智慧工地在油气管道建设中的应用探索

庚琳，尹向阳，赵佳丽，隋楠，冷雪，边海容，张学锋

1.中国石油天然气管道工程有限公司（河北 廊坊 065000）2.国家管网集团山东天然气管道有限公司（山东 济南 250000）3.国家管网集团北方管道有限责任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

0 引言

随着管道里程的跨越式发展，新建管道以及在役管道工地倍数增加，随之而来的是各类安全、合规及管理难题。据不完全统计，在施工现场中约80%的事故是由工地管理不严造成，工地管理同样是管道企业的短板，如何加强工地现场安全管理，如何有效监管施工和承包商是工地建设的首要问题[1-3]。2017 年中国石油率先提出了建设“智能管道，智慧管网”的发展目标，将实现油气管网“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”，智慧工地的构建是其中至关重要的一环[4-7]。智慧工地的推行将极大程度上解决管道施工现场的质量、安全、成本、周期等问题。

分析参考其他行业的智慧工地政策及要求，将对管道智慧工地的发展及构建起到借鉴作用。市政、电力、建筑行业为最早开展“智慧”研究与尝试的行业。21 世纪初，中国智慧科学院、国脉互联智慧城市研究中心等机构纷纷组建，工信部、住建部、发改委等下属的支撑机构、组织等也都加快了智慧城市布局。电力、建筑等行业随后也开展了一些研究，且均具有各自行业特色和要求：①市政及建筑行业智慧工地政策要求。要求加快推进建筑信息模型（BIM）技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护全过程的集成应用，为项目方案优化和科学决策提供依据[8-12]。②铁路行业智慧工地政策要求分析。与管道行业类似，铁路里程的快速发展必将导致铁路信息化系统建设的快速发展，同时铁路工地构建的的信息化、智慧化也必然是未来铁路行业发展的重要趋势[13-15]。③电力行业智慧工地政策要求分析。要提高工程建设的现场管理和监督，推进项目各项工作安全管理体制的实施，信息化技术的作用显得尤为突出。工程建设项目管理体系的不断改进和提高，能够为电网工程智慧建设提供良好的基础保障[16-18]。

调研与分析发现，在智慧工地大规模开展的社会环境下，管道智慧工地行业将迎来蓬勃发展。鉴于管道行业工地具有综合性强、复杂性高、技术性强、严格性高等特点，管道智慧工地尽管已经有了很大进步，但仍处于行业中下游水平，其发展尚未成熟，存在成本高、应用效果差等问题，同时存在缺乏智慧工地建设的有效规范标准、碎片化的应用尚不成体系等问题。基于上述分析，构建具有管道行业特有的智慧工地是管道行业智慧工地的主要方向，形成一套模块化的管道智慧工地构建流程，将有效提升管道行业智慧工地构建水平，为管道智慧工地相关标准的制修订提供参考。

1 管道智慧工地概念模型

为了实现管道智慧工地的模块化建设与设计，首先需结合管道行业自身特点，明确管道智慧工地的概念及设计的范围模型。为实现管网公司“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”的目标，从建设期、应用领域及技术要素3 个视角出发，给出了关于智慧工地整体范畴的一些抽象概念模型（图1）。每个视角的具体描述如下：

图1 管道智慧工地概念模型

1）建设周期维度视角。建设周期指建设过程中包含的不同阶段，主要包括规划阶段、设计阶段、建设阶段和运维阶段。

2）应用领域维度视角。智慧管道的应用领域不仅适用于建设期工地，也适用于运营期的工地。其中比较有代表性的工地如管道建设工地、储罐大修工地、动火现场工地、泵机组大修工地等。

3）技术要素维度视角。技术要素是指支撑智慧工地构建中各个功能所需要的相关技术要素，可分为对象技术和风险管控技术。其中对象技术包括针对工地建设中的人、机、料、法、环各个环节所要涉及的对象；风险管控技术指构建工地监管过程中可能面对的风险环节，并采用相应的技术手段实现风险减缓。

2 管道智慧工地框架构建

智慧工地模块化构建是在具体工业工程中的应用，是建立在数字化、信息化基础上的一种能实现全面感知、全面智能、全面互联的新型信息化、模块化方法。两大主线分别为标准体系主线及安全体系主线，两大主线相互依托，相互关联；5 层分别为监管层、应用层、决策层、数据层、传输层、感知 层，各层级相互依赖、依次构建（图2）。

图2 管道智慧工地推荐架构设计图

3 管道智慧工地技术构建

3.1 视频监控模块构建

视频监控是智慧技术中最为常见也是最重要的技术手段，现场监控数据可以通过数据采集及传输实现监督与智能识别功能，便于掌控工地实时状态，及时发现管道工地中的安全风险。通过视频监控模块的构建可以实现人员的安全监管，物料、机具、车辆和环境的监管等。一般来说，管道工地的视频监控模块应具备如下一些功能：

1）红外实时监控功能。实时获得监控区域内清晰的热感图像及可见光图像，同时能够对云台及镜头进行操作，对视角、方位、焦距进行调整，实现全方位、多视角、无盲区、全天候式监控。

2）巡检预案功能。相较于人工现场巡检的传统巡视方式，预案可大大提高巡检实时性及可靠性，还可按季节情况进行巡检预案周期调整。

3）存储及检索。在监控平台上，可按时间、报警等进行自定义搜索录像、图片、温度数据。

4）报警预案。预案有助于相关部门第一时间核实超温设备，迅速做出部署，适时启动停电安排，把损失控制到最小范围。

5）系统管理。通过模块提高整套视频模块的工作效率。

6）视频质量诊断（扩展）。

3.2 施工现场的网络环境构建

由于管道工地一般为线性工地，不同设备间的距离较大，且工地范围可能较广，最为重要的问题之一即是网络覆盖。对于站外管道上的线路施工，宜采用4G/5G 路由器结合无线AP 组合的方式进行网络搭建，便于实现网络的无缝覆盖（图3）。

图3 管道智慧工地网络覆盖方法

通过接入点放大信号后可实现施工现场的网络全覆盖，满足施工现场人员监管、质量监管、物料监管、环境监管、焊机监管、过程监管、机具监管所需的网络要求，再通过物联网及互联网将数据传回监管层，达到监管的目的。

3.3 人员管理模块构建

人员监管模块的构建可由如下几个部分组成：

1）人脸识别门禁系统。无论人员、设备的管理均可与门禁类系统进行对接。门禁系统是人员、设备、物料等管理的初始部分，是工地管理的第一环节。该系统可与考勤系统对接，并应支持人员、设备、物料、访客管理等。

2）陌生信息报警、捕获。人员监管模块还需具备陌生人或黑名单人员信息捕捉、报警功能。即通过与管理人员通行权限对比，进行陌生人员特征识，一旦识别为陌生信息将立即拍照、捕捉，并对监管者预警。

3）记录及多维查询。模块还应具备记录及信息多维查询功能，可以记录所有信息。监管者通过系统的功能可记录并查询所有进入工地人员的信息，并利用人工智能算法对人脸识别。同时系统会记录时间、位置、人员类型等筛选查询，也可以通过特征实现精确查找。

4）状态监控及热点识别。管道工地人员监管还可利用红外热像仪实现人员位置管控。可选用集红外、可见光于一体的网络型红外热像仪，实现管控分析功能。

3.4 物料设备信息化构建

油气管道焊接设备管控中，有许多设备及物料需要智能管控，其中最关键的步骤无疑是焊接。此处，以焊接监管为主介绍单一模块的平台构建（图4）。

图4 焊接智能监管平台

焊接过程中的各个参数采集、对比、分析、优化可有效提高焊接质量。建设期管道工地的焊接施工可以将焊机的各项数据记录并上传至应用层，管理者即可实现智能管理，在中俄东线、中段管道、国家管网集团广东省网粤东、粤北天然气管网工程的建设过程中均采用了该技术。焊接过程中的感知过程是完成智能化构建最直接的单元，通过监管焊机的焊枪电、电压、温度等数据，通过专有设备可以监测焊缝、焊道、焊弧，可以识别焊接过程中的焊道数量、焊接层数，实现焊缝、焊弧实时监控。基于Modbus等通讯协议将有效数据上传至应用层，这些关键数据通过人工智能软件处理后，即可将分析结果进行回传。回传的数据将再次与焊缝、焊工以及探伤等情况进行关联，优化焊接过程。同时，焊接监管平台将记录管道焊接全过程中的焊口基本信息、位置信息、焊接工艺等，可有效提高焊接控制质量，避免后期风险发生。

3.5 管道智慧工地会议信息化构建

管道智慧工地综合管理解决方案采用全业务的后台服务层、基础接入层、基础应用层、用户接入层等4层系统结构，基于工地安防应用和业务应用，以管道业务平台为核心，构建系统架构图。集体决策及重要事项部署的关键管理行为，是单位的核心管理业务之一。但实际会议管理业务常面临议题收集耗时费力、会议室管理混乱、会议决策效率低、决策跟踪难以统筹等问题。会议管理可以作为各单位在疫情期间实现高效智慧会议的云解决方案（图5）。

图5 智慧工地会议监管系统架构

支持会议审批功能，具有自动审核、手动审核模式可选，发起人可选择手动审核模式、自动审核模式。自动审核：发起人提交会议预约信息，预约信息自动审核通过，并通知相关参会人员。手动审核：发起人提交会议预约信息，会议信息同步至审核人员，审核人员查看详情后可通过或拒绝会议，审核结果自动下发至发起人，并将会议通知落实至相关参会人员。

3.6 长输管道巡检监管构建

3.6.1 长输管道施工过程中站点巡检可视化

无人机巡检管理平台可用于长输管道施工及运行过程中的巡检。这一平台主要运用4G/5G视频宽带、多终端、低延时、GIS 高清地图以及人工智能边缘计算技术，具备无人机4G/5G 通信、飞控、数据采集、监控直播和基于行业应用场景的无人机智能分析等功能，降低工业无人机使用门槛，满足行业用户光网巡检、电力巡检、智慧警务、智慧工地、安防监控、生态环保、农业种植等场景的无人机服务需求（图6）。

图6 线路无人机监管系统架构

飞行控制功能：可直接在平台设置任务和飞行路线，无人机飞行任务完成后自动返航功能；也可在飞行过程中，重新设置飞行路线。

巡检功能：针对人、车难以进入的线路及地面情况比较复杂的线路进行巡检检查，通过平面模型展示重点线路地形；直观呈现重点线路的情况，对于需要3D成像的线路，可进行360°的全方位视角呈现，方便进行线路查询。

监控实时视频、回放功能：无人机可快速机动到任何需要的区域上空，将视频图像实时传输回指挥中心，视频监控平台采用H.264/MPEG-2/4压缩方式，确保所传视频达到高清效果，将无人机所拍图像清晰地展现至用户面前，辅助指挥中心进行现场决策。

视频智能分析实现科学管理：利用无人机高空俯瞰回传的视频监控画面，通过视频智能分析技术，实现人体检测、安全帽识别、车辆检测、信息化设备检测、人流监测和态势分析等智能应用，大大提升业务预警能力，实现科学管理的目标。

数据大屏展示：平台具备数据可视化展示功能，可在大屏直观、全面、多平台、多方位实现飞行轨迹管控和GIS 地图展示，通过对智能分析结果的集中展示，辅助领导决策并可确保在第一时间安排指挥调度任务。

3.6.2 工地周界报警模块技术

管道工地安防可用的另一项常见技术是周界报警模块。工地周界报警系统可实现人员入口感知、投料口感知、设备出入感知、IP 电话接入等功能，最终将获取的数据结果在大屏显示，实现统一管理、安全防范。在面对突发安全状况时，通过该系统模块能够24 h 不停歇主动提醒管理方对风险实时管控，这不仅降低了工地风险，也大大降低了发生损失的可能。

4 管道智慧工地评价

鉴于管道工地的特点以及初步形成的特点，对管道行业的智慧工地进行设计及构建合理性评价显得尤为重要。对合理性进行评价常用层次分析法、熵权法以及模糊综合评价法，其中：熵权法可能会降低业主对客观事件的主观能动性；层次分析法一般仅能获得同类型工地的相对评估，不适用于管道多类型工地的综合评价；而模糊综合评价法能充分考虑业主或专家对标准及规定的主观能动把控力，实现多种复杂工地的综合评价。因此，推荐采用模糊综合评价法对管道工地的设计及构建合理性进行评价。

管道智慧工地的评价应遵循客观性、全面性、科学性的原则。即评价标准要客观，满足标准及规范要求；评价内容要全面，针对管道工地的各个对象及环节；评价指标要科学，建立的指标能够真实反映管道智慧工地的特点，并联络起各指标间的关系。

结合现场调研及其他行业智慧工地的构建经验，先对评价指标进行初选，通过前述内容形成的智慧工地概念以及特性，结合管道工地的具体要求，形成总体指标。在此基础上，进一步细化、筛选指标，最终确定了影响因素集U=（U1,U2,U3,U4,U5）=（项目信息管控，实施过程管控，人员安全管控，环境监督管控，机具物料综合管控）。根据确定的影响因素集进一步确定了指标集，形成了管道智慧工地的评价指标体系。其中：①项目信息管控应至少包含项目名称、类型、位置、目标、规模、呈现方式、建设单位、人员配置、综合配置、HSE 要求、风险要求等三级指标；②实施过程管控应至少包含特种作业要求、许可证管理、二维码管理、扫码设备管理、交底管理、演练管理、HSE 监管、进场管理、安全检查、感知层管理、传输层管理、数据层管理、应用层管理、监管层管理等三级指标；③人员安全管控应至少包含人员信息管理、附属信息、穿戴管理、行为管理、定位管理、考勤管理、健康管理、摄像头管理、视频感知管理、风险检查等三级指标；④环境监督管控应至少包含气体监测、环境联动报警、温湿度监测、风力监测、水位监测、水量监测、噪声监测、灾害监测等三级指标；⑤机具物料管控应至少包含车辆识别、移动物识别、数量统计、焊机管控、物料统计、设备检查等三级指标。

建立起管道智慧工地的评价指标之后，即可确定各指标信息。第二层影响因素集的各个指标对应的权重为ω=（ω1，ω2，ω3，ω4，ω5）。其中，ω1+ω2+ω3+ω4+ω5=1；第二层的各个指标集分别为（Ui1，Ui2，Ui3，...，Uin）对应的权重为（ωi1,ωi2,ωi3,...,ωin）。其中，ωi1+ωi2+ωi3+...+ωin=1（i 为影响因素集代码）。采用专家打分法对管道智慧工地的指标进行重要性评价，得到各指标的权重。

通过获得的综合评价向量与评分，即可综合判别模块化的智慧工地设计与构建效果，若评价结果较为一般可以改进设计方案。

5 结论

1）研究了智慧工地在长输油气管道行业的构建方法，基于管道工地自身特点，定义了包括技术维度、应用维度、周期维度的完整管道智慧工地概念，同时形成了感知层、传输层、数据层、决策层、应用层、监管层的管道智慧工地整体及局部设计框架及涵盖内容。

2）给出了管道智慧工地构建的技术流程，从监控模块、网络模块、人员模块、物料模块、智能模块、巡检模块等几个方面介绍了各自的独立构建框架设计方法。

3）基于管道行业现有标准及规范，利用模糊综合评价法，构建形成了管道智慧工地的设计与合理化评价体系，弥补现有管道智慧工地规范不足的缺陷，辅助建设单位实现需求与目标的统一。提出的概念及构建方法可有效提升管道行业工地的管理水平，提高管道智慧工地的构建效率，统一不同运营单位及建设单位在工地建设过程中的分歧，有助于长输油气管道行业的高效、平稳发展。