长输天然气管道智能监测预警系统设计与应用

2023-11-30延旭博

科技与创新 2023年22期

延旭博

（河北省天然气有限责任公司，河北石家庄 050000）

长输天然气管网是连接上游油气管网和下游天然气用户的纽带和中间环节，其安全运行对能源保障和民生都有重要意义。随着经济发展，城乡建设加快，长输天然气管网周边高后果区明显增多，一旦发生破坏事故，将会严重影响周边安全和下游用户的能源供给。

为弥补传统人工巡检空窗期长、时效性差的不足，在管道沿线加装智能视频监控、光纤预警设备及环境参数采集等设备，并结合大数据、人工智能分析等手段，开发长输管道智能监测预警系统[1]，全时全天候监控第三方在管线周边实施灵活机动的机械挖掘、地勘钻探和定向穿越等影响管道安全的高危作业，可在管道遭遇实质性破坏之前给出报警信息，为管道安全巡护提供指导。

1 智能监测预警系统设计思路

1.1 长输管道的安全风险

长输天然气管道管理的主要依据和规范有《石油天然气管道保护法》《油气输送管道完整性管理规范》《关于加强油气输送管道途经人员密集场所高后果区安全管理工作的通知》《压力管道定期检验规则—长输管道》等。上述法律、规范对于管道的线路安全，特别是对高后果区段管道提出了明确要求：要采取有效的措施，降低高后果区的风险，严格控制高后果区增加，同时提升风险处置能力。

管道面临的主要风险有以下3 个方面：①第三方施工破坏。第三方施工破坏是管道线路安全的主要隐患，特别是各类施工机械的普及、非开挖定向钻技术的广泛应用，使得第三方施工破坏出现普遍高发、进展快速、隐蔽性强等特点。如定向钻可在管道数百米外施工，并对管道造成破坏。②安全距离不足。根据相关法律规定，管道中心线两侧5 m 内为管道的保护区域，不能种植树木、建设各类建筑等，但这类事件一直频发。特别是在管道周边建设封闭的厂区、建筑，一旦发生天然气泄漏，泄漏的气体在密闭空间聚集，爆炸风险极高。③管道腐蚀风险。管道一般采用防腐层和阴极保护联合的方法进行腐蚀控制。随着管道运行年限增加，防腐层效果下降，同时受管道周边新建的各类输电线路、电气化铁路、变电站及地铁等设施影响，交直流杂散电流对管道的干扰加剧，阴极保护系统可能失效，管道腐蚀风险增加。

1.2 系统设计思路

为了实现对上述提出的长输管道面临的主要风险进行识别和预警，系统需要实现以下功能。

硬件系统方面，针对第三方施工破坏和安全距离不足，采用智能视频监控和光纤震动预警技术，实现对施工机械的准确识别和定位，并通过存储设备和数据传输设备将信息及时传递给软件端。通过对管道周边施工的预警，线路管理人员可及时发现、制止各类违法施工和违章建筑，降低管道运行风险。针对腐蚀风险，采用阴极保护数据远传技术，定期采集管道保护电位、交直流干扰参数、腐蚀速率等信息，通过软件端进行分析和展示，实现对腐蚀风险的监测和预警。此外，为了提高风险处置能力，及时掌握现场情况，通过环境监测设备，采集管道周边的气温、风速、风向等信息，方便现场抢险作业准备工作。

软件系统方面，通过对各类设备回传的数据进行整合、处理、分析和展示，对各类风险进行自动预警，并配备声光报警、APP 推送、短信提醒等手段，督促运行管理人员核实处理，实现长输管道安全管控。

1.3 系统设计方案

长输管道智能监测预警系统由3 个单元组成，分别是边缘采集分析单元、数据传输单元、中心监控分析单元[2]。

边缘采集分析单元主要包括视频监控、振动光纤、阴极保护数据远传、环境传感器等，这些设备对长输管道进行实时或定期数据采集，并由边缘端计算节点进行视频和光纤震动信号的分析。

数据传输单元是将数据采集单元所采集的数据进行信号转换和整合，通过4G/5G 无线网络、光纤等传输渠道，实现数据的统一协议、统一传输。

中心监控分析单元包括对接收到的传输数据进行清洗、分析解释、整理归类、融合，并对接收到的传输数据和分析结果进行可视化展示、预警预报。

2 监测硬件系统设计

2.1 综合监控杆

综合监控杆布置在管道沿线，配置摄像头、阴极保护数据远传、环境监测、边缘计算等功能。

杆体设计高度为8 m，部署云台摄像机采集管道沿线视频数据，配备智能边缘计算设备，实现前端数据的智能化分析。当在监控区域内检测到工程车辆、农用机械时，前端设备启动摄像头数据传输功能，然后平台侧二次分析现场视频确认报警信息进行报警，并集成扬声器，具备远程喊话能力。智能监测杆功能设计如图1 所示。

边缘计算设备主要检测铲斗机、推土机、压路机、装载机等施工装备。在进行深度学习模型训练时，主要以这些设备作为识别目标，同时需要考虑白天、夜间、阴雨天气等不同天气下的数据采集或数据增强。在服务器环境训练好深度学习模型后，将模型压缩后部署在边缘计算设备。当边缘设备处理视频数据并发现异常时启动摄像头网络通信，将现场数据发送至平台侧，平台侧使用完整的深度学习模型进行二次识别，确认异常后在平台形成报警消息，平台根据报警消息报警。智能监测杆实现对施工车辆的自动识别如图2所示。

图2 智能监测杆实现对施工车辆的自动识别

考虑到监控设备便于维护及安装，设计为手动升降机构，避免高空作业，提高了维护便捷性和安全性。将太阳能置于盘式载体的中心分布有利于在大风等恶劣天气下的杆体稳定，同时双面太阳能可提升电能转化效能。在盘式载体的下方设置十字支架可为东南西北各方位提供全方位的监控安装方向，配合监控自带的万向调节支架可实现360°无死角覆盖。

2.2 供电系统

由于管道周边无市电保障条件，需采用自供电源，供电方案采用太阳能加蓄电池的供电设备提供电力保障，在条件具备地区，可加装风力发电装置。综合监控杆各类设备的功耗统计如表1 所示。

表1 设备功耗统计

正常工况下，供电系统可确保设备能够连续稳定地供应电力，考虑特殊天气，在无光照的情况下，确保设备运行时间不少于3 d。前端系统所有设备整体功耗78 W，按照无光照3 d 测算，需配备功率720 W 太阳能板，容量为180 Ah 电池组。为了避免户外高温、低温气候影响电池寿命和容量，将电池仓布置在地面0.5 m 以下，根据实际测量的数据，当环境温度为-15 ℃时，舱体的实测温度为0～2 ℃，有效地保证了电池的正常供电。

2.3 光纤预警模块

光纤预警技术是在管道建设期，与管道同沟铺设光纤，与管道同步投入运行，可以作为管道相关设备的通信通道使用。当管道周边出现大型机械施工、重型车辆通行等可能危害管道安全的事件时，光纤会产生不同于正常情况的震动信号，探测器将光信号转换为电信号，再经上位机解调，计算出传感光纤上各点的震动信息；通过光纤的震动信号特征识别、波形分析，结合信号数据库和智能识别技术，就可以监测管道周边的施工、车辆活动、人工破坏管道等危害行为。通过与管道几何位置相结合，将震动事件与地理位置相对应；再通过震动信号特征提取与分析，实现震动事件分类，判断事件等级并给出预警[3]。

光纤震动预警不仅可以记录事件发生的时间，同时也可以定位震动的位置，将震动事件与地理位置相对应，方便运行人员第一时间赶往现场，避免危害行为的扩大。

2.4 环境采集模块

环境监测设备采用一体化设计，可以同时监测温度、湿度、风向、风速、雨量这5 种常规气象参数，为应急抢险提供参考。风向风速仪采用超声波测风原理，没有轴承等部件，不会产生磨损，使用寿命更长，雨量监测采用光学原理，不会堆积树叶或泥土，无需清洗，免维护。

2.5 阴极保护数据远传模块

阴极保护数据远传模块由智能采集仪、管道线、综合采集探头等构成，由综合监控杆提供供电和通信功能。

通过焊接在管道上的管道线，综合采集探头可以同时测量管道的自然腐蚀电位、通电电位、断电电位、交流电流密度、腐蚀速率等参数，通过综合智能杆交换机和光纤收发器等设备实现数据在线传输，将数据回传至智能监测预警系统进行展示，并可根据设置好的报警值进行报警和预警提醒[4]。同时，可通过系统远程实现采集时间和采集频率的修改。

2.6 数据存储及传输模块

为每个杆体集成边缘端存储设备，可保障至少1 个月的视频存储容量。数据传输根据现场光纤敷设情况，需至少支持4G 无线网络和光纤专线传输2种方式。

3 监测软件系统设计

3.1 系统概述

长输管道智能监测预警系统的软件设计既要满足管理人员直观、简明的监视要求，又要实现信息丰富准确、具备分析预判功能。因此，结合地理信息技术和GIS 数据底座，在首页显示综合监控硬件的安装地理位置、视频直播窗口、周边环境、实时报警信息等[5]。

在数据查询界面展示历史报警信息、视频档案、阴极保护远传数据等。在趋势分析界面，结合人工智能和大数据技术，对历史数据进行分析和评估，实现对风险的综合防范和预判。

3.2 软件架构

围绕长输管道的安全运行和事故预防，同时实现各类数据的可视化展示和查询，利用图表、图像、视频、趋势图等展示手段，对数据进行深入的挖掘利用。

数据采集：通过前端视频监测、光纤预警、阴极保护远传、环境等监测设备，获取监测范围内视频数据、光纤监测数据、阴保数据等。

数据传输：现场传感器采集数据通过光纤实时将视频数据、光缆监测数据、阴保数据等进行整合（如信号转换等）后并行传输至服务器。

数据存储：对采集的信息进行数据接收、分析解释和整理归类存储，包括管道专题数据库、地理信息数据库、视频监测数据库、智能探测数据库、报警数据库等。数据中心依托成熟的大数据平台、数据库管理软件，按照统一的标准，实现数据的集中存储与管理，为应用系统提供数据支撑。

安全防控：基于统一的时空信息共享服务框架，采用“云+端+AI”架构，通过对接收到的视频数据和预警信息进行大数据分析、发布及可视化展示，提升管道智能安防监控的自动化能力，满足管理人员的监控、管理、运行维护和配置等需求[6]。

3.3 功能设计

系统需包括以下功能模块：视频监控、录像回放、远程操控、监测预警（泄漏监测、光纤预警监测、视频识别、阴保监测等）、统计分析、GIS 监控、历史数据查询与管理、综合报表展示以及报警设置、显示与查询等。

视频监控：具备现场视频实时监控的功能。

录像回放：提供现场视频录像管理，支持录像调取，根据设备、时间段检索查询、下载等功能。

远程操控：当发生潜在危险或第三方破坏等情况，可支持视频远程操作，并具备远程喊话的功能。

监测预警：对管道设备状况进行实时监控，包括泄漏监测、光纤预警监测、视频识别、阴保监测等综合监测，并提取预警信息，以声光电的形式输出至监控端。

统计分析：对获取的现场信息（包括参数与视频）进行安全状况分析研判。

GIS 监控：包括监控段管线三维地理场景构建，地图浏览，中心放大、缩小，全局放大、缩小，地图鹰眼，图层管理，管道要素基本信息查看，矢量/影像的切换显示等，并具备GIS 分析能力，包括横剖面分析、纵断面分析等。

历史数据查询与管理：以曲线形式显示各监测参数随时间的变化，同时对最大值、最小值及平均值等进行显示。

综合报表展示：对实时监测参数和历史监测参数等以数据报表的形式查询与显示。

报警设置、显示与查询：对各类监控参数分别设置不同的预警阈值和报警阈值，并可对各报警事件采用最新报警在最上面显示的方式进行显示与查询。

4 现场实施及效果

4.1 现场硬件安装

现场设备的可靠、良好安装是正常运行的前提，在安装过程中要注意：①各类监测设备内有精密电气元器件，在运输、安装过程中要做好保护措施，避免因磕碰、高温等损坏。②综合监控杆的杆体高、自重大，其安装过程有一定的危险性。杆体的基础要经专业设计，并确保按图施工。③设备的电源线、信号线等均应留有10%以上的裕量，避免因气温变化、土壤沉降等造成电缆断线。

4.2 系统调试

现场硬件安装完成后，需要进行详细的测试，包括综合监测杆的各单体设备的功能测试、综合监测杆的数据传输测试、远传数据与现场数据的一致性测试、监控程序与现场设备的联调联试。

4.3 效果验证

为了验证系统各类报警信息的准确性，采取以下措施进行效果验证：在综合监控杆覆盖范围内，组织各类施工机械车辆，以不同角度、不同速度通过管道周边的道路，同时统计相应时间段内通行的社会车辆，对比长输管道智能监测预警系统的报警信息，得到系统的准确度和误报率。对于系统发现的阴极保护远传数据报警，通过现场人工测试对比，判断其准确性。