挖掘機械第三方施工預警系統的開發及應用

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，油氣長輸管道內介質的易燃燒、易爆炸、高壓力等特點，決定了一旦發生泄漏，極易引發爆炸或者火災，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破裂，事故共造成重大人員傷亡，直接經濟損失7.5億元。2020年3月15日，尼日利亞拉各斯州發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]是由違規施工造成的，因此做好違規施工預警的工作，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，及時發現管道周邊的問題隱患并進行預警，可以保證預警的準確度。但是傳統的人工巡線工作量大而且條件艱苦，特別是對山區、河流、沼澤、以及無人區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，無法實現油氣管道沿線24 h實時預警。

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

光纖管道安全預警系統[9-16]實現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[17-20]具有一定優勢，無人機機身輕巧，并裝載有先進的航測系統，巡線成本低，不受地形環境限制，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，研發了挖掘機械第三方施工預警系統，成功地應用于山東省油氣長輸管道上，數據顯示，該預警系統可以實現油氣管道全線路實時高精度預警。

1 業務流程設計

挖掘機械第三方施工預警系統由地理信息系統和北斗定位系統等部分組成。將北斗或GPS全球定位系統部署在施工設備上，及時準確定位其坐標，監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50 m（根據GB 20369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》及目前最長的挖掘機械動力臂長度測算）范圍內時，預警系統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，預警系統通過調取第三方施工數據庫，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，預警系統即以聲音、圖像等多種方式發出預警，自動以短信和電話形式將預警類型、位置等詳細信息發送當地管道保護部門和單位。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，避免事故發生。第三方施工預警系統的高靈敏度、零誤報率等特點，在預防第三方施工破壞上實現了全線路、全時段的預警，大大減少巡護人員數量，充分降低巡護工作強度，顯著提高了管道保護的技防水準。業務流程設計如圖1所示。

圖1 業務流程設計

2 預警系統組成

第三方施工預警系統由前端數據采集設備、傳輸網絡、施工預警平臺3部分組成（圖2）。

圖2 預警系統組成

2.1 前端數據采集設備

數據采集設備內嵌于挖掘機械儀表盤內，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情況。

圖3 前端數據采集設備

2.2 傳輸網絡

系統通過數據采集設備收集到的施工設備位置信息和機械臂作業信息，通過Interner技術、無線通訊技術、物聯傳感技術上傳到數據庫，進行云計算和大數據分析。

2.3 施工預警平臺

施工預警平臺由數據庫、調度中心、監控大屏等組成（圖4）。數據庫將云計算和大數據分析后的結果反饋到調度中心和用戶客戶端，對施工設備的施工作業行為進行預警。

圖4 施工預警平臺

3 開發環境及應用

3.1 系統開發環境及特點

該系統開發采用直接面向對象的Java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]。系統編程采用Springboot+vue主流框架實現前后端分離，開發更加便捷快速。管道坐標等數據存儲采用Oracle空間數據庫，處理速度快、安全級別高、穩定性強，便于程序開發。管道沿線地理信息系統（GIS）系統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。

該系統以解決問題為出發點，積極開拓思路，從第三方施工機械所屬企業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，督促了有關企業及主要負責人承擔政治和社會責任，保證管道安全平穩運行。

該系統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，可實現業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、專業化、市場化強，可實現跨部門信息資源共享與業務協同。

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，推廣山東省境內的挖掘機械安裝全球定位設備，可在全省范圍內實現有效預警。系統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范圍內的挖掘機械施工及時、準確地實現了預警。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負責人及當地油氣管道保護主管部門負責人發出預警短信息（圖6）。當地管道企業立即趕赴挖掘機施工地點核實情況，企業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場管道保護宣傳，以確保管道安全。

圖5 進入預警監控范圍

圖6 發送預警信息

4 結束語

目前，第三方施工預警系統正在試運行，可準確跟蹤已安裝北斗或GPS定位系統的挖掘機械，出現異常情況及時發出預警，實現零誤報率。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或北斗定位系統并納入監控范圍，及時反饋定位、發出預警，確保安全。

在油氣長輸管道企業組織管道鋪設、改線、焊接等作業，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范、《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》等內容考核，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，及時進行線上匯報。組織現場施工時，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范》要求，開展旁站監督，確保在管道、光纜走向確定的前提下安全可靠作業。管道運營企業按照石油天然氣管道第三方施工技術要求，加強對現場開挖作業的風險識別與管控，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安裝視頻監控，第一時間將畫面回傳至視頻監控室，并且視頻監控系統已經與第三方施工預警系統互聯互通，及時處理現場違章作業，避免誤操作。未來，可考慮將挖掘機械第三方施工預警系統充分融合其他系統，統一接口標準，共享系統數據[22]，全面保障油氣管道安全。