城市燃气管网“三融六核”风险监测与管控技术体系

胡燕祝教授 汪 彤研究员 李夏喜教授级高工 王 松副教授

(1.北京邮电大学 现代邮政学院(自动化学院)，北京 100876；2.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，北京 100054；3.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)

0 引言

随着我国城市化建设飞速发展和能源革命有力推进，燃气系统已经成为城市能源生命线的主动脉[1-3]。城市燃气管网规模巨大、结构复杂、管控困难、事故频发，城市燃气管网的风险监测与管控水平直接决定管网的运行寿命和失效年限，其工作可靠性直接关系着居民生活、工商生产、公共服务等城市安全运行的各个方面。燃气属于易燃易爆危险化学品范畴，易受温湿气压、地物环境等城市复杂环境及人为因素影响，易引发风险甚至导致事故[4]。著名的海因里希风险法则指出“330件潜在的风险可能导致29起事故，1起重大事故，还有300件风险未产生影响”[5-6]。一旦城市燃气管网发生事故，不仅会对社会造成严重危害和恶劣影响，还因为管网的节连失效，造成时空连锁效应及城市能源系统瘫痪。据不完全统计，2020年上半年全国发生燃气事故244起，造成42人死亡197人受伤，直接经济损失上亿元[7]。

在国外，欧美相关企业构建符合城市安全风险高后果区特点和管线服役年限特点的管网灾害防治措施与相关产品，提高地下燃气管网运行的安全性[8-10]。然而国外技术与产品一方面对多因素致灾的燃气管线事故处置仍有不足，另一方面在我国的适用性存在欠缺[11]；在国内，虽然出现了燃气管网定性和半定量化的风险评估方法，但针对量化动态风险评估与模型建立仍存在一定空白，尚未形成机理和数据双轮驱动的评估体系和处置架构[12-14]。为应对严峻的燃气管网安全形势，对城市燃气管网风险监测和管控技术体系及产品的需求十分迫切[15]。

针对超大城市燃气管网所面临的“数据粗泛”“评估散浅”“管控孤缺”等技术难题，本文提出“数据处理—风险评估—风险管控”的总体推进思路，一是提出城市燃气管网信息融合、多源耦合、动态建模等理论方法，建立城市燃气管网数据融合、评估融合、管控融合的“三融六核”技术体系。二是形成城市燃气管网动态风险评估方法，构建城市燃气管网复杂系统失效场景衍生聚变的综合风险评估模型，构建异源异构数据实时监测的燃气管线动态风险耦合预警模型，提出井、线、网梯次递进的燃气管网失效风险分析技术。三是在城市中首次应用自主研发的燃气管网风险管控平台，实现城市燃气管网从事件预防到风险管控质的转变。在上述方法的基础上搭建城市燃气管网风险管控平台，为智能管网建设提供技术支撑和决策依据，全面提升城市燃气管网风险管控能力，对全国城市燃气管网风险管控具有借鉴意义。

1 构建监测与管控技术体系的路线

目前城市燃气管网风险监测与管控手段，存在着“监测标准不完善、不统一”“评估手段不综合、不深入”“控制措施不系统、不全面”等3方面的问题，建立完善城市燃气管网安全风险监测的技术架构，亟需完成如下3方面的工作：针对数据粗、泛的难题，要形成标准的监测数据，保障评估结果的准确性；针对评估散、浅的难题，要构建先进的评估技术，保障管控决策的科学性；针对管控孤、缺的难题，要重构有效的管控手段，保障安全运行的稳定性。因此，本文提出“数据处理—风险评估—风险管控”的总体思路，建立城市燃气管网数据融合、评估融合、管控融合的“三融”思想，主要包含如下3个方面：一是提出城市燃气管网信息融合、多源耦合、动态建模等理论方法，建立“六核”的数据融合技术体系；二是形成城市燃气管网动态风险评估融合方法体系，包含“复杂系统失效场景衍生聚变的综合风险评估理念”“动态风险耦合预警方法”“井、线、网梯次递进的燃气管网失效风险分析架构”；三是建立城市燃气管网风险管控理论、平台及装备体系，实现城市燃气管网从事件预防到风险管控质的转变。拟采取的城市燃气管网风险监测与管控关键技术体系路线图，如图1。

图1 技术体系路线图Fig.1 Technology system roadmap

2 数据融合

针对城市燃气管网目前存在的数据粗、泛的现状，剖析多源风险监测数据中存在的“不完整、不准确、不系统、不凝聚、不清楚、不简洁”6个方面问题，提出如下6个方面的核心技术，保证监测数据的标准与统一。

核心技术一：针对数据“不完整”问题，构建“时空连续辅助感知”的数据精细化核心技术。在已有的地理信息系统、设备故障监测、本体缺陷检测、气象监控、视频监控等全时空多场感知数据的基础上，提出并引入布里渊光时域反射和相位光时域反射混合技术，复用城市中庞大的既有光纤网络。同时构建二维时域信号编码的特征提取方法、遗传算法与经验模态分解混合的盲源分离方法，改进非负矩阵分解的时空分离方法，得到更好的风险识别效果和定位精度。全分布式光纤传感技术的引入，不仅可以对离散的风险数据进行有效串联，还可以满足城市燃气管网的“百公里级空间连续分布监测”“环境复杂不新增装置”“无电磁特性杜绝增加电流腐蚀和引雷概率”3大需求。

核心技术二：针对数据“不准确”问题，创建“熵变调权多向关联”的数据关联核心技术。构建全新的数据结构关联体系，以上述研究中得到的城市燃气管网风险监测数据为基础，提出基于“熵度量”复杂网络的数据关联性方法，利用径向度、偏中间度指标评估网络节点的诱导能力以及控制能力，并以此构建风险因素网络结构，解决信息孤岛的问题，并有效表达数据在空间“点—线—网”之间的区别和联系。

核心技术三：针对数据“不系统”问题，提出“异源回归异构统一”的数据结构化核心技术。在海量监测数据积累的基础上，构建卡尔曼+维纳+小波3种滤波方法融合的风险数据信息冗余裁剪方法体系，提出可视化几何组网络提特征、阈值分割调结构、光流法表语义的视频/图片结构化方法，对异常数据采用时空标签对应、时间区域分割等方式进行剔除，对缺失数据采用多参数差值、交叉熵检验等方式进行填补。

核心技术四：针对数据“不凝聚”问题，提出“多参互验交叉采集”的数据采集核心技术。在已有的城市燃气管网近百类监测数据的基础上，提出多源信息交叉采集的异常事件组合采集机制，构建粒子群风险数据寻优方法、最小二乘支持向量机风险数据粗分类方法，增广迪基—福勒检验风险数据校验方法，对异常事件进行溯源、反演、分析，得到不同异常事件的特征组合采集体系，有效抑制实际工况中“不同地点”“不同压力级制”“不同环境”带来的数据扰动、异常误报等问题。

核心技术五：针对数据“不清楚”问题，构建“梯次时变双驱映射”的风险映射核心技术。在监测数据庞大、准确、完整的前提下，设计一种多级分发映射模式，提出控制关联模型、系统理论过程分析相融合的要素分析方法，采用数据映射和机理映射双驱动的方式对燃气管网环境监测数据进行风险要素机理映射，以及对管道自身信号进行实时无监督学习聚类监测，达到异常工况分析的目的，实现“数据—风险”映射。

核心技术六：针对数据“不简洁”问题，提出“压缩感知智能转储”二维信号压缩感知核心技术。在混合式全分布式光纤传感技术的多维感知体系监测数据基础上，构建图片式二维信号压缩感知处理体系，提出粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)+深度网络+快速鲁棒性特征+颜色直方图的信号混合特征提取算法，在保留信号特征的前提下，对数据的硬盘空间进行图片式压缩并辅以阈值分割的方法，对图片进行增强，解决数据存储处理效率与采集效率不对等的问题。

3 评估融合

本文形成城市燃气管网动态风险评估方法体系，解决城市燃气管网风险评估缺乏有效性、完整性的难题，具体包含如下3个方面：

评估融合一：构建城市燃气管网复杂系统失效场景衍生聚变的综合风险评估模型。通过分析城市复杂系统中各生命线子系统间的相互影响，建立基于子系统事故衍生耦合聚变效应的燃气管网风险评估模型(如图2)，解决城市燃气管网风险评估中完整性的问题。

图2 系统耦合关联图Fig.2 The correlation diagram of the system coupling

评估融合二：构建异源异构数据实时监测的燃气管线动态风险耦合预警模型，如图3。在研究外荷载下城市燃气管线结构损伤机理和实时监测信号异常特征的基础上，结合管道形变极限失效机理和异常特征判别，以状态空间分析技术和人工神经网络模型为基础，建立基于实时监测数据的城市燃气管线动态风险预警模型，实现对调压站土壤冻胀、建(构)筑物占压、地质断层、交通震动等影响下燃气管道失效风险进行实时预警，解决风险评估预警实时、动态不足的问题。

图3 失效风险诊断过程示意图Fig.3 The schematic diagram of the failure risk diagnosis process

评估融合三：提出井、线、网梯次递进的燃气管网失效风险分析技术。①提出含缺陷的闸井和管道的失效评定方法。针对燃气输配系统关键环节—闸井和含缺陷燃气管道，根据J积分的等效原场应力方法推导得到新的失效评定曲线，用于含缺陷的闸井和管道的失效评定。②开发基于大数据处理和智能分析技术的管网寿命预测及工作诊断自动预警技术。突破燃气管道寿命预测技术瓶颈，揭示管网腐蚀大数据与泄漏事故间的相关性，建立融合管道精准位置、土壤腐蚀性、防腐层监/检测数据、阴极保护及交直流干扰等因素的管道腐蚀防护系统剩余寿命预测模型，结合管道寿命历史数据，实现城市燃气管网腐蚀状况综合评价和寿命预测。③建立基于故障连锁传播模型的燃气管网风险预测方法。鉴于城市燃气系统网状结构现状，建立基于故障连锁传播模型的燃气管网风险预测方法，可解决城市燃气管网局部泄漏故障对整个管网上用户影响的风险的综合预测问题。

4 管控融合

针对城市燃气管网管控孤缺的难题，从理论、架构、平台3个方面提出管控融合技术体系，具体内容如下。

管控融合一：最小控压单元风险管控方法。基于精细网格的压力递减原则，以“影响用户最小的控压区”为单位，综合作业时间、影响范围等多种风险因素，划分出独立的最小控压单元网格。根据此方法，将北京燃气管网划分为2 096个最小控制单元，每个最小控制单元配备完备的数据信息及应急预案，实现管网突发事件的快速高效处理，减少因相关数据核查而带来的次生灾害的发生。例如根据六回北侧抢修预案作业图，确定传统的应急抢修影响区域为三合南里中压A1-A6箱区域，但是采用此方法应急抢修影响只涉及三合南里中压A4箱区域，如图4。

图4 管控方法的影响区域对比图Fig.4 The comparison chart of the influence area of management and control methods

管控融合二：提出“梯次运行”智能调控方法，构建针对性强、覆盖面全的成套应急决策关键技术架构，形成系列标准。主要包括应急综合指挥调度方法、应急模拟演练辅助决策技术、带气不停输作业应急智能控制技术、基于北斗精准定位的燃气管网腐蚀控制技术、基于数据挖掘的城镇燃气埋地管道第三方施工破坏可能性预测方法、多处理单元联合威胁识别模式与预警技术、燃气管道无缆检测机器人无线通讯系统及通讯方法、声表面波变形监测及预警系统、适用于城市环境的小区域雷击精准定位和防护方法。在整个风险管控体系和平台作用下，对传统风险管控模式进行升级，由被动、孤缺模式转变为主动、可控模式，形成《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》《调压站(箱)运行维护检修规程》《燃气管网运行、维护、检修技术规程》等10个国家/行业及地方标准。

管控融合三：搭建超大城市燃气管网风险管控平台，建立燃气管网风险要素数据库，为智能管网建设提供技术支撑和决策依据，全面提升超大城市燃气管网风险管控能力，实现管线剩余寿命预测、危险区域辨识、管网故障诊断和事故预警，并自动生成处置流程与处置方案，率先建立燃气管网五级泄漏管控机制。平台架构分为“数据采集层、数据整理层、评价模型算法层、业务管理层、统计报表层”，如图5。数据采集层是根据自动监测、人工巡检、机器巡检等数据；数据整理层主要是考虑数据完整性及数据结构化的问题，主要涉及设计数据、施工数据等10大类数据；评价模型算法层是针对高压、次高压、中压等不同压力级制管网的评价算法模型；业务管理层针对城市燃气管网13大类88子类的业务数据进行评价搭建；统计报表层分为数据可视化、智能增删改查、多维数据分析及管网地图。

图5 城市燃气管网风险管控体系Fig.5 The risk management and control system for the urban gas pipeline network

5 实施效果

本文依托于北京市燃气集团有限责任公司开展实验验证与应用推广，形成世界上规模最大、数据最完整、覆盖时间最长的城市燃气管网风险监测数据库，拥有600万用户量的数据，数据库覆盖10年，针对“六核”数据融合技术体系的实施效果，见表1。

表1 “六核”数据融合技术体系的实施效果Tab.1 The implementation effect of "six-cores" data integration technology system

续表

针对城市燃气管网动态风险评估方法体系融合的实施效果，一定程度上提升了管线故障预警的准确率，实施效果，见表2。

表2 评估融合技术体系的实施效果Tab.2 The implementation effect of the evaluation integration technology system

管控平台的搭建和广泛推广应用，完成超大城市燃气管网“一张图”管理，实现多维运营数据与位置数据有效关联，有效地起到辅助生产运营决策的作用，实现超大城市燃气管网从事件预防到风险管控质的转变，实施效果，见表3。

表3 管控融合技术体系的实施效果Tab.3 The implementation effect of the management and control integration technology system

6 结论

本文构建城市燃气管网数据融合、评估融合、管控融合的“三融六核”技术体系，以解决数据存在的“不完整、不准确、不系统、不凝聚、不清楚、不简洁”6个方面问题；提出城市燃气管网动态风险评估方法；在上述方法的基础上搭建城市燃气管网风险管控平台，为智能管网建设提供技术支撑和决策依据，全面提升城市燃气管网风险管控能力，对全国城市燃气管网风险管控具有借鉴意义。