杭州打造"智慧燃气安全网"：AI预警 应急联动系统守护城市生命线
城市生命线
数字化典型案例
前言
数字时代，城市生命线正经历着前所未有的变革。在全国智标委发布的《城市生命线数字化标准体系研究报告》中，“杭州市城市天然气管道风险监测预警及应急处置一体化系统项目”作为“典型城市生命线数字化实践案例”成功入选，探索科技如何重塑城市基础设施，提升治理效率与生活品质。这不仅是技术的革新，更是人文关怀的体现。本期让我们一起了解“杭州市城市天然气管道风险监测预警及应急处置一体化系统项目”典型案例 。
浙江省市区三级政府，对地下管网的安全高度重视。为强化天然气管道安全管理，实现风险预警、防灾减灾，在富阳区政府支持下特开展燃气管网风险监测预警及应急处置研究项目。该项目实现了从第三方施工破坏预警监测、管道泄漏爆管监测、地质灾害监测预警、管道路由透明化、阀门内漏监测预警、井盖状态监测预警、密闭空间燃气浓度监测预警并应急处置的一体化闭环管理目标。项目施工地点位于杭州市富阳区灵桥镇江滨南大道，具体施工范围从陈家埠渡口码头起始，至江滨大道艺术公园附近结束，全长约1.73公里，采用PE315型号的燃气管道，沿途设有3个主阀门井，其中1.07公里处设有一个主阀门井作为关键节点。施工内容围绕1.07公里位置阀门井，分别向下游700m及上游1070m 的主阀门井分段实施光纤传感器的安装工作。
（1）应用场景
2023年8月份，在非开挖、无开孔的前提下，项目工作组在杭州市富阳区江滨南大道灵桥段1730米的既有的中低压燃气管道上，成功地植入了分布式光纤振动传感器，并在附近的联通公司机房内安装了分布式光纤振动信号解调仪，建成了一套全光型城市天然气管道风险监测预警及应急处置一体化系统。真正实时分布式采集被监测管道全线的安全健康数据。
（2）总体架构
城市天然气管道风险监测预警及应急处置一体化系统，是由分布式光纤应变、振动传感器、应变、振动信号解调仪、光纤通信网络和全光型风险监测预警平台组成。
其系统架构如图1所示：
图1 城市天然气管道风险监测预警及应急处置一体化系统架构
感知层：在管道内安装光纤传感器设备，在试验机房安装边缘调试解调计算终端设备。将光纤传感器采集管道实时数据，通过光纤传感器将数据实时传送到边缘计算设备，由边缘设备完成初步数据采集和处理。
网络层：借助运营商的光纤网络实现全光系统组网，实现在远端，有光纤网络通道的地方，均可进行实时状态、参数、故障等数据的访问和远程控制。
平台层：以数据中台云计算为核心，将采集到的数据进行汇总和处理。利用大数据和人工智能等方式进行数据建模和信号特征的模式识别等复合判断方法，将处理结果提供给网页端（PC、平板、手机）进行展示、分析、诊断和管理。
应用层：按照项目场景的需求，搭建第三方开挖破坏预警、管道燃气泄漏检测、管道爆管预警、井盖安全预警、智能值守等功能和应用。
（3）各系统和设备的建设
城市天然气管道风险监测预警应急处置一体化平台，是基于全光型物联感知技术结合人工智能AI数据分析（见图2），实现对城市基础设施生命线安全的监测预警及应急处置。
图2 城市天然气管道风险监测预警应急处置一体化平台
在非开挖、无开孔的前提下，在燃气管道内安装光纤传感器，通过光纤传感器采集管线安全、健康状态数据，通过光纤信号解调仪进行一次处理后，将安全健康数据实时传输到数据中心机房，将采集的数据与业主已有的温度、压力、流量等传感器数据进行复合判断，通过百世通云AI二次数据分析、处理，并发出预警，实现包括：从现场有序、无序的施工、破坏、大型机械挖掘、模拟挖掘实验、模拟泄漏实验等事件发生，到系统发出预警，再到事件行为分析研判，以及应急处置的闭环全流程（见图3），实现了监测无盲区、精准定位异常位置，快速处置响应的闭环能力。
图3 城市天然气管道风险监测预警应急处置工作流程
城市天然气管道风险监测预警及应急处置一体化系统具备下列基本功能：
1）振动信号解调仪通过分布式光纤传感器采集的天然气管道的振动信号，进行解析识别并编码成为特征信息数据，传递给管道风险监测预警系统平台；
2）同一监测通道可在不同区域分别设置不同的报警值，并可在同一区域内同时发出多个异常事件报警，对异常事件实现精准定位；
3）振动信号解调仪本地完成边缘计算数据处理，实时上传所辖监测范围内的振动异常数据到监测预警云平台；
4）监测预警系统结合GIS，直观显示异常事件的坐标位置；
5）监测预警系统自动存储及备份采集的数据；
6）监测预警系统通过AI技术进行二次数据处理，对异常事件做出预警；
7）监测预警系统与其他物联网平台的数据交互；
8）监测预警系统通过机器学习不断更新数据库内容，提升预警准确率；
9）监测系统充分考虑运维单位的实际需求，预留相关数据的接入接口。
（4）关键技术和标准的应用
研发一套基于分布式光纤的全光型城市天然气管网风险监测预警与应急处置一体化系统，在既有存量天然气管道上安装试运行，采用挖掘机和人工开挖等方法进行现场测试试验，报警准确率≥95%，漏报率＜1%。
知识产权成果：
1）发明专利“一种光纤传感器及其制作方法”；
2）实用新型专利“一种燃气管道内置光缆过阀门结构”；
3）软件著作权“城市天然气风险监测预警应急处置一体化平台V1.0”；
4）牵头起草团体标准《氢气及天然气管道风险监测预警技术导则》。
（1）解决问题
1）开发了适合燃气管道内敷设的分布式光纤传感器
研究开发适合PE燃气管道内敷设运行的特种分布式光纤传感器；建设全光型实时分布式管道风险监测预警网。
2）研发了往管道内植入分布式光纤传感器的施工工艺
项目工作组突破传统思维，开发了通过改造既有放散管将传感光缆内置于燃气管道内实现跳过阀门实现非开挖安装的方法，一次性敷设传感光缆的长度超过1000米，可满足几乎所有市政燃气管道阀门之间管道长度的光缆敷设；一举突破了既有存量燃气管道无法在非开挖的情况下安装传感光缆的世界性难题，从根本上解决了燃气管网的风险监测预警问题。不但可以快速施工，方便灵活组网，实现新、旧燃气管网监测预警系统全覆盖，而且可以节约大量的施工开挖费用，更可以省去施工开挖审批程序，极大地压缩审批周期；由于在既有管道内敷设光缆，还极大地降低了施工难度，大量节约工期；
3）研发了管道光纤传感器密封连接件
分布式光纤传感器和管道的密封效果，是本科研项目的关键之一。项目工作组请北京化工大学和中国机械密封协会的密封专家参与，研发设计制作了SS304材质的锥形两道密封圈的燃气管道密封用连接件。经项目工作组自检、国检集团专业检测合规；在三个月左右的实际应用中，华润燃气10天去阀井用甲烷传感器检测一遍，至今没有泄漏。
4）开发了燃气管道风险监测预警及应急处置一体化平台
项目工作组开发的一体化平台具有“一网统管、及时高效、闭环管理、智能赋能”的技术优势，实用性强，逻辑清晰，鼠标一路点到底即可解决燃气管道风险监测预警系统报警直到隐患解除过程的所有问题，真正实现高效、闭环管理。该系统对于打破政府主管单位、管网公司各部门之间的数据孤岛具有积极的意义，能够为风险预警和应急处置提供技术支撑的同时，为应急抢险赢得分分秒秒的宝贵时间。
5）提高了燃气管道风险监测预警应急处理一体化系统的报警准确率
2023年8月至2023年9月，系统一个月累计误报次数达20余次；
2023年9月至2023年10月，系统一个月累计误报10余次；
2023年10月至2023年11月，系统一个月累计误报次数在5次以内；
2023年11月至2023年12月，系统仅有1次误报；
2024年1月至今，系统没有出现过一次误报。
经过一年多的数据积累、人工智能的算法优化为燃气管道风险监测预警应急处置一体化场景的应用和推广，积累了重要的基础和经验。
（2）社会效益
1）为城市生命线安全提供技术支持
城市生命线的安全，是城市的良心。没有城市安全管理功能的智慧城市，不是以人民为中心的智慧城市。全面推进城市生命线安全管理建设，需要在实时分布式采集基础设施安全健康信息的同时，结合二维、三维地理信息，方便相关单位快速展开维护和应急抢险。
2）技防替代人防，消减安全事故
人的生命是最宝贵的，让巡线员、操作工靠近危险源，有违安全管理的初衷。而管线风险监测预警系统的建设，将极大地解放大量的巡线员，提高员工安全水平，降低巡线辛苦程度。同时，设备可以有效避免人的自觉性、责任性等方面的主观影响，提升对潜在管道隐患判断的准确性和及时性，提升了管道安全性，保护人民的生命、财产安全。
3）为建设“智能管道、智慧管网”提供数字底座
长输管网和城市地下管网安全管理数字化、智慧化，是未来的发展方向，是管网安全、环保、节能、减碳的必由之路，而全光型光纤传感系统最适合用来打造智慧城市的安全数据底座。在建设管网风险监测预警传感网的同时，如果同步敷设具备通信和传感功能的复合光缆，将可以利用管网公司得天独厚的既有管孔资源，快速、廉价、便捷地组建管网公司自主的通信、调度、自控一体化光纤局域网，在方便提高网速提高办公效率的同时，将局域网和互联网物理隔离，更能够提高网络防病毒、防勒索水平；还能节省租用通信网络的费用，避免无线网络不稳定而影响通信、调度和自控效果。
4）管网路由透明化，有利于规划设计和政府决策
地下综合管网安全监测数据是运营单位和政府应急处置的决策依据。管网的安全健康状态数据不仅是为了给政府及相关部门提供科学决策作用，更重要的是通过建立城市地下综合管网数据库，可为规划、设计、生产、运维等提供参考依据，提高城市规划、建设、管理水平，改善城市形象和投资环境，提高人民的获得感和幸福感。
（3）经济价值
1）变被动抢险为主动预防，提升抢险和善后效率
管道事故发生以后，损失已经产生，局面不可收拾。这时候再去被动抢险，风险高、成本大，社会影响恶劣。主动预防，大事化小，小事化了，无疑能够节约事故处理的成本，保住企业和政府形象。
2）有利于管网公司的资产管理
各类地下管网规模庞大，结构复杂，时间跨度长，环境复杂，看不见摸不着，资产管理难度很大。采用全光型管网风险监测预警系统，结合GIS，可将管网路由及资产透明化；随着大数据的积累，将来可打通管网公司的设备材料采购、仓储管理系统，为用户控制库存，降本增收。
3）设备换人，降低巡线成本
目前大多数公司还在依靠人工巡线，随着人工成本的增加，借助设备可以减少巡检人员，降低人力成本。
4）拉动产业发展
我国存量埋地管网总长度已超350万公里，各地每年新建的各种管网的数量也在与日俱增。安委会、应急部、住建部、环境资源部对安全的要求越来越严，催生出管道安全的大产业，必将拉动投资、建设和就业，创造新的经济增长极。构建“产、学、研、用”的产业生态，打造全产业链布局，拉动地方实体制造业产业升级，促进、孵化管线风险监测预警用光纤传感器研发、制造，智能阀门及辅材制造、智能管线复合管道研发生产等上下游行业，给城市基础设施生命线安全产业发展，注入新的经济活力。
