長輸天然氣管道智能監(jiān)測預警系統(tǒng)設計與應用

延旭博

（河北省天然氣有限責任公司，河北石家莊 050000）

長輸天然氣管網(wǎng)是連接上游油氣管網(wǎng)和下游天然氣用戶的紐帶和中間環(huán)節(jié)，其安全運行對能源保障和民生都有重要意義。隨著經(jīng)濟發(fā)展，城鄉(xiāng)建設加快，長輸天然氣管網(wǎng)周邊高后果區(qū)明顯增多，一旦發(fā)生破壞事故，將會嚴重影響周邊安全和下游用戶的能源供給。

為彌補傳統(tǒng)人工巡檢空窗期長、時效性差的不足，在管道沿線加裝智能視頻監(jiān)控、光纖預警設備及環(huán)境參數(shù)采集等設備，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能分析等手段，開發(fā)長輸管道智能監(jiān)測預警系統(tǒng)[1]，全時全天候監(jiān)控第三方在管線周邊實施靈活機動的機械挖掘、地勘鉆探和定向穿越等影響管道安全的高危作業(yè)，可在管道遭遇實質(zhì)性破壞之前給出報警信息，為管道安全巡護提供指導。

1 智能監(jiān)測預警系統(tǒng)設計思路

1.1 長輸管道的安全風險

長輸天然氣管道管理的主要依據(jù)和規(guī)范有《石油天然氣管道保護法》《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》《關(guān)于加強油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場所高后果區(qū)安全管理工作的通知》《壓力管道定期檢驗規(guī)則—長輸管道》等。上述法律、規(guī)范對于管道的線路安全，特別是對高后果區(qū)段管道提出了明確要求：要采取有效的措施，降低高后果區(qū)的風險，嚴格控制高后果區(qū)增加，同時提升風險處置能力。

管道面臨的主要風險有以下3 個方面：①第三方施工破壞。第三方施工破壞是管道線路安全的主要隱患，特別是各類施工機械的普及、非開挖定向鉆技術(shù)的廣泛應用，使得第三方施工破壞出現(xiàn)普遍高發(fā)、進展快速、隱蔽性強等特點。如定向鉆可在管道數(shù)百米外施工，并對管道造成破壞。②安全距離不足。根據(jù)相關(guān)法律規(guī)定，管道中心線兩側(cè)5 m 內(nèi)為管道的保護區(qū)域，不能種植樹木、建設各類建筑等，但這類事件一直頻發(fā)。特別是在管道周邊建設封閉的廠區(qū)、建筑，一旦發(fā)生天然氣泄漏，泄漏的氣體在密閉空間聚集，爆炸風險極高。③管道腐蝕風險。管道一般采用防腐層和陰極保護聯(lián)合的方法進行腐蝕控制。隨著管道運行年限增加，防腐層效果下降，同時受管道周邊新建的各類輸電線路、電氣化鐵路、變電站及地鐵等設施影響，交直流雜散電流對管道的干擾加劇，陰極保護系統(tǒng)可能失效，管道腐蝕風險增加。

1.2 系統(tǒng)設計思路

為了實現(xiàn)對上述提出的長輸管道面臨的主要風險進行識別和預警，系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能。

硬件系統(tǒng)方面，針對第三方施工破壞和安全距離不足，采用智能視頻監(jiān)控和光纖震動預警技術(shù)，實現(xiàn)對施工機械的準確識別和定位，并通過存儲設備和數(shù)據(jù)傳輸設備將信息及時傳遞給軟件端。通過對管道周邊施工的預警，線路管理人員可及時發(fā)現(xiàn)、制止各類違法施工和違章建筑，降低管道運行風險。針對腐蝕風險，采用陰極保護數(shù)據(jù)遠傳技術(shù)，定期采集管道保護電位、交直流干擾參數(shù)、腐蝕速率等信息，通過軟件端進行分析和展示，實現(xiàn)對腐蝕風險的監(jiān)測和預警。此外，為了提高風險處置能力，及時掌握現(xiàn)場情況，通過環(huán)境監(jiān)測設備，采集管道周邊的氣溫、風速、風向等信息，方便現(xiàn)場搶險作業(yè)準備工作。

軟件系統(tǒng)方面，通過對各類設備回傳的數(shù)據(jù)進行整合、處理、分析和展示，對各類風險進行自動預警，并配備聲光報警、APP 推送、短信提醒等手段，督促運行管理人員核實處理，實現(xiàn)長輸管道安全管控。

1.3 系統(tǒng)設計方案

長輸管道智能監(jiān)測預警系統(tǒng)由3 個單元組成，分別是邊緣采集分析單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、中心監(jiān)控分析單元[2]。

邊緣采集分析單元主要包括視頻監(jiān)控、振動光纖、陰極保護數(shù)據(jù)遠傳、環(huán)境傳感器等，這些設備對長輸管道進行實時或定期數(shù)據(jù)采集，并由邊緣端計算節(jié)點進行視頻和光纖震動信號的分析。

數(shù)據(jù)傳輸單元是將數(shù)據(jù)采集單元所采集的數(shù)據(jù)進行信號轉(zhuǎn)換和整合，通過4G/5G 無線網(wǎng)絡、光纖等傳輸渠道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一協(xié)議、統(tǒng)一傳輸。

中心監(jiān)控分析單元包括對接收到的傳輸數(shù)據(jù)進行清洗、分析解釋、整理歸類、融合，并對接收到的傳輸數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進行可視化展示、預警預報。

2 監(jiān)測硬件系統(tǒng)設計

2.1 綜合監(jiān)控桿

綜合監(jiān)控桿布置在管道沿線，配置攝像頭、陰極保護數(shù)據(jù)遠傳、環(huán)境監(jiān)測、邊緣計算等功能。

桿體設計高度為8 m，部署云臺攝像機采集管道沿線視頻數(shù)據(jù)，配備智能邊緣計算設備，實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)的智能化分析。當在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)檢測到工程車輛、農(nóng)用機械時，前端設備啟動攝像頭數(shù)據(jù)傳輸功能，然后平臺側(cè)二次分析現(xiàn)場視頻確認報警信息進行報警，并集成揚聲器，具備遠程喊話能力。智能監(jiān)測桿功能設計如圖1 所示。

邊緣計算設備主要檢測鏟斗機、推土機、壓路機、裝載機等施工裝備。在進行深度學習模型訓練時，主要以這些設備作為識別目標，同時需要考慮白天、夜間、陰雨天氣等不同天氣下的數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)增強。在服務器環(huán)境訓練好深度學習模型后，將模型壓縮后部署在邊緣計算設備。當邊緣設備處理視頻數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)異常時啟動攝像頭網(wǎng)絡通信，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺側(cè)，平臺側(cè)使用完整的深度學習模型進行二次識別，確認異常后在平臺形成報警消息，平臺根據(jù)報警消息報警。智能監(jiān)測桿實現(xiàn)對施工車輛的自動識別如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)測桿實現(xiàn)對施工車輛的自動識別

考慮到監(jiān)控設備便于維護及安裝，設計為手動升降機構(gòu)，避免高空作業(yè)，提高了維護便捷性和安全性。將太陽能置于盤式載體的中心分布有利于在大風等惡劣天氣下的桿體穩(wěn)定，同時雙面太陽能可提升電能轉(zhuǎn)化效能。在盤式載體的下方設置十字支架可為東南西北各方位提供全方位的監(jiān)控安裝方向，配合監(jiān)控自帶的萬向調(diào)節(jié)支架可實現(xiàn)360°無死角覆蓋。

2.2 供電系統(tǒng)

由于管道周邊無市電保障條件，需采用自供電源，供電方案采用太陽能加蓄電池的供電設備提供電力保障，在條件具備地區(qū)，可加裝風力發(fā)電裝置。綜合監(jiān)控桿各類設備的功耗統(tǒng)計如表1 所示。

表1 設備功耗統(tǒng)計

正常工況下，供電系統(tǒng)可確保設備能夠連續(xù)穩(wěn)定地供應電力，考慮特殊天氣，在無光照的情況下，確保設備運行時間不少于3 d。前端系統(tǒng)所有設備整體功耗78 W，按照無光照3 d 測算，需配備功率720 W 太陽能板，容量為180 Ah 電池組。為了避免戶外高溫、低溫氣候影響電池壽命和容量，將電池倉布置在地面0.5 m 以下，根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)，當環(huán)境溫度為-15 ℃時，艙體的實測溫度為0～2 ℃，有效地保證了電池的正常供電。

2.3 光纖預警模塊

光纖預警技術(shù)是在管道建設期，與管道同溝鋪設光纖，與管道同步投入運行，可以作為管道相關(guān)設備的通信通道使用。當管道周邊出現(xiàn)大型機械施工、重型車輛通行等可能危害管道安全的事件時，光纖會產(chǎn)生不同于正常情況的震動信號，探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)上位機解調(diào)，計算出傳感光纖上各點的震動信息；通過光纖的震動信號特征識別、波形分析，結(jié)合信號數(shù)據(jù)庫和智能識別技術(shù)，就可以監(jiān)測管道周邊的施工、車輛活動、人工破壞管道等危害行為。通過與管道幾何位置相結(jié)合，將震動事件與地理位置相對應；再通過震動信號特征提取與分析，實現(xiàn)震動事件分類，判斷事件等級并給出預警[3]。

光纖震動預警不僅可以記錄事件發(fā)生的時間，同時也可以定位震動的位置，將震動事件與地理位置相對應，方便運行人員第一時間趕往現(xiàn)場，避免危害行為的擴大。

2.4 環(huán)境采集模塊

環(huán)境監(jiān)測設備采用一體化設計，可以同時監(jiān)測溫度、濕度、風向、風速、雨量這5 種常規(guī)氣象參數(shù)，為應急搶險提供參考。風向風速儀采用超聲波測風原理，沒有軸承等部件，不會產(chǎn)生磨損，使用壽命更長，雨量監(jiān)測采用光學原理，不會堆積樹葉或泥土，無需清洗，免維護。

2.5 陰極保護數(shù)據(jù)遠傳模塊

陰極保護數(shù)據(jù)遠傳模塊由智能采集儀、管道線、綜合采集探頭等構(gòu)成，由綜合監(jiān)控桿提供供電和通信功能。

通過焊接在管道上的管道線，綜合采集探頭可以同時測量管道的自然腐蝕電位、通電電位、斷電電位、交流電流密度、腐蝕速率等參數(shù)，通過綜合智能桿交換機和光纖收發(fā)器等設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線傳輸，將數(shù)據(jù)回傳至智能監(jiān)測預警系統(tǒng)進行展示，并可根據(jù)設置好的報警值進行報警和預警提醒[4]。同時，可通過系統(tǒng)遠程實現(xiàn)采集時間和采集頻率的修改。

2.6 數(shù)據(jù)存儲及傳輸模塊

為每個桿體集成邊緣端存儲設備，可保障至少1 個月的視頻存儲容量。數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)現(xiàn)場光纖敷設情況，需至少支持4G 無線網(wǎng)絡和光纖專線傳輸2種方式。

3 監(jiān)測軟件系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)概述

長輸管道智能監(jiān)測預警系統(tǒng)的軟件設計既要滿足管理人員直觀、簡明的監(jiān)視要求，又要實現(xiàn)信息豐富準確、具備分析預判功能。因此，結(jié)合地理信息技術(shù)和GIS 數(shù)據(jù)底座，在首頁顯示綜合監(jiān)控硬件的安裝地理位置、視頻直播窗口、周邊環(huán)境、實時報警信息等[5]。

在數(shù)據(jù)查詢界面展示歷史報警信息、視頻檔案、陰極保護遠傳數(shù)據(jù)等。在趨勢分析界面，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對歷史數(shù)據(jù)進行分析和評估，實現(xiàn)對風險的綜合防范和預判。

3.2 軟件架構(gòu)

圍繞長輸管道的安全運行和事故預防，同時實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的可視化展示和查詢，利用圖表、圖像、視頻、趨勢圖等展示手段，對數(shù)據(jù)進行深入的挖掘利用。

數(shù)據(jù)采集：通過前端視頻監(jiān)測、光纖預警、陰極保護遠傳、環(huán)境等監(jiān)測設備，獲取監(jiān)測范圍內(nèi)視頻數(shù)據(jù)、光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)、陰保數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)通過光纖實時將視頻數(shù)據(jù)、光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)、陰保數(shù)據(jù)等進行整合（如信號轉(zhuǎn)換等）后并行傳輸至服務器。

數(shù)據(jù)存儲：對采集的信息進行數(shù)據(jù)接收、分析解釋和整理歸類存儲，包括管道專題數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫、視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、智能探測數(shù)據(jù)庫、報警數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)中心依托成熟的大數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)庫管理軟件，按照統(tǒng)一的標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲與管理，為應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

安全防控：基于統(tǒng)一的時空信息共享服務框架，采用“云+端+AI”架構(gòu)，通過對接收到的視頻數(shù)據(jù)和預警信息進行大數(shù)據(jù)分析、發(fā)布及可視化展示，提升管道智能安防監(jiān)控的自動化能力，滿足管理人員的監(jiān)控、管理、運行維護和配置等需求[6]。

3.3 功能設計

系統(tǒng)需包括以下功能模塊：視頻監(jiān)控、錄像回放、遠程操控、監(jiān)測預警（泄漏監(jiān)測、光纖預警監(jiān)測、視頻識別、陰保監(jiān)測等）、統(tǒng)計分析、GIS 監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢與管理、綜合報表展示以及報警設置、顯示與查詢等。

視頻監(jiān)控：具備現(xiàn)場視頻實時監(jiān)控的功能。

錄像回放：提供現(xiàn)場視頻錄像管理，支持錄像調(diào)取，根據(jù)設備、時間段檢索查詢、下載等功能。

遠程操控：當發(fā)生潛在危險或第三方破壞等情況，可支持視頻遠程操作，并具備遠程喊話的功能。

監(jiān)測預警：對管道設備狀況進行實時監(jiān)控，包括泄漏監(jiān)測、光纖預警監(jiān)測、視頻識別、陰保監(jiān)測等綜合監(jiān)測，并提取預警信息，以聲光電的形式輸出至監(jiān)控端。

統(tǒng)計分析：對獲取的現(xiàn)場信息（包括參數(shù)與視頻）進行安全狀況分析研判。

GIS 監(jiān)控：包括監(jiān)控段管線三維地理場景構(gòu)建，地圖瀏覽，中心放大、縮小，全局放大、縮小，地圖鷹眼，圖層管理，管道要素基本信息查看，矢量/影像的切換顯示等，并具備GIS 分析能力，包括橫剖面分析、縱斷面分析等。

歷史數(shù)據(jù)查詢與管理：以曲線形式顯示各監(jiān)測參數(shù)隨時間的變化，同時對最大值、最小值及平均值等進行顯示。

綜合報表展示：對實時監(jiān)測參數(shù)和歷史監(jiān)測參數(shù)等以數(shù)據(jù)報表的形式查詢與顯示。

報警設置、顯示與查詢：對各類監(jiān)控參數(shù)分別設置不同的預警閾值和報警閾值，并可對各報警事件采用最新報警在最上面顯示的方式進行顯示與查詢。

4 現(xiàn)場實施及效果

4.1 現(xiàn)場硬件安裝

現(xiàn)場設備的可靠、良好安裝是正常運行的前提，在安裝過程中要注意：①各類監(jiān)測設備內(nèi)有精密電氣元器件，在運輸、安裝過程中要做好保護措施，避免因磕碰、高溫等損壞。②綜合監(jiān)控桿的桿體高、自重大，其安裝過程有一定的危險性。桿體的基礎(chǔ)要經(jīng)專業(yè)設計，并確保按圖施工。③設備的電源線、信號線等均應留有10%以上的裕量，避免因氣溫變化、土壤沉降等造成電纜斷線。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

現(xiàn)場硬件安裝完成后，需要進行詳細的測試，包括綜合監(jiān)測桿的各單體設備的功能測試、綜合監(jiān)測桿的數(shù)據(jù)傳輸測試、遠傳數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的一致性測試、監(jiān)控程序與現(xiàn)場設備的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

4.3 效果驗證

為了驗證系統(tǒng)各類報警信息的準確性，采取以下措施進行效果驗證：在綜合監(jiān)控桿覆蓋范圍內(nèi)，組織各類施工機械車輛，以不同角度、不同速度通過管道周邊的道路，同時統(tǒng)計相應時間段內(nèi)通行的社會車輛，對比長輸管道智能監(jiān)測預警系統(tǒng)的報警信息，得到系統(tǒng)的準確度和誤報率。對于系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的陰極保護遠傳數(shù)據(jù)報警，通過現(xiàn)場人工測試對比，判斷其準確性。

5 結(jié)束語

隨著長輸管道安全風險的增加，有必要將新一代信息技術(shù)與管道的安全防護結(jié)合，構(gòu)建一套全面防范、重點加強、資源共享的長輸管道智能監(jiān)測預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對管道沿線威脅管道安全的第三方施工、違章占壓等異常情況的實時監(jiān)測、監(jiān)控、分析、定位和預警等功能，全面提升管道安全管理水平，保障管道安全運行。