基于GIS和GPS的城市燃气管道风险动态预警系统探讨

王海哲

(江苏威达建设集团有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引言

随着城市人口密度的增加，城市燃气需求量也日益扩大。作为城市居民重要燃料之一的城市燃气，同社会经济发展和群众日常生活密切相关，是城市居民赖以生存的重要基础之一[1]。然而随着城市燃气的大规模传输和使用，安全隐患逐渐增加[2]。

中国燃气传输系统的建设年限差别过大且工艺不同，导致城市燃气运输系统的复杂性和动态监测的难度较大。而且，对整个城区范围内地下管网进行实时动态监测的成本过高，人工监控不现实，增加了动态监测的难度[3]。由于资料评估方式不完整，评估结果受人为因素的影响较大，缺乏一定的准确性，造成评估结果与实际的运行结果差距较大。因此，本文通过对城市燃气泄漏情况的统计分析，确定出城市燃气泄漏的高发位置，并以此地点为核心，对周围地区开展辐射监测，同时借助地理信息系统(geographic information system，GIS)的独特科技优势，为燃气监测实现空间数据分析、时间关系和过程数据分析、时空位置动态可视化的强大功能，并通过全球定位系统(global positioning system，GPS)为全国用户提供高精度、低成本的三维位置信息和快速准确的定时导航数据，向泄漏附近的住户及时推送疏散路径。

1 GIS及GPS研究现状

针对GIS已有许多学者进行了相关研究，计艺帆等[4]阐述了GIS技术的现状以及在实际检验过程中的应用，并针对实际操作中遇到的问题，提出了行之有效的应对措施。王佳利等[5]采用GIS空间分析和层次分析法，共选取了10个影响因素开展生态敏感性评价工作。黄平等[6]设计和实现了基于GIS的人防工程管理信息系统。裴玉龙等[7]通过GIS手段对公共汽车站可行性进行建模与运算。在燃气行业，GIS被广泛应用于燃气高、中压管道的验收，以及压力监测和场站遥测遥信。

GPS已被广泛应用于交通、测绘等许多行业。王璟等[8]重点介绍了北斗技术在燃气工程建设领域中的应用现状。李媛[9]结合燃气工程测量要求及传统方法介绍，对基于GPS技术的测量技术优势及应用进行了分析。陈传松[10]提出燃气工程测量的技术要求，并通过具体的网络RTK测量技术与传统技术的对比，分析了燃气工程测量领域中GPS技术的应用优势。

目前，学者对燃气管道风险评估方法进行了相关应用。杨克等[11]在天然气泄漏时间不同的条件下，对天然气管道蒸汽云爆炸的破坏范围进行了定量分析。王新颖等[12]建立了城市管网风险预测体系，提出了一种基于深度置信网络的管道风险预测方法。陈毓飞等[13]利用LSTM模型，建立了基于大数据分析的城市燃气管道施工中损伤危害的预测模型。

2 城市燃气管道风险动态预警系统设计

2.1 关键技术

2.1.1 风险数据收集

风险数据收集是数据库的前期准备工作。风险数据包括空间地理信息和风险信息，可通过现场调查、资料统计和监测监控等方法获得。

2.1.2 风险数据处理

风险数据处理主要过程包括划分风险单元、评估评价单元、评估城市区域整体风险等。

2.1.3 风险数据更新

本系统开发了PC终端、手机APP终端两套管理软件，风险数据可通过PC端和手机终端两种途径实时更新。

2.1.4 风险数据输出

风险数据输出即是将城市区域燃气管道整体风险可视化，利用GIS和GPS软件实现此功能，形成动态风险地图，分别在PC终端和手机APP终端输出。

城市燃气安全风险可视化与风险事故定位的重要部分是图层输出。图层输出是指按照点危险源、线危险源和面危险源输出不同维度的风险图，分别为评估对象风险以及城市整体燃气管网风险。运用ArcGIS软件实现城市燃气管网风险地图可视化。

2.2 相关方法

针对目前城市燃气行业存在的主要风险，基于“点—线—面”风险分析框架，运用GPS和GIS两种先进技术手段，主要监测燃气门站和小区的风险状况，对其存在较大风险的周围管线进行全面系统的监测和评估，推进城市燃气行业安全管理工作有序进行。

2.3 实验手段

2.3.1 城市燃气管网风险评价数据库

城市燃气管网风险评价数据库涵盖了各种与风险评价相关的信息系统，主要负责分析城市空间地理信息与地面风险信息，同时也是风险地图的信息存储和传输中心。城市空间地理信息具体是指风险源的位置、边界以及周围环境等资料；地面风险信息是指风险源的名称、类别、风险值以及风险程度等数据，是通过城市燃气事故数据以及对重大事故案件的调查研究，并针对所在城市的实际情况，对辖区内市场主体划分和主体特征提取。并由此建立基于各类市场主体特征的城市动态风险评价指标体系，通过问卷调查和理论分析得到城市燃气管网安全风险的可接受程度，制定城市燃气风险评判准则，进行风险值计算及风险等级划分。各种危险源的信息将以图层的形式存储于风险数据库中，以便使用者检索与获取信息。城市燃气管网风险评价数据库如图1所示。

图1 城市燃气区域风险评价数据库

2.3.2 城市燃气管网风险等级可视化

GIS地图的最大优势是能够真实提供多维动态信息和完善的人机交互用户界面，可以更加便捷地浏览和搜索风险源信息，同时也能为完成城市燃气区域风险可视化风险地图工作提供全面的系统技术保证。城市燃气区域风险可视化主要由图层输入技术和图层输出技术组成。图层输入技术主要实现了底图导入、空间地理信息输入、风险信息录入、图层叠加等技术特性；图层输出技术是指通过点风险源、线风险源和面风险源输出不同维度的风险地图，分别对应燃气门站风险、燃气管线风险，以及小区、用气企业等的风险。ArcGIS软件能满足人们对城市燃气区域风险地图可视化系统的设计要求，城市燃气管网风险等级可视化如图2所示，图层输出系统结构图如图3所示。

图2 城市燃气区域风险等级可视化

图3 图层输出系统结构图

2.3.3 城市燃气区域风险定位

GPS系统主要是利用32颗卫星，测量地球上各种可测点的经度、纬度和高度，完成导航、定位作用。燃气门站、小区及用气企业、燃气管线等都位于地球经纬度与海拔之间的唯一位置上，即GPS地址。

GPS-RTK系统是具备实时移动检测能力的位置检测系统，可充分融合传统GPS技术和数据传输技术，是中国GPS测量定位领域的一项重大创新突破。GPS-RTK技术能实现户外测量定位的实时厘米级数据，有效提高了城市户外测量、地下管线测量的施工作业效率。城市燃气区域风险定位如图4所示。

图4 城市燃气管网风险定位

2.3.4 手机APP应用

本系统随PC端城市燃气区域风险可视化系统附带设计了移动端APP，该APP方便工作人员在实际现场情况下使用。APP应用包括城市燃气区域风险信息浏览、逃生路线规划及自救信息提供。一般用户登录只显示风险信息浏览键，工作人员则显示信息浏览、风险信息输入两个界面；按信息浏览快捷键即可显示指定城市燃气区域风险地图，可得到该区域风险名称及风险等级等信息。若发生燃气泄漏，APP会向燃气公司、社区、用户发出警示信息，预防燃气爆炸事故发生；若发生燃气爆炸事故，APP会自动向燃气公司、社区、用户及消防部门发送事故信息，在波及范围内的人员同时收到信息警示、自救信息以及逃生路线。风险信息输入界面需工作人员手动输入或编辑风险名称、等级等信息，及时反馈到风险数据库。每位工作人员拥有独立的登录账号及密码，只需在APP上进行登录即可查看负责区域的风险分布情况，并能够及时反馈现场信息，更新城市燃气区域风险数据库，真正实现城市燃气风险动态管理。APP应用界面系统构图如图5所示。

图5 APP应用界面系统构图

3 城市燃气管道风险动态预警系统应用前景分析

本研究的目的在于将城市燃气管网风险动态评估系统做成一款真正的集成的智能化系统，不仅仅受限于人的主观评价，而是根据监测所得参数，实时动态地进行智能化运算和判断，最终反馈到管理者终端。对风险的实时管控，可以更加有针对性、有效率地实施风险管理，进而有效预防城市燃气泄漏等事件的发生并降低事件造成后果的严重程度。由于本系统具有较强的可移植性和灵活性，能为不同组织和机构提供服务。

4 结论

(1)结合城市燃气运输使用的实际情况，应用区域灾害系统理论提出致灾因子指标、承载载体指标以及孕灾环境指标，对燃气运输使用过程中涉及的单元依据点线面进行区域划分，构建区域风险评估模型。根据GIS技术实现风险地图可观测各个区域内风险程度，基于GPS定位技术对泄漏点进行实时定位，并结合物联网技术将数据传回主机以及时采取应急措施，使风险损失达到最小化。

(2)本系统受用对象范围广，不仅面向燃气企业、政府、消防，还适用于使用APP的用户，可以使用户了解所在范围区域内的风险信息。

(3)本系统灵活性较强，可以根据用户反馈，实时更新风险地图，并对燃气从输送到入户的全过程进行监测，安全程度高。