| 标题 | 城市燃气管网物联网综合监测与应急处置技术研究 |
| 范文 | 韩君庆++陈建国 [摘 要] 城市的地下管线系统能否安全运行直接影响到城市功能能否正常运转，尤其是易燃易爆的燃气管网，其能否安全运行关乎人民的生命财产安全，因此，燃气管网相邻地下空间安全监测及其相关应急处置机制的研究显得极有必要。文章以城市A为燃气管网部署研究城市，设计了燃气管网的监测、信息传输、数据分析以及决策预警等方面的技术框架，并对与燃气管网的安全运行密切相关的关键技术进行了总结。最后通过对A市出现的一个真实突发事件进行全流程处置来展示研究成果。 [关键词] 城市生命线；物联网；突发事件；应急处置；综合监测；燃气管网 doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 19. 080 [中图分类号] TN915.08 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）19- 0186- 04 0 引 言 城市的地下管线担负着城市的信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排弃的功能，是城市赖以生存和发展的物质基础，它就像人体内的“血管”和“神经”，因此，被人们称为城市的“生命线”。随着世界城市化进程的加速，城市地下管线建设发展非常迅猛，随之而来的地下管线管理方面的问题也越来越多，突发紧急事件频繁发生。燃气设施及其附属管线是城市地下管线的重要组成部分，是市政公用事业城市的重要的基础设施之一，是现代城镇的重要基础设施，与经济社会发展和人民生活息息相关。城镇燃气对优化能源结构、改善环境质量、促进城镇发展、提高人民生活水平发挥了极其重要的作用。同时，燃气本身又具有易燃、易爆和有毒的特点，一旦管道设施发生泄漏，极易发生火灾、爆炸及中毒事故，使国家和人民生命财产遭受损失。2004年7月30日，比利时发生一起然气管道爆炸事故，造成23人死亡，200多人受伤。2014年8月1日，台湾高雄市输气管道发生爆炸并引发大火，造成16人死亡。2015年4月17日，美国加州一条天然气输气管道被破坏，导致爆炸和火灾，并造成15人受伤。燃气行业现在成为社会所关注的焦点，其发生事故所造成的损失，不仅仅是一些经济上的损失，给自身的发展增加难度，更会给当地的投资环境、经济发展造成一些负面的影响。如何有效避免、把此类事件发生的可能性降低到最低点，已成为当前城市安全运行管理的重中之重。因此，燃气管网相邻地下空间安全监测及其相关应急处置机制的设立显得极为必要。 本文研究以城市A为背景，以2.5公里燃气管网为研究目标，构建燃气管网风险隐患的识别、监测、预警、评估以及应急处置系统，建立相关风险分析理论和识别技术框架，构建燃气管网工程物联网感知网络，实现实时监测，提供城市燃气管网健康状态和评估报告，为实现主动式安全保障提供技术支持和理论依据。其研究成果可以为整个燃气管网工程的安全运行管理先行探索创新路径，并为相关管理机制的建立奠定坚实基础。 1 总体研究框架 A市燃气管网安全运行监测系统以公共安全科技为支撑，融合应用物联网、云计算、大数据、移动互联、BIM/GIS等现代信息技术，透彻感知燃气管网的运行状况，分析燃气管网风险及耦合关系，深度挖掘燃气管网运行规律，实现燃气管网系统风险的及时感知，早期预测预警、和高效处置应对。确保燃气管网的主动式安全保障。 本项目将基于上述技术和应用框架，通过对燃气管网相邻地下空间进行风險识别，评估地下空间轰燃爆炸风险；实时监测燃气管网相邻地下空间可燃气体浓度；形成泄漏地段的快速风险预警，降低密闭空间爆炸危险性。系统将得到的预警信息与其他生命线安全监测系统的信息以及用地类型等数据相结合，综合分析并识别出可能发生次生事件的区域。为燃气管网的巡检和养护提供科学依据，为相关部门进行科学决策和应急处置提供支持。 城市燃气管网安全监测系统为城市燃气管网监管提供全业务、全体系、成套化的技术支撑服务，进行顶层设计与系统总体框架构建，并在统一框架下模块化构建专项应用，提供开放式接口适配，实现各业务应用以及系统与外部系统互联互通、资源共享、协同协作，又能独立运行。以物联网“感传知用”为技术架构进行构建，燃气管道安全运行管理系统的总体研究框架如图1所示。 研究内容包括以下几个方面： （1）前端感知系统。燃气管网相邻地下空间安全监测项目前端感知系统主要包括甲烷、乙烷、一氧化碳和硫化氢前端监测仪以及气体采集设备等。前端感知系统主要对燃气管网相邻地下空间的可燃和有毒气体的浓度进行监测，包括监测点的布设和监测方式的选择设计等。监测点的布设首先通过对燃气管网相邻地下空间的风险等级辨识，确立监测空间位置，然后根据实际空间类型选择监测方式。监测方式包括前端气体采集仪的设计、安装和供电等。 （2）网络传输系统。网络传输系统作为连接燃气管网相邻地下空间前端传感器的网络以及后端监测中心的广域链路，是整个项目中最为重要的支撑保障系统。主要通过感知网和广域网等网络传输手段，实现传感器数据的汇集、传输，系统应用时的数据交互。 （3）专项应用系统。燃气管网相邻地下空间安全监测系统包括：①地下空间风险识别子系统（利用缓冲区分析技术，在城市地下管网三维模型上建立不同危险距离为半径的缓冲虚拟空间，分析缓冲虚拟空间与污水管网三维模型、雨水管网三维模型、电缆沟网络三维模型、地下超市三维模型以及地下停车场三维模型的交集部分，从而分析判断得出这些地下空间的风险等级信息）；②动态监测子系统（动态监测子系统将管网及密闭空间的功能信息和监测信息以集成的方式展现在相应的用户终端界面上，本系统包括管网及相邻空间三维可视化、分类信息显示、信息查询和信息分析）；③安全分析子系统（针对地下空间内可燃气体的安全进行评估，包括危险空间可燃气体浓度评估、危险空间可燃气体泄漏检测评估、可燃气体扩散分析、可燃气体泄漏后果预测评估还有其他专项评估）；④预测预警子系统（根据当前掌握的信息，运用综合预测分析模型，进行快速计算，对事态发展和后果进行模拟分析，预测可能发生的次生、衍生事件，确定事件可能的影响范围、影响方式、持续时间和危害程度等，并结合相关预警分级指标提出预警分级的建议）；⑤辅助决策子系统（辅助决策支持系统提供对燃气管网相邻地下空间安全状况的总体概览，系统涵盖领导桌面、综合统计分析和智能辅助方案）。 燃气管网相邻地下空间安全监测系统的工作流程如图2所示。系统将首先对地下管网及相邻空间进行可燃气体爆炸风险评估，确定各个空间的风险等级分布，在此基础上进行传感器的优化设。对有不同风险等级地下空间进行分级监测。监测方式包括利用固定式可燃气体监测仪对可燃气体的浓度进行监测，燃气公司的移动监设备对可能存在的燃气泄漏进行监测和网络舆情监测。根据监测的结果，对地下空间发生爆炸的风险进行划分，并通过计算定位泄漏的位置和分析风险的发展态势。系统将就事故信息向有关部门发布风险图和预警信息。系统还将生成应急辅助决策预案，包括资源调配图、智能预案的生成等等。 2 关键技术 燃气管网相邻地下空间安全监测系统所使用的技术涉及前端管网空间安全信息感知、采集、传输、处理等四个环节，各个环节以公共安全科技为主线，涵盖地下空间风险识别技术、爆炸防护理论、气体化学分析技术、预测预警、安全评估等公共安全技术，其具体关键技术如图3所示。 2.1 危险空间的识别技术 根据管网的功能、服务对象和周围环境进行区域划分，进行三维空间建模；利用专题图层叠加、空间拓扑构建和临近空间分析，获得燃气管网与其他地下空间相邻区域的分布数据，如地理坐标、空间体积和空间属性等，评估空间的风险等级。 2.2 混合气体爆炸危险性分析技术 通过对不同组分、不同比例燃气与污水、雨水等管网的杂质气体（CO，H2S等）混合后在常见危险密闭环境中的爆炸机理、爆炸浓度极限、爆炸冲击波压力、爆炸火焰温度、毁伤范围等关键参数，建立混合气体爆炸危险性快速评估模型，科学有效评估可燃混合气体的爆炸风险。 2.3 泄漏后果预测技术 根据事故的种类不同所产生的危害作用不同，如天然气喷射燃烧、天然气混合爆炸、水漫路面、水冲击路面坍塌等，结合事故发生地的区域划分、地质条件、管网信息和用户分布，对人员伤亡、经济损失、交通和用水影响区域进行预测。 2.4 密闭空间泄漏源反演技术 根据气体不同时间的浓度监测场，设置泄漏空间边界条件和校正因子，用优化算法和随机逼近等反演方法对密封空间泄漏源进行反演推算。 3 突发事件处理实例 从一个真实发生的燃气泄漏处理案例展示研究结果。 2016年6月28日13：14，系统发出了警报：可燃气体浓度达到4.2%，接近爆炸极限，如图4所示。通过对平台报警数据分析，发现某设备（编号A317015025）数据存在规律性变化，其中在凌晨四点左右压力浓度最高，在白天浓度降低，部分时刻会降低至高报阈值以下，如图5所示。 经查实，该井位于A市登云庭小区西门，离门卫室约2米，为燃气井，井内可燃气体监测仪为6月21晚安装，如图6、图7所示。 比较历史监测曲线和瓦斯泄漏特征曲线，这两条曲线的匹配程度很高，初步判断是漏气，如图8所示。进一步分析气体溯源模型，发现泄露可能发生在登云庭小区西门或者黎明公交车站，如图9所示。 通过对可燃气体扩散模型的分析，得到了周围受影响的目标，包括电力、雨水管道等，共有22个，如图10所示。同时通过分析可以得到泄漏气体的爆炸时间是34小时后，如图11所示。并分析了爆炸对其他管道、关键防护目标以及其他关键危险以及爆炸的影响。 通过分析发现，其危险程度较高，且由于泄露处于小区的入口，一旦发生爆炸，后果严重。因此第一时间及时通知受灾地区和单位，并做好紧急疏散、交通管制等工作，以防出现伤亡。然后通知煤气公司，抢修人员在管道连接处发现了一个缝隙，这个缝隙导致煤气泄漏。相关人员进行抢修处理，避免了瓦斯爆炸事故的发生。 同时系统还可以结合燃气管网运行周期，定期给出运行评价报告，可以统计报警类型、燃气事故原因等，总结监测区的安全情况，并对燃气泄漏事故提出相应的处理建议。 4 结 论 随着天然气行业的不断发展，越来越多的城市开始开发和使用燃气管道，随之发生的燃气爆炸事故也越来频繁。如何保证城市燃气管网的安全运行，科学地处理事故，是目前城市管理者面临的难题。本文从公共安全突发事件的管理理论出发，从突发事件的预防、分析和处置三个方面构建了城市燃气管网监测、网络传输、数据分析和决策分析等技术框架。最后，以城市A为切入点，对整个突发事件处置过程进行了研究。本文的研究内容可以实现对天然气管网隐患的早期发现，及早预防、早期预警和及早处置，尽可能减少突发事件造成的损失。 主要参考文献 [1]夏保成. 美国公共安全管理导论[M]. 北京：当代中国出版社， 2006. 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