星地协同在城市燃气管道保护中的应用实践

崔万祥

(浙江浙能燃气股份有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

燃气管道在长期服役的过程中，因承受运行和环境荷载的长期作用，并长期受到材料老化、震动疲劳、腐蚀效应、第三方破坏等灾变因素的影响，管道损伤破坏事件频频发生，根据《全国燃气事故分析报告(2022 年全年综述)》的数据，第三方施工破坏引发的天然气管网事故占比最高，达到73.7%。保护和管理燃气管道已成为城市管理的一项重要任务，目前管道安全检测方法主要依靠人工巡检或基于管道运行参数及管壁状态进行检测，对管道泄漏检测起到一定作用，但在泄漏事故发生后，以被动的方式进行报警。对燃气管道保护方法，国内外学者有很多有益的探索，南立团等[1]使用卫星对管道周边的异常情况进行识别和监测；白路遥等[2]提出利用管体变形监测技术与遥感监测地表位移相结合的方法，监测管道周边地质灾害；周京斋等[3]把分布式光纤安防系统应用于燃气管线第三方施工预警防护，实现对管线周边振动信息的定位、监测及预警；BAGLIANI等[4]使用C 波段的雷达卫星数据，利用PS-InSAR 技术对油气开发过程中引起的形变进行时序观测。

为改变过去被动的防护方式，为燃气管道防护提供主动防范手段，减少管道破坏事件的发生率，本文提出了一种基于空地协同的燃气管道防破坏预警方法，并开发出一套完整的预警平台。

1 多源遥感数据在管道保护中的应用

随着图像传感技术和航空航天事业的迅猛发展，在轨的光学和雷达卫星数量已十分可观，遥感影像的时空分辨率得到了显著提升，获取遥感影像的方式也更加便捷。高分辨率光学遥感影像中包含着大量的地物细节信息，对这些信息进行充分挖掘与利用十分重要。利用多时相高分光学遥感影像，对管线周边地形信息、地物信息等进行动态监测，利用雷达影像对管线周边地形进行沉降监测，通过多源遥感影像获取对管线造成破坏的潜在危险因素，进行风险分析、确定风险等级、提前采取相关措施干预。

1.1 高分光学遥感影像监测管道周边风险信息

光学遥感影像的空间分辨率已达到0.5 m，可识别更加精细的地物信息。在对遥感影像信息进行挖掘和应用之前，需对原始影像预先进行正射校正、配准、融合等处理来提高影像的质量和可用性，确保后续的数据分析和应用。对预处理后的遥感影像进行解译，提取出影像中的关键特征，如施工工地、工程机械、土地利用等信息，叠加管网路由数据，识别管道周边可能存在的风险源，例如识别管道周边区域的挖机作业，提供风险信息给燃气保护单位进行分析和决策。光学遥感影像监测管道周边风险的方法如图1 所示。

图1 光学遥感影像监测管道周边风险

1.2 合成孔径雷达监测管道沉降信息

合成孔径雷达(SAR)可以主动发射长波并接收反射信息，利用长波的穿透特性能够不受天气影响对地表实现全天候观测。与光学遥感不同的是，通过主动发射和接收雷达波，雷达卫星可以获得地面物体的强度信息和相位信息。随着合成孔径雷达技术的发展和应用领域的拓展，用于探测地表形变的差分干涉测量技术(D-InSAR)应运而生。通过干涉差分处理可获得毫米级精度的地表形变信息，通过处理长时间序列的雷达影像，分析区域内的沉降速率和形变量，以发现风险信息。利用D-InSAR 技术可对地面进行大范围的形变监测，可发现管道周边累计沉降量较高和沉降速率跃迁变化的区域，洞察潜在风险。D-InSAR 地表形变监测技术流程如图2 所示。

图2 D-InSAR 地表形变监测技术流程图

2 施工机械实时定位及风险分析

第三方工程机械的不规范作业是导致发生管道事故的主要风险来源，因此对工程机械的监管十分必要。通过安装车载北斗高精度定位终端来实时获取施工车辆的位置信息，并利用无线网络传输到数据中心对车辆位置进行处理和分析，利用云控中心对施工机械位置进行远程监控，以实现对燃气管道周边施工情况的风险识别和预警。

针对施工车辆定位的需求，对车载北斗定位终端进行技术优化和改进，主要包括以下方面：(1)为保证施工车辆位置信息的精度，选用高精度的北斗芯片，优化定位算法，以实现定位精度优于1 m 的要求；(2)为确保实时性，采用高速、稳定的数据传输方式，如5G 网络；(3)为确保设备在高温、低温、高湿、高海拔等恶劣环境下长时间稳定运行，在硬件选型、组装、调试、测试等方面进行优化，确保终端设备可靠性。

3 基于空地协同的燃气管道防破坏预警系统

基于卫星遥感技术和地面北斗定位终端构建燃气管道防破坏预警系统，系统由第三方施工破坏预警分系统和地质灾害沉降监测分系统组成。通过施工机械定位和高分辨率光学遥感影像图像识别施工信息，通过InSAR 沉降监测技术获取埋地管道周边的地形变化情况，最终对识别出的多种风险评估风险等级，实现对燃气管道破坏的主动预警。燃气管道防破坏预警系统技术流程图如图3 所示。

图3 燃气管道防破坏预警系统技术流程图

3.1 第三方施工破坏预警分系统

第三方施工破坏预警分系统主要负责预警第三方施工破坏燃气管道，通过获取工程机械的实时位置和燃气管道的相对位置进行风险预测，并设置电子围栏，同时获取高分辨率光学卫星影像以宏观视角监测管道周边施工情况，并将风险信息通过预警平台及时告知相关当事人，如图4 所示。

图4 第三方施工破坏预警分系统示意图

3.2 地质灾害沉降监测预警分系统

地质灾害沉降监测预警分系统主要负责预警地质灾害破坏燃气管道，地质灾害引起的地表沉降累积和突变会造成燃气管道受力变化，导致管道损伤。通过D-InSAR 技术高精度、长时序地对燃气管道及周边地表进行监测，生成地表形变速率，评估沉降风险等级，进而准确及时识别埋地管道风险，并对沉降较为严重的区域提前预警，如图5 所示。

图5 地质灾害沉降监测预警分系统示意图

4 结论

(1)探索基于星地协同的监测方法在城市燃气管道保护中的应用，开辟准确及时地监测燃气管道破坏的新途径；

(2)结合卫星遥感和北斗定位技术，提升埋地管道保护的预警水平，最大程度减少能源和人力资源浪费，实现埋地管线破坏提前主动预警，将燃气管道保护由原来的被动保护转变为主动保护；

(3)构建燃气管道防破坏预警系统，提高智能化管理水平，长期稳定地监测燃气管道周边风险。