天然氣長輸管道安全防護預警系統應用探析

王磊 夏敏 趙志超(中石化重慶天然氣管道有限責任公司，重慶 408000)

0 引言

天然氣是我國重要的基礎能源，但是天然氣氣田在我國的分配不均，主要存在于我國內陸中西部，且大部分集中在我國的中西盆地[1]，但是天然氣的消費市場卻主要分部在我國的東部[2]。天然氣運輸的主要通道是天然氣管道，我國建設的大量輸氣管道特別是長輸管道能夠有效的解決天然氣地區分配不均的問題。但是長輸管道經常會受到滑坡、洪水、泥石流等地質災害的影響，特別是西南山區更是頻繁發生滑坡、洪水、泥石流等災害[3]，這些地質災害同時也是山區輸氣管道發生安全問題和事故的重要原因。

針對天然氣長輸管道滑坡及洪水災害的安全管理，現有的線路巡查等技術手段對地質災害不能及時、有效地預警與防范。而采用有效的天然氣管道安全防護預警系統對管道進行實時防護，相對于傳統的監測方式，能夠及時發現威脅管道安全的事件并做出預警，對已發生安全問題的管道如滑坡等地質災害能夠準確監測安全問題所在的點位，并且分析安全問題的嚴重程度。因此采用安全防護預警系統對于天然氣長輸管道的日常管理具有重要的現實價值[4]。此外在天然氣長輸管道完整性管理中提出了地質災害的識別與監測管理辦法的相關要求，天然氣長輸管道安全防護預警系統也是其主要內容[5]。下面主要介紹某一具體項目的預警系統情況和應用。

1 軟件系統開發

該輸氣管道全線均為中低山和丘陵地貌區，山巒起伏、溝壑縱橫，局部經過三峽庫區，屬于我國地質災害較頻發地區。依據某長輸天然氣山區管道地質災害調查評價及防治規劃報告，輸氣管道L001～FW600區段沿線山體滑坡、崩塌、水毀、地面塌陷等災害點共計120余處，平均每公里災害點個數為0.96。本項目針對危險性預測評估分級較高的FW100-2-2滑坡點開展監測預警系統服務器搭建和客戶端軟件(NGP DisasterMoni)的開發。系統主要功能包括： FW100-2-2樁滑坡監測點及河道水位監測設施的監測數據自動采集、整編、管理；監測預警信息的實時推送；基于Web的監測數據報表、成果圖發布； FW100-2-2樁滑坡體監測系統布置的三維成像可視化和監測信息關聯展示。

該天然氣長輸管道安全防護預警系統研發主要應用計算機數據庫技術、網絡技術、三維建模技術、靈境技術等現代信息技術，綜合考慮各功能之間的銜接關系以及系統的擴展性[6]。系統軟件采用C/S構架，應用了目前較流行的MySQL多平臺網絡數據庫，在設計并建立MySQL數據庫服務器的基礎上，以Microsoft VisualStudio.Net 2017為集成開發環境，建立基于Internet/Intranet的監測信息數據庫管理系統，實現網絡環境下多用戶分級的監測信息的分布式管理，借助X3D實時建模和三維成像方法，實現災害點場景的構建、三維地質可視化以及信息一體化的三維交互查詢和維護。NGP DisasterMoni與眾多監測預警系統的區別在于它的通用性、無限擴展性，該系統可適用于任何災害點的監測信息資料管理和分析，可以重新添加災害點、監測類型、測點等。

1.1 開發構架

天然氣長輸管道安全防護預警系統研發構架主要應用計算機數據庫技術、網絡技術、三維建模技術、靈境技術等現代信息技術，達到天然氣長輸管道沿線災害點監測信息數據的數字化、集成化，信息可視化的要求。研發輸氣管道沿線災害點監測預警分析系統，借助計算機強大的計算分析功能和高效的圖形處理能力，來直觀、高效地進行長輸天然氣管道沿線災害點監測結果的在線分析和可視化管理，實現天然氣長輸管道沿線災害點信息化和可視化監測。具體目標如下：

(1)實現長輸天然氣管道沿線災害點監測數據信息的自動化采集、遠程異地網絡化管理以及監測結果的網絡發布等功能。

(2)建立長輸天然氣管道沿線災害點監測數據庫，實現多種信息的有效融合。

(3)建立資料庫，借助資料庫服務器存儲長輸天然氣管道沿線災害點的相關基本資料，實現資料的在線瀏覽、更新、管理，使輸氣管道沿線災害監測分析與預警工作能夠實時協同進行。

(4)實現長輸天然氣管道沿線災害監測信息結果分析管理、監測數據的預處理、預測模型建模等功能。

(5)實現分析成果圖繪制模版的設計和存儲、分部位和測點類型監測成果圖的批量繪制和輸出等功能。

(6)實現監測物理量的統計分析、統計報表的模版化設計、報表的自動生成和輸出等功能。

(7)實現預警相關指標的管理、預警閾值的設定、輸氣管道沿線災害點狀態的預警評判等功能。

(8)實現輸氣管道沿線災害點的信息化和可視化，為技術人員提供災害監測點各階段的三維可視化信息查詢和分析。

根據以上目標和功能，系統涉及的主要功能模塊包括：監測信息管理與預測預警模塊、輸氣管道沿線災害點三維可視化模塊、信息統計及成果輸出模塊、資料管理模塊。

1.2 監測數據處理與預報預警方法

對于監測數據的處理主要是通過系統對采集到的數據進行預處理、預測預報以及監測預警，從而實現系統的自動監測預警系統，過程如下圖1。

圖1 數據處理過程

(1)針對輸氣管道沿線災害點監測原始數據和監測物理量數據序列的預處理功能要求，天然氣長輸管道安全防護預警系統主要研發了可信度分析、三點中值濾波、移動平滑濾波等數據預處理方法。

(2)針對監測數據序列的預測預報建模功能要求，系統主要研發了指數平滑法預測模型、BP神經網絡預測模型、灰色系統預測模型、回歸統計預測模型等預測預報建模方法。

(3)系統中依據輸氣管道沿線滑坡體變形與穩定狀態將滑坡災害的預警分為五個等級進行警情的管理和警度設計，如下表1所示。

根據輸氣管道沿線附近滑坡體災害監測數據信息及預警等級，制定如下應急對策：

一級：輸氣管道沿線災害點各項監測指標狀態良好，監測顯示無異常情況發生。繼續保持同種方式觀測，不容懈怠。

二級：輸氣管道沿線災害點各項監測物理量指標狀態基本正常，無明顯的異常出現，個別異常情況通過監測專業人員能很快查明其中原因，并能自行迅速恢復正常運行。對個別異常部位情況查明原因，并提防后續干擾因素，繼續正常觀測。

三級：輸氣管道沿線山體滑坡變形異常明顯，部分加固結構發生破壞。將詳細情況向建設單位報告，一起商討分析原因，盡快提出補救措施或下一步處理措施，此時應加密監測次數，在特殊時期還應將監測項目增加，確保準時及時掌握輸氣管道沿線滑坡體較大位移的發展情況。

四級：輸氣管道沿線滑坡體出現較大變形位移情況。及時向主管部門報告詳細情況，必要時召開應急專門會議，商討對策，并提出下一步應對措施。采取應急措施，確保輸氣管道和周邊人員安全。

五級：確認輸氣管道沿線滑坡體進入加速位移變化過程，在3到5天內將會出現滑動。迅速向主管部門報告實際情況，切斷管道內天然氣輸送，對特征點進行連續遠距離監測，對滑坡破壞可能影響范圍內的人員全部撤離，確保滑坡后無天然氣泄漏和人員傷亡。

1.3 系統設計與開發簡介

服務器層結構設計、模塊層代碼設計是天然氣長輸管道安全防護預警系統設計包含兩大主體內容。圖2所示為NGP DisasterMoni系統的整體框架設計。

1.4 系統相關界面

圖3、圖4是相關系統操作界面。

表1 滑坡體危害預警評價等級及警度對應表

圖2 NGP DisasterMoni系統的整體框架設計

圖3 系統管理模塊入口

圖4 工程場景可視化三維界面設計

2 系統運用

2.1 數據采集和分類

系統的數據來源是通過自主研發的自動采集設備和相關硬件設施進行現場采集，系統實現了監測數據的自動采集以及采集數據的自動入庫。監測硬件設施主要有一體化滲壓監測、地表位移(GNSS)、滑坡體內深部位移監測，一體化溫濕度雨量，視頻監測站，相關硬件設施布置如下圖5。

一體化滲流壓力監測站，能夠對地災監測中滑坡體內部孔隙水壓力、滲透壓力的監測實現自動監測，具有土壤水壓力、滲透壓力數據智能采集，長期固態存儲和遠距離傳輸等功能；一體化GNSS高精度地表位移監測站，能夠進行地表位移的監測，它能同時接收“北斗+GPS+GLONASS”衛星信號，可通過3G/4G/GPRS、光纖等多種無線或有線的通訊方式，將相關數據傳輸到指定的監測中心。自帶的太陽能供電系統、避雷系統等可保障一體化高精度地表位移監測站在野外長期工作；一體化深部位移監測站，結合鉆孔和測斜管安裝，對滑坡(不穩定斜坡)進行深部位移監測；一體化溫濕度雨量信息監測站，主要是掌握區域內降雨量的分布；一體化視頻監測站自動拍攝和存儲的影像和照片，通過遠程IP、域名尋址訪問或光纖傳輸實現視頻監測。監測數據信息可通過GPRS、CDMA、北斗衛星、短信等傳輸方式傳送到監測預警平臺。

在本系統采集到的數據主要分為環境量數據，滲壓、變形量數據，其關系如表2。

表2 監測數據分類

2.2 數據處理和分析

FW100-2-2滑坡體監測項目包含GNSS地表表面位移監測、滲壓計地下水監測、測斜儀深部位移監測、氣象站環境量監測。采集到的數據導入系統，由系統進行數據預處理、數據預測預報，當監測的數據或者預測的數據超過設定的閥值，系統將進行預警功能。限于篇幅只展示部分代表性監測成果，圖6、圖7分別是部分GNSS表面位移監測和測斜儀深部位移監測.數據過程線代表圖。

圖5 某山區輸氣管道FW100-2-2滑坡體監測點信息圖

圖6 測點GNSSJC-05監測成果

圖7 測點SBWYJC3-3#BOT監測成果

對以上監測成果進行分析可知，FW100-2-2滑坡體的表面位移和深部位移趨勢穩定，逐步呈收斂狀態，地下水滲壓無異常。

3 結語

通過對長輸氣管線工程的滑坡、洪水災害監測與預警系統的介紹以及一年多來系統運行、監測結果的分析，該天然氣長輸管道安全防護預警系統可實現對油氣管道工程沿線滑坡、洪水等地質災害進行自動監測和預警，應用效果較好、能及時發現隱患。對地質災害引發的管道安全風險做到可防、可控，將風險降到最低，服務于長輸氣管道“安、穩、長、滿、優”運行。該系統也可以推廣應用于山地長輸管道的安全防控，有較好的應用前景。