周中偉，龔小飛，黃 強，鄭顯豐，楊 忠

(重慶燃氣集團股份有限公司管道維護分公司，重慶 400020)

由于燃氣本身具有易燃、易爆和易擴散的特性，其運輸管道及附屬設(shè)施在制造、轉(zhuǎn)移和安裝等環(huán)節(jié)均存在不確定因素，容易導致燃氣泄漏。燃氣管網(wǎng)涉及的地區(qū)較廣，且深埋于地下，其位置具有隱蔽性，不利于實時監(jiān)控和維修，加之受到周圍環(huán)境腐蝕、電流干擾和意外破壞等因素的影響，燃氣泄漏的風險也隨之增大，可能導致火災和爆炸等事故的發(fā)生，威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。因此，為了避免燃氣管道泄漏事故的發(fā)生，需要對其進行全天候不間斷檢測。

1 常見的城市燃氣管道泄漏檢測技術(shù)

1.1 直接檢測

1.1.1 超聲波檢測

該技術(shù)主要是在管道內(nèi)加設(shè)能發(fā)出超聲波的設(shè)備，通過檢測其信號來判斷燃氣泄漏情況[1]。采用該技術(shù)能夠精準地判斷發(fā)生泄漏的具體位置，出現(xiàn)誤報的可能性較低，但其缺點在于檢測成本較高，只能夠進行間歇性檢測。

1.1.2 傳感器檢測

這種檢測方法主要是在管道外側(cè)平行鋪設(shè)光纖或者電纜，再將其連接傳感器，當燃氣管道發(fā)生泄漏時，傳感器會及時地發(fā)出警報，并對泄漏位置進行精準定位和檢測[2]。其檢測方式具有靈敏度較高的優(yōu)點，但是其價格昂貴，不利于大范圍應(yīng)用。

1.1.3 聲發(fā)射檢測

城市燃氣管道發(fā)生泄漏時天然氣會沿著縫隙向管道外噴射，在這個噴射的過程中會振動產(chǎn)生聲波，利用聲波對泄漏點進行檢測，具有靈敏度高和定位精準的特點。

1.2 間接檢測

1.2.1 壓力法

壓力法的主要原理為通過觀察燃氣管道壓力變化，判斷管道是否出現(xiàn)泄漏情況。壓力法具有較強的實用性和較高的檢測靈敏度，在實際應(yīng)用中優(yōu)勢較大。

1.2.2 質(zhì)量平衡法

質(zhì)量平衡法利用流量計、溫度計及壓力表等測量儀器，根據(jù)氣體物質(zhì)的質(zhì)量守恒定律對泄漏點進行檢測。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對管道的實時連續(xù)監(jiān)控，可以發(fā)現(xiàn)燃氣的微弱泄漏情況，但是無法確定其具體泄漏位置，精準定位功能不佳。

1.2.3 基于數(shù)學模型的檢測技術(shù)

基于數(shù)學模型的檢測技術(shù)主要包括系統(tǒng)辨識法和濾波器法等[3]。該方法利用掌握的數(shù)據(jù)信息建立數(shù)學模型，定位管道泄漏點，成本較低，但其泄漏定位精準度不高。

1.2.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測技術(shù)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測技術(shù)通過將管道的運行條件以及泄漏信息統(tǒng)一地輸入到信息系統(tǒng)中;經(jīng)過信息系統(tǒng)建構(gòu)，可實現(xiàn)對燃氣管道的泄漏檢測定位。雖然其靈活度較高，但是對泄漏的定位精準度較低。

1.2.5 統(tǒng)計決策法

統(tǒng)計決策法是通過對比管道內(nèi)進出口壓力與流量的變化，并進行連續(xù)性計算，最終定位泄漏位置。

2 現(xiàn)有燃氣管道泄漏檢測方法的問題

燃氣管道的安全檢測早已成為燃氣公司特別重要的工作內(nèi)容，大部分公司都設(shè)有專業(yè)的泄漏檢測設(shè)備、專門的檢測隊伍以及嚴格規(guī)范的要求和文件規(guī)定。但是現(xiàn)有燃氣管道泄漏檢測方法仍然存在一定的問題：

(1)檢測效率低。目前比較常見的檢測方式是人工檢測，即在局部區(qū)域采用車載或者步行的方式進行定期巡檢，檢測區(qū)域僅僅停留在地面層，檢測速度和區(qū)域受到限制，工作效率極低，檢測周期較長，對于突發(fā)性事件缺少快速處理的能力，既沒有預案，也沒有最優(yōu)的解決方案。

(2)覆蓋范圍小?，F(xiàn)有的檢測工作通常都是以已知管道為出發(fā)點，從管道上方和兩側(cè)入手，儀器覆蓋范圍較為固定。當檢測位置與管道泄漏點存在一定距離時，容易出現(xiàn)檢測盲區(qū)，檢測范圍受限。

(3)檢測靈敏度較低。地下管網(wǎng)鋪設(shè)較為密集，當?shù)孛娣e聚的甲烷體積分數(shù)小于1%時，檢測設(shè)備就無法快速準確地判斷泄漏氣體的來源，使檢測靈敏度降低，增加了檢測時間，影響管道維修的工作效率[4]。

(4)定位精準度低?，F(xiàn)有的檢測方式受到很多因素的制約，難以精準定位，無法及時地找到與泄漏點對應(yīng)的地面位置點。天然氣長期積聚與擴散，存在較大的安全隱患。

3 北斗精準定位技術(shù)分析

3.1 北斗精準定位系統(tǒng)

截至目前，國內(nèi)衛(wèi)星定位技術(shù)取得了重大突破，國內(nèi)已經(jīng)自主成功發(fā)射了43顆北斗衛(wèi)星，并且完成了北斗三號系統(tǒng)星座的所有部署任務(wù)。北斗精準定位系統(tǒng)是由國內(nèi)自主研發(fā)的可實現(xiàn)全天候?qū)崟r檢測的精準服務(wù)系統(tǒng)，主要包括空間終端、地面終端和用戶終端三個終端，系統(tǒng)的幾大優(yōu)勢總結(jié)如下：

(1)系統(tǒng)覆蓋范圍廣，而且定位極其精準；

(2)導航定位能夠與通信集成，定位精度和授時精度特別高，且系統(tǒng)具備雙向短報文通信的功能；

(3)具有融合北斗導航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強系統(tǒng)兩大核心資源的能力；

(4)能夠為集團用戶提供大范圍的遠程監(jiān)控管理、遠程數(shù)據(jù)采集及傳輸應(yīng)用等功能；

(5)采用混合星座定位模式；

(6)兼容性特別強；

(7)系統(tǒng)由國內(nèi)自主研發(fā)和控制，安全保密性極強。

近年來，國內(nèi)燃氣管道高速發(fā)展，幾乎遍布了所有城市，雖然為人民的生活生產(chǎn)提供了很大的便利，但同時也增加了無處不在的安全隱患，一旦發(fā)生燃氣泄漏事故，就會在瞬間引發(fā)爆炸，導致巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。由于燃氣管網(wǎng)通常安置在城市地下，采用常規(guī)檢測手段很難發(fā)現(xiàn)其異樣和泄漏程度，而采用北斗精準定位技術(shù)能夠快速有效地解決這一問題，為天然氣泄漏的檢測提供了重要的技術(shù)手段[5]。

3.2 北斗精準定位技術(shù)的工作原理

基于北斗精準定位的燃氣管道泄漏檢測系統(tǒng)如圖1所示，主要包括北斗定位裝置、泄漏檢測裝置、用戶終端和云服務(wù)平臺等[6]。

圖1 北斗精準定位泄漏檢測系統(tǒng)

北斗定位裝置的主要作用就是收集系統(tǒng)采集到的燃氣體積濃度值，在燃氣泄漏事故發(fā)生時提供精準定位；用戶終端主要通過與系統(tǒng)的實時連接來實現(xiàn)實時通信，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后顯示在終端設(shè)備上；云服務(wù)平臺與用戶終端相連，其主要作用就是進行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)暢通條件下，兩者可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在日常巡檢過程中，終端只需采用藍牙等方式進行聯(lián)通。將北斗定位裝置與泄漏檢測裝置進行集成，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合，保證檢測位置與實際位置的統(tǒng)一；對現(xiàn)場的作業(yè)實況進行精準監(jiān)控，有助于現(xiàn)場作業(yè)的便捷操作；基于藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線連接和實時上傳數(shù)據(jù)功能，并保留歷史數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理提供了有利條件。

4 北斗精準定位技術(shù)的應(yīng)用

4.1 城市燃氣管道泄漏風險因素識別

根據(jù)現(xiàn)有的城市燃氣管道風險管理指標，國內(nèi)外很多學者建立了城市燃氣管道泄漏風險評價模型，綜合分析了城市燃氣管道發(fā)生泄漏的可能性；又基于故障樹模型，詳細分析了造成城市燃氣管道泄漏事故的內(nèi)外部風險因素，并對其進行了預測和診斷，從而歸納出城市燃氣管道泄漏風險管理要點[7]。

據(jù)統(tǒng)計，城市燃氣管道泄漏的最大原因是管道腐蝕，其次是自然環(huán)境以及人為因素。管道腐蝕主要是因為管道自身存在缺陷，管道服役時間太長，且受到管外的腐蝕環(huán)境影響。管道缺陷不僅會影響管道的強度及耐腐蝕性，使管道發(fā)生穿孔或者破裂，而且同樣會使伴隨的管道附件發(fā)生泄漏、斷裂或穿孔。在城市中建筑密集、人流量大、社會活動比較頻繁并且規(guī)模較大，由于施工不當導致燃氣管道破壞，也有可能使燃氣管道發(fā)生泄漏。除此之外，土壤的自然沉降以及氣象災害等自然環(huán)境的影響，均可造成管道破裂和燃氣泄漏事故的發(fā)生。

為進一步有效判別城市燃氣管道泄漏的原因，詳細闡述造成事故發(fā)生的影響因素，建立了故障樹模型，如圖2所示。故障樹模型中包含多個中間事件，為事故發(fā)生的主要影響因素。

圖2 城市燃氣管道泄漏事故故障樹

4.2 北斗精準定位技術(shù)的實際應(yīng)用

4.2.1 實時掌握現(xiàn)場情況

在城市燃氣管道泄漏檢測的實際應(yīng)用中，北斗精準定位技術(shù)可以快速有效地將檢測數(shù)據(jù)與精準定位數(shù)據(jù)進行融合，并將其上傳至后臺系統(tǒng)中，為以后的研究和應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。通過該技術(shù)不僅可以實時掌握現(xiàn)場情況，及時發(fā)現(xiàn)檢測盲區(qū)，而且能夠積累并保存重要的歷史記錄，對歷史數(shù)據(jù)進行整理分析后可以計算管道的風險狀況，并預測管道泄漏風險，有利于開展下一步的工作計劃和優(yōu)化設(shè)計[8]。在日常巡檢過程中，只要保證同一個人、同一個巡檢車或經(jīng)過訓練的巡檢犬等處于同一個移動體就能完成巡檢任務(wù)，然后通過藍牙將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至手持終端。

北斗定位裝置能夠收集實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)影像圖與網(wǎng)圖的相互切換，形成豐富的地圖種類、設(shè)備層以及管線層，可以體驗到多種場景的真實效果。

4.2.2 為預案設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持

北斗精準定位系統(tǒng)不僅能夠準確無誤地記錄燃氣泄漏位置的數(shù)據(jù)信息，而且可以迅速地采集燃氣濃度數(shù)據(jù)。首先，在日常巡檢工作中，工作人員手持終端就可以接收系統(tǒng)實時傳回的數(shù)據(jù)信息，每個點位的測量記錄均由濃度軌跡逐漸疊加而成，因而地圖可以直觀地展現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)實情況，工作人員通過查看地圖就能夠清楚地掌握區(qū)域內(nèi)的燃氣泄漏情況。同時，工作人員根據(jù)實際需要可將數(shù)據(jù)劃分為安全數(shù)據(jù)、邊界數(shù)據(jù)和危險數(shù)據(jù)三類。在數(shù)據(jù)記錄過程中一般將異常數(shù)據(jù)標記成不同的、醒目的顏色，能夠清楚地指示監(jiān)測區(qū)域的泄漏情況，為預案設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支持。

4.2.3 實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)與數(shù)據(jù)的實時共享

工作人員可根據(jù)實際情況，對疑似泄漏點進行實時標記，相應(yīng)地添加實時數(shù)據(jù)信息，并將其上傳至云服務(wù)平臺，及時記錄并保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，為應(yīng)急作業(yè)提供參考性意見，使云服務(wù)平臺能夠系統(tǒng)全面地掌握全部區(qū)域內(nèi)的泄漏檢測情況。同時，工作人員通過地圖與手持終端也可以查看最新的上傳記錄，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享，有助于更加便捷及時地開展協(xié)同作業(yè)。

5 結(jié)束語

城市燃氣管道工程是極其重要的民生工程，燃氣管道的安全十分重要。為了避免燃氣管道泄漏事故的發(fā)生，保證人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，需要應(yīng)用泄漏檢測定位技術(shù)對其進行有效地檢測。由于北斗精準定位技術(shù)能夠?qū)崟r獲取管網(wǎng)壓力、燃氣濃度以及精準位置等關(guān)鍵信息，顯著降低了燃氣泄漏事故發(fā)生概率，從而快速有效地解決了生活中的實際問題。