長輸天然氣管道智能監測預警系統設計與應用

延旭博

（河北省天然氣有限責任公司，河北石家莊 050000）

長輸天然氣管網是連接上游油氣管網和下游天然氣用戶的紐帶和中間環節，其安全運行對能源保障和民生都有重要意義。隨著經濟發展，城鄉建設加快，長輸天然氣管網周邊高后果區明顯增多，一旦發生破壞事故，將會嚴重影響周邊安全和下游用戶的能源供給。

為彌補傳統人工巡檢空窗期長、時效性差的不足，在管道沿線加裝智能視頻監控、光纖預警設備及環境參數采集等設備，并結合大數據、人工智能分析等手段，開發長輸管道智能監測預警系統[1]，全時全天候監控第三方在管線周邊實施靈活機動的機械挖掘、地勘鉆探和定向穿越等影響管道安全的高危作業，可在管道遭遇實質性破壞之前給出報警信息，為管道安全巡護提供指導。

1 智能監測預警系統設計思路

1.1 長輸管道的安全風險

長輸天然氣管道管理的主要依據和規范有《石油天然氣管道保護法》《油氣輸送管道完整性管理規范》《關于加強油氣輸送管道途經人員密集場所高后果區安全管理工作的通知》《壓力管道定期檢驗規則—長輸管道》等。上述法律、規范對于管道的線路安全，特別是對高后果區段管道提出了明確要求：要采取有效的措施，降低高后果區的風險，嚴格控制高后果區增加，同時提升風險處置能力。

管道面臨的主要風險有以下3 個方面：①第三方施工破壞。第三方施工破壞是管道線路安全的主要隱患，特別是各類施工機械的普及、非開挖定向鉆技術的廣泛應用，使得第三方施工破壞出現普遍高發、進展快速、隱蔽性強等特點。如定向鉆可在管道數百米外施工，并對管道造成破壞。②安全距離不足。根據相關法律規定，管道中心線兩側5 m 內為管道的保護區域，不能種植樹木、建設各類建筑等，但這類事件一直頻發。特別是在管道周邊建設封閉的廠區、建筑，一旦發生天然氣泄漏，泄漏的氣體在密閉空間聚集，爆炸風險極高。③管道腐蝕風險。管道一般采用防腐層和陰極保護聯合的方法進行腐蝕控制。隨著管道運行年限增加，防腐層效果下降，同時受管道周邊新建的各類輸電線路、電氣化鐵路、變電站及地鐵等設施影響，交直流雜散電流對管道的干擾加劇，陰極保護系統可能失效，管道腐蝕風險增加。

1.2 系統設計思路

為了實現對上述提出的長輸管道面臨的主要風險進行識別和預警，系統需要實現以下功能。

硬件系統方面，針對第三方施工破壞和安全距離不足，采用智能視頻監控和光纖震動預警技術，實現對施工機械的準確識別和定位，并通過存儲設備和數據傳輸設備將信息及時傳遞給軟件端。通過對管道周邊施工的預警，線路管理人員可及時發現、制止各類違法施工和違章建筑，降低管道運行風險。針對腐蝕風險，采用陰極保護數據遠傳技術，定期采集管道保護電位、交直流干擾參數、腐蝕速率等信息，通過軟件端進行分析和展示，實現對腐蝕風險的監測和預警。此外，為了提高風險處置能力，及時掌握現場情況，通過環境監測設備，采集管道周邊的氣溫、風速、風向等信息，方便現場搶險作業準備工作。

軟件系統方面，通過對各類設備回傳的數據進行整合、處理、分析和展示，對各類風險進行自動預警，并配備聲光報警、APP 推送、短信提醒等手段，督促運行管理人員核實處理，實現長輸管道安全管控。

1.3 系統設計方案

長輸管道智能監測預警系統由3 個單元組成，分別是邊緣采集分析單元、數據傳輸單元、中心監控分析單元[2]。

邊緣采集分析單元主要包括視頻監控、振動光纖、陰極保護數據遠傳、環境傳感器等，這些設備對長輸管道進行實時或定期數據采集，并由邊緣端計算節點進行視頻和光纖震動信號的分析。

數據傳輸單元是將數據采集單元所采集的數據進行信號轉換和整合，通過4G/5G 無線網絡、光纖等傳輸渠道，實現數據的統一協議、統一傳輸。

中心監控分析單元包括對接收到的傳輸數據進行清洗、分析解釋、整理歸類、融合，并對接收到的傳輸數據和分析結果進行可視化展示、預警預報。

2 監測硬件系統設計

2.1 綜合監控桿

綜合監控桿布置在管道沿線，配置攝像頭、陰極保護數據遠傳、環境監測、邊緣計算等功能。

桿體設計高度為8 m，部署云臺攝像機采集管道沿線視頻數據，配備智能邊緣計算設備，實現前端數據的智能化分析。當在監控區域內檢測到工程車輛、農用機械時，前端設備啟動攝像頭數據傳輸功能，然后平臺側二次分析現場視頻確認報警信息進行報警，并集成揚聲器，具備遠程喊話能力。智能監測桿功能設計如圖1 所示。

邊緣計算設備主要檢測鏟斗機、推土機、壓路機、裝載機等施工裝備。在進行深度學習模型訓練時，主要以這些設備作為識別目標，同時需要考慮白天、夜間、陰雨天氣等不同天氣下的數據采集或數據增強。在服務器環境訓練好深度學習模型后，將模型壓縮后部署在邊緣計算設備。當邊緣設備處理視頻數據并發現異常時啟動攝像頭網絡通信，將現場數據發送至平臺側，平臺側使用完整的深度學習模型進行二次識別，確認異常后在平臺形成報警消息，平臺根據報警消息報警。智能監測桿實現對施工車輛的自動識別如圖2所示。

圖2 智能監測桿實現對施工車輛的自動識別

考慮到監控設備便于維護及安裝，設計為手動升降機構，避免高空作業，提高了維護便捷性和安全性。將太陽能置于盤式載體的中心分布有利于在大風等惡劣天氣下的桿體穩定，同時雙面太陽能可提升電能轉化效能。在盤式載體的下方設置十字支架可為東南西北各方位提供全方位的監控安裝方向，配合監控自帶的萬向調節支架可實現360°無死角覆蓋。

2.2 供電系統

由于管道周邊無市電保障條件，需采用自供電源，供電方案采用太陽能加蓄電池的供電設備提供電力保障，在條件具備地區，可加裝風力發電裝置。綜合監控桿各類設備的功耗統計如表1 所示。

表1 設備功耗統計

正常工況下，供電系統可確保設備能夠連續穩定地供應電力，考慮特殊天氣，在無光照的情況下，確保設備運行時間不少于3 d。前端系統所有設備整體功耗78 W，按照無光照3 d 測算，需配備功率720 W 太陽能板，容量為180 Ah 電池組。為了避免戶外高溫、低溫氣候影響電池壽命和容量，將電池倉布置在地面0.5 m 以下，根據實際測量的數據，當環境溫度為-15 ℃時，艙體的實測溫度為0～2 ℃，有效地保證了電池的正常供電。

2.3 光纖預警模塊

光纖預警技術是在管道建設期，與管道同溝鋪設光纖，與管道同步投入運行，可以作為管道相關設備的通信通道使用。當管道周邊出現大型機械施工、重型車輛通行等可能危害管道安全的事件時，光纖會產生不同于正常情況的震動信號，探測器將光信號轉換為電信號，再經上位機解調，計算出傳感光纖上各點的震動信息；通過光纖的震動信號特征識別、波形分析，結合信號數據庫和智能識別技術，就可以監測管道周邊的施工、車輛活動、人工破壞管道等危害行為。通過與管道幾何位置相結合，將震動事件與地理位置相對應；再通過震動信號特征提取與分析，實現震動事件分類，判斷事件等級并給出預警[3]。

光纖震動預警不僅可以記錄事件發生的時間，同時也可以定位震動的位置，將震動事件與地理位置相對應，方便運行人員第一時間趕往現場，避免危害行為的擴大。

2.4 環境采集模塊

環境監測設備采用一體化設計，可以同時監測溫度、濕度、風向、風速、雨量這5 種常規氣象參數，為應急搶險提供參考。風向風速儀采用超聲波測風原理，沒有軸承等部件，不會產生磨損，使用壽命更長，雨量監測采用光學原理，不會堆積樹葉或泥土，無需清洗，免維護。

2.5 陰極保護數據遠傳模塊

陰極保護數據遠傳模塊由智能采集儀、管道線、綜合采集探頭等構成，由綜合監控桿提供供電和通信功能。

通過焊接在管道上的管道線，綜合采集探頭可以同時測量管道的自然腐蝕電位、通電電位、斷電電位、交流電流密度、腐蝕速率等參數，通過綜合智能桿交換機和光纖收發器等設備實現數據在線傳輸，將數據回傳至智能監測預警系統進行展示，并可根據設置好的報警值進行報警和預警提醒[4]。同時，可通過系統遠程實現采集時間和采集頻率的修改。

2.6 數據存儲及傳輸模塊

為每個桿體集成邊緣端存儲設備，可保障至少1 個月的視頻存儲容量。數據傳輸根據現場光纖敷設情況，需至少支持4G 無線網絡和光纖專線傳輸2種方式。

3 監測軟件系統設計

3.1 系統概述

長輸管道智能監測預警系統的軟件設計既要滿足管理人員直觀、簡明的監視要求，又要實現信息豐富準確、具備分析預判功能。因此，結合地理信息技術和GIS 數據底座，在首頁顯示綜合監控硬件的安裝地理位置、視頻直播窗口、周邊環境、實時報警信息等[5]。

在數據查詢界面展示歷史報警信息、視頻檔案、陰極保護遠傳數據等。在趨勢分析界面，結合人工智能和大數據技術，對歷史數據進行分析和評估，實現對風險的綜合防范和預判。

3.2 軟件架構

圍繞長輸管道的安全運行和事故預防，同時實現各類數據的可視化展示和查詢，利用圖表、圖像、視頻、趨勢圖等展示手段，對數據進行深入的挖掘利用。

數據采集：通過前端視頻監測、光纖預警、陰極保護遠傳、環境等監測設備，獲取監測范圍內視頻數據、光纖監測數據、陰保數據等。

數據傳輸：現場傳感器采集數據通過光纖實時將視頻數據、光纜監測數據、陰保數據等進行整合（如信號轉換等）后并行傳輸至服務器。

數據存儲：對采集的信息進行數據接收、分析解釋和整理歸類存儲，包括管道專題數據庫、地理信息數據庫、視頻監測數據庫、智能探測數據庫、報警數據庫等。數據中心依托成熟的大數據平臺、數據庫管理軟件，按照統一的標準，實現數據的集中存儲與管理，為應用系統提供數據支撐。

安全防控：基于統一的時空信息共享服務框架，采用“云+端+AI”架構，通過對接收到的視頻數據和預警信息進行大數據分析、發布及可視化展示，提升管道智能安防監控的自動化能力，滿足管理人員的監控、管理、運行維護和配置等需求[6]。

3.3 功能設計

系統需包括以下功能模塊：視頻監控、錄像回放、遠程操控、監測預警（泄漏監測、光纖預警監測、視頻識別、陰保監測等）、統計分析、GIS 監控、歷史數據查詢與管理、綜合報表展示以及報警設置、顯示與查詢等。

視頻監控：具備現場視頻實時監控的功能。

錄像回放：提供現場視頻錄像管理，支持錄像調取，根據設備、時間段檢索查詢、下載等功能。

遠程操控：當發生潛在危險或第三方破壞等情況，可支持視頻遠程操作，并具備遠程喊話的功能。

監測預警：對管道設備狀況進行實時監控，包括泄漏監測、光纖預警監測、視頻識別、陰保監測等綜合監測，并提取預警信息，以聲光電的形式輸出至監控端。

統計分析：對獲取的現場信息（包括參數與視頻）進行安全狀況分析研判。

GIS 監控：包括監控段管線三維地理場景構建，地圖瀏覽，中心放大、縮小，全局放大、縮小，地圖鷹眼，圖層管理，管道要素基本信息查看，矢量/影像的切換顯示等，并具備GIS 分析能力，包括橫剖面分析、縱斷面分析等。

歷史數據查詢與管理：以曲線形式顯示各監測參數隨時間的變化，同時對最大值、最小值及平均值等進行顯示。

綜合報表展示：對實時監測參數和歷史監測參數等以數據報表的形式查詢與顯示。

報警設置、顯示與查詢：對各類監控參數分別設置不同的預警閾值和報警閾值，并可對各報警事件采用最新報警在最上面顯示的方式進行顯示與查詢。

4 現場實施及效果

4.1 現場硬件安裝

現場設備的可靠、良好安裝是正常運行的前提，在安裝過程中要注意：①各類監測設備內有精密電氣元器件，在運輸、安裝過程中要做好保護措施，避免因磕碰、高溫等損壞。②綜合監控桿的桿體高、自重大，其安裝過程有一定的危險性。桿體的基礎要經專業設計，并確保按圖施工。③設備的電源線、信號線等均應留有10%以上的裕量，避免因氣溫變化、土壤沉降等造成電纜斷線。

4.2 系統調試

現場硬件安裝完成后，需要進行詳細的測試，包括綜合監測桿的各單體設備的功能測試、綜合監測桿的數據傳輸測試、遠傳數據與現場數據的一致性測試、監控程序與現場設備的聯調聯試。

4.3 效果驗證

為了驗證系統各類報警信息的準確性，采取以下措施進行效果驗證：在綜合監控桿覆蓋范圍內，組織各類施工機械車輛，以不同角度、不同速度通過管道周邊的道路，同時統計相應時間段內通行的社會車輛，對比長輸管道智能監測預警系統的報警信息，得到系統的準確度和誤報率。對于系統發現的陰極保護遠傳數據報警，通過現場人工測試對比，判斷其準確性。

5 結束語

隨著長輸管道安全風險的增加，有必要將新一代信息技術與管道的安全防護結合，構建一套全面防范、重點加強、資源共享的長輸管道智能監測預警系統，實現對管道沿線威脅管道安全的第三方施工、違章占壓等異常情況的實時監測、監控、分析、定位和預警等功能，全面提升管道安全管理水平，保障管道安全運行。