摘要：针对山东区域某管网公司输气管道高后果区数量多、里程长、级别高的特点，同时存在巡线周期长、效果差、智能化程度低等问题，文章通过研究在高后果区设立智能标志桩，赋予“智能”大脑，提出基于智能标志桩的输气管道高后果区监督管理整套技术方案，可实现高后果区全局实时监测、预警管理、巡线管理及定位导航等功能，有效减少人工巡线成本，可用于高后果区管道智能管理工作，对保障管道安全运行具有重要意义。
关键词：输气管网,高后果区,智能标志桩,实时监测,预警管理,巡线管理
0引言
山东区域某天然气管网公司管网所辖某管道起自某压气站、终到末站，管道总里程约1 073 km，承担沿线四个城市的居民及工业用气，管道沿线人口密集、经济发达、第三方施工活动频繁。标志桩作为管道保护的重要标识[1]，已有对标志桩的许多研究，陈力[2]研究了标志桩的制作和设置方式,赵小兵[3]提出结合现代安全技术构建出一体化油气管道安全标识管控体系。大数据、物联网、云计算等新兴技术的出现为管道智能化监管提供了技术支撑，为标志桩赋予“智能”化是高后果区加强监管的有力举措[4-6]，实现高后果区标志桩远程监管预警、数据存储一体化管理。通过远程实时态势监管系统可实时掌握标志桩分布位置、是否破坏、是否被盗等运行信息，进而预警、报警，巡线人员可精确定位进行现场勘察，及时排除标志桩破坏对管道造成的潜在安全隐患，开展高后果区域标志桩动态监督和可视化管理。
结合管道高后果区设置智能标志桩，建立智能标志桩硬件、软件一体化研究方案，已成功在济南某作业区进行试验应用，形成基于智能标志桩实时态势监测系统平台辅助管道高后果区管理的技术思路和方案，为高后果区管道提供更加专业化、精细化、科学化的信息。
1智能标志桩组成及功能
普通标志桩按材质主要分为混凝土标志桩和塑钢标志桩，通常由桩身、桩头和固定装置组成。智能标志桩是借助传感器、物联网、云计算等信息化方式对标志桩进行远程管理，实现对标志桩及其周边环境的透彻感知[7]，实现管线高后果区环境实时监测、预警管理、巡线管理以及定位导航等功能。
1.1智能标志桩组成
智能标志桩由硬件主体和远程管理软件组成。硬件主体由多个模块组成，主要包括视频采集模块、声光报警模块、辨识模块、通信模块以及感应探测传感器等[8]，智能硬件主体可嵌入标志桩桩内腔或加盖在桩上方，同时具备防盗、防破坏功能，安装过程简单，如图1和图2所示，硬件主体对标志桩及其周边环境的信息(压力、温湿度、图像、巡查、倾倒、振动)进行收集并通过网络进行上传。远程管理软件包括智能标志桩实时态势监测软件及移动端APP，实现对标志桩及周边环境的远程监测。
1.2智能标志桩功能
智能标志桩的基础功能包括标志桩实时探测、标志桩振动预警、标志桩定位以及巡线打卡等功能。
(1)实时探测：实时监测标志桩状态，一旦监测到标志桩姿态异常(例如异常振动、周边压力异常)，及时向远程态势监测系统发送异常信息并启动警报装置，防止第三方活动造成对管线及其附属设施的破坏。
(2)卫星定位：智能标志桩的主体硬件集成了高精度定位装置(北斗或GPS定位)，可以将标志桩经纬度信息进行加密传输，准确定位标志桩坐标并在地图大屏系统中可视化显示。
(3)标志桩倾倒：标志桩发生较大角度的倾斜时，传感器会将标志桩的倾斜角度、标志桩编号和位置信息进行回传，监测平台接收到信息后会作出判断并进行远程预警。
(4)标志桩防盗：标志桩位置发生一定距离的偏移时，根据设定的距离极限进行预警，标志桩电子传感器可将偏移和振动信息进行远程传输，远程智能标志桩实时态势监测软件会远程接收到报警信息，可有效防范标志桩被人为破坏、移动等情况。
(5)巡线打卡：巡线人员在对管道沿线巡线时，通过扫描标志桩上的识别区进行打卡记录，作为巡线人员的巡线记录，对管道巡线进行实时管理。
(6)远程控制：支持通过管理软件远程连接、配置、查询标志桩信息。
2智能标志桩技术方案概述
2.1智能标志桩网络组成
智能标志桩可实现数据采集、存储、传输一体化智能监测管理，通过4G、5G或NB-Lot网络实现远程无线数据传输。智能标志桩网络主要包括感知端、网络层、应用端三个层次[9-10]，如图3所示。
感知端：感知层是物联网终端，通过探测模块对标志桩运行情况进行监测，收集标志桩位置及运行数据后上传至服务器。
网络层：通过无线通讯模块/4G、5G/NB-IoT网络进行连接，上传至监测系统数据库进行信息传达。
应用端：应用层是应用程序与用户之间的交互，用户通过手机、PC对标志桩数据进行获取。管理系统实现对标志桩数据的可视化管理，同时通过APP自动对标志桩异常区域进行提醒。
2.2智能标志桩软件设计
远程智能标志桩管理软件是标志桩的远程智能终端，对标志桩各类监测、预警信息进行可视化管理。标志桩管理软件是部署在云端的实时态势监测系统，该系统主要包括标志桩配置管理、监测分析、预警分析、地图大屏、后台管理等功能模块。
2.2.1配置管理
配置管理模块主要功能为对标志桩档案、远程装置、监测单元、历史数据进行管理分析。
标志桩档案管理：对标志桩的使用属性归类后进行档案管理(桩号、位置、材质、形状、大小等)，对其档案属性进行增、删、改、查等操作。
远程装置管理：以表格形式管理远程智能装置基本信息(设备运行情况、传感器是否正常、电源电量)。
监测单元管理：以表格形式管理监测项目基本信息，包括监测项目名称(压力、温湿度、声音、图像、巡查、倾倒、振动、环境信息等)，同时可以动态管理增删改监测项目信息。
2.2.2监测分析
监测分析是标志桩管理软件的主要组成部分，主要负责数据实时监测、入库管理和分析处理功能模块，通过监测分析模块，用户可以实时监测输气管道沿线标志桩的运行状况，及时发现问题并采取相应措施，提高输气管道的运行效率和安全性，系统监测模块如图4所示，其主要包括以下功能。
数据监测：监测分析模块能够从输气管道的智能标志桩中获取实时数据，如压力、温湿度、声音、图像、巡查、倾倒、振动等监测数据。
数据存储：监测分析模块能够将采集到的实时数据存储在数据库中，数据库表分为实时表和历史表，实时表用于当前监测数据浏览，历史表用于存储历史数据，用来后续查询和分析。
数据分析：该模块能够对存储的实时数据进行分析处理，包括数据趋势分析、变化率分析、异常检测等。通过对数据的分析，可以发现潜在的问题或异常情况，并提供预警和建议。
报表生成：监测分析模块能够根据分析结果生成报表，展示关键指标、趋势图和异常情况等，以便用户进行更深入的了解。
历史数据查询：该模块支持用户选择任意时间段的监测数据进行查询，以便进行更详细的数据分析和研究。
2.2.3地图大屏
地图大屏模块通过地图GIS系统能够实现标志桩一屏总览、要素识别、要素查询、分析统计等功能，是远程智能标志桩管理软件的重要应用，地图大屏模块如图5所示。
一屏总览：将全部标志桩在地图上进行可视化展示，实现“一屏观全域”，根据标志桩运行状态以不同颜色、不同等级显示在地图中，同时以高亮闪烁的方式显示出各测点的预警情况。
预警分析：当标志桩周围出现振动、压力值异常变化、位移变化或温湿度异常变化时，标志桩在地图页面以高亮闪烁的方式显示出各监测点的预警情况，并通过APP向相关责任人和管理人员的手机等客户端发送报警信息。
要素识别：点击标志桩图标，显示标志桩基本信息(桩号、名称、位置、巡线员等)、档案信息(材质、形状、大小等)、监测信息(设备电源、振动、倾斜等)
查询分析：进行属性条件查询或在地图界面进行空间查询，同时能够对标志桩进行查询分析、报表管理等。
2.2.4后台管理
后台管理主要包括用户管理、角色管理、日志管理、数据分析等功能。
用户管理：用户管理页面可以看到平台所有用户信息，例如登录账号、用户名称、用户类型、邮箱、手机号、注册时间、上次登录时间、用户当前状态、账号是否激活等。
角色管理：软件可以设置超级管理员、项目管理员、巡线员、应急人员等不同角色，其中项目管理人员可按照角色权限管理不同项目、区域智能标志桩。
日志管理：记录所有系统用户(巡线员、管理员、第三方施工单位等)、登录IP地址和操作步骤，并写入数据库中，管理人员可按日期、角色查询并追溯事件。
3智能标志桩在输气管道高后果区的实践与应用
本文以济南某管线分布区域为试验区，沿线布设标志桩。济南某管线高后果区标志桩多为混凝土桩，标志桩布设在拆迁区域，该区域内由于第三方活动频繁且受环境因素限制，要做到常态化巡视极其困难。在通常情况下，标志桩铺设间隔大概50～100 m，人工通过步行对标志桩进行巡检时，在环境条件较好时，平均一人能巡视大约150个标志桩，而如果管线铺设于山区，单纯依靠人力巡检将会有更大阻力，而且无法做到每天常态化巡检，人工巡视管理成本很大。
鉴于此，济南某输气管线沿线铺设智能标志桩，利用信息化技术在电脑端或手机端通过远程智能标志桩管理软件对管线进行实时监管，远程查看标志桩位置、是否遭到破坏、是否被盗等信息。运行状态出现异常的标志桩，可通过APP向巡检员发出警报或通过标志桩声光系统远程发出警报，巡检员通过定位导航至标志桩位置进行现场勘察，能有效减少巡检人员的巡检时间，还能对标志桩进行精准核查、实时监管，提高对管线保护的应急处置效率。
目前，智能标志桩在济南作业区已进行试验应用，智能标志桩为内嵌式，现场施工图如图6所示。远程智能标志桩实时态势监测系统的实施，迈出了输气管道工程信息化建设的重要一步，为山东省内输气管道智能化监测管理提供了工程借鉴。
4结语
在科学技术快速发展的时期，云计算、物联网、大数据、人工智能等新兴技术迅速崛起，改变了各行业的运行管理模式。标志桩对管道正常运行管理有着极其重要的意义，智能标志桩的建设应用是输气管道保护的智能化、信息化的前沿性探索，可达到标志桩异常报警、健康监测的目的，有效解决人工排查可能遗漏的问题，提高管道运行的安全性，降低能耗和运营成本。
智能标志桩采集的数据可以与其他相关管线系统进行数据共享和交互，如管道监管机构、供应商、施工方等，使各方能够共享管道运行数据，并提供相应的服务和支持，促进输气管道巡检保护方式由传统管理迈向信息化、精细化管理，这也是后续的重要研究方向。随着输气管道的规模逐渐扩大和智能化程度不断提高，输气管道智能标志桩的应用将会更加广泛，并将为输气管道智慧化运营管理带来更加便捷、安全、高效的解决方案。
参考文献：
[1]李铎,张炳孝,李晓辉.浅析石油天然气管道安全标识设置管理现状与改进[J].石油化工安全环保技术,2015,31(1):7-9,61,5.
[2]陈力.地下燃气管线地面和地上标志的设置[J].城市燃气,2013(10):32-35.
[3]赵小兵.石油天然气管道安全标识管控[J].现代职业安全,2017(4):29-31.
[4]李海润.智慧管道技术现状及发展趋势[J].天然气与石油,2018,36(2):129-132.
[5]钱建华,牛彻,杜威.管道智能化管理的发展趋势及展望[J].油气储运,2021,40(2):121-130.
[6]徐葱葱,刘冰,张妮,等.智能化技术发展对油气管道行业的启示[J].油气田地面工程,2019,38(12):1-5.
[7]王昆,李琳,李维校.基于物联网技术的智慧长输管道[J].油气储运,2018,37(1):15-19.
[8]徐海宁,马勋,韩磊,等.智能标志桩管理系统及其运行方法的分析[J].电气时代,2020(12):41-43.
[9]张小利,焦宾太.智慧界桩在水利工程中的应用实践[J].山西水利科技,2022(1):69-72.
[10]邹盛,李国柱.利用北斗卫星定位实现数字化界桩管理系统[J].测绘通报,2019(增刊1):48-53.
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/79110.html
