作者：张继亮，林建芬，丛培雪
第一作者单位：泰能天然气有限公司
摘自《煤气与热力》2023年10月刊
张继亮，林建芬，丛培雪. 燃气安全运行监测预警系统的研究［J］. 煤气与热力，2023，43（10）：B29-B32.
我国城市燃气事业发展迅速，燃气管网建设也日趋完善，2021年全国城市燃气管道长度超过92×104 km，管道燃气普及率98.04%。不少城市的地下燃气管道年代久远，由于工程设计不合理、老旧管道超期服役、腐蚀漏气带病运行、巡线工作不到位等，燃气安全事故时有发生，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响［1-2］。近些年，政府及社会对燃气行业安全的关注度前所未有，多地相继提出加快推进数字化技术在燃气行业安全方面的应用［3］。燃气安全运行监测预警系统的建设，能够充分运用物联网、云计算、大数据、人工智能、地理信息等数字化技术，从智能感知、风险定位、专家判断、应急指挥等多个方面，助力燃气行业安全管理能力提升［4］。笔者通过分析目前我国燃气行业安全方面的现状，研究构建燃气安全运行监测预警系统（简称预警系统）的技术方案，以期推进数字技术对燃气行业安全的赋能作用。监管部门对燃气安全有战略、有规划、有期待。多地相继发文，明确要求在城市燃气管道等老化更新改造过程中，同步在燃气管道重要节点安装智能化感知设备，建设风险监控预警网络，加强预警能力建设，保障城市燃气管网等城市生命线安全［5］。安全是燃气企业的立足之本，是生产的底线和红线。2021年湖北省十堰市“6·13”燃气爆炸事故、2022年天津市宝坻区燃气爆炸事故等安全事故影响恶劣，严重威胁人民群众的生命财产安全［6］。与领先者相比，大部分燃气企业需要尽快提升安全方面的数字化水平。大部分燃气企业在生产运行监控领域虽有部分投入，但安全方面的数字化投入整体偏少，尚未形成有效的风险识别、风险预测能力，要尽快提升安全方面的数字化水平［7-8］。3 预警系统的技术方案设计
前端感知设备主要指密闭空间可燃气体监测设备，该监测设备可固定于燃气阀井井壁上或者悬挂于井盖上。可燃气体监测设备主要监测阀井内的甲烷浓度，通过泵吸的方式，待测气体吸入到检测腔室，激光甲烷传感器监测检测腔室内的甲烷浓度，通过4G或NB无线通信模块将监测数据上传至预警系统。可燃气体监测设备模块组成见图1。可燃气体监测设备采用泵吸式采集，通过软管对待测区域的气体抽气采样，特别适用于密闭空间内的气体采集监测。可燃气体监测设备采用激光甲烷传感器监测检测腔室内的甲烷浓度。激光甲烷传感器采用半导体激光传感器和微电脑算法技术，进行气体测量。激光甲烷点式探头采用激光检测技术，性能安全、使用寿命长，且不受湿度、温度影响，不受粉尘、其他气体干扰。为了避免因吸入阀井内积水而导致异常故障，设计有水位探测器，当水位探测器检测到当前处于浸水状态时，立即触发报警。当甲烷浓度低于监测阈值时，每24 h上传1次数据至预警系统；当甲烷浓度高于检测阈值时，每5 min上传1次。可燃气体监测设备可根据当前环境的甲烷浓度，在两种模式之间智能切换。后端应用平台以前端感知设备采集的数据为基础，结合对厂站、应急站、管网、车辆、人员等要素的处理，从智能感知、风险定位、专家判断、应急指挥等方面进行分析处理，做到纵向到底、横向到边，形成预警系统的处理中枢大脑。围绕安全，后端应用平台以数字孪生为支撑，接入物联监测装置，实现全天候异常监测和秒级远程预警，做到全方位、立体化预警，提高事故监测感知能力。接入可燃气体浓度报警器、压力监测器等，支持气体识别、压力监测等。实现预警可按政府监管部门、社区、燃气企业、工商用户或居民用户等分级展示、分层推送。后端应用平台建立隐患因子集合，确定影响权重，运用数学模型生成风险矩阵。以风险矩阵为基础，明确风险等级，生成风险色图，让风险可视化，为重点防控提供决策支持。后端应用平台风险可视化界面见图2。支持管网老化和腐蚀、温度变化和土层沉降、施工质量管理不规范、违章占压、违规操作等多种隐患因子，燃气管道隐患因子见表1，“—”表示不存在。后端应用平台可对区域风险、管道风险进行预测，由被动应对向主动预防转换，内置基于算法学习的风险评估模型，包括失效可能性评估、失效后果评估［9］。表1 燃气管道隐患因子
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实现对抢修车辆、抢修人员、电子工单等各要素的联通；强化对抢险现场信息采集、指挥调度、进度监督和信息报送，实现对抢险现场的可视化管理，让应急处理可感、可控、在控，强化主管部门、处置单位等机构的联动。抢修指挥可视化界面见图3。整合空间数据、业务数据，支持对“厂、网、端”的逐级呈现；支持柱状图、折线图、饼图、热力图等常用展示组件库；内置调压器、报警器、压力变送器、阀门、管路等要素；提供高压管网、中低压管网、车辆、人员、设备等图层，实现对地上建筑、地下管网、重点危险源的全景立体展示，直观掌握场景全貌。预警系统后端应用平台支持Mysql、Oracle、Mongodb等多种异构数据源，融合使用Hadoop、Spark、Flink等先进的存储及计算技术。涉及1个基础底座，2个中台，N个应用，形成燃气行业内领先的1+2+N技术架构，见图4。为预警系统提供虚拟化的计算资源、存储资源及网络资源等。提供多种物联设备的接入能力，具有大连接、高性能、高可用和高安全等特点，可实现对视频监控、流量计量、浓度监测、压力传感等传感感知。采用微服务、松耦合、模块化设计，支持结构化、半结构化、非结构化多种异构数据源统一管理，支持数据采集、清洗、转化、归类、提炼等，通过数据接入、集成、开发、管理、维护等，将数据以服务方式提供给前台应用，协同能力中台，形成整体业务与数据协同支撑能力。涉及空间应用、BIM应用、物联管理、人工智能等能力。支持能力开发、能力封装、数智赋能等，通过注册、发布、订阅等，向下集成各种资源，向上支持各类应用的开发部署和运行优化。构建负载均衡、服务鉴权、状态监测等能力，为能力中台提供保障。为各类场景提供具体应用支持，主要包括厂站泄漏监测、厂站视频监测、管网泄漏监测、管网压力监测、应急抢修指挥等，助力燃气安全，做好事前预警监测、事中联合处理、事后总结评估。保障体系包括标准规范体系和安全保障体系。标准规范体系包括技术类标准规范、业务类标准规范。安全保障体系包括运行环境调优、预防性维护、应急保障服务等。通过对燃气安全运行监测预警系统的研究，指出该系统由前端感知设备和后端应用平台组成，对各组成部分进行展开说明，有助于燃气企业透彻理解燃气安全运行监测预警系统。燃气安全运行监测预警系统的建设推广，使得通过物联感知终端实时采集汇聚城市燃气安全生产运行信息，并通过大数据算法及时发现各种风险隐患成为可能，有助于提升减灾防灾能力，提高城市运行安全指数。［1］刘贺明. 中国城市燃气面临的形势和发展的措施［J］. 城市燃气，2002（3）：9-12.［2］刘文雯. 城市管道燃气事故发生的原因及预防措施［J］. 科技创新与应用，2014（11）：289-290.［3］王天锡. 提高城市燃气管网技术水平和管理水平确保城市燃气安全运行［J］. 城市燃气，2001（8）：11-13.［4］付明，谭琼，袁宏永，等. 城市生命线工程运行监测标准体系构建［J］. 中国安全科学学报，2021（1）：153-158.［5］程茂崯. 城市燃气安全隐患分析与防范措施探讨［J］. 化工管理，2017（2）：269-270.［6］张玉胜. 十堰燃气爆炸事故警示［J］. 中国减灾，2021（16）：62-63.［7］刘波. 燃气工程施工质量及安全运行管理［J］. 数字化用户，2017（34）：80-81.［8］徐向敏，王晓明. 城市燃气安全事故原因分析与改进措施［J］. 城市管理与科技，2006（4）：177-178.［9］张弢，慕德俊，任帅，等. 一种基于风险矩阵法的信息安全风险评估模型［J］. 计算机工程与应用，2010（5）：93-95.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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