浅析城镇燃气管网智能化的应用

上海大众燃气有限公司 王海华

城镇燃气管网系统担负着燃气由城市的门站输送到成千上万终端用户的重任，其中管线长度少则几百公里，多则上万公里；各种调压设施、阀门和计量设备等管网附属设施，以及燃气终端用具更是不计其数。传统燃气管网的运行、维护和保养全部要依赖人工的操作，尤其对隐患或故障的排查往往依赖于人的“经验”，而智能化的城镇燃气管网系统则赋予管线及其附属设施以“智慧”，使其具有对事物感知、分析、判断的能力，可对管网运行参数进行自动调节、可能的故障提前处置，并最终实现管网系统本身自我管理，最大程度地减少人为的干预。管网系统智能化的目的，从用户方面来讲就是使用户得到更加稳定、舒适、安全的燃气用气体验，从燃气企业方面来讲就是要实现更加经济、高效、稳定的运营。

1 智能管网应具备的功能

如前所述，智能管网具有对事物的感知、分析判断和各种事态的自我管理功能，三种功能相互依托，逐步递进，从而赋予燃气管网以“智慧”。

1.1 感知功能

感知功能，就是相关信息的收集能力。这主要涉及两个问题：一是收集哪些信息，二是如何收集这些信息。

智能管网需要感知的信息量是巨大的。俗话说“见多识广”，对智能管网而言，其感知的信息量越大，由信息分析出的结果将越准确，智能化的程度也将越高。

对需要感知的信息按其产生的载体可分为三大类，分别为：管网内部输送的介质(天然气)本身的相关信息；管网系统本体的各种信息；管网系统周边可能影响管网系统安全运行的外部信息。按信息本身的属性又可分为固态信息和动态信息两大类：固态信息是指管网系统本身和其所输送介质的一些固有属性信息，即可固化的信息；动态信息是指管网系统运行过程中产生的大量的运营信息，包含系统本身及系统周边可影响系统运行的其他信息。在此，仅按载体分类为例做如下简单描述：

1.1.1 输送介质信息

燃气管网内部输送的介质信息主要是指燃气在管网系统输送过程中燃气本身的各类参数，如燃气的成分、压力、温度、流量，以及燃气作为气体本身所固有的一些物理和化学属性。这些信息变化将直接决定燃气输送的品质及终端用户用气体验。

1.1.2 管网系统本体信息

管网系统本体信息是指管网系统本身的固有信息及管网系统运行过程中产生的一些动态信息。以管道为例：应采集的信息主要包含管道材质、口径、空间位置以及运行过程中产生腐蚀、电位、磨损、泄漏和应力等相关数据，这些信息数据将能反映出管网系统本身运行的安全性指标，是决定管网本质安全的基础数据。

1.1.3 周边外部信息

周边外部信息主要是指管网系统周边可能会影响到管网安全运行的外部信息，比如周边介质的温度信息、成分信息、震动信息(主要指外力扰动等)以及占压(包覆)等，这些信息将直接反映管网系统可能受到的外部破坏的风险。

需要收集的信息如此之多，如何采集这些信息？在哪些部位采集这些信息？采集信息的频度是多少？这些信息如何传输共享？这都是管网智能化推进过程中不得不面对的一些最基本的问题。对管网系统而言，信息的采集不外乎两种方式，一种是系统设备自带的各类信息采集功能，如流量计的流量数据、调压器进出口的压力数据等；另一种方式就是通过外部加装各类信息采集器的方式采集相关数据。信息的传输既可依托第三方平台，也可自建传输网络进行有线或无线传输。不论采用哪种方式，目前受技术水平和成本的限制，全方位地进行管网信息的数据采集还面临着诸多困难，相信随着技术进步，信息收集技术将逐步完善和推广。

1.2 分析和判断功能

如果说管网系统的感知功能是神经末梢的话，那么分析和判断功能将代表智能管网大脑的“智慧化”程度。依托海量数据的处理和各类算法的应用，智能化管网的分析和判断能力应至少包含以下三个方面：

1.2.1 统计和预测功能

统计和预测功能应该是智能管网一项最基本的能力。应不仅能够统计各类与燃气输送相关的数据，而且还应当能够对管网系统本身运行的工况进行各类数据统计，同时可对未来某一时期的运行进行预测。

1.2.2 系统运行稳定性分析

智能管网应具备对自身运行进行定性和定量的分析能力，至少应涉及到管网系统输送介质的稳定性、管道及附属设备运行的稳定性以及终端燃气用具运行的稳定性，对超标数据或即将超标的各类参数应具备必要的警示或预警功能。同时能够通过运行稳定性分析，为管网系统的优化提供方案。

12.3 系统风险分析

智能管网应具有对自身安全和风险进行评估和分析的能力，这关系到管网系统的相关设备设施是否能够安全稳定的运行，是否存在泄漏或失效风险，为管网系统的抢修和改造提供科学依据。

1.3 自我管理功能

当管网系统本身具有了“动脑”能力后，“自我管理功能”则反应出智慧管网的“动手”能力。燃气智能化管网的自我管理功能将分为两个阶段，第一阶级将实现管网运行的自动控制，平衡各类运行参数，以使管网系统运行在最为安全和高效的条件下运行；第二阶段将实现管网系统本身自我修复功能，即将能够对管网系统本身产生的各类问题和风险进行自我修复或临时处置，将风险降至最低，这也将是智能燃气管网发展的终极目标。

2 智能管网的建设和发展

就目前的技术水平和成本投入来讲，城镇燃气智能管网的建设不可能一蹴而就，需要经历一个相当漫长的过程。管网的智能化建设，还是应本着规划先行、分阶段实施的原则逐步推进，理清每个发展阶段的任务和目标将是关键。智能管网的建设，笔者认为至少应经历三个发展阶段，即数字化管网平台建设阶段、信息采集和分析阶段和自我控制管理阶段，当然这三个阶段并非逻辑上的三步走，而是考虑到每个阶段的发展和建设重点。

2.1 数字化管网平台建设阶段

要实现城镇燃气管网智能化，首先应建立一套完善的数字化管网平台，这也是构建智能化管网的基础之基础。数字化的网系统不仅能够虚拟展示现实管网的所有设施(即数字化图档)，而且还应能够收集并向管理者提供所需要的各类管网信息。数字化的管网系统历经近 20年的发展，已取得一些成绩，目前较为常见的GIS系统已被各大燃气公司普遍采用。但从目前应用情况看，还仅仅实现了燃气管网图档资料初步的数字化，虽然某些管网的GIS系统已具备简单的分析和统计功能，但距离实现智能化的要求还相距甚远。

一套完善的数字化管网系统应至少具备以下两个基本功能：

(1)必须具备详尽的管网固态属性，也就是通常所说的图档(档案)系统，它将涵盖连接在管网系统上的所有的管道、设备的自有属性。以管道为例：应至少包含原料的采购、施工过程、验收过程以及工程竣工结算过程的的各类属性参数。

(2)必须具备接收和存储管网系统运行过程中的各类动态参数的能力。虽然目前在用的各类SCADA系统、GPRS采集系统等已具备接受和存储数据的能力，但不论从数据采集的密度还是数据挖掘的程度来看目前仍处于初级阶段，更为关键的是，这些采集的数据对数字化管网系统来讲还是十分孤立的，并未做到与数字化管网的有效融合。

2.2 信息采集和分析阶段

此阶段顾名思义就是采集管网各类数据，针对数据分析管网的运行状态。此阶段根据信息采集和分析的难易也可大致分为两个阶段：

第一阶段——管网运行监测阶段：此阶段的主要任务是构建管网运行监测系统中关键点和关键设备上必要信息的采集和初步的预警能力，为管理者把控管网的整体运行情况提供数据支持，同时实现简单的分析和预测。目前，一些有规模的燃气公司已初步搭建起了此类平台，如管网关键节点的压力、流量的监测，基本能够实现对管网系统或重要用户的燃气供应情况进行实时的了解。

第二阶段——海量数据的采集和分析阶段：随着数据采集技术的突破和成本的降低以及新型具有智能感知材料和设备的出现，对管网系统进行大规模的数据采集和传输将成为可能。此阶段的重点工作将是大规模数据的采集和收集，同时辅助后台管理系统的处理和算法的应用，使管理者能够全面而精准地掌握管网系统中所有管段、所有设备、设施(包括终端用气设备)的运行情况，并能够向管理者提供局部或全局管网运行的安全性、稳定性及可能存在的各类风险分析，为管理者的决策提供依据，同时可实现少量管网关键设备的自动调节和自动控制。

2.3 自我控制管理阶段

这个阶段是管网建设的终极目标，主要侧重于管网的自控能力建设，将实现管网所有设备设施的自动调控，对风险能够自动识别、自主消除等等，此时的管网将具有真正意义上的“智慧”。

3 结语

城镇燃气管网的智能化，最终目的是为了解放人力资源，同时实现管网自主高效安全的运行。它将带来传统管网运行管理模式的革命性改变，是人类科技进步的必然趋势。管网智能化的蓝图无限美好，但其实现将要经历一个相当长的阶段，而且每一步的实施并不轻松。

智能化管网的建设，无论处于哪个阶段，总体的规划将是关键，不论分系统如何建设，都应围绕主线，在大的构架下发展，由此产生的数据才可能进行高效综合利用，这也是近阶段所面临的，也是必须应该解决的问题，否则要么智能化将成为华而不实的口号，要么将浪费大量的人力物力和财力。

当然，管网系统的智能化发展是必须要依托信息化技术和自动控制技术的进步，但如何将现有技术高效地融入到管网智能化建设当中，考验着每一位管理者的智慧。