算，得出該段管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值，隨檢測(cè)情況變化隨時(shí)調(diào)整數(shù)值并按下表方式進(jìn)行管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)分級(jí)，如表2所示。

表2 管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值矩陣

從分級(jí)結(jié)果來看，本方案中管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)直接影響因素為管道等級(jí)，附加影響因子的事故后果嚴(yán)重程度等級(jí)為4級(jí)以上時(shí)才對(duì)管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有所影響。管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)狀況的變化隨時(shí)更新評(píng)價(jià)，形成動(dòng)態(tài)管理[12]。

4 城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的分級(jí)智慧運(yùn)維

4.1 基于集成式SCADA系統(tǒng)的管網(wǎng)動(dòng)態(tài)分級(jí)

根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)分級(jí)方案，分級(jí)影響因子部分是由管網(wǎng)初始屬性決定的，部分會(huì)根據(jù)運(yùn)行情況發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，所有要求的分級(jí)因素和數(shù)據(jù)都可從集成式SCADA系統(tǒng)中直接獲取，通過嵌入分級(jí)計(jì)算模塊自動(dòng)搜集影響因子，再經(jīng)過模塊計(jì)算分析得出各管網(wǎng)及節(jié)點(diǎn)處實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，同時(shí)在系統(tǒng)中以直觀圖像標(biāo)注及數(shù)據(jù)備注，從而為城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)初始建設(shè)和日常運(yùn)維任務(wù)中人力、物力及檢驗(yàn)頻次的合理分配提供重要依據(jù)。

4.2 基于動(dòng)態(tài)分級(jí)的管網(wǎng)智慧運(yùn)維

根據(jù)管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同，集成式SCADA系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控重點(diǎn)布置會(huì)有所側(cè)重。管網(wǎng)分級(jí)系統(tǒng)中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的，如門站、LNG儲(chǔ)備站等關(guān)鍵設(shè)施不但配備實(shí)時(shí)壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)、閥門自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)配備實(shí)時(shí)視頻系統(tǒng)；高壓及次高壓輸送管網(wǎng)在管網(wǎng)閥門井、調(diào)壓站及管網(wǎng)末端配置壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，并根據(jù)以往的壓力形成模擬數(shù)據(jù)來設(shè)定報(bào)警區(qū)間，在管網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)加裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)；城市中壓、大型城市綜合體及大型工業(yè)用戶、根據(jù)壓力遠(yuǎn)傳系統(tǒng)及壓力區(qū)間模擬報(bào)警系統(tǒng)來及時(shí)掌控管網(wǎng)壓力變化，既能確保用戶的生產(chǎn)也可以保障管網(wǎng)的安全運(yùn)維。

根據(jù)管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同，集成式SCADA系統(tǒng)日常巡檢生成任務(wù)中的檢驗(yàn)項(xiàng)目跟頻次會(huì)有所側(cè)重。如風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的高、次高壓管網(wǎng)需每日巡查兩次，內(nèi)容包括檢測(cè)閥井、波紋補(bǔ)償器、犧牲陽極、燃?xì)饩緲?biāo)志、標(biāo)識(shí)磚、標(biāo)志樁，管線兩側(cè)各5米電信、電纜、下水井的燃?xì)庑孤┣闆r及綠化帶、樹木的生長(zhǎng)情況、管網(wǎng)及設(shè)備周圍有無施工、占?jí)骸⒎N樹情況等，對(duì)重點(diǎn)路段和燃?xì)夤芫W(wǎng)周邊施工部位增加巡視頻次；重點(diǎn)安全隱患需每日至少巡查一次，詳細(xì)記錄每日巡查情況，地點(diǎn)精確到某個(gè)部位，巡查過程中需采取檢漏儀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)記錄并匯報(bào)；重點(diǎn)施工的巡查需每日一次，隨時(shí)跟進(jìn)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)并錄入智能終端上傳至系統(tǒng)保存。

管網(wǎng)運(yùn)維過程中，出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為V的管網(wǎng)、相關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)失常及其他超過預(yù)警限值的特殊情況，系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)預(yù)警色和預(yù)警提示，并及時(shí)生成相關(guān)檢修任務(wù)，直至風(fēng)險(xiǎn)解除或降至可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

集成式SCADA系統(tǒng)增強(qiáng)了對(duì)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)分級(jí)運(yùn)維的管理，更高效、準(zhǔn)確、全面，通過線下和線上配合對(duì)各類數(shù)據(jù)的傳送、保存、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算反饋及相關(guān)模擬，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)從施工、運(yùn)行到檢修維護(hù)等全過程的智能動(dòng)態(tài)分級(jí)管理，合理分配資源的同時(shí)大大減少安全隱患，提高了燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全指數(shù)，達(dá)到全過程一體化智慧運(yùn)維的目標(biāo)，也為相關(guān)部門對(duì)燃?xì)庑袠I(yè)的監(jiān)管提供了最準(zhǔn)確、便捷的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。