天然气长输管道安全防护预警系统应用探析

王磊 夏敏 赵志超(中石化重庆天然气管道有限责任公司，重庆 408000)

0 引言

天然气是我国重要的基础能源，但是天然气气田在我国的分配不均，主要存在于我国内陆中西部，且大部分集中在我国的中西盆地[1]，但是天然气的消费市场却主要分部在我国的东部[2]。天然气运输的主要通道是天然气管道，我国建设的大量输气管道特别是长输管道能够有效的解决天然气地区分配不均的问题。但是长输管道经常会受到滑坡、洪水、泥石流等地质灾害的影响，特别是西南山区更是频繁发生滑坡、洪水、泥石流等灾害[3]，这些地质灾害同时也是山区输气管道发生安全问题和事故的重要原因。

针对天然气长输管道滑坡及洪水灾害的安全管理，现有的线路巡查等技术手段对地质灾害不能及时、有效地预警与防范。而采用有效的天然气管道安全防护预警系统对管道进行实时防护，相对于传统的监测方式，能够及时发现威胁管道安全的事件并做出预警，对已发生安全问题的管道如滑坡等地质灾害能够准确监测安全问题所在的点位，并且分析安全问题的严重程度。因此采用安全防护预警系统对于天然气长输管道的日常管理具有重要的现实价值[4]。此外在天然气长输管道完整性管理中提出了地质灾害的识别与监测管理办法的相关要求，天然气长输管道安全防护预警系统也是其主要内容[5]。下面主要介绍某一具体项目的预警系统情况和应用。

1 软件系统开发

该输气管道全线均为中低山和丘陵地貌区，山峦起伏、沟壑纵横，局部经过三峡库区，属于我国地质灾害较频发地区。依据某长输天然气山区管道地质灾害调查评价及防治规划报告，输气管道L001～FW600区段沿线山体滑坡、崩塌、水毁、地面塌陷等灾害点共计120余处，平均每公里灾害点个数为0.96。本项目针对危险性预测评估分级较高的FW100-2-2滑坡点开展监测预警系统服务器搭建和客户端软件(NGP DisasterMoni)的开发。系统主要功能包括： FW100-2-2桩滑坡监测点及河道水位监测设施的监测数据自动采集、整编、管理；监测预警信息的实时推送；基于Web的监测数据报表、成果图发布； FW100-2-2桩滑坡体监测系统布置的三维成像可视化和监测信息关联展示。

该天然气长输管道安全防护预警系统研发主要应用计算机数据库技术、网络技术、三维建模技术、灵境技术等现代信息技术，综合考虑各功能之间的衔接关系以及系统的扩展性[6]。系统软件采用C/S构架，应用了目前较流行的MySQL多平台网络数据库，在设计并建立MySQL数据库服务器的基础上，以Microsoft VisualStudio.Net 2017为集成开发环境，建立基于Internet/Intranet的监测信息数据库管理系统，实现网络环境下多用户分级的监测信息的分布式管理，借助X3D实时建模和三维成像方法，实现灾害点场景的构建、三维地质可视化以及信息一体化的三维交互查询和维护。NGP DisasterMoni与众多监测预警系统的区别在于它的通用性、无限扩展性，该系统可适用于任何灾害点的监测信息资料管理和分析，可以重新添加灾害点、监测类型、测点等。

1.1 开发构架

天然气长输管道安全防护预警系统研发构架主要应用计算机数据库技术、网络技术、三维建模技术、灵境技术等现代信息技术，达到天然气长输管道沿线灾害点监测信息数据的数字化、集成化，信息可视化的要求。研发输气管道沿线灾害点监测预警分析系统，借助计算机强大的计算分析功能和高效的图形处理能力，来直观、高效地进行长输天然气管道沿线灾害点监测结果的在线分析和可视化管理，实现天然气长输管道沿线灾害点信息化和可视化监测。具体目标如下：

(1)实现长输天然气管道沿线灾害点监测数据信息的自动化采集、远程异地网络化管理以及监测结果的网络发布等功能。

(2)建立长输天然气管道沿线灾害点监测数据库，实现多种信息的有效融合。

(3)建立资料库，借助资料库服务器存储长输天然气管道沿线灾害点的相关基本资料，实现资料的在线浏览、更新、管理，使输气管道沿线灾害监测分析与预警工作能够实时协同进行。

(4)实现长输天然气管道沿线灾害监测信息结果分析管理、监测数据的预处理、预测模型建模等功能。

(5)实现分析成果图绘制模版的设计和存储、分部位和测点类型监测成果图的批量绘制和输出等功能。

(6)实现监测物理量的统计分析、统计报表的模版化设计、报表的自动生成和输出等功能。

(7)实现预警相关指标的管理、预警阈值的设定、输气管道沿线灾害点状态的预警评判等功能。

(8)实现输气管道沿线灾害点的信息化和可视化，为技术人员提供灾害监测点各阶段的三维可视化信息查询和分析。

根据以上目标和功能，系统涉及的主要功能模块包括：监测信息管理与预测预警模块、输气管道沿线灾害点三维可视化模块、信息统计及成果输出模块、资料管理模块。

1.2 监测数据处理与预报预警方法

对于监测数据的处理主要是通过系统对采集到的数据进行预处理、预测预报以及监测预警，从而实现系统的自动监测预警系统，过程如下图1。

图1 数据处理过程

(1)针对输气管道沿线灾害点监测原始数据和监测物理量数据序列的预处理功能要求，天然气长输管道安全防护预警系统主要研发了可信度分析、三点中值滤波、移动平滑滤波等数据预处理方法。

(2)针对监测数据序列的预测预报建模功能要求，系统主要研发了指数平滑法预测模型、BP神经网络预测模型、灰色系统预测模型、回归统计预测模型等预测预报建模方法。

(3)系统中依据输气管道沿线滑坡体变形与稳定状态将滑坡灾害的预警分为五个等级进行警情的管理和警度设计，如下表1所示。

根据输气管道沿线附近滑坡体灾害监测数据信息及预警等级，制定如下应急对策：

一级：输气管道沿线灾害点各项监测指标状态良好，监测显示无异常情况发生。继续保持同种方式观测，不容懈怠。

二级：输气管道沿线灾害点各项监测物理量指标状态基本正常，无明显的异常出现，个别异常情况通过监测专业人员能很快查明其中原因，并能自行迅速恢复正常运行。对个别异常部位情况查明原因，并提防后续干扰因素，继续正常观测。

三级：输气管道沿线山体滑坡变形异常明显，部分加固结构发生破坏。将详细情况向建设单位报告，一起商讨分析原因，尽快提出补救措施或下一步处理措施，此时应加密监测次数，在特殊时期还应将监测项目增加，确保准时及时掌握输气管道沿线滑坡体较大位移的发展情况。

四级：输气管道沿线滑坡体出现较大变形位移情况。及时向主管部门报告详细情况，必要时召开应急专门会议，商讨对策，并提出下一步应对措施。采取应急措施，确保输气管道和周边人员安全。

五级：确认输气管道沿线滑坡体进入加速位移变化过程，在3到5天内将会出现滑动。迅速向主管部门报告实际情况，切断管道内天然气输送，对特征点进行连续远距离监测，对滑坡破坏可能影响范围内的人员全部撤离，确保滑坡后无天然气泄漏和人员伤亡。

1.3 系统设计与开发简介

服务器层结构设计、模块层代码设计是天然气长输管道安全防护预警系统设计包含两大主体内容。图2所示为NGP DisasterMoni系统的整体框架设计。

1.4 系统相关界面

图3、图4是相关系统操作界面。

表1 滑坡体危害预警评价等级及警度对应表

图2 NGP DisasterMoni系统的整体框架设计

图3 系统管理模块入口

图4 工程场景可视化三维界面设计

2 系统运用

2.1 数据采集和分类

系统的数据来源是通过自主研发的自动采集设备和相关硬件设施进行现场采集，系统实现了监测数据的自动采集以及采集数据的自动入库。监测硬件设施主要有一体化渗压监测、地表位移(GNSS)、滑坡体内深部位移监测，一体化温湿度雨量，视频监测站，相关硬件设施布置如下图5。

一体化渗流压力监测站，能够对地灾监测中滑坡体内部孔隙水压力、渗透压力的监测实现自动监测，具有土壤水压力、渗透压力数据智能采集，长期固态存储和远距离传输等功能；一体化GNSS高精度地表位移监测站，能够进行地表位移的监测，它能同时接收“北斗+GPS+GLONASS”卫星信号，可通过3G/4G/GPRS、光纤等多种无线或有线的通讯方式，将相关数据传输到指定的监测中心。自带的太阳能供电系统、避雷系统等可保障一体化高精度地表位移监测站在野外长期工作；一体化深部位移监测站，结合钻孔和测斜管安装，对滑坡(不稳定斜坡)进行深部位移监测；一体化温湿度雨量信息监测站，主要是掌握区域内降雨量的分布；一体化视频监测站自动拍摄和存储的影像和照片，通过远程IP、域名寻址访问或光纤传输实现视频监测。监测数据信息可通过GPRS、CDMA、北斗卫星、短信等传输方式传送到监测预警平台。

在本系统采集到的数据主要分为环境量数据，渗压、变形量数据，其关系如表2。

表2 监测数据分类

2.2 数据处理和分析

FW100-2-2滑坡体监测项目包含GNSS地表表面位移监测、渗压计地下水监测、测斜仪深部位移监测、气象站环境量监测。采集到的数据导入系统，由系统进行数据预处理、数据预测预报，当监测的数据或者预测的数据超过设定的阀值，系统将进行预警功能。限于篇幅只展示部分代表性监测成果，图6、图7分别是部分GNSS表面位移监测和测斜仪深部位移监测.数据过程线代表图。

图5 某山区输气管道FW100-2-2滑坡体监测点信息图

图6 测点GNSSJC-05监测成果

图7 测点SBWYJC3-3#BOT监测成果

对以上监测成果进行分析可知，FW100-2-2滑坡体的表面位移和深部位移趋势稳定，逐步呈收敛状态，地下水渗压无异常。

3 结语

通过对长输气管线工程的滑坡、洪水灾害监测与预警系统的介绍以及一年多来系统运行、监测结果的分析，该天然气长输管道安全防护预警系统可实现对油气管道工程沿线滑坡、洪水等地质灾害进行自动监测和预警，应用效果较好、能及时发现隐患。对地质灾害引发的管道安全风险做到可防、可控，将风险降到最低，服务于长输气管道“安、稳、长、满、优”运行。该系统也可以推广应用于山地长输管道的安全防控，有较好的应用前景。