智慧城市燃气管网安全监测技术与系统(解决方案)

1智慧城市燃气管网安全监测技术与系统（解决方案）目录2项目背景建设思路系统功能关键技术项目背景–城市燃气管网的现状3长距离输送管线城内管道输气干管分配管道用户引入管室内燃气管道工业企业燃气管道工厂引入管厂区燃气管道车间燃气管道等地下直埋（99%）架空（管廊）工厂普遍采用城市小区有时采用高压A类：2.5-4.0MPaB类：1.6-2.5MPa次高压A类：0.8-1.6MPaB类：0.4-0.8MPa中压A类：0.2-0.4MPaB类：0.01-0.2MPa低压燃气管道<0.01MPa液化气需求减少（<5%）主要成分:丁烷，丙烷，丙烯和甲烷天然气需求快速增长（90-95%）主要成分:甲烷人工煤气需求逐年下降（<3%）主要成分:一氧化碳和氢气燃气管网支撑着现代城市的运行和发展，对国计民生有重大影响，保证其安全运行是各地政府的重要职能之一。输送方式敷设方式输气压力城市用气结构城市管网结构图4项目背景–我国燃气管网的事故情况统计42011-2013年城市燃气事故统计图近年来燃气管网工程安全事故呈现高发趋势：据不完全统计，2011-2013年间，全国燃气事故每年平均在900起以上，其中燃气爆炸占24%，燃气泄漏占46%，燃气中毒占14%，燃气燃烧占13%，其他占3%；

2014年全国燃气泄漏原因中74%为微小泄漏。项目背景–燃气管网安全事故案例（1）-台湾高雄7

31气爆事故5燃气进入雨水管道爆炸事故事件基本信息：2014年7月31日，台湾高雄事件发生原因：事故原因为石化气体（丙烯）沿市区与水下水道系统扩散，引发市区连环爆炸。事件导致危害：事故造成死伤合计340人，4.4公里的市区道路被摧毁，上万用户停电、停气、停水、停话。项目背景–燃气管网安全事故案例（2）-青岛11

22爆燃事故6事件基本信息：2013年11月22日，山东青岛事件发生原因：山东青岛中石化黄潍输油管道泄漏，进入与之交叉的生活污水管道，在密闭环境中形成可燃气油气环境，由于抢险施工产生的火花引发强烈爆炸。事件导致危害：事故造成62人死亡，139人受伤；大量原油泄漏导致海水污染，直接经济损失75172万元。燃气进入生活污水管道爆炸事故石油管道生活污水管道项目背景–燃气管网安全事故案例（3）-长春7

30连环爆炸事故7燃气进入排污管道爆炸事故事件基本信息：2010年7月30日，吉林长春事件发生原因：由于夏季连降大雨，地面沉降，管线在雨水冲刷后，下部悬空，管道连接处受压断裂，可燃气体在污水井发生第一次爆炸后，继而发生了后面的三次爆炸事件导致危害：爆炸造成1人死亡，30余人受伤。附近住宅和车辆玻璃全部震碎。项目背景–燃气管网安全事故案例（4）82014年3月，美国纽约曼哈顿一建筑楼发生爆炸。18人死亡，60余人受伤。(煤气泄漏）2010年9月，美国旧金山发生爆炸。11人死亡，52人受伤，百余座民宅烧毁。（地下煤气泄漏至人群密集区域）2014年8月，法国巴黎一四层住宅楼发生爆炸。8名居民死亡，11人受伤。(天然气泄漏）2014年4月，美国华盛顿州三栋建筑被炸毁，加油站被损毁，数人死伤。

(天然气泄漏至饭店）2010年1月，比利时一栋楼房发生爆炸导致楼房坍塌。11人死亡，20余人受伤。（煤气泄漏）2013年2月，墨西哥国家石油公司发生爆炸。32人死亡，120余人受伤。(地下天然气泄漏凝聚于电力控制室）近年来，国际上因为燃气进入地下相邻密闭空间发生爆炸的事故数不胜数。伤亡惨重。项目背景–燃气管网引发城市爆炸事故的风险9地铁通气管道电梯井停车场地下超市雨水管道污水管道污水管道电缆沟人防工程城市中存在大量与燃气管网相邻的密闭空间。

随着燃气管网的建设运营，由于管道老化、腐蚀及第三方破坏造成的燃气泄漏是很难杜绝的。

当燃气管网局部泄漏时，燃气通过地下裂隙渗透进入地下密闭空间。将引发爆炸、火灾和中毒事故，造成人员伤亡。燃气管道项目背景–小结10123城市中的燃气管网与雨水管道、污水管道、地铁、人防工程、地下商场等地下密闭空间交叉或临近很难避免，事故案例总结发现这些区域成为燃气泄漏爆炸并导致严重后果的高风险区。根据国外城市燃气管网安全运行管理的经验，可通过先进的风险辨识、监测预警等技术来降低风险、避免爆炸事故的发生。城市燃气管网发展迅速，迫切需要建立燃气管网安全监测系统，实现对燃气管网发生泄漏爆炸的风险识别、监控、预警，保障城市安全运行。建设思路

–总体框架11风险分析密闭空间风险分析密闭空间风险分级信息采集传感器信息燃气公司信息舆情信息信息传输Zigbee2G/3G/4G光纤综合应对撤离路线救援路线处置方案信息分析信息融合碰撞比对风险预警事故后果影响范围封闭区域全面感知智能决策提前处置系统功能–风险识别12密闭空间风险分级利用爆炸作用及其防护科学，根据燃气泄漏进入地下密闭空间的风险，结合德国水气协会关于燃气泄漏的标准G465-3进行风险分级。燃气管网分布雨水管网分布污水管网分布地铁路网分布人防工程分布地下停车场分布人口密度分布空间综合信息系统功能–风险识别13等级划分-根据燃气管网与地下空间的距离划分A1级：空间检测到大量泄漏气体，立即采取抢修措施、启动应急预案；A2级：空间检测到适量泄漏气体，启动应急预案；B级：空间可能检测到泄漏气体，启动更新修补计划；C级：被测空间检测到气体泄漏的可能性较小，属于安全范围

。压力（MPa）危险半径（m）A1级A2级B级C级低压0.010.114>

4中压<0.4458>

8次高压<1.6161720>

20高压<4.0404144>

44监测半径系统功能–综合分析14燃气管网公司信息SCADA数据城市管网线路数据…………舆情监测数据信息微博数据论坛数据…………密闭空间传感器数据信息气体传感器数据风速传感器数据…………实时数据提取-预处理-挖掘-分析危险密闭空间燃气浓度监测数据事发地位置信息、浓度描述管网压力、流量异动数据地下密闭空间爆炸风险系统功能–综合应对15道路交通数据城市人口分布应急力量配置应急预案警戒区域疏散路线疏散路线救援路线救援路线资源调度联动协调风险预警关键技术

–混合气体爆炸危险性实验探测技术16热辐射危害冲击波危害破片危害全尺寸实验噪声危害等氯气；硫化氢一氧化碳；氨气等甲烷乙烷暗渠中污水压力传感器温度传感器气体浓度传感器点火系统40米破片收集装置布置图暗渠内测点布置俯视图暗渠外测试塔布置俯视图测试塔布置侧视图20米三维空间构建模型三维矢量模型利用CSG、B-rep进行几何表达体积模型Octree、3D

grids等模型关键技术

–

危险空间的识别技术获得燃气管网与其他地下空间相邻区域的分布数据：地理坐标空间体积空间属性空间识别燃气管网分布图地铁路网分布图污水管道分布图雨水管道分布图管网区域划分按照以下特征对管网整体进行划分：管网功能服务对象实地考察地下商场分布图3D-GIS系统17其他地下空间分布图专题图层叠加空间拓扑构建临近空间分析人防工程分布图地下车场分布图关键技术

–数据挖掘技术18文本数据获取Web-Clawing算法流程专家系统挑选种子URL设置待抓取URL队列下载网页内容，更新源数据库根据PartialPageRank策略获取其他URL结束条件否数据预处理数据清洗：处理缺失数据、消除噪声数据处理流程相关算法数据分布特征及箱型图方法聚类方法、回归预测算法数据归一化：同趋化处理、无量纲化处理最小-最大值：z-score标准化数据格式化：消除不同来源、复杂数据格式AWK，Perl等脚本语言处理Weka等数据挖掘软件关键技术

–数据挖掘技术19数据挖掘结论分析发生特定事件的时间、地点等特定事件持续时间、波及范围、涉及人员等对特定事件的关注程度、态度及受到的影响特定事件词汇的相互关联程度对历史数据进行挖掘，建立历史数据库与其他数据相结合提供及时、全面、可靠的预警信息天然气爆炸煤气危险泄漏地下窨井可燃气体人身保护紧急情况火灾伤员甲烷救援消防车应急管道臭味呼救时间关注度关键技术–可燃气体监测位置优化技术20测点优化的意义：最小化风险最小化反应时间最小化成本最大监测覆盖面积总体优化目标：数学模型化叠加各图层得到风险等级划分计算各井的属性值（d,c,a,t），并存储于预定义的动态矢量数据结构中选择初始化池中个体（可利用专家系统或预选算法）设置交叉概率与变异概率利用NSGA-II算法在最短时间与最少空间条件下生成子代个体根据轮转与竞争算法相结合的选择算法生成下一代个体更新当前进化池中个体当前最优个体是否满足要求否输出最优个体即为最优检测点集合是算法实现工程车辆定位全球定位系统美国GPS系统中国北斗系统俄罗斯格洛纳斯系统控制中心坐标变换地图匹配工程车辆周围管线状态分析管网类别管网空间分布状态管网属性破坏危险等级挖掘控制施工单位管线所属单位工程车辆控制3D-GIS地下管网电子地图地下空间网络数据中心物理隔离涉密机房21关键技术

–地下管网实时位置服务关键技术

–密闭空间泄漏源反演技术22校正因子确定与修正监测数据异常监控中心预警备案监测浓度场

（t0时刻）密闭空间源项估计

（t0时刻）预测浓度场

（t1时刻）其他反演方法优化方法

-Thomson模拟退火算法等随机逼近-MCMC抽样方法等基于优化方法的泄漏源反演流程图贝叶斯推断理论的随机

采样方法反演模型监测浓度场（t1时刻）Δt密闭空间源项估计

（tn时刻）扫描+监测泄漏空间边界条件关键技术

–燃气管网密闭空间泄漏区域预测技术23甲烷爆炸上限：15%下限：5%爆炸区域浓度

上限：107500mg/m3下限：35800mg/m3最高允许接触浓度：6700mg/m3泄漏源判定管道泄漏小孔泄漏大孔泄漏预估泄漏源特征分析泄漏环境计算燃气泄漏量泄漏扩散分析高斯扩散模型BM模型FEM3模型正态烟羽模型计算泄漏源有效高度生成气体扩散浓度场分析扩散危害范围扩散危险区域预判人员中毒概率模型火灾概率分布模型爆炸概率分布模型标志危险区域等级划分人员疏散路径划分救援路径模型确定定性分析模型确定定性分析模型确定定性分析气体泄漏率随孔径变化图组分输运守恒方程动量守恒方程能量守恒方程物质传输方程关键技术

–泄漏后果预测技术2424点燃YN天然气

喷射燃烧天然气

喷射扩散天然气混合物爆炸燃气泄漏管网状况区域划分地质条件经济损失人员伤亡建筑倒塌爆炸冲击波模型数值模型FLACS、REAGS等物理模型

SCOPE、CLICHÉ模型等相关模型TNT当量法、TNO模型等热辐射危害噪声危害冲击波危害破片危害次生灾害中毒、窒息用户分布火焰热辐射模型单点源模型