王巨洪

國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司

摘要：油氣管道覆蓋地域廣，受外界因素影響較大，一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，將危及管道周邊公共安全。應(yīng)用多源感知技術(shù)等智能手段為全面即時(shí)感知管道異常事件提供了技術(shù)支撐。介紹了多源感知技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，通過多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用分析，提出了多源感知技術(shù)綜合應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞：多源感知技術(shù)；多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用；油氣管道

油氣管道是國家重要的能源戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，隨著管道建設(shè)快速發(fā)展和外部環(huán)境的變化，安全管理難度與日俱增。中俄東線作為智能管道建設(shè)試點(diǎn)，開展實(shí)時(shí)泛在感知能力建設(shè)，應(yīng)用多源感知技術(shù)全面提升風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及安全管控水平，保障管道本質(zhì)安全和綠色發(fā)展。本文在介紹多源感知技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出綜合應(yīng)用建議。

1  多源感知技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1  衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)[1]

（1）星載InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測量）技術(shù)。InSAR技術(shù)最早始于20世紀(jì)60年代，21世紀(jì)初國外開始用其對管道沿線地表變形與管道基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測，均取得較好效果。我國應(yīng)用研究起步較晚，近10年取得較大進(jìn)展，在國土、公路、鐵路等領(lǐng)域開展地表變形監(jiān)測，油氣管道行業(yè)還處在理論研究和技術(shù)探索階段。

（2）光學(xué)衛(wèi)星影像。20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)，國際光學(xué)衛(wèi)星影像經(jīng)歷了從膠片返回向光電傳輸、敏捷型高分辨率偵測一體式光學(xué)衛(wèi)星發(fā)展歷程。美國利用衛(wèi)星影像結(jié)合地球化學(xué)資料實(shí)現(xiàn)了油氣藏探查。我國衛(wèi)星技術(shù)始于1970年，目前形成了資源系列、高分系列、環(huán)境/實(shí)踐系列、小衛(wèi)星系列、氣象系列、海洋系列等衛(wèi)星技術(shù)，并應(yīng)用遙感衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行管道設(shè)計(jì)選線及輔助管道日常管理。

受重訪周期和資費(fèi)影響，這兩種技術(shù)一般用于大范圍地災(zāi)普查、周期性地貌及周邊環(huán)境變化分析等，不能對管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.2  無人機(jī)巡護(hù)技術(shù)[2]

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)所具有的長距離、即時(shí)傳輸、即時(shí)識別報(bào)警等優(yōu)勢，在長輸油氣管道巡護(hù)業(yè)務(wù)中得到體現(xiàn)。目前由于受空域禁飛和續(xù)航能力限制，無人機(jī)巡護(hù)還不能做到全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測管道。

1.3  視頻智能識別技術(shù)[3]

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，目前采用視頻智能識別技術(shù)的第三代工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)已用于現(xiàn)場管理。受攝像頭照射距離和數(shù)據(jù)傳輸影響，視頻智能識別技術(shù)無法對管道全覆蓋監(jiān)視。

1.4  GNSS地表位移監(jiān)測技術(shù)[4]

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）技術(shù)在20世紀(jì)中葉得以研究發(fā)展，1994年美國建成GPS系統(tǒng)，1996年俄羅斯建成GLONASS系統(tǒng)，目前中國部署完成BDS3系統(tǒng)。早期專業(yè)型GNSS監(jiān)測設(shè)備成本昂貴，僅在蘭成渝管道開展科學(xué)研究。隨著高精度、小型化、千元級GNSS監(jiān)測設(shè)備研制成功，已廣泛用于蘭鄭長管道和中俄東線管道滑坡、土體崩塌等易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害管段的監(jiān)測。

1.5  振弦式應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)[4]

20世紀(jì)30年代，振弦式應(yīng)變計(jì)在國外問世。20世紀(jì)70年代，我國大壩、橋梁、公路等土木工程中得以應(yīng)用。近年來，隨著高強(qiáng)鋼管道里程不斷增加，途經(jīng)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)越來越多，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道本體監(jiān)測上。

1.6  雨量監(jiān)測技術(shù)

雨量計(jì)用來測量降水量、降水強(qiáng)度、降水起始時(shí)間等數(shù)據(jù)。2000年左右開始用于油氣管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中，目前常用的是翻斗式雨量計(jì)。一般用于滑坡、土體崩塌等易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害管段。

1.7  智能陰保監(jiān)控技術(shù)[5]

意大利SNAM公司在其所轄32 625 km天然氣管道上安裝17 000個(gè)智能電位采集儀，通過Wireless傳至PEGASO系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。國內(nèi)智能電位采集儀最早出現(xiàn)在2005年，主要用于技術(shù)理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)。目前已在中俄東線及新建管道全面應(yīng)用。陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場感知設(shè)備和后臺分析軟件組成，一般3 km～5 km設(shè)置一個(gè)智能電位采集儀（智能樁）。

1.8  光纖監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

（1）光纖振動監(jiān)測預(yù)警技術(shù)[6]。2007年，英國OptaSense公司開始研發(fā)DAS（Distributed fiber Acoustic Sensing，分布式光纖聲波傳感）系統(tǒng)，并進(jìn)行世界上首次管道泄漏檢測。國內(nèi)相關(guān)單位相繼開展DAS科研攻關(guān)和應(yīng)用，利用同溝敷設(shè)的通信光纜，可實(shí)現(xiàn)對管道全方位實(shí)時(shí)泛在感知監(jiān)測。如管道公司（津華線）、上海波匯公司（日照管道）、管道局通信公司（中俄東線北段和中段）。

（2）光纖應(yīng)變監(jiān)測預(yù)警技術(shù)[4]。2002年，瑞士Omnisens公司在柏林鹽水管道開始應(yīng)用，取得較好效果。2019年，國內(nèi)引進(jìn)該技術(shù)在港棗線煤礦采空區(qū)開展研究。采取單獨(dú)敷設(shè)緊固式光纜，對需要監(jiān)測的管段（如地震斷裂帶、軟土地基等處）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。2020年在中俄東線中段地震斷裂帶及中石化重慶武陵山管道現(xiàn)場應(yīng)用。

（3）光纖測溫監(jiān)測預(yù)警技術(shù)[7]。2019年，國內(nèi)引進(jìn)該技術(shù)在中俄東線北段高后果區(qū)現(xiàn)場試用，2020年在中俄東線中段、南段現(xiàn)場應(yīng)用。利用同溝敷設(shè)通信光纜，對人口密集型高后果區(qū)、地勢起伏地段管段實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2  多源感知技術(shù)綜合應(yīng)用探討

2.1  多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用示例

近年來，隨著智能管道建設(shè)的推進(jìn)，很多院校、科研機(jī)構(gòu)及應(yīng)用單位探索對多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用[8]，取得了一些成績。

示例一，視頻智能識別技術(shù)和光纖振動監(jiān)測預(yù)警技術(shù)聯(lián)動（圖 1）。

圖 1 視頻智能監(jiān)控和光纖振動報(bào)警聯(lián)動

示例二，某管道途經(jīng)地震斷裂帶，應(yīng)用光纖振動監(jiān)測預(yù)警、光纖應(yīng)變監(jiān)測預(yù)警、光纖測溫監(jiān)測預(yù)警、管體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、地表位移監(jiān)測、視頻智能監(jiān)控等多源感知技術(shù)。2022年8月14日和8月18日，受暴雨影響，管道上方?jīng)_出深溝，數(shù)據(jù)傳輸樁體傾斜，技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化如圖2—4所示。

圖 2 GNSS數(shù)據(jù)變化曲線

圖 3 光纖測溫監(jiān)測數(shù)據(jù)變化

圖 4 光纖應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)變化

分析監(jiān)測結(jié)果表明，GNSS地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示Z方向（豎向）有正向變化，與現(xiàn)場沖溝實(shí)際不符，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)后是樹木遮擋天線影響數(shù)據(jù)傳輸所致。管體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)在4 MPa～20 MPa間變化，沒有達(dá)到報(bào)警閾值。光纖測溫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示降雨地表水滲透到管體，導(dǎo)致溫度上升，降雨結(jié)束后短時(shí)間內(nèi)溫度逐漸恢復(fù)，達(dá)到報(bào)警值（≥5℃）并報(bào)警。光纖應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示微應(yīng)變約100，沒有達(dá)到報(bào)警閾值。以上多源感知技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過各自系統(tǒng)采集上傳，對管道現(xiàn)場的同一異常事件或隱患給出了不同級別的響應(yīng)，給管理者決策帶來困惑。

2.2  提升建議

受數(shù)據(jù)傳輸鏈路、報(bào)警閾值、報(bào)警機(jī)理等因素影響，在相對復(fù)雜、多源感知技術(shù)應(yīng)用較集中的情況下，對管道安全監(jiān)測的作用還有待于提升。為此提出以下建議。

（1）深化應(yīng)用。比如光纖測溫監(jiān)測技術(shù)，需要根據(jù)管道及周邊環(huán)境溫度變化規(guī)律對溫度報(bào)警閾值進(jìn)行精細(xì)化設(shè)置。光纖應(yīng)變監(jiān)測和管道本體應(yīng)力監(jiān)測之間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系需要深入研究。

（2）構(gòu)建基于多源數(shù)據(jù)融合的油氣管道安全監(jiān)測技術(shù)，數(shù)據(jù)互為佐證，為高效提出管理決策提供技術(shù)支撐。

（3）構(gòu)建空、天、地一體化油氣管道智能巡檢服務(wù)體系，形成遙感衛(wèi)星環(huán)境感知、光纖實(shí)時(shí)泛在感知、無人機(jī)現(xiàn)場巡查、重點(diǎn)區(qū)域物聯(lián)監(jiān)控、人員協(xié)同作業(yè)等全方位服務(wù)能力。

3  結(jié)束語

多源感知技術(shù)的應(yīng)用，為保障油氣管道安全運(yùn)行發(fā)揮了積極作用。一是管道全線陰極保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動監(jiān)控，數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確。二是管道重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光纖預(yù)警監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，及時(shí)遏制危及管道事件發(fā)生。三是初步實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)有效融合應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)挖掘價(jià)值。隨著油氣管網(wǎng)數(shù)字基建更加完善，充分利用已建和新建智能感知系統(tǒng)，將提升管道的綜合感知技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)管道全生命周期綜合信息的互聯(lián)共享，大數(shù)據(jù)分析能力將得以充分釋放，管網(wǎng)的全方位感知、綜合性預(yù)判、一體化管控、自適應(yīng)優(yōu)化能力也將得到更大提升。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王巨洪，高級工程師，1992年本科畢業(yè)于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與環(huán)境工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道工程建設(shè)、管道管理、管道維搶修及智能管道建設(shè)方向的研究工作。聯(lián)系方式：0316-2170017，wangjh@pipechina.com.cn。