智慧燃气的研究进展及应用

孙澜曦，孙沛，李刚 (北京市燃气集团有限责任公司，北京 100032)

0 引言

随着我国智慧能源领域的蓬勃发展，智慧燃气作为重要一环起到关键作用。智慧燃气相比传统燃气工程，具备数字化、信息化、智能化等优势，因此，传统燃气企业应当依托交叉学科的发展，将物联网、人工智能、GIS、云计算、大数据等多种技术应用于燃气工程中，通过智慧创新的方法突破技术壁垒和进行纵横双向深化发展，使建设施工、管网运营、燃气计量、安全巡检等多领域的工作效率、精确度、安全性显著提升。燃气企业可采用智慧燃气技术，创建数字化燃气管网运营平台、客户服务程序、智能化燃气设备、应急处置平台等，提高管理效率并且降低了安全风险，因此着力发展智慧燃气领域是至关重要的。本文研究了智慧燃气在建设、运营、计量、巡检四个方向的进展与应用特点，并且提出了各个方向存在的不足之处。

1 建设方向

BIM 技术在智慧城市的建设中起到了关键作用，而BIM 技术同样可以应用于智慧燃气的建设中。邹艳春等[1]以某液化天然气码头为工程背景，在revit 中搭建工作船码头模型，将每个预制构件进行数字编码，可得到构件明细算量；针对天然气码头桩基多且复杂的问题，通过模型深化可以提前优化桩位布置、沉桩次序等问题，实现施工指导功能；通过revit 导出取水口模型到有限元软件中进行内力计算，实现BIM与有限元的结合。肖诗凡等[2]指出BIM 技术在工程中具有模型信息化、可视化、参数化、协调性、模拟性、优化性、可出图性、三维联动性的优点，并以上海市某燃气项目为例，建立具有柱梁板墙等构件的建筑结构专业模型和具有管道、管件、表与阀门等设备的燃气专业模型，进行绘制出图和统计燃气设备数量、长度的明细表。朱琳霞等[3]利用revit 建立某燃气锅炉房进行可视化设计，比二维图纸更加直观获取燃气管道、冷水管与供暖循环泵等设备布局，通过碰撞检测功能，提前发现了出水管与冷水管的碰撞，从而提前避免了实际施工中的问题。黄仁强等[4]以液化天然气气化站为背景提出燃气设备族的建立方法，通过族样板选择、参数编辑、创建几何形体、添加连接件的步骤建立了燃气气动截止阀，并且以此方法建立了如气化器、调节阀等燃气工艺设备族库，为燃气场站建设提供了数字化模型基础。

将BIM 技术应用于智慧燃气的建设中，可使整个工程具有可视化、参数化与模拟性等功能，建立三维模型，将每一个构件输入信息参数，方便后期利用明细表进行输出和相关参数查询，如不同规格的管材用量、不同设备的数量、燃气办公楼的混凝土用量等；对于多管线设计时，可利用碰撞检测功能进行排查，提前避免碰撞发生，如风管与喷淋管碰撞、燃气管线未按照洞口位置穿墙等。BIM 技术可依据端口进行多种二次开发或者与现有有限元软件进行计算，如开发流体计算插件或者将revit 模型导入YJK 等结构软件中计算。利用revit、navisworks、fuzor、lumion等BIM 软件实现燃气工程的建模、漫游、施工模拟、成果展示等功能，有效提升工作效率和高质量管理。BIM 技术搭配无人机、三维扫描、AR、VR 等技术可应用于燃气工程的作业前安全交底、旧工程模型图纸还原、工程建设监督等多方面。但需要注意的是，燃气设备设施需要精细化建模，如不同类型调压器或调压站，当建模人存在技术问题，未能正确创建模型时，则会导致后续BIM 工作中获取信息出错和产生误导。此外，还需注意建模标准的统一性，每个子项目建模人员都需要采用一个标准，以免出现坐标错误、参数类别不匹配、构件族不统一的问题。

2 运营方向

燃气工程在前期建设完成后进入运营时，会出现系统不互通、运行维护事件信息滞后、人员分配不合理等问题，因此可采用数字化的方法予以优化。桂海峰等[5]归整了管网SCADA、GIS、巡检、客户服务的四个系统，通过SOA 技术架构将系统整合至一个智慧调度运营平台，节省了原有四个系统的维护费用，只需一个运营平台就可实现数据共享、信息联动功能。肖诗凡[6]利用BIM+AR+IoT 创建了智慧燃气运营保障平台，通过建立BIM 模型，利用AR 移动端设备进行日常运维检查，将发现的问题上传至运营平台，实现运维可视化、提升工作效率；依据运营平台，建立了运营保障标准化模式，在平台开发压力传感器、设备监控器端口，进行实时获悉关键数据，并且采用Client-Server 架构将数据可视化，从而起到安全运营的功能。张萌等[7]将智慧运营系统应用于邹平某燃气业务工作中，其中包含了管网巡视、设备维护、隐患管理、施工监护、应急抢险和危险作业管理六个模块，从而实现智慧运营管理。王孜等[8]研究了以成都市政府为组织者搭建的智慧燃气安全管理联动平台，重点对多家燃气公司户内燃气安全、立围管管理、管网巡检、场站安全等方面进行监督管理，既可以从政府的大局角度把控燃气运行和安全情况，又可以细化至户内和户外燃气设备设施的安全。

在智慧燃气中通过建立多模块集成运营平台，可以打破以往孤岛信息的情况。当在管线运行中发现燃气闸井的燃气浓度数值出现异常时，可将数据上传运营平台，此时可安排专业检测人员依据运营平台的GIS 定位前往现场进行复核检测，当经再次检测后发现闸井确实存在燃气泄漏的情况时，可将燃气泄漏浓度和现场情况报告传至运营平台，安排作业人员依据运营平台上呈现的燃气浓度和现场情况报告进行修复作业，同时可将有限空间作业方案在运营平台上编制和审批，其中还可以调取运营平台上作业闸井的控压单元方案参考，因此利用一个整合多模块的运营平台，将数据和工作流程进行共享，每个岗位的工作人员可以实时依据运营平台上的信息进行每个阶段的工作。但需要注意的是运营平台系统稳定性问题，当以往多个单模块的使用人都集中登录在一个整合模块的平台时，会出现登录用户过多，导致系统卡顿或无法登录的情况，影响各阶段工作进行，因此当运营工作集中在一个多模块融合平台上时，需要确保系统的稳定性和安全性。

3 计量方向

燃气计量研究是智慧燃气的重点领域，而燃气表则是燃气计量的核心之一，近年来利用智慧科技与燃气表结合的案例逐渐增多。段平刚等[9]采用一种无线智能燃气物联网的能量感知路由算法，能够有效平衡能量消耗，进而增加网络生命期和不增加路由跳数。宋洪儒等[10]通过测试指出利用NB-IoT 技术的燃气表可有效抵抗干扰，实现覆盖区域大和长距离数据信息传递，并且提供了控制系统的软硬件设计流程。王浩[11]开发出可适用于多种计量设备的智能燃气表控制器，把多计量方式的电路集成在计量板并且开发控制器的嵌入式底层程序，设计了实现主控板与计量板间稳定传输的通信协议，最终能够通过测试。李玉[12]通过集成燃气表的多个核心模块至一个检测装置，并且进行系统程序开发，能够通过性能测试，实现自动化检测和提升工作效率。翁庆武[13]针对基于NB-IoT 的终端燃气表存在缺乏访问认证机制、缺乏固件的完整性验证机制、易产生网络威胁、系统信息易泄漏、数据传输存在隐患等问题，采用SOTP 技术和构建移动安全基础架构，对燃气表完成软件升级改造，实现信息认证与数据加密，对燃气的安全防护提供了保障。卢其伦等[14]提出一种AI 机器人燃气表智慧检定系统，具有提高检定效率、降低人工成本、达到无纸化电子记录、系统可复制推广等优点，并且实现燃气表从仓储至装箱的全过程检测。范金晖等[15]以武汉市燃气企业为背景，指出IC 卡容易丢失、无法预测用气规律、气量超用等问题，提出物联网表具有气量模拟准确、结算便捷、远传阀控等优点。张子霖等[16]以某市试挂超声波物联网为例，结果表明采用超声波物联网燃气表的抄读成功率为96.77%，抄表准确率100%，设备完好率99%，抄表时间极短。此外结合国家、设备商、运营商的角度分析试挂过程中的运行问题与经验。

采用物联网与新工艺结合的方法，能够有效提升燃气表的使用质量。不论是采用路由算法、集成电路、程序开发和信息安全防护等方法，还是依托物联网、云计算等方法，均取得了较大的研究进展，在后续研究中，可以采用数字化、智能化手段来降低燃气表的制造成本、提升计量数据的准确性和优化燃气表工艺程序，从而摆脱传统方式的不足，实现智能燃气表的创新发展。但需要注意的是通信传输问题，在一些燃气表故障检测中，会出现此类情况，因此需要提升设备自身质量和抵抗外部环境干扰的能力。

4 巡检方向

燃气安全巡检是燃气企业最重要的职责之一，人工巡检会消耗较大的人力和资金成本，对某些燃气设备设施巡检，人工巡检的效果不是十分理想，通过机器人的智能辅助便是有效提升巡检效率和节约成本的方法之一。刘华等[17]将巡检机器人应用在燃气厂站中，通过搭载激光甲烷遥测仪和四合一气体检测仪，可实现全区域气体检测，当厂站或者城镇管网进行施工时，巡检机器人可通过北斗达到现场，进行作业现场气体环境监测，机器人还可以实时上传巡检数据和现场视频，当出现燃气应急事件，机器人可替代人工进入危险环境，有效降低了安全风险。钟君[18]提出一种翻转内衬法的管内切割机器人测控系统总方案，并且进行软硬件设计，通过对切割机器人的通信稳定性、运行姿态和定位精度测试，结果表面此机器人具有100% 通信成功率、低于1°的姿态变化量和低于1 cm 的定位误差，从而可在巡检过程中快速精准修复管道。韦远根等[19]结合管道机器人佩戴电磁超声检测设备对燃气管道进行在线检测，其中以DN400、DN600 管道为研究对象，结果表明此方法能够精确测得壁厚，误差小于0.1 mm，因此可有效检测出燃气管道缺陷问题。陈斌等[20]结合无人机、MAPGIS、智能机器人、车犬联动高精准检测进行巡检，其中对比了燃气机器人与传统巡检的各自特点，指出燃气机器人具备有效节省巡查时间、高清捕捉设备运行状态、激光定点检测、联动控制等优点。

利用智能机器人在日常的燃气巡检工作中，能够代替人力、优化成本、提升工作效率和保障安全。智能机器人依据系统中GIS 设定好的路线轨迹进行巡检，代替人工进行泄漏检测、违章占压巡查等工作，并且可以实时传输现场视频。机器人通过安装气体检测仪和5G 视频传输盒，在巡检中发现泄漏点可以进行GIS 定位和发送至后台，便于作业班组进行现场复查检测，发现燃气管线上存在违章占压，可以将占压房屋进行视频录制，便于作业班组取证和复查。智能机器人还可以进行三维扫描，对于老旧燃气场站或者燃气设备设施的图纸复原，同样可以依靠机器人携带的三维扫描功能获取数字信息，再结合相关软件进行复原。此外，采用机器人进行管道损伤和鉴定工作，效率、精准度和成本相比于传统方法都有优化，能够较好的完成任务。但需要注意的是燃气机器人工作状态问题，对机器人在巡检过程中，由于某些工况下灰尘较多或者恶劣天气，会影响机器人的正常工作，因此导致巡检数据获取失败和出现偏差，反而不如人工巡检的正确率高。机器人遇到地面障碍物情况复杂时，不能较好的采取自动规避，会出现撞到障碍物倾倒的情况，从而需要人工将机器人复位。此外，机器人由于在巡检中受到电池损耗和外部环境的影响，会出现在工作时电量不足以支撑一次完整的巡检任务而直接关机的问题，这样情况下也会需要人工依据最后一次定位信息搜寻机器人并且进行充电。

5 结语

智慧燃气的发展方向众多，本文总结了建设方向、运营方向、计量方向、巡检方向的研究进展、应用方法、技术特点并且分别指出各个方向在工程应用中的不足之处。本文针对这四个方向的研究内容主要为：(1)在建设方向中，可采用以BIM 技术为主的方法，但应注意BIM 模型精准度和BIM 模型标准不统一的问题；(2)在运营方向中，可采用以多功能模块互联和融合平台的方法，但应注意运营平台稳定性和安全性的问题；(3)在计量方向中，可采用以物联网和优化工艺技术相结合的方法，但应注意智能燃气表通信稳定的问题；(4)在巡检方向中，可采用以智能机器人技术为主的方法，但应注意智能机器人异常工作状态和电量不足的问题。