挖掘机械第三方施工预警系统的开发及应用

张东京，闫长征，张梦奇，孙向荣

山东省石油天然气管道保护服务中心（山东 济南 250012）

0 引言

石油天然气长距离输送管道是油气资源和市场之间的桥梁，在国家能源安全中具有举足轻重的作用。2020年底，我国石油天然气管道的总里程已达到了17.5×104km[1]，沿途地形地貌复杂多变，存在较大安全隐患。众所周知，油气长输管道内介质的易燃烧、易爆炸、高压力等特点，决定了一旦发生泄漏，极易引发爆炸或者火灾，造成严重后果。2013年11月22日，中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线在青岛市黄岛区破裂，事故共造成重大人员伤亡，直接经济损失7.5亿元。2020年3月15日，尼日利亚拉各斯州发生一起油气管道爆炸事故，造成20人死亡、100多座房屋被毁，约1万人流离失所。由外部因素导致的油气管道事故中有高达61%[2]是由违规施工造成的，因此做好违规施工预警的工作，对于保护管道安全至关重要。

当前，第三方施工预警的方法和手段主要包括人工巡线预警、视频监控预警、光纤管道预警、无人机巡线预警等。

人工巡线预警由巡线人员在管道上方徒步踏线，及时发现管道周边的问题隐患并进行预警，可以保证预警的准确度。但是传统的人工巡线工作量大而且条件艰苦，特别是对山区、河流、沼泽、以及无人区等地的石油天然气管道的巡检，或是遇到冰灾、水灾、地震、滑坡等自然灾害，所花时间长、人力成本高，无法实现油气管道沿线24 h实时预警。

视频监控预警系统[3-8]对油气管道高后果区等实时监测和安全管控，可以做到全时段预警，但是出于成本考虑，视频监控系统仅安装在人员密集型高后果区、管道交叉穿跨越等重要敏感点位，无法实现油气管道沿线全线预警。

光纤管道安全预警系统[9-16]实现了对人为或机械动土施工等可能威胁管道安全的事件，全时段、全线路预警，及时将预警情况通知管道维护人员，有效避免管道事故的发生。但是光纤预警存在较高的误报率，增加了预警处置成本。

无人机巡线预警系统[17-20]具有一定优势，无人机机身轻巧，并装载有先进的航测系统，巡线成本低，不受地形环境限制，巡检效率高。但是无人机巡线受天气等自然条件影响较大，做不到24 h实时预警。

综合以上预警方法的特点，研发了挖掘机械第三方施工预警系统，成功地应用于山东省油气长输管道上，数据显示，该预警系统可以实现油气管道全线路实时高精度预警。

1 业务流程设计

挖掘机械第三方施工预警系统由地理信息系统和北斗定位系统等部分组成。将北斗或GPS全球定位系统部署在施工设备上，及时准确定位其坐标，监控其动力臂机构启动及运行情况。当施工设备行驶至油气长输管道两侧50 m（根据GB 20369—2014《油气长输管道工程施工及验收规范》及目前最长的挖掘机械动力臂长度测算）范围内时，预警系统跟踪并记录施工设备运动轨迹。当施工设备动力臂机构启动时，预警系统通过调取第三方施工数据库，查询挖掘设备所在位置有无第三方施工备案，如果有备案，则不进行预警，如果没有备案，预警系统即以声音、图像等多种方式发出预警，自动以短信和电话形式将预警类型、位置等详细信息发送当地管道保护部门和单位。管道巡护人员可通过短信位置链接迅速赶往现场精准处置预警信息，充分防范油气管道遭受破坏，避免事故发生。第三方施工预警系统的高灵敏度、零误报率等特点，在预防第三方施工破坏上实现了全线路、全时段的预警，大大减少巡护人员数量，充分降低巡护工作强度，显著提高了管道保护的技防水准。业务流程设计如图1所示。

图1 业务流程设计

2 预警系统组成

第三方施工预警系统由前端数据采集设备、传输网络、施工预警平台3部分组成（图2）。

图2 预警系统组成

2.1 前端数据采集设备

数据采集设备内嵌于挖掘机械仪表盘内，防止人为及外力的损坏；设备采用GPS或北斗定位（图3），对施工设备进行24 h精准定位；并能够获取挖掘机机械臂作业情况。

图3 前端数据采集设备

2.2 传输网络

系统通过数据采集设备收集到的施工设备位置信息和机械臂作业信息，通过Interner技术、无线通讯技术、物联传感技术上传到数据库，进行云计算和大数据分析。

2.3 施工预警平台

施工预警平台由数据库、调度中心、监控大屏等组成（图4）。数据库将云计算和大数据分析后的结果反馈到调度中心和用户客户端，对施工设备的施工作业行为进行预警。

图4 施工预警平台

3 开发环境及应用

3.1 系统开发环境及特点

该系统开发采用直接面向对象的Java语言，该语言具有卓越的通用性、高效性，平台移植性及安全性[21]。系统编程采用Springboot+vue主流框架实现前后端分离，开发更加便捷快速。管道坐标等数据存储采用Oracle空间数据库，处理速度快、安全级别高、稳定性强，便于程序开发。管道沿线地理信息系统（GIS）系统基于地理信息公共服务平台（天地图），天地图通常为政府部门所使用，权威性强、准确度高。

该系统以解决问题为出发点，积极开拓思路，从第三方施工机械所属企业这个源头上控制破坏管道的行为，为管道保护提供有效解决方案，有效发动了管道保护涉及的各有关部门和单位积极参与，督促了有关企业及主要负责人承担政治和社会责任，保证管道安全平稳运行。

该系统部署在山东省政务云平台。云平台建设周期短，最快服务器部署可以到分钟级，提高了工作效率；云平台运行成本低，可实现业务应用软件与物理基础设施、IT资源所有权与使用权的分离，降低设备采购成本；云平台集约化、专业化、市场化强，可实现跨部门信息资源共享与业务协同。

3.2 应用实例

山东省长输油气管道总长度近1.3万km，安全管理责任重大，推广山东省境内的挖掘机械安装全球定位设备，可在全省范围内实现有效预警。系统目前处于试运行阶段，已在40台挖掘机安装全球定位设备并对其位置实时监控，平时并不干预施工挖掘机械的正常工作，对管道周边50 m范围内的挖掘机械施工及时、准确地实现了预警。2021年7月8日,一台挖掘机进入潍东线天然气管道途径寿光西立交西北寇家六村管道50 m范围，系统跟踪并记录挖掘机械运行轨迹（图5），15时32分，挖掘机械动力臂机构工作，平台进行预警并分别给管理相关管道企业负责人及当地油气管道保护主管部门负责人发出预警短信息（图6）。当地管道企业立即赶赴挖掘机施工地点核实情况，企业立即派出巡线工作人员进行实地核实：挖掘机正在开展土石挖掘工作，随即对挖掘机手进行现场管道保护宣传，以确保管道安全。

图5 进入预警监控范围

图6 发送预警信息

4 结束语

目前，第三方施工预警系统正在试运行，可准确跟踪已安装北斗或GPS定位系统的挖掘机械，出现异常情况及时发出预警，实现零误报率。未来推动更多挖掘机械安装定位设备，将有利于更好地开展油气管道保护工作。

石油天然气管道主要分为输送天然气的管道和输送石油的管道，对于输气管道来说，管道保护侧重防止挖掘机等施工机械对管道本体的破坏；对于输油管道来说，管道保护侧重防止定向钻等工程机械实施打孔盗油的违法行为，因此建议将定向钻等工程机械设备安装GPS或北斗定位系统并纳入监控范围，及时反馈定位、发出预警，确保安全。

在油气长输管道企业组织管道铺设、改线、焊接等作业，选择施工单位时，可将施工单位所用挖掘设备是否安装北斗或GPS全球定位系统作为重要参考，倒逼各施工单位提高管道保护意识，主动接受监管。对施工机械操作手施行准入制度，对其进行挖掘机驾驶员安全操作规范、《中华人民共和国石油天然气管道保护法》等内容考核，明确管道安全施工范围和注意事项，通过考核与培训的操作手才有资格参与相应的工程建设。管道运营方应将挖掘机操作手资料录入第三方施工预警系统，及时进行线上汇报。组织现场施工时，由管道运营方技术人员按照《油气长输管道工程施工及验收规范》要求，开展旁站监督，确保在管道、光缆走向确定的前提下安全可靠作业。管道运营企业按照石油天然气管道第三方施工技术要求，加强对现场开挖作业的风险识别与管控，制定相应的应急处置措施，确保施工安全可靠。

目前，山东省已在人员密集型高后果区安装视频监控，第一时间将画面回传至视频监控室，并且视频监控系统已经与第三方施工预警系统互联互通，及时处理现场违章作业，避免误操作。未来，可考虑将挖掘机械第三方施工预警系统充分融合其他系统，统一接口标准，共享系统数据[22]，全面保障油气管道安全。