智慧燃氣的研究進展及應用

孫瀾曦，孫沛，李剛 (北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100032)

0 引言

隨著我國智慧能源領域的蓬勃發展，智慧燃氣作為重要一環起到關鍵作用。智慧燃氣相比傳統燃氣工程，具備數字化、信息化、智能化等優勢，因此，傳統燃氣企業應當依托交叉學科的發展，將物聯網、人工智能、GIS、云計算、大數據等多種技術應用于燃氣工程中，通過智慧創新的方法突破技術壁壘和進行縱橫雙向深化發展，使建設施工、管網運營、燃氣計量、安全巡檢等多領域的工作效率、精確度、安全性顯著提升。燃氣企業可采用智慧燃氣技術，創建數字化燃氣管網運營平臺、客戶服務程序、智能化燃氣設備、應急處置平臺等，提高管理效率并且降低了安全風險，因此著力發展智慧燃氣領域是至關重要的。本文研究了智慧燃氣在建設、運營、計量、巡檢四個方向的進展與應用特點，并且提出了各個方向存在的不足之處。

1 建設方向

BIM 技術在智慧城市的建設中起到了關鍵作用，而BIM 技術同樣可以應用于智慧燃氣的建設中。鄒艷春等[1]以某液化天然氣碼頭為工程背景，在revit 中搭建工作船碼頭模型，將每個預制構件進行數字編碼，可得到構件明細算量；針對天然氣碼頭樁基多且復雜的問題，通過模型深化可以提前優化樁位布置、沉樁次序等問題，實現施工指導功能；通過revit 導出取水口模型到有限元軟件中進行內力計算，實現BIM與有限元的結合。肖詩凡等[2]指出BIM 技術在工程中具有模型信息化、可視化、參數化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、三維聯動性的優點，并以上海市某燃氣項目為例，建立具有柱梁板墻等構件的建筑結構專業模型和具有管道、管件、表與閥門等設備的燃氣專業模型，進行繪制出圖和統計燃氣設備數量、長度的明細表。朱琳霞等[3]利用revit 建立某燃氣鍋爐房進行可視化設計，比二維圖紙更加直觀獲取燃氣管道、冷水管與供暖循環泵等設備布局，通過碰撞檢測功能，提前發現了出水管與冷水管的碰撞，從而提前避免了實際施工中的問題。黃仁強等[4]以液化天然氣氣化站為背景提出燃氣設備族的建立方法，通過族樣板選擇、參數編輯、創建幾何形體、添加連接件的步驟建立了燃氣氣動截止閥，并且以此方法建立了如氣化器、調節閥等燃氣工藝設備族庫，為燃氣場站建設提供了數字化模型基礎。

將BIM 技術應用于智慧燃氣的建設中，可使整個工程具有可視化、參數化與模擬性等功能，建立三維模型，將每一個構件輸入信息參數，方便后期利用明細表進行輸出和相關參數查詢，如不同規格的管材用量、不同設備的數量、燃氣辦公樓的混凝土用量等；對于多管線設計時，可利用碰撞檢測功能進行排查，提前避免碰撞發生，如風管與噴淋管碰撞、燃氣管線未按照洞口位置穿墻等。BIM 技術可依據端口進行多種二次開發或者與現有有限元軟件進行計算，如開發流體計算插件或者將revit 模型導入YJK 等結構軟件中計算。利用revit、navisworks、fuzor、lumion等BIM 軟件實現燃氣工程的建模、漫游、施工模擬、成果展示等功能，有效提升工作效率和高質量管理。BIM 技術搭配無人機、三維掃描、AR、VR 等技術可應用于燃氣工程的作業前安全交底、舊工程模型圖紙還原、工程建設監督等多方面。但需要注意的是，燃氣設備設施需要精細化建模，如不同類型調壓器或調壓站，當建模人存在技術問題，未能正確創建模型時，則會導致后續BIM 工作中獲取信息出錯和產生誤導。此外，還需注意建模標準的統一性，每個子項目建模人員都需要采用一個標準，以免出現坐標錯誤、參數類別不匹配、構件族不統一的問題。

2 運營方向

燃氣工程在前期建設完成后進入運營時，會出現系統不互通、運行維護事件信息滯后、人員分配不合理等問題，因此可采用數字化的方法予以優化。桂海峰等[5]歸整了管網SCADA、GIS、巡檢、客戶服務的四個系統，通過SOA 技術架構將系統整合至一個智慧調度運營平臺，節省了原有四個系統的維護費用，只需一個運營平臺就可實現數據共享、信息聯動功能。肖詩凡[6]利用BIM+AR+IoT 創建了智慧燃氣運營保障平臺，通過建立BIM 模型，利用AR 移動端設備進行日常運維檢查，將發現的問題上傳至運營平臺，實現運維可視化、提升工作效率；依據運營平臺，建立了運營保障標準化模式，在平臺開發壓力傳感器、設備監控器端口，進行實時獲悉關鍵數據，并且采用Client-Server 架構將數據可視化，從而起到安全運營的功能。張萌等[7]將智慧運營系統應用于鄒平某燃氣業務工作中，其中包含了管網巡視、設備維護、隱患管理、施工監護、應急搶險和危險作業管理六個模塊，從而實現智慧運營管理。王孜等[8]研究了以成都市政府為組織者搭建的智慧燃氣安全管理聯動平臺，重點對多家燃氣公司戶內燃氣安全、立圍管管理、管網巡檢、場站安全等方面進行監督管理，既可以從政府的大局角度把控燃氣運行和安全情況，又可以細化至戶內和戶外燃氣設備設施的安全。

在智慧燃氣中通過建立多模塊集成運營平臺，可以打破以往孤島信息的情況。當在管線運行中發現燃氣閘井的燃氣濃度數值出現異常時，可將數據上傳運營平臺，此時可安排專業檢測人員依據運營平臺的GIS 定位前往現場進行復核檢測，當經再次檢測后發現閘井確實存在燃氣泄漏的情況時，可將燃氣泄漏濃度和現場情況報告傳至運營平臺，安排作業人員依據運營平臺上呈現的燃氣濃度和現場情況報告進行修復作業，同時可將有限空間作業方案在運營平臺上編制和審批，其中還可以調取運營平臺上作業閘井的控壓單元方案參考，因此利用一個整合多模塊的運營平臺，將數據和工作流程進行共享，每個崗位的工作人員可以實時依據運營平臺上的信息進行每個階段的工作。但需要注意的是運營平臺系統穩定性問題，當以往多個單模塊的使用人都集中登錄在一個整合模塊的平臺時，會出現登錄用戶過多，導致系統卡頓或無法登錄的情況，影響各階段工作進行，因此當運營工作集中在一個多模塊融合平臺上時，需要確保系統的穩定性和安全性。

3 計量方向

燃氣計量研究是智慧燃氣的重點領域，而燃氣表則是燃氣計量的核心之一，近年來利用智慧科技與燃氣表結合的案例逐漸增多。段平剛等[9]采用一種無線智能燃氣物聯網的能量感知路由算法，能夠有效平衡能量消耗，進而增加網絡生命期和不增加路由跳數。宋洪儒等[10]通過測試指出利用NB-IoT 技術的燃氣表可有效抵抗干擾，實現覆蓋區域大和長距離數據信息傳遞，并且提供了控制系統的軟硬件設計流程。王浩[11]開發出可適用于多種計量設備的智能燃氣表控制器，把多計量方式的電路集成在計量板并且開發控制器的嵌入式底層程序，設計了實現主控板與計量板間穩定傳輸的通信協議，最終能夠通過測試。李玉[12]通過集成燃氣表的多個核心模塊至一個檢測裝置，并且進行系統程序開發，能夠通過性能測試，實現自動化檢測和提升工作效率。翁慶武[13]針對基于NB-IoT 的終端燃氣表存在缺乏訪問認證機制、缺乏固件的完整性驗證機制、易產生網絡威脅、系統信息易泄漏、數據傳輸存在隱患等問題，采用SOTP 技術和構建移動安全基礎架構，對燃氣表完成軟件升級改造，實現信息認證與數據加密，對燃氣的安全防護提供了保障。盧其倫等[14]提出一種AI 機器人燃氣表智慧檢定系統，具有提高檢定效率、降低人工成本、達到無紙化電子記錄、系統可復制推廣等優點，并且實現燃氣表從倉儲至裝箱的全過程檢測。范金暉等[15]以武漢市燃氣企業為背景，指出IC 卡容易丟失、無法預測用氣規律、氣量超用等問題，提出物聯網表具有氣量模擬準確、結算便捷、遠傳閥控等優點。張子霖等[16]以某市試掛超聲波物聯網為例，結果表明采用超聲波物聯網燃氣表的抄讀成功率為96.77%，抄表準確率100%，設備完好率99%，抄表時間極短。此外結合國家、設備商、運營商的角度分析試掛過程中的運行問題與經驗。

采用物聯網與新工藝結合的方法，能夠有效提升燃氣表的使用質量。不論是采用路由算法、集成電路、程序開發和信息安全防護等方法，還是依托物聯網、云計算等方法，均取得了較大的研究進展，在后續研究中，可以采用數字化、智能化手段來降低燃氣表的制造成本、提升計量數據的準確性和優化燃氣表工藝程序，從而擺脫傳統方式的不足，實現智能燃氣表的創新發展。但需要注意的是通信傳輸問題，在一些燃氣表故障檢測中，會出現此類情況，因此需要提升設備自身質量和抵抗外部環境干擾的能力。

4 巡檢方向

燃氣安全巡檢是燃氣企業最重要的職責之一，人工巡檢會消耗較大的人力和資金成本，對某些燃氣設備設施巡檢，人工巡檢的效果不是十分理想，通過機器人的智能輔助便是有效提升巡檢效率和節約成本的方法之一。劉華等[17]將巡檢機器人應用在燃氣廠站中，通過搭載激光甲烷遙測儀和四合一氣體檢測儀，可實現全區域氣體檢測，當廠站或者城鎮管網進行施工時，巡檢機器人可通過北斗達到現場，進行作業現場氣體環境監測，機器人還可以實時上傳巡檢數據和現場視頻，當出現燃氣應急事件，機器人可替代人工進入危險環境，有效降低了安全風險。鐘君[18]提出一種翻轉內襯法的管內切割機器人測控系統總方案，并且進行軟硬件設計，通過對切割機器人的通信穩定性、運行姿態和定位精度測試，結果表面此機器人具有100% 通信成功率、低于1°的姿態變化量和低于1 cm 的定位誤差，從而可在巡檢過程中快速精準修復管道。韋遠根等[19]結合管道機器人佩戴電磁超聲檢測設備對燃氣管道進行在線檢測，其中以DN400、DN600 管道為研究對象，結果表明此方法能夠精確測得壁厚，誤差小于0.1 mm，因此可有效檢測出燃氣管道缺陷問題。陳斌等[20]結合無人機、MAPGIS、智能機器人、車犬聯動高精準檢測進行巡檢，其中對比了燃氣機器人與傳統巡檢的各自特點，指出燃氣機器人具備有效節省巡查時間、高清捕捉設備運行狀態、激光定點檢測、聯動控制等優點。

利用智能機器人在日常的燃氣巡檢工作中，能夠代替人力、優化成本、提升工作效率和保障安全。智能機器人依據系統中GIS 設定好的路線軌跡進行巡檢，代替人工進行泄漏檢測、違章占壓巡查等工作，并且可以實時傳輸現場視頻。機器人通過安裝氣體檢測儀和5G 視頻傳輸盒，在巡檢中發現泄漏點可以進行GIS 定位和發送至后臺，便于作業班組進行現場復查檢測，發現燃氣管線上存在違章占壓，可以將占壓房屋進行視頻錄制，便于作業班組取證和復查。智能機器人還可以進行三維掃描，對于老舊燃氣場站或者燃氣設備設施的圖紙復原，同樣可以依靠機器人攜帶的三維掃描功能獲取數字信息，再結合相關軟件進行復原。此外，采用機器人進行管道損傷和鑒定工作，效率、精準度和成本相比于傳統方法都有優化，能夠較好的完成任務。但需要注意的是燃氣機器人工作狀態問題，對機器人在巡檢過程中，由于某些工況下灰塵較多或者惡劣天氣，會影響機器人的正常工作，因此導致巡檢數據獲取失敗和出現偏差，反而不如人工巡檢的正確率高。機器人遇到地面障礙物情況復雜時，不能較好的采取自動規避，會出現撞到障礙物傾倒的情況，從而需要人工將機器人復位。此外，機器人由于在巡檢中受到電池損耗和外部環境的影響，會出現在工作時電量不足以支撐一次完整的巡檢任務而直接關機的問題，這樣情況下也會需要人工依據最后一次定位信息搜尋機器人并且進行充電。

5 結語

智慧燃氣的發展方向眾多，本文總結了建設方向、運營方向、計量方向、巡檢方向的研究進展、應用方法、技術特點并且分別指出各個方向在工程應用中的不足之處。本文針對這四個方向的研究內容主要為：(1)在建設方向中，可采用以BIM 技術為主的方法，但應注意BIM 模型精準度和BIM 模型標準不統一的問題；(2)在運營方向中，可采用以多功能模塊互聯和融合平臺的方法，但應注意運營平臺穩定性和安全性的問題；(3)在計量方向中，可采用以物聯網和優化工藝技術相結合的方法，但應注意智能燃氣表通信穩定的問題；(4)在巡檢方向中，可采用以智能機器人技術為主的方法，但應注意智能機器人異常工作狀態和電量不足的問題。