智慧化燃气管网监控平台的构建

张立斌 任红梅 雷 宁 白凯洋

（1. 北京首都国际机场股份有限公司，北京 100000；2. 北京首都机场动力能源有限公司，北京 100000）

随着时代的发展，燃气在我国能源结构中的占比越来越高，其战略地位变得越来越重要，燃气管网扩张迅速，全面有效的管理燃气，建立一个监控、管理、应急于一体的燃气系统已经成为当务之急。2016年2月24日，国家发改委、能源局、工信部印发了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，在新兴技术支撑下的“智慧型生活”逐渐进入公众社会的视野；随着物联网技术的普及以及各类信息技术的发展，为智慧燃气提供了强有力的软件、硬件支撑。本文详细介绍了以地理信息系统 （GIS） 、数据采集与监视控制系统 （SCADA） 以及云服务器为基础搭建的新型燃气监控平台。2002～2017年中国天然气产量及消费量如图1所示。

图1 2002～2017年中国天然气产量及消费量

1 燃气行业现存问题

1.1 二次施工对天然气管道的破坏

城市地下管网是维持城市生命活力的“血管”，其地下管线种类繁多，包括水利水电、网络通信、燃气等多个类别的20余种输送通道。管网横纵向分布错综复杂，其他各单位在进行二次施工时，由于缺乏对其他部门管线铺设情况的了解，很容易对未知管道造成破坏，相对来说对天然气管道的破坏是影响最大的。

1.2 信息化严重不足

随着计算机科学技术不断发展，在各类行业中都得到了应用，但是反观当今燃气行业却信息化严重不足，管网数据模型不规范，缺乏完善可靠的燃气管网数据模型以提供稳定高效的底层数据支持[1]。

1.3 管理维护机制效率低下

当今管网维护方法大多数是由工作人员人工定期到现场进行巡检和测试，无法在第一时间内发现问题，排除问题效率低下，且不能对巡检工作人员的工作质量进行有效的监督。由于燃气管网中的压力箱、闸井等基础设备分布广泛且数量众多，若发现隐患，还将会消耗大量的人力资源。

2 智慧燃气的概念及设计目标

2.1 智慧燃气的概念

“智慧型城市”的核心是“智慧”，就是在城市体系构建中充分运用新兴技术，实现自动或半自动调控。“智慧燃气”就是“智慧城市”体系下的重要组成部分。“智慧燃气”基于大数据、物联网、区块链以及最新的5G通信等技术为用户提供更加环保的燃气使用体验，提高了用户满意度，为燃气公司提供更加高效的一体化管理维护方式，增强企业信息化程度，优化运营业务流程，能实现自动发现隐患并及时预警，提供处理异常的全套流程方法，还可以通过数据分析、数据挖掘等手段来辅助决策。

2.2 设计目标

智慧燃气以燃气运营管理标准为准则，紧密结合燃气企业运营业务流程[2]，将燃气管理系统打造成一个实时监控、数据集成、运行调度、决策分析一体化高度集成的新模式，系统能够及时采集管线的实时信息并进行共享，解决燃气企业信息化建设中内部信息孤岛问题；对管网系统全方位覆盖，实时反馈运行状态信息，提升系统安全稳定性，使故障风险降到最低；通过系统云服务器中存储的大量数据来分析出能够使企业提升经济效益的有利信息，各部门通过此系统作为桥梁，联动来解决各类异常问题，提升决策的科学性。

3 智慧燃气的构造

3.1 主要模块

智慧燃气主要有以下几个模块组成，如图2所示。

图2 智慧燃气模块组成

3.2 层次架构

3.2.1 感知层

感知层是由各式各样具有采集、传感、监控等功能的移动终端设备组成。主要包括压力传感器、温度传感器、流量监测器、闸井视频监控器、电动阀门监控等装置。本系统在集气管道、输气管道、配气管道都分别布置了各类传感器，例如WNK801型号压力传感器， SHTCX温湿度传感器等，来负责采集管线燃气的温度、压力、流量等数据，在关键闸井、管线节点和阀门等重要位置安装了视频监控，在电源上安装了电源监控，以确保第一时间感知到事故的发生。

3.2.2 传输层

传输层是指将采集到的监测信息通过4G、有线网、无线网、局域网或者广域网等通信方式传输给后端服务器中，或者将数据在不同服务器之间进行数据交换。本文所介绍的系统采用4G传输方式将传感器采集到的监测信息通过中央处理器有规律的传输到SCADA服务器中，将管线空间数据信息录入到GIS系统服务器中，再将所有的信息通过局域网或广域网的方式传输到云端数据共享服务器中。

3.2.3 数据层

数据层包括各视频监控设备采集的视频数据、GIS系统中存储的的管线基础空间信息数据、SCADA系统中存储的燃气的各项指标数据、云端数据共享系统中的集成数据构成。数据层主要对传入的数据进行集中处理分析、存储交换、再传输等。云服务器中会备份所有数据，更好地集成数据并且形成历史日志，访问者可随时随地利用手机、平板电脑、PC登陆Web端云端数据服务器获取所需要的数据，为日后的管理和维护工作提供海量的数据支撑基础，也能够帮助企业做出更具科学性的决策。

3.2.4 应用层

应用层是一套将数据层中的有价值信息数据可视化的软件集合。可分为实时展示系统和移动软件终端。本文所介绍的智慧燃气系统使用Java语言编写了适用于Android设备的移动软件终端，室外工作人员可以通过操作软件来辅助日常的巡查或养护工作；信息实时展示系统能够显示云端数据中心收集到的所有相关数据，室内工作人员可以通过此系统进行全局的监测及监控。软件界面如图3所示。

图3 软件界面

4 智慧燃气主要功能

4.1 展示功能

管网GIS系统能够对管线的分布状况进行二维或三维展示，还具有查询、统计的功能，能够显示某一类燃气管线、管线数量、阀门数量等。GIS本身还拥有信息管理等功能，能够对采集到的或人工录入的数据信息进行有效的整合和展示，极大方便了日后的管理工作。GIS的分析功能能够辅助支持决策，在数据分析的基础上能够使工作人员构思出最具科学性的应对方法。

4.2 预警抢险

布置的传感器将采集到的监测数据传到SCADA系统中，当管道压力、燃气温度或者流量超过正常标准时，监控系统会自动提示并且报警，工作人员可以远程操控关键节点用气阀门的开关，第一时间使危害减小，然后及时将报警信息推送给工作人员，使工作人员第一时间能够了解情况并作出应对，快速准确地开展应急抢险工作。

4.3 巡检维护

工作人员可以通过安卓移动终端或者燃气管网控制平台实时的对传入后台的数据进行监督，并且可以通过GIS系统准确地取得需要维护的管道的数据，查看一定范围内管线的分布情况，定位管线的具体位置，做到有针对性的日常巡检。

4.4 决策支持

由于本系统云服务器存储的大量的燃气管线历史数据，从数据仓库中提取这些多维度数据进行数据挖掘分析，能够为燃气管网二次优化或改造提供有利的辅助信息，为公司领导层决策提供更科学的理论支撑。

5 结语

本文所介绍的智慧燃气系统通过新技术的应用以及管理方式的改变，能够使燃气行业走向更加智慧、智能、高效的道路，是燃气行业信息化重要应用之一。本系统一方面极大方便了燃气能源公司的管理，提高了工作效率，顺应了市场的需求，保障了人民日常生活质量的安全；另一方面，“十三五”时期是我国物联网加速进入跨界融合的时期，2015年国务院发布《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，本系统也响应了国家对未来行业的发展的要求，极大地推动了新的社会治理模式的发展。