摘要：随着国民经济的快速发展，天然气供应和消费规模也在同步快速增长，天然气行 业下游基础设施、城市管网总长度也在迅猛增长。天然气企业迎来发展的同时，面临的挑 战也不容忽视。据统计，2020年全国发生管网事故151起。事故原因主要包括第三方破 坏、管线老化腐蚀、地质灾害等。如何有效监测事故隐患，快速定位泄漏点，及时应对成 为急需解决的问题。本文论述了如何利用物联网、GIS、大数据分析技术建立管网安全监 测系统，实现监测、预警、险情处置的联动，从而提高燃气管网的安全运行水平。

关键词：安全风险；泄漏监测；物联网；GIS；大数据

1 燃气管网泄漏风险

随着管网运行时间的延长，地下管线面临的风险越来越大，其中，燃气管网泄漏风险最高，造成影响最大，处置不及时极易造成人员伤亡和财产损失，给城市管理和燃气企业造成负面影响较大，此类风险是各燃气企业最为关注的。从近些年的事故案例看，造成燃气管网泄漏的主要原因包括：第三方破坏、腐蚀因素、地质因素、设备因素4类。例如：受多因素引起的土层不均匀沉降导致管道沉降，管道接口、焊缝等受到应力拉伸导致管道泄漏甚至断裂，其次，重物碾压、第三方施工或高大乔木生长等导致管道局部应力过大、导致泄漏等情况时有发生。

为及时发现泄漏，目前燃气企业多采用人工巡检的手段，同时随着技术的发展，智能监测技术已逐步成熟并已有部分实际应用。目前来看，人工巡检和智能监测的区别主要如下。

1.1 人工巡检

目前，在管网的实际运行中，多采用加强工程质量管控，加强管线巡检，更换老旧管网和设备等手段来减少泄漏的发生概率，此类方法都属于常规管理手段，可从一定程度上降低管网的泄漏概率，但从实际运行来看，难以完全杜绝泄漏的发生，及时性和有效性不佳，对人员素质和责任心依赖较重。

1.2 智能监测系统

针对人工巡检的弊端，如何对已发生的泄漏采取有效的监测、预警、处置措施从而避免事故的发生是安全运行的重点，因此，需要构建一套实时、持续、可靠的针对地下密闭空间的可燃气体泄漏监测系统，实现对高风险区域的地下燃气管线运行监测，同时克服井室内气体组分复杂、高水位、通信信号差、无市电供电等难题，及时准确发现泄漏并进行预警，以弥补常规管理和人工巡检的不足，为后续的处置提供数据和技术支撑，快速有效处置险情，避免事故发生。

2 系统的技术基础

智能监测系统技术基础主要由高风险区域识别、地下空间实时监测、数据分析、信息流转四大部分组成。由于燃气管线周边存在大量地下空间，系统建立前首先要完成对高风险区域的识别，必须根据一定准则从众多地下空间中选取高风险空间进行监测，以确保监测的可行性和充分性。同时由于地下环境复杂，沼气等因素会影响监测准确率，为提高天然气泄漏监测的准确率，需要建立系统识别模型来提高监测准确率，同时结合人工现场抢险来确定是否为燃气泄漏，在抢险过程中，如何快速有效的传递关键信息也较为重要。诸如：地下管线剖面分析、周边环境也会直接影响现场应急处置的时效性，对险情控制起到重要作用。因此，智能监测系统需建立在大量数据分析和技术研究的基础上，主要有以下几点：

2.1 风险识别

风险识别基于高泄漏管线、管线周边承载体程度、社会敏感性三个维度进行筛选。首先根据对近些年历史抢维数据的分析，优先选择燃气管线高泄漏区域进行监测，对泄漏燃气管线按照不同维度进行统计分析，获取高泄漏管线特征，如铸铁管材，服役期限超15年等。通过对系统内燃气管线属性进行筛选，获取高泄漏燃气管线分布；其次基于人口密度栅格数据及危险源、防护目标POI数据，分析获取承灾体相对密集区域，进而针对性监测；对社会敏感区域进行监测。政府机关、涉外单位、用气大客户等区域对供气稳定需求较大，对地下空间爆炸事件相对敏感，因此对这些区域进行针对性监测。基于上述策略，进行风险识别。

2.2 监测布点

基于风险识别的结果，选择风险相对较高的地下空间进行监测布点，对于地下空间的风险，评估布点主要考虑燃气管线泄漏可能性、聚集可能性、点火可能性及爆炸后果等方面，在实际应用中，主要采用基于风险的优化布点策略，对燃气管线及与燃气管线交叉的雨污水、电力管线检查井等高风险区域进行布点监测。

2.3 监测准确率

如何准确识别地下空间是否是天然气泄漏也很重要，为解决该问题，采用K-meams算法对历史报警数据进行聚类分析，分别形成沼气堆积/燃气泄漏报警数据周期性变化曲线样本库，基于此，系统可通过实时监测数据曲线与样本曲线间变异系数来判断报警数据与样本曲线间匹配度。基于匹配度、实时天气、沼气源、规律性、周边同类地下空间报警曲线相似性等五个特征构建判断矩阵，实现报警源头沼气、疑似沼气、燃沼并存、疑似燃气、燃气五类“身份信息”辨识与置信度的分析。从而提高对地下空间天然气泄漏的辨识准确率。

2.4 信息流转

当监测到泄漏险情后，需要诸多信息来辅助现场的应急处置，如：泄漏点周边的人员密集程度，是否有医院、学校等场所，是否需要停气，影响区域有多大，需要发布哪些信息以减少危险影响程度，此类信息都要快速准确的提供至现场应急指挥人员，以便其做出决策。目前此类信息多通过多个渠道汇总，时效性、准确性都难以保证，很可能会造成现场处置时间的延误，不利于险情的控制。因此，系统利用GIS系统作为基础平台，统一汇聚地下管线数据、敏感用户数据、人口密集区域数据为现场决策提供完整的数据支持。

2.5 数据分析

在险情预警、应急处置过程中，会产生诸如：管道信息、预警信息、险情信息、现场处置信息等多种数据，此类数据对后续分析管网区域风险、泄漏原因、重点巡检管段都具有较高参考价值，可以为后续的管网安全运行提供指导。但目前由于缺乏统一的数据平台和分析功能，未充分挖掘此类数据的价值。因此，系统通过建立统一的数据汇聚和分析平台，制定统一的数据标准、开发对应的数据实时采集和分析功能，实现对处置过程数据挖掘和利用，为后续管线巡检计划的制定、管网风险点识别、应急处置方案的优化提供依据。

3 系统的综合应用

基于上述研究成果，由合肥市建设局统筹规划，合肥燃气集团与某研究院合作开发了针对地下燃气管线泄漏的智能监测系统。通过将物联网传感技术、GIS技术、大数据分析技术集成利用的方式，建立从前端监测传感设备到后台数据分析安全监测系统，实现对地下管线的实时泄漏监测、预警处置、开挖分析、数据分析、安全评估、风险识别等功能，提前预警燃气爆炸风险，并依靠专业模型分析定位燃气泄漏点、预测爆炸损伤范围，为事故应急处置提供科学的辅助决策支持，通过应急指挥平台汇聚各系统信息，实现高效处置，从而避免燃气泄漏导致的事故。

采用智能化的物联网传感设备对燃气及周边窨井进行可燃气体实时监测，由于窨井无电源接入，且为易燃易爆环境，故监测和传输需满足低功耗、长时间、高稳定、防爆的特点。基于此，采用NB-IoT技术进行网络传输，NB-IoT是基于窄带的窝峰网络，优势主要有低功耗和长寿命电池，其具有更简单的波形，因此功耗低，正常使用下，使用5W/h电池的设备可以使用长达10年。安全性更高，NB-IoT的安全性和4G一样，具有加密和基于SIM卡的身份验证功能，安全性更高。另外其模块成本更低，基础数据网络均为运营商级，可靠性更高。鉴于上述优点，非常适合在大规模地下空间无外接电源场景下应用。

GIS系统是燃气企业管网运行的核心，但目前数据主要是燃气管线，并未将相邻地下空间管线数据采集录入，在泄漏发生时无法准确判断周边环境，开挖抢险时也存在损坏周边管线的风险。整套系统以ArcGis为基础，将周边雨污水、电力、通讯等管线数据整理入库，同时对人口密集区，如：学校、医院、商场等防护目标数据进行数据整理和录入，并列为敏感区域，对重点区域进行三维建模，供险情处置决策。通过接入遥感影像、城市建筑三维实景模型、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汇集融合，将燃气管线安全运行资源数据以图层化精确展示，提供全视野、全时程景观功能，具备可度量、可圈选、可分析、可策划的情景操控能力。

（1）可燃气体浓度实时监测：根据坐标将监测点位数据集成在GIS系统上实时显示，通过前端物联网监测设备实现管网泄漏实时监测，自动匹配生成报警等级，当出现泄漏报警时，系统自动报警并生成报警工单，将坐标、泄漏浓度、周边环境等信息推送至抢险系统，应急人员在APP端接单后根据信息第一时间赶往现场查漏处置，同时在GIS手持端可实时查看周边监测点的可燃气体浓度数据，掌握泄漏扩散的情况，防止险情的进一步扩大。

（2）处置信息联动：依托系统的GIS数据和险情数据，利用APP端和PC端的信息联动，将抢险现场情况（包括：现场人员信息、实际操作信息、管线信息、爆管分析结果、险情周边敏感用户信息等）实时回传至PC端，并实时同步至指挥人员APP端，打造一条险情信息共享的数据链，实现了从险情发现到处置完成的全生命周期管理，有效解决了抢险现场无数据支撑，抢险过程不能有效获取实时信息，不能有效对抢险过程进行指挥的弊端。

（3）开挖分析：通过对各类管线数据的汇聚，利用三维模型，计算并展示开挖点周边的管线埋深、间距、材质等信息，三维展示各类管线空间关系，避免管线施工任意开挖导致其他管线破坏。系统支持圆形、矩形、自定义三种模式的开挖功能，其中圆形支持半径最大为100m的圆形地面开挖，矩形支持最大30m*30m的开挖。现场处置人员可直接通过APP端点选的方式获取开挖点地下剖面图，最大限度实现了根据现场情况提供实时数据支撑的目的，为应急处置提供了准确的数据支撑。

（4）管线风险热力图：系统通过建立风险评估方法和功能运算，依据燃气管线的维修数据，得到了燃气管线维修热力图和管线材质维修频次与管线占比分布图。根据监测井内可燃气体浓度、人流密度等实时数据，与地上重要危险源和重要建筑物进行运算整合，最终得到燃气管线风险热力图。可视化的热力图可实时动态对高风险区域、高风险燃气管线进行辨识，便于针对性巡检及管网改造。

系统通过对预警、处置过程数据的收集，利用大数据分析技术，结合燃气管网维修历史数据和燃气管网基础数据，评估燃气管线相邻地下空间的安全性，结合管线使用年限、材质、埋深、检修记录、监测结果等指标，得出燃气管网健康状态，给出燃气管网运行得分。结合对监测结果的统计分析、风险评估、管网运行状态评估、报警趋势分析等定期提供燃气地下空间安全分析。为后续的管网运维、巡检、隐患排查提供依据。

截至目前，整套系统在合肥市得到成功应用，已累计安装物联网监测传感设备2万余台，对铸铁管网等老旧、重点管段实现全覆盖，同时覆盖燃气相邻地下空间的电力、雨污水、通讯窨井，累计监测泄漏报警3 000余起，其中成功预警燃气泄漏200余起，监测到沼气堆积报警2 800余起，通过系统数据流转协调处置险情200余次。实现了对高风险管线的实时监控，实现了24小时泄漏预警，极大降低了管网运行风险，避免了事故发生。

4 结束语

本套系统集成了多项信息化技术，实现了对可燃气体监测、物联网、GIS、数据分析与可视化技术的综合应用，实现了对城市地下空间燃气泄漏的有效监测预警，有效的保障了城市公共安全免受燃气管线泄漏的威胁，实现对燃气管网隐患的早发现、早预防、早预警和早处置，尽可能减少突发事件造成损失的目标，在实际应用中与人工巡检结合对于泄漏预警和应急处置效果良好。目前，多数城燃企业已建立了完善的GIS系统，因此，在NB-IoT网络完善地区该系统具备一定的推广价值。随着整套系统逐步深入应用，后续将继续在数据挖掘、泄漏点定位、扩散分析方面加大探索力度，为燃气管线安全运行提供技术保障。