基于北斗精准定位技术的城市燃气管道泄漏检测方法

周中伟，龚小飞，黄 强，郑显丰，杨 忠

(重庆燃气集团股份有限公司管道维护分公司，重庆 400020)

由于燃气本身具有易燃、易爆和易扩散的特性，其运输管道及附属设施在制造、转移和安装等环节均存在不确定因素，容易导致燃气泄漏。燃气管网涉及的地区较广，且深埋于地下，其位置具有隐蔽性，不利于实时监控和维修，加之受到周围环境腐蚀、电流干扰和意外破坏等因素的影响，燃气泄漏的风险也随之增大，可能导致火灾和爆炸等事故的发生，威胁到人民群众的生命财产安全。因此，为了避免燃气管道泄漏事故的发生，需要对其进行全天候不间断检测。

1 常见的城市燃气管道泄漏检测技术

1.1 直接检测

1.1.1 超声波检测

该技术主要是在管道内加设能发出超声波的设备，通过检测其信号来判断燃气泄漏情况[1]。采用该技术能够精准地判断发生泄漏的具体位置，出现误报的可能性较低，但其缺点在于检测成本较高，只能够进行间歇性检测。

1.1.2 传感器检测

这种检测方法主要是在管道外侧平行铺设光纤或者电缆，再将其连接传感器，当燃气管道发生泄漏时，传感器会及时地发出警报，并对泄漏位置进行精准定位和检测[2]。其检测方式具有灵敏度较高的优点，但是其价格昂贵，不利于大范围应用。

1.1.3 声发射检测

城市燃气管道发生泄漏时天然气会沿着缝隙向管道外喷射，在这个喷射的过程中会振动产生声波，利用声波对泄漏点进行检测，具有灵敏度高和定位精准的特点。

1.2 间接检测

1.2.1 压力法

压力法的主要原理为通过观察燃气管道压力变化，判断管道是否出现泄漏情况。压力法具有较强的实用性和较高的检测灵敏度，在实际应用中优势较大。

1.2.2 质量平衡法

质量平衡法利用流量计、温度计及压力表等测量仪器，根据气体物质的质量守恒定律对泄漏点进行检测。该方法能够实现对管道的实时连续监控，可以发现燃气的微弱泄漏情况，但是无法确定其具体泄漏位置，精准定位功能不佳。

1.2.3 基于数学模型的检测技术

基于数学模型的检测技术主要包括系统辨识法和滤波器法等[3]。该方法利用掌握的数据信息建立数学模型，定位管道泄漏点，成本较低，但其泄漏定位精准度不高。

1.2.4 基于神经网络的检测技术

基于神经网络的检测技术通过将管道的运行条件以及泄漏信息统一地输入到信息系统中;经过信息系统建构，可实现对燃气管道的泄漏检测定位。虽然其灵活度较高，但是对泄漏的定位精准度较低。

1.2.5 统计决策法

统计决策法是通过对比管道内进出口压力与流量的变化，并进行连续性计算，最终定位泄漏位置。

2 现有燃气管道泄漏检测方法的问题

燃气管道的安全检测早已成为燃气公司特别重要的工作内容，大部分公司都设有专业的泄漏检测设备、专门的检测队伍以及严格规范的要求和文件规定。但是现有燃气管道泄漏检测方法仍然存在一定的问题：

(1)检测效率低。目前比较常见的检测方式是人工检测，即在局部区域采用车载或者步行的方式进行定期巡检，检测区域仅仅停留在地面层，检测速度和区域受到限制，工作效率极低，检测周期较长，对于突发性事件缺少快速处理的能力，既没有预案，也没有最优的解决方案。

(2)覆盖范围小。现有的检测工作通常都是以已知管道为出发点，从管道上方和两侧入手，仪器覆盖范围较为固定。当检测位置与管道泄漏点存在一定距离时，容易出现检测盲区，检测范围受限。

(3)检测灵敏度较低。地下管网铺设较为密集，当地面积聚的甲烷体积分数小于1%时，检测设备就无法快速准确地判断泄漏气体的来源，使检测灵敏度降低，增加了检测时间，影响管道维修的工作效率[4]。

(4)定位精准度低。现有的检测方式受到很多因素的制约，难以精准定位，无法及时地找到与泄漏点对应的地面位置点。天然气长期积聚与扩散，存在较大的安全隐患。

3 北斗精准定位技术分析

3.1 北斗精准定位系统

截至目前，国内卫星定位技术取得了重大突破，国内已经自主成功发射了43颗北斗卫星，并且完成了北斗三号系统星座的所有部署任务。北斗精准定位系统是由国内自主研发的可实现全天候实时检测的精准服务系统，主要包括空间终端、地面终端和用户终端三个终端，系统的几大优势总结如下：

(1)系统覆盖范围广，而且定位极其精准；

(2)导航定位能够与通信集成，定位精度和授时精度特别高，且系统具备双向短报文通信的功能；

(3)具有融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大核心资源的能力；

(4)能够为集团用户提供大范围的远程监控管理、远程数据采集及传输应用等功能；

(5)采用混合星座定位模式；

(6)兼容性特别强；

(7)系统由国内自主研发和控制，安全保密性极强。

近年来，国内燃气管道高速发展，几乎遍布了所有城市，虽然为人民的生活生产提供了很大的便利，但同时也增加了无处不在的安全隐患，一旦发生燃气泄漏事故，就会在瞬间引发爆炸，导致巨大的人员伤亡和财产损失。由于燃气管网通常安置在城市地下，采用常规检测手段很难发现其异样和泄漏程度，而采用北斗精准定位技术能够快速有效地解决这一问题，为天然气泄漏的检测提供了重要的技术手段[5]。

3.2 北斗精准定位技术的工作原理

基于北斗精准定位的燃气管道泄漏检测系统如图1所示，主要包括北斗定位装置、泄漏检测装置、用户终端和云服务平台等[6]。

图1 北斗精准定位泄漏检测系统

北斗定位装置的主要作用就是收集系统采集到的燃气体积浓度值，在燃气泄漏事故发生时提供精准定位；用户终端主要通过与系统的实时连接来实现实时通信，数据经处理后显示在终端设备上；云服务平台与用户终端相连，其主要作用就是进行数据传输。在网络畅通条件下，两者可以实现数据交互，在日常巡检过程中，终端只需采用蓝牙等方式进行联通。将北斗定位装置与泄漏检测装置进行集成，可实现数据的融合，保证检测位置与实际位置的统一；对现场的作业实况进行精准监控，有助于现场作业的便捷操作；基于蓝牙技术实现无线连接和实时上传数据功能，并保留历史数据，为数据的统计整理提供了有利条件。

4 北斗精准定位技术的应用

4.1 城市燃气管道泄漏风险因素识别

根据现有的城市燃气管道风险管理指标，国内外很多学者建立了城市燃气管道泄漏风险评价模型，综合分析了城市燃气管道发生泄漏的可能性；又基于故障树模型，详细分析了造成城市燃气管道泄漏事故的内外部风险因素，并对其进行了预测和诊断，从而归纳出城市燃气管道泄漏风险管理要点[7]。

据统计，城市燃气管道泄漏的最大原因是管道腐蚀，其次是自然环境以及人为因素。管道腐蚀主要是因为管道自身存在缺陷，管道服役时间太长，且受到管外的腐蚀环境影响。管道缺陷不仅会影响管道的强度及耐腐蚀性，使管道发生穿孔或者破裂，而且同样会使伴随的管道附件发生泄漏、断裂或穿孔。在城市中建筑密集、人流量大、社会活动比较频繁并且规模较大，由于施工不当导致燃气管道破坏，也有可能使燃气管道发生泄漏。除此之外，土壤的自然沉降以及气象灾害等自然环境的影响，均可造成管道破裂和燃气泄漏事故的发生。

为进一步有效判别城市燃气管道泄漏的原因，详细阐述造成事故发生的影响因素，建立了故障树模型，如图2所示。故障树模型中包含多个中间事件，为事故发生的主要影响因素。

图2 城市燃气管道泄漏事故故障树

4.2 北斗精准定位技术的实际应用

4.2.1 实时掌握现场情况

在城市燃气管道泄漏检测的实际应用中，北斗精准定位技术可以快速有效地将检测数据与精准定位数据进行融合，并将其上传至后台系统中，为以后的研究和应用奠定坚实的基础。通过该技术不仅可以实时掌握现场情况，及时发现检测盲区，而且能够积累并保存重要的历史记录，对历史数据进行整理分析后可以计算管道的风险状况，并预测管道泄漏风险，有利于开展下一步的工作计划和优化设计[8]。在日常巡检过程中，只要保证同一个人、同一个巡检车或经过训练的巡检犬等处于同一个移动体就能完成巡检任务，然后通过蓝牙将采集的数据信息传输至手持终端。

北斗定位装置能够收集实时数据，实现影像图与网图的相互切换，形成丰富的地图种类、设备层以及管线层，可以体验到多种场景的真实效果。

4.2.2 为预案设计提供数据支持

北斗精准定位系统不仅能够准确无误地记录燃气泄漏位置的数据信息，而且可以迅速地采集燃气浓度数据。首先，在日常巡检工作中，工作人员手持终端就可以接收系统实时传回的数据信息，每个点位的测量记录均由浓度轨迹逐渐叠加而成，因而地图可以直观地展现区域内的现实情况，工作人员通过查看地图就能够清楚地掌握区域内的燃气泄漏情况。同时，工作人员根据实际需要可将数据划分为安全数据、边界数据和危险数据三类。在数据记录过程中一般将异常数据标记成不同的、醒目的颜色，能够清楚地指示监测区域的泄漏情况，为预案设计提供重要的数据支持。

4.2.3 实现协同作业与数据的实时共享

工作人员可根据实际情况，对疑似泄漏点进行实时标记，相应地添加实时数据信息，并将其上传至云服务平台，及时记录并保存关键数据信息，为应急作业提供参考性意见，使云服务平台能够系统全面地掌握全部区域内的泄漏检测情况。同时，工作人员通过地图与手持终端也可以查看最新的上传记录，实现数据的实时共享，有助于更加便捷及时地开展协同作业。

5 结束语

城市燃气管道工程是极其重要的民生工程，燃气管道的安全十分重要。为了避免燃气管道泄漏事故的发生，保证人民群众的生命和财产安全，需要应用泄漏检测定位技术对其进行有效地检测。由于北斗精准定位技术能够实时获取管网压力、燃气浓度以及精准位置等关键信息，显著降低了燃气泄漏事故发生概率，从而快速有效地解决了生活中的实际问题。