基于GIS和GPS的城市燃氣管道風險動態預警系統探討

王海哲

(江蘇威達建設集團有限公司，江蘇 揚州 225000)

0 引言

隨著城市人口密度的增加，城市燃氣需求量也日益擴大。作為城市居民重要燃料之一的城市燃氣，同社會經濟發展和群眾日常生活密切相關，是城市居民賴以生存的重要基礎之一[1]。然而隨著城市燃氣的大規模傳輸和使用，安全隱患逐漸增加[2]。

中國燃氣傳輸系統的建設年限差別過大且工藝不同，導致城市燃氣運輸系統的復雜性和動態監測的難度較大。而且，對整個城區范圍內地下管網進行實時動態監測的成本過高，人工監控不現實，增加了動態監測的難度[3]。由于資料評估方式不完整，評估結果受人為因素的影響較大，缺乏一定的準確性，造成評估結果與實際的運行結果差距較大。因此，本文通過對城市燃氣泄漏情況的統計分析，確定出城市燃氣泄漏的高發位置，并以此地點為核心，對周圍地區開展輻射監測，同時借助地理信息系統(geographic information system，GIS)的獨特科技優勢，為燃氣監測實現空間數據分析、時間關系和過程數據分析、時空位置動態可視化的強大功能，并通過全球定位系統(global positioning system，GPS)為全國用戶提供高精度、低成本的三維位置信息和快速準確的定時導航數據，向泄漏附近的住戶及時推送疏散路徑。

1 GIS及GPS研究現狀

針對GIS已有許多學者進行了相關研究，計藝帆等[4]闡述了GIS技術的現狀以及在實際檢驗過程中的應用，并針對實際操作中遇到的問題，提出了行之有效的應對措施。王佳利等[5]采用GIS空間分析和層次分析法，共選取了10個影響因素開展生態敏感性評價工作。黃平等[6]設計和實現了基于GIS的人防工程管理信息系統。裴玉龍等[7]通過GIS手段對公共汽車站可行性進行建模與運算。在燃氣行業，GIS被廣泛應用于燃氣高、中壓管道的驗收，以及壓力監測和場站遙測遙信。

GPS已被廣泛應用于交通、測繪等許多行業。王璟等[8]重點介紹了北斗技術在燃氣工程建設領域中的應用現狀。李媛[9]結合燃氣工程測量要求及傳統方法介紹，對基于GPS技術的測量技術優勢及應用進行了分析。陳傳松[10]提出燃氣工程測量的技術要求，并通過具體的網絡RTK測量技術與傳統技術的對比，分析了燃氣工程測量領域中GPS技術的應用優勢。

目前，學者對燃氣管道風險評估方法進行了相關應用。楊克等[11]在天然氣泄漏時間不同的條件下，對天然氣管道蒸汽云爆炸的破壞范圍進行了定量分析。王新穎等[12]建立了城市管網風險預測體系，提出了一種基于深度置信網絡的管道風險預測方法。陳毓飛等[13]利用LSTM模型，建立了基于大數據分析的城市燃氣管道施工中損傷危害的預測模型。

2 城市燃氣管道風險動態預警系統設計

2.1 關鍵技術

2.1.1 風險數據收集

風險數據收集是數據庫的前期準備工作。風險數據包括空間地理信息和風險信息，可通過現場調查、資料統計和監測監控等方法獲得。

2.1.2 風險數據處理

風險數據處理主要過程包括劃分風險單元、評估評價單元、評估城市區域整體風險等。

2.1.3 風險數據更新

本系統開發了PC終端、手機APP終端兩套管理軟件，風險數據可通過PC端和手機終端兩種途徑實時更新。

2.1.4 風險數據輸出

風險數據輸出即是將城市區域燃氣管道整體風險可視化，利用GIS和GPS軟件實現此功能，形成動態風險地圖，分別在PC終端和手機APP終端輸出。

城市燃氣安全風險可視化與風險事故定位的重要部分是圖層輸出。圖層輸出是指按照點危險源、線危險源和面危險源輸出不同維度的風險圖，分別為評估對象風險以及城市整體燃氣管網風險。運用ArcGIS軟件實現城市燃氣管網風險地圖可視化。

2.2 相關方法

針對目前城市燃氣行業存在的主要風險，基于“點—線—面”風險分析框架，運用GPS和GIS兩種先進技術手段，主要監測燃氣門站和小區的風險狀況，對其存在較大風險的周圍管線進行全面系統的監測和評估，推進城市燃氣行業安全管理工作有序進行。

2.3 實驗手段

2.3.1 城市燃氣管網風險評價數據庫

城市燃氣管網風險評價數據庫涵蓋了各種與風險評價相關的信息系統，主要負責分析城市空間地理信息與地面風險信息，同時也是風險地圖的信息存儲和傳輸中心。城市空間地理信息具體是指風險源的位置、邊界以及周圍環境等資料；地面風險信息是指風險源的名稱、類別、風險值以及風險程度等數據，是通過城市燃氣事故數據以及對重大事故案件的調查研究，并針對所在城市的實際情況，對轄區內市場主體劃分和主體特征提取。并由此建立基于各類市場主體特征的城市動態風險評價指標體系，通過問卷調查和理論分析得到城市燃氣管網安全風險的可接受程度，制定城市燃氣風險評判準則，進行風險值計算及風險等級劃分。各種危險源的信息將以圖層的形式存儲于風險數據庫中，以便使用者檢索與獲取信息。城市燃氣管網風險評價數據庫如圖1所示。

圖1 城市燃氣區域風險評價數據庫

2.3.2 城市燃氣管網風險等級可視化

GIS地圖的最大優勢是能夠真實提供多維動態信息和完善的人機交互用戶界面，可以更加便捷地瀏覽和搜索風險源信息，同時也能為完成城市燃氣區域風險可視化風險地圖工作提供全面的系統技術保證。城市燃氣區域風險可視化主要由圖層輸入技術和圖層輸出技術組成。圖層輸入技術主要實現了底圖導入、空間地理信息輸入、風險信息錄入、圖層疊加等技術特性；圖層輸出技術是指通過點風險源、線風險源和面風險源輸出不同維度的風險地圖，分別對應燃氣門站風險、燃氣管線風險，以及小區、用氣企業等的風險。ArcGIS軟件能滿足人們對城市燃氣區域風險地圖可視化系統的設計要求，城市燃氣管網風險等級可視化如圖2所示，圖層輸出系統結構圖如圖3所示。

圖2 城市燃氣區域風險等級可視化

圖3 圖層輸出系統結構圖

2.3.3 城市燃氣區域風險定位

GPS系統主要是利用32顆衛星，測量地球上各種可測點的經度、緯度和高度，完成導航、定位作用。燃氣門站、小區及用氣企業、燃氣管線等都位于地球經緯度與海拔之間的唯一位置上，即GPS地址。

GPS-RTK系統是具備實時移動檢測能力的位置檢測系統，可充分融合傳統GPS技術和數據傳輸技術，是中國GPS測量定位領域的一項重大創新突破。GPS-RTK技術能實現戶外測量定位的實時厘米級數據，有效提高了城市戶外測量、地下管線測量的施工作業效率。城市燃氣區域風險定位如圖4所示。

圖4 城市燃氣管網風險定位

2.3.4 手機APP應用

本系統隨PC端城市燃氣區域風險可視化系統附帶設計了移動端APP，該APP方便工作人員在實際現場情況下使用。APP應用包括城市燃氣區域風險信息瀏覽、逃生路線規劃及自救信息提供。一般用戶登錄只顯示風險信息瀏覽鍵，工作人員則顯示信息瀏覽、風險信息輸入兩個界面；按信息瀏覽快捷鍵即可顯示指定城市燃氣區域風險地圖，可得到該區域風險名稱及風險等級等信息。若發生燃氣泄漏，APP會向燃氣公司、社區、用戶發出警示信息，預防燃氣爆炸事故發生；若發生燃氣爆炸事故，APP會自動向燃氣公司、社區、用戶及消防部門發送事故信息，在波及范圍內的人員同時收到信息警示、自救信息以及逃生路線。風險信息輸入界面需工作人員手動輸入或編輯風險名稱、等級等信息，及時反饋到風險數據庫。每位工作人員擁有獨立的登錄賬號及密碼，只需在APP上進行登錄即可查看負責區域的風險分布情況，并能夠及時反饋現場信息，更新城市燃氣區域風險數據庫，真正實現城市燃氣風險動態管理。APP應用界面系統構圖如圖5所示。

圖5 APP應用界面系統構圖

3 城市燃氣管道風險動態預警系統應用前景分析

本研究的目的在于將城市燃氣管網風險動態評估系統做成一款真正的集成的智能化系統，不僅僅受限于人的主觀評價，而是根據監測所得參數，實時動態地進行智能化運算和判斷，最終反饋到管理者終端。對風險的實時管控，可以更加有針對性、有效率地實施風險管理，進而有效預防城市燃氣泄漏等事件的發生并降低事件造成后果的嚴重程度。由于本系統具有較強的可移植性和靈活性，能為不同組織和機構提供服務。

4 結論

(1)結合城市燃氣運輸使用的實際情況，應用區域災害系統理論提出致災因子指標、承載載體指標以及孕災環境指標，對燃氣運輸使用過程中涉及的單元依據點線面進行區域劃分，構建區域風險評估模型。根據GIS技術實現風險地圖可觀測各個區域內風險程度，基于GPS定位技術對泄漏點進行實時定位，并結合物聯網技術將數據傳回主機以及時采取應急措施，使風險損失達到最小化。

(2)本系統受用對象范圍廣，不僅面向燃氣企業、政府、消防，還適用于使用APP的用戶，可以使用戶了解所在范圍區域內的風險信息。

(3)本系統靈活性較強，可以根據用戶反饋，實時更新風險地圖，并對燃氣從輸送到入戶的全過程進行監測，安全程度高。