智能化与自动化技术在城镇燃气管网运
行管理中的应用
摘要：近年来，经济日新月异，我国许多城市正面临着发展的关键时期，只有在当前的社会背景之下，完成智能化、自动化城市建设的初步构型，才能够帮助我国建立出更加完善的智能化城市模型，让我国城市的智能化、自动化水平得到明显的提升。鉴于此，本文以城镇燃气管网为例，针对其运行管理期间智能化、自动化技术的应用展开深入的探讨及分析，仅供相关人士参考。
关键词：智能化；自动化；燃气管网；运行管理；应用
引言：燃气企业是我国较为传统的服务行业，城市化建设与互联网的飞速发展，极大的刺激和影响燃气企业的安全生产、服务水平及模式，给燃气企业的发展带来了巨大的挑战。在大数据、经济、5G、VR等各类高科技等的推动发展下，利用互联网等高新技术来实现企业客户服务的升级发展；保障密集管网以及复杂的运营设备设施高速、安全、快捷、有效的运行，已成为民众关注热点。故而，燃气企业需要按照各自城市自身的天然气需求以及用户特点等优化现有的客户服务平台框架，从而最大程度优化企业资源，为用户提供更高效、快捷、安全的服务，全面增强燃气服务行业的水准。
1城市燃气现状
节约型社会、环境友好型社会的理念不断深入人心，以及城镇化进程的持续发展，对我国城市燃气的发展提供难得的机遇。随着保护环境和可持续发展的观念逐渐深入人心，城市燃气迎来了高速发展，用户数量的快速增长和户内燃气设施、燃气管网运行使用时间的增加，用气安全问题日益突出，燃气事故屡有发生。据官方数据统计2022年1-3月共发生燃气事故181起，伤亡人数高达数百人，每年会造成高达数十亿元的损失。由此可见用气的安全性已成为全社会所必须重视的问题。
表1 2022年(月度)事故及伤亡数量数据表
序号
事故原因 数量 死亡人数 受伤人数
1 干烧引发火灾 3 0 0
2 软管动物咬噬 2 0 0
3 室外燃气泄漏串入室内
1 0 1
4 阀门损坏泄漏 1 0 0
5 软管老化破损 1 0 0
6 热水器CO中毒 1 0 2
7 私自改动燃气管道
1 0 3
8 人员违规操作 1 0 0
9 待核实 13 4 12
搜索能力的完善和建设，进一步使得收集和明确事故发生的频率和原因的重要性更加凸显。如表1所示，是常见事故原因，随着事故原因的不断揭露，为下一步的努力提高方向，如燃气热水器隐患排查整改、安全用气宣传、户内本质安全建设提升等安全工作要早抓早安排，落实两个责任，遏制事故的发生。对于普
通居民而言，应加强对用户的安全教育和指导，特别是对老年人用户推荐使用具备防干烧功能的燃烧器具；应加强对燃气热水器存在的安全隐患整治力度；燃气器具连接软管因动物咬噬、老化破损引起燃气泄漏、爆燃事故3起，提高燃气软管的安全可靠度是防范事故的重要途径。由此可见，加强居民的安全意识，设备安全的监管，检测手段的不断更新，各项标准的制定等是未来发展的重中之重。
2智能化、自动化管理的优势
与传统的图表、图纸形式的记录相比，智能化、自动化管理的点自图档查询和存储更加方便快捷；进一步提高管理和工作效率；并且实时的检测遥控减低突发的外力破坏带来的损失；智能监控的普及，提高了监控的准确度降低了巡检的工作量和费用，大大提高工作效率。5G+燃气解决方案，联网联控远程监测系统以城市燃气用户安全监管为中心，依托5G、物联网、大数据、云计算等先进技术，结合以往的失效案例，综合失效情况和失效原因，通过从前端的实时数据采集，到后端的云平台监控，借助HAZOP技术，管理平台的出现将用户、企业，形成由主管部门、燃气公司、业主、安全、运维人员联合保障体系，其优势在于采用结构化的方式，通过审查流程和按时检验，发现潜在的危害和人员操作问题；并且可以即使的现场报警、手机短信提醒、PC端语音弹窗、手机APP推送等多种预警方式的燃气泄露预警机制，建立报警全局态势，将安全隐患提前消除。基于物联网、4G/5G传输、视频实时监控、GIS等新技术，搭建一体化管理平台，实现城市燃气管网数据物联网化、信息化、智能化、集中化监测，更加及时有效的进行管理；并且完成构建事前防御、事中应急处置、事后完善恢复的全方位处置体系，也可为风险分析提供定性或半定量的判断依据。
3智能化管理 3.1客户服务
通过线上服务平台的建立、服务标准体系的完善、服务运营系统的优化以及维保修渠道的多样化，旨在为客户提供安全、高效、快捷的服务。线上服务平台的建立，通过多种支付方式与网上营业厅相结合为客户提供更加便捷高效的服务渠道，“不出门、不排队”在线进行各项常规业务的办理，以及三位一体的服务
管理体系，简化服务流程、提升服务效率；服务运营系统的优化升级，整合多方信息和建议意见，使业务更高效，加强专业培训，从内部提升工作效率及服务能力，从而为客户提供更好的服务体验，并逐步实现全部业务由线下到线上转移，客户提高效便捷电子化资料服务；在确保安全和监督的前提下，进一步拓展多样化的维修、保修渠道、提高响因效率，缩短响因时间，定期巡检，降低事故发生率，提高入户率、进一步提高维修人员的工作效率。燃气企业应发挥燃气优势，特别是利用大量稳定的用户优势借助开放平台演进三方面的用户服务模式-全民参与-多角度的更全面的服务。
3.2燃气管道完整性管理
相比于长输天然气管道而言，城市燃气管道主要是分多批逐步建成枝状、环状等形式多样的分布；材质方面以钢管、PE管为主，输送压力中低压为主，部分是高压、次高压；管道变径普遍存在；外腐蚀泄漏环境较复杂，人口密集；并且跨度小。正是由于这些条件的存在使得城市燃气管道的安全问题尤为突出。结合完整性管理的思想，主要开展以下几方面的内容：数据采集-高后果识别-风险评估-完整性检测-维修与维护-效能评价。从这六方面进一步完善城市燃气管道的管理措施，通过对以往管道失效案例的数据以及管道自身运行数据的分析，可对存在安全隐患的管段进行进一步的巡检和检测，进而针对性的进行维修和修护，从根源上减少事故发生的可能性，进而将各项工作制度化，标准化，流程化；为企业的效能提供保障，给人民的安全保驾护航。
4城镇智慧化燃气管网监控平台的构建方案 4.1总体框架
智慧化燃气管网监控平台包括业务应用层、数据管理层和业务子系统三个层级，各系统组成及功能均具有一定差异。其总体框架如图1所示。
图1智慧化燃气管网监控平台的总体框架 4.1.1业务子系统组成及功能
业务子系统位于底层，包括物联网抄表系统、数据采集与监视控制系统（SCADA）和巡检系统和管网地理信息系统几个模块。其中，SCADA系统包括储配站、高中压管网系统、LNG站和大用户计量站几个部分，负责经广域网与各本地监控站点建立通信信道，获取燃气管网运行实时数据，并完成管网系统的遥信、遥测、遥调及遥控。将SCADA系统提供的管网运行状况非实时数据、实时数据有机整合，可以实现全燃气管网数据的跨应用、跨平台、跨网络、跨系统应用。
物联网抄表系统（终端采集）包括抄表模块、通信模块和电源几个部分，不需集中器、采集器，也不需要布线可以直接与电信基站连接，适用于用户分散、距离较远，且对数据实时性要求较高的环境。一般抄表数据传输时间在1s内，执行开关阀延时在2s内，同时可以在抄表模块显示各时段数据（尖时刻数据、峰时刻数据、平时刻数据和谷时刻数据）、数据冻结报表（小时冻结数据、日冻结数据、月冻结数据和年冻结数据）和开关阀跳闸事件、流量过载事件。
巡检系统主要应用二维码+小程序，通过扫码现场登记、问题拍照描述，对入户安全检查、供气站巡检进行全面管理。
管网地理信息系统由GIS组件构成，经SuperMapSDX+空间数据引擎，负责各类燃气管线基础地理数据采集。
4.1.2数据管理层组成及功能
数据管理层位于中间层，由SQLServer关系型数据库支撑，主要负责数据采集、汇聚、分析、处理和交互感知。
数据管理层与业务应用层之间依靠千兆全交换式以太网进行信息交互，依靠协议为TCP/IP协议；数据管理层与业务子系统之间依靠SCADA系统自带的广域网接口，经4G/5G/NBIoT信道实现远距离信息交互，依靠的协议为MODBUSTCP协议。
4.1.3业务应用层组成及功能
业务应用层包括服务端应用和移动端应用两个模块，服务端应用内容主要为数据监测、气量管理、安检管理和异常报警；移动端应用主要包括企业端APP和用户端微信公众号。业务应用层主要负责管理燃气管网全部监测数据。
4.2硬件设计
根据智慧化燃气管网监控平台运行需求，技术人员可以将温度传感器、压力传感器、流量监测器和电动阀门监控装置布置在集气管道、输气管道与电动阀门的适当位置，满足燃气管网温度、压力与电源参数和流量的实时监控需求。
在硬件设备配置完毕后，技术人员应根据需要，在业务子系统、服务器之间进行局域网、有线网及4G/5G/NBIoT物联网的布置，便于传感信息可以有规律地传递到SCADA服务器内。4G/5G/NBIoT布置主要是以整体式无线接入网的形式，连接4G、5G与NBIoT。
5智慧化燃气管网监控平台的功能实现 5.1SCADA系统调度
SCADA系统调度功能主要是实时、自动、不间断采集远端无人值守站点或有人值守站点工艺运行参数，并自动完成参数统计，为燃气管网平衡调度提供必要数据支持。同时对于无法直接采集的数据，基于B/S结构（浏览器/服务器）纳入生产数据发布与查询端，实现工艺流程与历史数据、报警信息、事故处理内容的动态显示，同时与企业自动化管理系统平台连接，完成数据交互。
在SCADA系统运行过程中，根据调度中心应用程序服务器中主域控制器、备用域控制器冗余以及各远程站点持续采集数据需要，可以利用纯无线方式代替原
有通讯方式。因调度中心主要需求是数据下载，而其他远程站点需求是数据上传，各站点速率易因天气、位置、方位角变化而变化，应引用完备的防掉线机制，确保无线网络数据传输速率最高下行需达到3.1Mbps，上行1.8Mbps。同时利用伪随机码技术，借助42位伪随机码标识用户，在每次通话中进行4.4万亿种排列，配合AAA认证，确保工控安全。此时，位于SCADA系统客户端的维护员工作站则可访问WEB（互联网）查看报表，或者从SCADA系统内置地理信息系统
（GeographicInformationSystem，GIS）端获取某一类燃气管线、阀门数据、管线数量的报警信息、历史数据，辅助科学决策。
5.2远程监控
燃气管网远程监控是以计算机为基础的生产过程控制，主要选择
4G/5G/NBIoT形式对供气过程进行全面、实时监控，并将监控数据传递给生产与调度管理端。远程监控功能实现需要借助燃气管网监控中心计算机或者移动智能终端设备，完成流量、管网压力的读取，包括管网调度中心计算机、
4G/5G/NBIoTRTU（REMOTETERMINALUNIT，远方数据终端）和压力变送器几个部分。其中，管网调度中心计算机包括上位机系统、下位机系统两个部分，上位机系统由数据处理服务器、数据库、数据采集服务器、工作站组成，负责与通讯前置机交换或与移动网络连接获得数据，借助后台监测分析软件将获得的数据转换为报表，并将报表存储到系统过程数据库内，为人机界面监视、控制提供依据；下位机系统则由若干固定IP地址的RTU单元组成，可与每一调压站采集点进行数据交互。在4G/5G/NBIoT登录GSM网络后可自动建立链路，经IP地址完成计算机监控中心、4G/5G/NBIoTRTU之间信息交互。4G/5G/NBIoTRTU为标准数据通信协议支持的32位高性能ARM处理器及工业级无线通信模块，可以自动附着在4G/5G/NBIoT网络上与监控中心展开信息交互，交互量如表2所示。
表2 4G/5G/NBIoTRTU信息传送情况
传送情况 每次数据传输量
调压站数据采集点 ﹤10kbps
4G、5G、NBIoT网络传送速率 200kbit/s
4G、5G、NBIoT实际数据传输速率需求
40kbps
由表可知，4G/5G/NBIoTRTU实际数据传输速率可满足燃气管网监控系统数据传输需求。同时，考虑到透明传输模式中4G/5G/NBIoT需要直接将接收数据作为TCP数据打包发送给监控中心，后由数据采集终端服务器进行处理。
在实际应用模式中，RTU为宽电压接入模式DC10～30V，可在-40～85℃的环境内稳定应用。同时4G/5G/NBIoTRTU支持蓝牙通信以及外挂IP68防水电池盒，可以利用手机移动软件设置、修改参数并完成升级。在20Ah电源支持下，4G/5G/NBIoTRTU可实时监听远程客户端发起连接，或者在有工作任务时定期唤醒，仅采集数据瞬间供电，最大限度地降低功耗。
压力变送器位于调压站现场，可以根据内置桥式应变片随压力弹性形变，配合放大器放大、变送器电路实时监测管网压力与流量。为确保监测信号的顺利传递，可以经无线连接4G/5G/NBIoT模块，并经无线网络完成压力信号到1～4个监控中心数据库的传递。而4G/5G/NBIoT无时延、实时在线、无轮询的特点，可以满足多个压力数据采集点的接收、处理，满足燃气管网远程采集、传输突发性数据需求。
5.3门站/LNG站系统通信
门站/LNG站系统主要负责将数据读入SCADA系统调度中心。门站/LNG站系统设计需要基于TCP/IP的Modbus协议，将1套通讯RTU设置在站端，通讯RTU可接入现场站控系统网络，并以过程控制（OLEforProcessControl，OPC）方式与现场站控系统网络展开信息交互。因门站/LNG站系统RTU实现的ModbusTCP协议地址、数据字段定义已知，可在维持现有系统一定的情况下进行通讯RTU编程
与调试。而对于远端无人站，可以从高中压调压站、用户计量站、区域调压站几个方面，进行标准化处理。高中压调压站、区域控制站配置若干压力报警探头、温度报警探头、流量报警探头、泄露报警探头和1套RTU控制器，RTU内置ModBusRTU协议可以获得标准化总线流量计数据，完成现场数据采集、监控任务以及与调度中心监控端的信息交互。同时，基于内置4G/5G/NBIoT的SIM卡RTU，设置调度中心IP地址，满足无线网络环境下数据传递要求；用户流量计量站控则选用含若干燃气计量数据协议采集单元的RTU，经RS485、RS232通讯进行数据的实时采集，并在无线网络环境下与主要控制中心进行信息交互，可交互的数据主要为流量计瞬时流量、压力、累积流量和温度等。在系统端燃气温度、管网压力与流量超出正常限度时，门站/LNG站可自动提示并报警。
综上所述，为实现数据共享、标准化运营和集约化管理目标，智慧化燃气管网监控系统构建人员应依据技术先进、运行可靠、易于扩展、成熟实用的原则，结合统一的标准和管理方式设计总体框架。并规划更为人性化、智能化的操作方式，形成以技术流带动业务流的高效、清晰、准确的平台运行流程，降低燃气管网监控管理难度。
结语：
综上所述，燃气管网设计及运维是一个庞大而复杂的系统工程，而智能化、自动化技术的不断发展为其提供了重要的技术支持。在城镇燃气管网的运行管理中，应用智能化、自动化技术能够让我们实现对整个城市管道网络的实时监测和调整，不仅有利于我国城市的智能化、自动化建设，还可以切实提升城市经济水平，全面构建资源节约型以及环境友好型的社会发展模式。
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