摘要：隨著國民經濟的快速發展，天然氣供應和消費規模也在同步快速增長，天然氣行 業下游基礎設施、城市管網總長度也在迅猛增長。天然氣企業迎來發展的同時，面臨的挑 戰也不容忽視。據統計，2020年全國發生管網事故151起。事故原因主要包括第三方破 壞、管線老化腐蝕、地質災害等。如何有效監測事故隱患，快速定位泄漏點，及時應對成 為急需解決的問題。本文論述了如何利用物聯網、GIS、大數據分析技術建立管網安全監 測系統，實現監測、預警、險情處置的聯動，從而提高燃氣管網的安全運行水平。

關鍵詞：安全風險；泄漏監測；物聯網；GIS；大數據

1 燃氣管網泄漏風險

隨著管網運行時間的延長，地下管線面臨的風險越來越大，其中，燃氣管網泄漏風險最高，造成影響最大，處置不及時極易造成人員傷亡和財產損失，給城市管理和燃氣企業造成負面影響較大，此類風險是各燃氣企業最為關注的。從近些年的事故案例看，造成燃氣管網泄漏的主要原因包括：第三方破壞、腐蝕因素、地質因素、設備因素4類。例如：受多因素引起的土層不均勻沉降導致管道沉降，管道接口、焊縫等受到應力拉伸導致管道泄漏甚至斷裂，其次，重物碾壓、第三方施工或高大喬木生長等導致管道局部應力過大、導致泄漏等情況時有發生。

為及時發現泄漏，目前燃氣企業多采用人工巡檢的手段，同時隨著技術的發展，智能監測技術已逐步成熟并已有部分實際應用。目前來看，人工巡檢和智能監測的區別主要如下。

1.1 人工巡檢

目前，在管網的實際運行中，多采用加強工程質量管控，加強管線巡檢，更換老舊管網和設備等手段來減少泄漏的發生概率，此類方法都屬于常規管理手段，可從一定程度上降低管網的泄漏概率，但從實際運行來看，難以完全杜絕泄漏的發生，及時性和有效性不佳，對人員素質和責任心依賴較重。

1.2 智能監測系統

針對人工巡檢的弊端，如何對已發生的泄漏采取有效的監測、預警、處置措施從而避免事故的發生是安全運行的重點，因此，需要構建一套實時、持續、可靠的針對地下密閉空間的可燃氣體泄漏監測系統，實現對高風險區域的地下燃氣管線運行監測，同時克服井室內氣體組分復雜、高水位、通信信號差、無市電供電等難題，及時準確發現泄漏并進行預警，以彌補常規管理和人工巡檢的不足，為后續的處置提供數據和技術支撐，快速有效處置險情，避免事故發生。

2 系統的技術基礎

智能監測系統技術基礎主要由高風險區域識別、地下空間實時監測、數據分析、信息流轉四大部分組成。由于燃氣管線周邊存在大量地下空間，系統建立前首先要完成對高風險區域的識別，必須根據一定準則從眾多地下空間中選取高風險空間進行監測，以確保監測的可行性和充分性。同時由于地下環境復雜，沼氣等因素會影響監測準確率，為提高天然氣泄漏監測的準確率，需要建立系統識別模型來提高監測準確率，同時結合人工現場搶險來確定是否為燃氣泄漏，在搶險過程中，如何快速有效的傳遞關鍵信息也較為重要。諸如：地下管線剖面分析、周邊環境也會直接影響現場應急處置的時效性，對險情控制起到重要作用。因此，智能監測系統需建立在大量數據分析和技術研究的基礎上，主要有以下幾點：

2.1 風險識別

風險識別基于高泄漏管線、管線周邊承載體程度、社會敏感性三個維度進行篩選。首先根據對近些年歷史搶維數據的分析，優先選擇燃氣管線高泄漏區域進行監測，對泄漏燃氣管線按照不同維度進行統計分析，獲取高泄漏管線特征，如鑄鐵管材，服役期限超15年等。通過對系統內燃氣管線屬性進行篩選，獲取高泄漏燃氣管線分布；其次基于人口密度柵格數據及危險源、防護目標POI數據，分析獲取承災體相對密集區域，進而針對性監測；對社會敏感區域進行監測。政府機關、涉外單位、用氣大客戶等區域對供氣穩定需求較大，對地下空間爆炸事件相對敏感，因此對這些區域進行針對性監測。基于上述策略，進行風險識別。

2.2 監測布點

基于風險識別的結果，選擇風險相對較高的地下空間進行監測布點，對于地下空間的風險，評估布點主要考慮燃氣管線泄漏可能性、聚集可能性、點火可能性及爆炸后果等方面，在實際應用中，主要采用基于風險的優化布點策略，對燃氣管線及與燃氣管線交叉的雨污水、電力管線檢查井等高風險區域進行布點監測。

2.3 監測準確率

如何準確識別地下空間是否是天然氣泄漏也很重要，為解決該問題，采用K-meams算法對歷史報警數據進行聚類分析，分別形成沼氣堆積/燃氣泄漏報警數據周期性變化曲線樣本庫，基于此，系統可通過實時監測數據曲線與樣本曲線間變異系數來判斷報警數據與樣本曲線間匹配度。基于匹配度、實時天氣、沼氣源、規律性、周邊同類地下空間報警曲線相似性等五個特征構建判斷矩陣，實現報警源頭沼氣、疑似沼氣、燃沼并存、疑似燃氣、燃氣五類“身份信息”辨識與置信度的分析。從而提高對地下空間天然氣泄漏的辨識準確率。

2.4 信息流轉

當監測到泄漏險情后，需要諸多信息來輔助現場的應急處置，如：泄漏點周邊的人員密集程度，是否有醫院、學校等場所，是否需要停氣，影響區域有多大，需要發布哪些信息以減少危險影響程度，此類信息都要快速準確的提供至現場應急指揮人員，以便其做出決策。目前此類信息多通過多個渠道匯總，時效性、準確性都難以保證，很可能會造成現場處置時間的延誤，不利于險情的控制。因此，系統利用GIS系統作為基礎平臺，統一匯聚地下管線數據、敏感用戶數據、人口密集區域數據為現場決策提供完整的數據支持。

2.5 數據分析

在險情預警、應急處置過程中，會產生諸如：管道信息、預警信息、險情信息、現場處置信息等多種數據，此類數據對后續分析管網區域風險、泄漏原因、重點巡檢管段都具有較高參考價值，可以為后續的管網安全運行提供指導。但目前由于缺乏統一的數據平臺和分析功能，未充分挖掘此類數據的價值。因此，系統通過建立統一的數據匯聚和分析平臺，制定統一的數據標準、開發對應的數據實時采集和分析功能，實現對處置過程數據挖掘和利用，為后續管線巡檢計劃的制定、管網風險點識別、應急處置方案的優化提供依據。

3 系統的綜合應用

基于上述研究成果，由合肥市建設局統籌規劃，合肥燃氣集團與某研究院合作開發了針對地下燃氣管線泄漏的智能監測系統。通過將物聯網傳感技術、GIS技術、大數據分析技術集成利用的方式，建立從前端監測傳感設備到后臺數據分析安全監測系統，實現對地下管線的實時泄漏監測、預警處置、開挖分析、數據分析、安全評估、風險識別等功能，提前預警燃氣爆炸風險，并依靠專業模型分析定位燃氣泄漏點、預測爆炸損傷范圍，為事故應急處置提供科學的輔助決策支持，通過應急指揮平臺匯聚各系統信息，實現高效處置，從而避免燃氣泄漏導致的事故。

采用智能化的物聯網傳感設備對燃氣及周邊窨井進行可燃氣體實時監測，由于窨井無電源接入，且為易燃易爆環境，故監測和傳輸需滿足低功耗、長時間、高穩定、防爆的特點。基于此，采用NB-IoT技術進行網絡傳輸，NB-IoT是基于窄帶的窩峰網絡，優勢主要有低功耗和長壽命電池，其具有更簡單的波形，因此功耗低，正常使用下，使用5W/h電池的設備可以使用長達10年。安全性更高，NB-IoT的安全性和4G一樣，具有加密和基于SIM卡的身份驗證功能，安全性更高。另外其模塊成本更低，基礎數據網絡均為運營商級，可靠性更高。鑒于上述優點，非常適合在大規模地下空間無外接電源場景下應用。

GIS系統是燃氣企業管網運行的核心，但目前數據主要是燃氣管線，并未將相鄰地下空間管線數據采集錄入，在泄漏發生時無法準確判斷周邊環境，開挖搶險時也存在損壞周邊管線的風險。整套系統以ArcGis為基礎，將周邊雨污水、電力、通訊等管線數據整理入庫，同時對人口密集區，如：學校、醫院、商場等防護目標數據進行數據整理和錄入，并列為敏感區域，對重點區域進行三維建模，供險情處置決策。通過接入遙感影像、城市建筑三維實景模型、人口／交通／物流分布等地理信息，形成物理世界和信息世界的匯集融合，將燃氣管線安全運行資源數據以圖層化精確展示，提供全視野、全時程景觀功能，具備可度量、可圈選、可分析、可策劃的情景操控能力。

（1）可燃氣體濃度實時監測：根據坐標將監測點位數據集成在GIS系統上實時顯示，通過前端物聯網監測設備實現管網泄漏實時監測，自動匹配生成報警等級，當出現泄漏報警時，系統自動報警并生成報警工單，將坐標、泄漏濃度、周邊環境等信息推送至搶險系統，應急人員在APP端接單后根據信息第一時間趕往現場查漏處置，同時在GIS手持端可實時查看周邊監測點的可燃氣體濃度數據，掌握泄漏擴散的情況，防止險情的進一步擴大。

（2）處置信息聯動：依托系統的GIS數據和險情數據，利用APP端和PC端的信息聯動，將搶險現場情況（包括：現場人員信息、實際操作信息、管線信息、爆管分析結果、險情周邊敏感用戶信息等）實時回傳至PC端，并實時同步至指揮人員APP端，打造一條險情信息共享的數據鏈，實現了從險情發現到處置完成的全生命周期管理，有效解決了搶險現場無數據支撐，搶險過程不能有效獲取實時信息，不能有效對搶險過程進行指揮的弊端。

（3）開挖分析：通過對各類管線數據的匯聚，利用三維模型，計算并展示開挖點周邊的管線埋深、間距、材質等信息，三維展示各類管線空間關系，避免管線施工任意開挖導致其他管線破壞。系統支持圓形、矩形、自定義三種模式的開挖功能，其中圓形支持半徑最大為100m的圓形地面開挖，矩形支持最大30m*30m的開挖。現場處置人員可直接通過APP端點選的方式獲取開挖點地下剖面圖，最大限度實現了根據現場情況提供實時數據支撐的目的，為應急處置提供了準確的數據支撐。

（4）管線風險熱力圖：系統通過建立風險評估方法和功能運算，依據燃氣管線的維修數據，得到了燃氣管線維修熱力圖和管線材質維修頻次與管線占比分布圖。根據監測井內可燃氣體濃度、人流密度等實時數據，與地上重要危險源和重要建筑物進行運算整合，最終得到燃氣管線風險熱力圖。可視化的熱力圖可實時動態對高風險區域、高風險燃氣管線進行辨識，便于針對性巡檢及管網改造。

系統通過對預警、處置過程數據的收集，利用大數據分析技術，結合燃氣管網維修歷史數據和燃氣管網基礎數據，評估燃氣管線相鄰地下空間的安全性，結合管線使用年限、材質、埋深、檢修記錄、監測結果等指標，得出燃氣管網健康狀態，給出燃氣管網運行得分。結合對監測結果的統計分析、風險評估、管網運行狀態評估、報警趨勢分析等定期提供燃氣地下空間安全分析。為后續的管網運維、巡檢、隱患排查提供依據。

截至目前，整套系統在合肥市得到成功應用，已累計安裝物聯網監測傳感設備2萬余臺，對鑄鐵管網等老舊、重點管段實現全覆蓋，同時覆蓋燃氣相鄰地下空間的電力、雨污水、通訊窨井，累計監測泄漏報警3 000余起，其中成功預警燃氣泄漏200余起，監測到沼氣堆積報警2 800余起，通過系統數據流轉協調處置險情200余次。實現了對高風險管線的實時監控，實現了24小時泄漏預警，極大降低了管網運行風險，避免了事故發生。

4 結束語

本套系統集成了多項信息化技術，實現了對可燃氣體監測、物聯網、GIS、數據分析與可視化技術的綜合應用，實現了對城市地下空間燃氣泄漏的有效監測預警，有效的保障了城市公共安全免受燃氣管線泄漏的威脅，實現對燃氣管網隱患的早發現、早預防、早預警和早處置，盡可能減少突發事件造成損失的目標，在實際應用中與人工巡檢結合對于泄漏預警和應急處置效果良好。目前，多數城燃企業已建立了完善的GIS系統，因此，在NB-IoT網絡完善地區該系統具備一定的推廣價值。隨著整套系統逐步深入應用，后續將繼續在數據挖掘、泄漏點定位、擴散分析方面加大探索力度，為燃氣管線安全運行提供技術保障。