信息技术在城镇燃气管道完整性管理的应用

马 彬，王会师，马旭卿，马瑞莉

(北京市燃气集团研究院，北京 100011)

1 概述

近年来，中国城镇燃气管道建设步伐不断加快，据住房和城乡建设部统计数据，截至2021年，城市天然气、液化石油气、人工煤气管道长度分别达92.909×104、2 910、9 165 km。物联网、大数据、卫星定位导航、云计算等先进技术与燃气管道的建设创新融合，成为实现管道可视化、数字化、智能化管理的重要途径。各地通过不断努力，大力发展管道智能化建设，已经建成了一批智能化管道系统。与此同时，信息技术在中国城镇燃气管道完整性管理多个环节的广泛应用，推动了完整性管理向全新的智能化管理水平迈进。

智能化的完整性管理有别于传统的完整性管理，在利用先进技术及管道全生命周期的海量数据基础上，实现燃气管道全生命周期的完整性管理，打破信息孤岛，实现数据全面统一、感知交互可视、各管理系统融合互连、运行智能高效、应急预警可控的智能化运行。

2 燃气管道完整性管理面临的问题

2.1 管道数据采集环节

管道数据采集是通过终端设备采集管道本体数据、位置数据、运维数据、环境数据，存在不同程度的采集困难[1]。

① 在管道本体数据采集环节，由于燃气管道网状布局、开挖困难且受其他市政设施影响，燃气管道的内检测、非开挖检测方法很难在全部燃气管道推行，管道剩余壁厚、管道腐蚀缺陷尺寸等管道本体数据只有通过开挖才能采集到。管道本体数据采集不完整，很难对管道进行定量的完整性评价。

② 在管道位置数据采集环节，虽然大部分埋地管道位置数据可以被采集到，但在一些高楼密集、树林、大桥等卫星信号受遮挡或干扰的城市复杂环境(通常被称作城市峡谷)中，卫星信号会受到建筑物的遮挡或多次折射，从而导致定位精度不高，甚至出现无法定位的情况[2-4]。

③ 在管道运维数据采集环节，确定管道泄漏点的精确位置，主要采用人工打孔检测的方法，依靠检测人员的经验去判断泄漏点的位置。

④ 在管道环境数据采集环节，过去很长一段时间内没有开展该类数据的采集工作。

2.2 管道数据传输环节

以前的数据传输方式普遍是现场运维人员将管道数据通过现场记录[5]、上门抄表等方式，先纸质记录，事后录入管理系统。在这种数据传输的过程中，很容易出现人工摘抄错误、纸质记录丢失、上报不及时等问题，未实现数据实时传输，不能实时掌握管道情况。

2.3 管道数据管理环节

管道数据管理是储存和管理各种传输上来的管道数据。对各业务环节传输的管道数据，通过统一的编码体系，分别储存在各个专业数据库中，形成共享数据中心，提供统一的数据访问服务[6]。在管道数据管理环节存在的问题有以下两个方面。

① 缺乏数据对齐。燃气管道完整性管理是一项系统工程，应贯穿燃气管道全生命周期。在数据管理方面，燃气管道在设计、施工、运行、监控、维修、抢修、报废等全生命周期的数据，分散在各业务环节的运维系统中，每个环节都有不同的编码，很难将各业务环节产生的数据与管道对齐[7]。

② 存在信息孤岛。燃气管道全生命周期产生的数据分散在企业不同的业务管理系统中，如工程管理系统、用户管理系统、安全管理系统、应急指挥系统、设备管理系统、生产作业管理系统、GIS、SCADA系统等，缺少统一的管理平台，各业务环节产生的数据不能高效地共享与更新，不便于整体把握管道状态。

2.4 管道数据应用环节

管道数据应用主要是对共享数据中心的海量管道数据进行深度挖掘，实现对燃气管道的风险评估、智能调度、智能应急、故障诊断、智能决策，但在技术上还存在一些困难[8]。

① 对管道数据的深度分析不足。在风险评价中，传统的完整性管理主要依靠专家打分等定性或半定量的手段，过于依赖专家的经验，并不是很客观。缺乏对燃气管道的大数据分析，识别隐患、事故预警等方面还存在很大的局限性。

② 燃气管道管理的可视化程度不够。燃气管道覆盖面积以及复杂程度不断增加，管理可视化的需求也相应增长。例如，在管道抢维修作业、应急演练及应急指挥等方面，若无法实时监控与分析现场情况，便不能及时有效地辅助调度指挥。

3 新一代信息技术的应用

随着新一代信息技术的迅速发展与深入应用，云计算、物联网、人工智能、大数据分析、北斗定位导航等技术与工业生产的应用融合不断增强，为燃气管道完整性管理提供了一系列具有可行性的核心技术。这些新技术提高了燃气管道的感知能力、数据实时传输能力和对数据的深度分析能力，推动我国城镇燃气管道完整性管理逐步迈向全新的智能化时代。本文介绍一些新技术的应用进展。

3.1 智能测试桩[9-11]

测试桩是阴极保护系统中必不可少的装置，主要用于获取运行参数，一般沿输配管道每1～2 km设置1支。以往，多由运维人员使用万用表等测试仪器进行阴极保护运行参数检测，效率低、可靠性差，难以满足管道阴极保护监测的需求。

为实现阴极保护运行参数自动采集、传输、分析和处理的目标，加装智能测试桩(见图1)和测试桩远程监测管理系统。智能测试桩每天定时自动采集通电电位、断电电位、腐蚀电流、智能测试桩自身电池电压等数据，通过4G或NB-IoT网络定时上传监控中心。通过智能测试桩，运维人员可以及时掌握管道阴极保护和腐蚀情况，降低管道因腐蚀而泄漏的风险。

图1 阴极保护智能测试桩

3.2 高精准激光检测车巡检

高精准激光检测车(简称检测车)以车辆为载体，将燃气分析仪、北斗精准定位模块、风速仪相组合，运用全球领先的激光分析技术，依托北斗精准服务网和大数据模型算法，将检测的地理位置坐标、气体浓度和风速仪测得的数据结合计算，实现泄漏点范围、气体性质(天然气或沼气)的快速精准判断[12]。

检测车巡检适合燃气管道和厂站的大范围燃气泄漏巡检，快速定位泄漏区域。检测车的检测分辨率比燃气泄漏检测仪灵敏1 000倍，检测到的燃气体积分数达10-9数量级。检测车能够以60 km/h的速度进行检测，覆盖区域很广，可以在距离泄漏源100～200 m范围内检测出燃气泄漏。图2为检测车巡检燃气厂站，图3为检测车巡检燃气厂站所得到的检测云图。

图2 检测车巡检燃气厂站

图3 检测车巡检燃气厂站所得到的检测云图

3.3 燃气防爆智能巡检机器人[13-15]

近年来，燃气事故应急处置工作中专业检测技术装备不足，处置任务风险因素多、危险性高、协同调度复杂的问题尤为突出。防爆智能巡检机器人(简称防爆机器人)可全方位替代人工执行生产现场安全隐患巡察探测工作，实时远程在线编辑巡检任务并设置巡检路线，满足各类工业化场景全天候高频次的巡检需求，可采集管道运行数据及环境数据，并实时传输检测数据。防爆机器人代替人工进入危险区域执行大量巡检任务，能够保障人员生命安全，提高企业生产效益，降低安全风险隐患。

燃气防爆智能巡检机器人(见图4)融合北斗、多维传感器、物联网络、人工智能、机器人技术于一身，配备高清摄像头、热成像仪、甲烷气体遥测仪、在线式甲烷传感器、音频传感器、温湿度传感器等巡检设备，内置多种算法，可应用于天然气厂站、LNG厂站、易燃易爆现场，自动进行巡检，智能识别仪表、阀门、非法进入人员，能够全天候执行燃气泄漏巡检、应急处置、厂站边界防护等任务。

图4 燃气防爆智能巡检机器人

3.4 云台式激光甲烷遥测系统

云台式激光甲烷遥测系统采用激光探测技术实现对厂站等燃气设施甲烷泄漏的遥测，其主要设备是激光甲烷遥测仪。激光甲烷遥测仪安装在云台上，可以主动发射激光，当激光通过天然气气团时，甲烷气体对该激光产生吸收[16]，吸收后的激光经过实体壁面漫反射后被激光甲烷遥测仪接收，经过数据采集和处理得出甲烷体积分数。激光甲烷遥测仪(见图5)可实现全自动运行，将视频监控技术与激光甲烷泄漏监测技术融合，提高了自动化监测水平。

图5 激光甲烷遥测仪

3.5 燃气智能调压系统

燃气智能调压系统主要包括：PLC 控制器、进口压力变送器、进口温度变送器、 进口压力表、带阀位开关的进口球阀、带压差变送器的过滤器、智能调压器、出口压力表、出口压力变送器、出口温度变送器、带阀位开关的出口球阀。该系统具有远程监控功能、故障自诊断功能、流量模拟功能、数据查询功能、统计分析功能[17]。通过采集进出口压力、进出口温度、流量、过滤器压差、智能调压器的阀口开度、进出口球阀启闭状态等数据并实时远程传输，自动诊断调压器出现的故障。

3.6 燃气智能阀井

燃气智能阀井可以解决人员日常巡检存在的劳动强度大、工作效率低、巡检质量差、存在安全风险等问题[18]。燃气智能阀井主要由井盖防侵入模块、阀井监控模块和阀井监测模块组成。井盖防侵入模块设有传感器，基于LoRa或其他超低功耗的无线自组网通信，将井盖状态实时传输到监控中心，实现对井盖位置、开启状态的实时监控。阀井监控模块可以在井盖被移动的瞬间向监控中心发送报警信息，并实时传送阀井位置数据，方便巡检人员精确排查。阀井监测模块设有多种传感器，采集阀井内可燃气体浓度、水位、温湿度等数据，实时传输到监控中心，可有效减少阀井内由燃气泄漏导致的爆炸等事故，提高阀井监控、排查及应急响应效率。

3.7 燃气管道第三方破坏预警技术

燃气管道第三方破坏预警技术主要涉及分布式光纤、埋地声学传感器、视频图像处理[19-21]，其中应用最成熟的技术是分布式光纤预警技术。该技术利用与管道同步敷设的光缆，采集管道沿线的土壤振动信号并实时传输到监控中心。监控中心对各种信号进行处理，对可能危害管道安全的动土事件进行报警。

3.8 多传感器数据融合定位

在城市复杂环境中，采用多传感器数据融合定位(见图6)。定位装置包括中央处理单元、GPS传感器、北斗传感器、惯导传感器，内置GIS地图。GPS传感器、北斗传感器分别输出基于GPS卫星信号、北斗卫星信号解算出的位置信息，惯导传感器输出基于陀螺仪和加速度计测量数据解算出的惯性参考坐标系中的位置信息，通过GIS地图将位置信息匹配在地图上。通过对多传感器的输出数据进行融合，实现有信号遮挡复杂环境下管道定位，解决了现有卫星定位设备存在的在城市中高大建筑物、立交桥、树林等复杂环境中受到干扰而很难精准定位的问题[22]。

图6 多传感器数据融合定位

3.9 基于NB-IoT技术的智能燃气远传抄表系统

传统的燃气抄表方式采用人工抄表，这种抄表方式存在入户困难、抄表效率低、管理费用高、数据实时性差等弊端[23]。基于NB-IoT技术的智能燃气远传抄表系统解决了上述问题。智能燃气远传抄表系统通过燃气表内终端模组实时采集燃气表工况数据，通过NB-IoT网络把采集到的工况数据发送至监控中心，监控中心对采集到的工况数据进行诊断分析，实现对燃气表读数、用气量、电池电量、是否开盖、阀门状态的监测，发现异常及时报警。

4 总结与建议

信息技术的迅速发展带动了城镇燃气管道完整性管理的智能化发展，随着大数据、人工智能、物联网技术的应用，涌现了许多智能化的终端设备和系统，提高了燃气管道数据采集、传输、分析能力，城镇燃气管道完整性管理已经进入智能化时代。未来将继续结合高度发展的信息化和智能化技术，不断完善燃气基础设施，最终实现燃气管道的“安全、高效、清洁、低碳、智能”发展。

从燃气管道完整性管理向精细化和智能化发展角度，笔者建议从以下5个方向开展进一步研究。

① 对管道无损检测和无损评价结果中缺陷的性质、形状、大小进行判断和分类，并诊断管道服役状态，加强对管道本体关键数据的采集。

② 开发智能巡检、图像影像智能识别技术，使之成为管道风险识别、风险管理的重要手段。

③ 提高风险管控智能化水平，继续开发重要设备自诊断功能，提升设备自管理功能，降低故障率。

④ 全面提升应急智能化水平，对突发事故及时做出智能化应急决策和调度，实现远程指挥、远程协助等功能。

⑤ 进一步提高管道完整性管理平台智能化水平，提高平台的数据深度挖掘、数据建模、智能化决策水平。