數據分析技術在城鎮燃氣管道安全管控的應用

王文想

(深圳市燃氣集團股份有限公司,廣東深圳518000)

1 概述

城鎮燃氣管道第三方施工破壞導致的管網事故占全部管網事故的80%以上,事故數量占比高,是管網運行管理的防控重點。近些年,燃氣企業利用物聯網感知技術、數據分析技術輔助開展管道安全管控,是將大數據分析應用于城鎮燃氣行業的新型風險預防技術手段。

2 數據分析技術的應用邏輯

數據分析技術應用邏輯見圖1。數據分析技術的環節包括數據收集、數據處理分析、信息展示及應用。其中數據收集處于數據分析前端,一方面在管道建設期以及管道運行期收集管道的位置信息、管徑、閥門開關信息等,形成結構化數據,另一方面借助物聯網感知設備收集圖像、視頻等形成非結構化數據。數據處理分析是核心環節,在這個環節通過數據清洗、挖掘、對比分析等對結構化數據和非結構化數據加工處理,從中提取管道風險信息并輔助燃氣企業決策,這在一定程度上輔助燃氣企業管理模式從事后處置向事前預防轉變。

圖1 數據分析技術應用邏輯

3 城鎮燃氣管道安全管控存在的問題

《城鎮燃氣管理條例》是城鎮燃氣管理最高行政法規[1],條例共8章55條,涉及燃氣管道保護的條款僅12條,其重點并非管道保護而是燃氣管理。從法律效力角度講,當條例與法律沖突時,只能服從法律的相關規定。在政府監管部門對燃氣安全事件管理愈發重視的趨勢下,僅靠傳統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生過程,發現當前城鎮燃氣管道安全管控存在管網基本信息管理不完善、管網周邊工地監督有漏洞、管網周邊作業動向不明確[2]、管網沿線壓力波動不掌握[3]、管網沿線泄漏發現不及時等問題。

針對以上問題,利用數據分析思維,采用有效的安全管控技術,是解決以上安全隱患的關鍵。本文結合管網數據拓撲分析技術、圖像識別技術、北斗定位車輛預警技術、管網壓力波動分析技術、氣體濃度分析技術等管控技術構建基于數據分析的管道安全管控模型(見圖2),實現對管道泄漏構成要素的監測預警,最終達到由事后處置到事前預防的城鎮燃氣管道的全方位安全管控。

圖2 基于數據分析的管道安全管控模型

4 城鎮燃氣管道安全管控技術

4.1 管網數據拓撲分析技術

管網數據拓撲分析技術是基于管道物理結構的連接特點,以及氣體在管道中的流動對管道屬性進行合理性、正確性分析判斷。依據管道物理連接特性,可以形成各種管道拓撲分析規則,輔助企業對管道基礎信息進行校核。常見的拓撲分析規則包括設施位置重復、管道缺少節點、相鄰管道的夾角小于90°、異徑管前后管道管徑相同、節點連接管段過多、管道相通情況下帶氣狀態信息不一致等。

直通兩側管道拓撲分析舉例。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、管徑、壁厚、帶氣狀態必須一致,如果管網基礎數據中已知直通一側的管道屬性,便可以推算出另一側的管道屬性。

同理,異徑管的物理連接特性決定了兩側管道的管徑不一致,鋼塑轉換件的物理連接特性決定了兩側的管道材質不一致,氣源閥門的開關狀態決定了區域內管道的帶氣狀態等。基于管網數據拓撲分析技術應用流程見圖3。

圖3 基于管網數據拓撲分析技術應用流程

某燃氣企業地理信息系統中,中低壓燃氣管網約8 000 km,安裝的中壓閥門約25 000個。對該管網數據拓撲分析,結果見表1。

由表1可以看出,閥門兩側管道帶氣狀態異常、節點連接管段過多、節點兩側管徑異常數量較大。閥門兩側管道帶氣狀態異常5 600處,例如,如果閥門兩側管道均為帶氣管道,閥門狀態為關,則判定該閥門為狀態存疑閥門;如果閥門一側管道帶氣,另一側不帶氣,閥門狀態為開,則也判定為狀態存疑閥門。

表1 該燃氣企業管網數據拓撲分析結果

為預防此類風險,在管道建設期燃氣企業可將管網數據拓撲分析技術用于施工單位移交的管道數據的校驗,發現問題及時糾正。

4.2 圖像識別技術

圖像識別技術是通過獲取圖像和圖像識別實現對管道周邊第三方施工的危險行為監測預警,輔助巡查人員及時發現并處置。

以挖掘機為例,基于圖像識別技術的第三方施工安全管控見圖4。

以挖掘機為例,首先對挖掘機建立圖像數據識別模型。主要原理是通過神經網絡相關算法對挖掘機進行特征提取,建立特征識別模型。然后將挖掘機圖像輸入模型進行物體分類,以提升模型的識別精度。

具體應用時,AI攝像頭獲取管道周邊環境圖像,通過5G網絡上傳服務器,監控平臺對施工現場監測。若出現與預設危險狀態(如管道周邊出現挖掘機)相符的情況時,監控平臺自動發出預警,并將預警信息與現場情況發送到PC終端和手機終端,以便人員處置。

4.3 北斗定位車輛預警技術

通過將北斗定位技術與電子圍欄技術相結合,可以對小散工程中的挖掘機進場起到預警作用。具體步驟如下。

① 將管網坐標信息導入監控平臺,監控平臺的預警系統以管道為中心,預警范圍為半徑,自動生成電子圍欄警戒區域。

② 通過政府全面普查城市中挖掘機,為每臺挖掘機安裝北斗定位模塊,將其數據接入預警系統,通過定位模塊獲取挖掘機實時位置、發動機啟動狀態、行駛速度等。

③ 當挖掘機行駛時,將挖掘機實時位置與電子圍欄警戒區域信息進行對比,當判斷出挖掘機實時位置在電子圍欄警戒區域內時,立刻向預警系統報警,實現對挖掘機侵入遠程監控和管理。

考慮到挖掘機長時間停留在電子圍欄警戒區域內情況,同一臺挖掘機在同一處的報警時間間隔需要適當延長。針對一些大型工地或者重要干網區域,可以在此基礎上結合圖像識別技術,實現雙重安全管控。挖掘機預警見圖5。

圖5 挖掘機預警(軟件截圖)

4.4 壓力波動分析技術

以SCADA系統為基礎,采用NB-IoT物聯網技術,通過分析管網壓力波動有助于預防管網事故。管網正常運行情況下,管網壓力始終處于一個相對穩定的波動范圍,即使通過調節手段提升或降低管網運行壓力,管網壓力波動也相對平穩。當管網發生泄漏或其他異常時,管網壓力會出現短時間劇烈波動。

各燃氣企業對城鎮燃氣中低壓管網壓力監測主要集中在調壓箱(柜),各燃氣企業對壓力監測設備類型、傳感器品牌等沒有相對嚴格和明確的要求。壓力波動分析技術應用主要集中在壓力是否超限、管網壓力分布是否合理等。

4.5 氣體濃度分析技術

氣體濃度分析技術相對較成熟,燃氣泄漏探測器基于氣體檢測結合NB-IoT技術及超低功耗電路設計。

燃氣泄漏探測器采用閥井式、樁式或地面式設置。樁式和地面式燃氣泄漏探測器可用于實時監測地下燃氣管道沿線土壤中可燃氣體濃度,閥井式燃氣泄漏探測器用于實時監測閥井等密閉空間可燃氣體濃度。

燃氣泄漏探測器根據探測器類型,可分為催化燃燒型、紅外型、激光型。催化燃燒型燃氣泄漏探測器是在一定電阻的貴金屬絲上涂制載體和催化劑,構成催化檢測元件,當催化檢測元件與甲烷氣體接觸時進行催化氧化燃燒(無焰燃燒),檢測元件溫度升高,電阻改變,輸出信號改變。紅外型燃氣泄漏探測器是當紅外光通過待測氣體時,氣體吸收特定波長紅外光,吸收關系服從Lambert-Beer吸收定律,利用氣體濃度與吸收強度關系鑒別氣體組分并確定其濃度。激光型燃氣泄漏探測器能對甲烷體積分數(0～100%范圍)全量程監測,性能穩定、靈敏度高、壽命長、抗中毒[4]。

燃氣管道敷設時,根據施工方式不同,可能穿過井或溝渠,存在高溫、高濕環境,因此,設備選用過程中,除了考慮探測器類型外,還應考慮設備的防水、防高溫、防爆、防偷盜及電池壽命等屬性,針對不同區域、不同類型管網,通過調整監測設備類型及組合方式,實現燃氣管網全覆蓋監測。現場設置的樁式燃氣泄漏探測器見圖6。

5 結束語

本文通過研究傳統城鎮燃氣管道安全管控的不足之處,結合數據分析技術基于管道基礎信息的管理、第三方施工工地的監督、小散工程挖掘機的監控、管道壓力波動的變化等關鍵場景,提出新型城鎮燃氣管道安全管控模型及其應用實踐。認為燃氣企業應重視管網基礎數據的管理和相關運行數據的積累,建立統一的管道數據采集標準,同時推動政府出臺相應的燃氣管道保護法規,進一步完善法規制度。燃氣企業還應提升市民的管道保護意識,建立聯防聯控機制,管道保護需要企業、政府、市民多方參與。