专利名称：一种燃气管网事故预警方法
技术领域：
本发明属于管网运行监控领域，尤其是涉及一种基于GIS的'燃气管网自动预警技术。
背景技术：
随着世界经济迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，温室气体和各种有害 物质排放激增，人类生存环境受到极大挑战。在这种形势下， 一种清洁、高效的能源—— 天然气正日益受到重视，发展天然气工业开始成为世界各国改善环境和促进经济可持续 发展的最佳选择。
"十五"规划明确提出，以提高居民生活质量，改善大气环境、节约能源为目的， 在国家政策的支持下，积极发展城市燃气。天然气的开发利用离不开管线系统的输送。 随着天然气开发规模和使用规模的不断增大，天然气管网系统也日趋庞大和复杂。天然 气是一种易燃易爆气体，其储存和输送的安全要求非常高。为确保城市燃气管网安全高 效运行，有效的事故预警手段是非常必要的。
我国的燃气事故是较多的，事故的不断发生，使我们必须重视燃气的安全问题。造 成燃气事故的主要原因有第三方破坏、管线腐蚀穿孔、自然灾害等。燃气管线一旦发生 泄漏，将产生各种后果如火焰喷射、气体爆炸等，这些严重威胁到泄漏点附近的生命财 产安全。对燃气事故进行提前预警，可有效防止燃气泄漏造成严重后果，保障燃气管网 安全、可靠地运营。
预防和控制燃气管网泄漏事故的发生，保证燃气供气系统的安全稳定运行是一个综 合性的系统课题。由于燃气管线大都是隐蔽工程，点多、线长、面广，所以及时发现隐 患，把事故苗头扼杀在萌芽状态便成了安全运行的重中之重。据调査，国内的城市天然 气管网仍采用比较原始的检漏方式(被动式检漏)，不能做到防患于未然。具体一点说， 就是让巡线员拿着检漏仪器在道路上巡视，其结果往往是漏点还没找出来，事故却已经 发生。
地理信息系统(Geographical Information System, GIS)是集计算机科学、测绘 学、遥感学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科。它能够把 图形管理系统和数据管理系统有机的结合起来，从而克服了数据库和图形系统各自固有 的局限性，使二者的优势互补，功能更加齐全。目前，国内已将GIS应用于重大危险源 的管理，开发了重大危险源的信息管理系统软件，但在实现安全监控方面仍存在较大的 发展空间。建立一种基于GIS的燃气管网事故预警系统，可对在役燃气管网实施动态预 警和静态预警，可有效预防燃气重大事故的发生。
发明内容
为了预防燃气管网发生重大危险事故，本发明提供了一种燃气管网事故预警方法。 釆用本发明提供的预警方法，可以建立一个基于GIS空间数据的可视化管理平台，利用 在役燃气管线的安全性评价软件，实现对在役燃气管线的静态预警。同时还将基于GIS 平台的管网地理信息系统与实时监测管网运行状态的SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，进行无缝连接，嵌入管网动态 仿真软件，实现对管网事故的动态预警。
本发明提出的燃气管网事故预警方法，包括下列步骤-
1) 建立燃气管网地理信息系统，读取和存储燃气管网图、管网属性数据及空间地理 数据；
2) 根据管线属性数据，确定管线载荷，并给定缺陷初始尺寸和裂纹扩张量；
3) 按照裂纹扩展方程求出寿命增量，将累加法和逼近法相结合，进行寿命预测；
4) 采用失效评定图方法，评定管线是否安全，如果不安全，计算管线的最大允许工 作压力和剩余寿命；
5) 将各管线的实际寿命与所预测的剩余寿命相比较，如果达到剩余寿命，报告管线 寿命预警信息；
6) 建立燃气管网的数据采集与监视控制系统，实时采集包括各个节点管线压力在内 的动态数据；
7) 将燃气管网的数据采集与监视控制系统所采集的各个节点管线压力根据与该节 点管线的最大允许工作压力相比较，如果超出，则报告管线压力预警信息。
上述的燃气管网事故预警方法，在步骤l)之后和步骤5)之前，最好还包括下列步
骤
g) 根据管线属性信息，确定缺陷轴向和纵向尺寸以及管线最小壁厚；
h) 采用人工神经网络预测模型分析土壤腐蚀速率；
i) 计算管线的失效压力；
j)结合管线的安全系数，计算出管线的最大允许工作压力；
k)通过建立可靠性数学模型，对管线进行可靠性分析，确定管线的剩余寿命；
1)将步骤d)和e)所确定的管线的最大允许工作压力和管线的剩余寿命分别与歩 骤4)所确定的管线的最大允许工作压力和剩余寿命相比较，选择最小值作为管线的最大 允许工作压力和剩余寿命。
本发明的燃气管网事故预警方法，其中的歩骤b)可以包括下列歩骤(l)将管线外 界土壤的化学组成作为网络的输入；(2)将相应管材的权值赋予网络的连接单元；(3) 运行人工神经网络预测模型分析管材的土壤腐蚀速率。
为完善上述的燃气管网事故预警方法，最好还包括下列的动态预警歩骤
A. 建立管线实时仿真模型，计算各个节点管线的参数值，并根据燃气管线的压力平 衡关系，设定泄漏阈值；
B. 利用燃气管网的数据采集与监视控制系统采集各个节点处的包括气体流量和温 度在内的动态数据的测量值；
C. 计算各个节点处测量值与所计算的参数值之间的偏差；
D. 如果偏差超过泄漏阈值，则报告管线泄漏预警信息。
采用本发明提供的预警方法，可以建立集成燃气管网的GIS系统和SCADA系统的可 视化管理平台，实现SCADA实时监控功能与GIS功能的结合，使得它们在功能上相互支 持、模块配置灵活，操作人员面对的不再是大堆的遥测数据和报警信息，而是燃气管网 的全面信息，包括管网的地理位置、结构参数和运行参数等，该系统具有动态预警和静 态预警功能，能有效防止燃气重大事故的发生。本发明还可应用于供水、供电等管网， 具有较大的经济效益和深远的社会效益。
图l为本发明实施例的系统构成图。图中-
1燃气管网图 2 GIS系统 3 SCADA系统4 实时网络空间数据库 5动态预警模块6静态预警模块7预警信息 图2为本发明实施例的燃气管网GIS系统组成图。 图3为本发明实施例的动态预警模块的程序流程框图。 图4为本发明实施例的静态预警模块的程序流程框图。
具体实施例方式
下面结合一个燃气管网事故预警系统的实施例，对本发明做详细说明。 本实施例利用GIS技术建立燃气管网事故预警系统。GIS技术把燃气管网信息与相应 的地理位置相联系，产生了图与数据相互连接。目前在我国测绘界普遍使用的计算机绘 图软件大多是基于AUTOCAD软件作基础平台，通过AUT0LISP语言或者AUTOCAD VBA技术 进行二次开发，从而达到绘制管网图的目的，且绝大多数的测绘数据是采用AUTOCAD数 据库格式进行建库。本发明可将AUTOCAD软件绘制的燃气管网图直接转换到GIS，以建立 一个基于GIS技术的可视化管理平台。
基于GIS技术的燃气管网地理信息系统(GIS系统)与SCADA系统组合成一个一体化 系统。在数据建设中，GIS作为静态数据的组织者，负责数据的录入、存储、提供部分特 殊的查询算法。SCADA作为动态数据的组织者，负责动态数据的获取和存储等问题。利用 SCADA提供统一接口函数，在GIS系统中实现直接从实时库中读取信息。通过数据建设的 一体化，实现GIS和SCADA共享设备信息、动态数据。SCADA系统需要从GIS中获取的信
息主要包括地理图形背景信息；离线的图形信息；管网的参数信息。在GIS图形上显 示的实时运行信息主要包括管内气体运行参数的实时信息压力、流量和温度。综合 利用视图、属性表等GIS提供的显示手段，采用动态着色技术、动态刷新技术，可以完 整、准确、形象地动态显示实时运行信息。 该系统功能模块可分为两个部分
(1) 静态预警模块嵌入的管线安全性评价软件，能够根据管线的材料、外界土壤、 缺陷类型等因素，对在役管线的最大允许工作压力进行评定，从而实施在役燃气管线的 静态预警；
(2) 动态预警模块嵌入的管网动态仿真软件，利用GIS系统的属性数据以及SCADA 系统的实时测量数据，实时预测燃气管网的运行状态，并不断将SCADA系统的测量数据 和仿真软件的预测结果进行比较，实施管网的动态预警。
在图1中，采用ESRI公司的地理信息系统软件ArcGIS开发出燃气管网GIS系统2。 利用ArcGIS中的一个软件开发包ArcEngine将AutoCAD绘制的燃气管网图1载入GIS 系统2中。ArcGIS中基本的图元要素分为点、线、面、注记四种类型。AutoCAD中基本 的图元要素分为块、线、文本。先在ArcGIS中分别建立点图层、线图层和注记图层，然 后导入对应的CAD图元信息。GIS系统2和SCADA系统3保持相对独立，这样可以保证两 个系统运行的安全、稳定、可靠和高效。GIS系统2和SCADA系统3又是紧密集成的。SCADA 系统3只提供基本的数据采集服务，即不维护运行画面，只是作为后台系统向GIS系统2 提供实时数据，接受GIS系统2的命令进行遥控操作。GIS系统2建立和管理的数据综合 了管网空间信息和属性信息，既能方便地查询和管理，为自动化管理系统提供基础数据 平台。GIS系统2的空间数据和SCADA系统3的实时数据通过模块处理后被规则化以系统 内部格式保存在实时网络空间数据库4中。动态预警模块5和静态预警模块6分别从实 时网络空间数据库4提取数据并进行分析计算。如果动态预警模块5计算的结果与SCADA 系统3的测量数据之间的偏差超过一定值，就将管网存在泄漏风险的预警信息7提供给 操作人员。如果在役管线服役完静态预警模块6预测的剩余寿命时，.就将管线危险预警 信息7提供给操作人员。
在图2中，燃气管网GIS系统2中各个模块的功能用户权限管理模块，不同的人 员会有不同的系统操作权限。通过访问权限的设定和菜单项的过滤验证保证数据的安全； 系统集成接口模块，其可方便与数据采集系统、客户服务系统等进行数据及功能集成， 满足燃气管网输配调度决策的需要；图形及数据编辑模块，允许用户增删各种型号的输 气管线或者是对已有的管线属性数据进行编辑和修改；图形显示及输出模块，可将管线、 附属设备(调压器、阀门等)以及基础地形图进行放大、縮小、分层显示等，另外还可 以打印输出各类图形和报表；管网査询及统计模块，可进行管网空间数据及属性数据的 双向査询；管线安全性评价模块，根据在役燃气管线的管线、土壤环境、气候条件等因 素预测管线的使用寿命，并与管线的实际使用年限进行比较；管网信息共享模块，在
Client/Server方式下实现远程数据库的智能化共享与联接，只要具有登陆权限的用户都 可以通过网络实时地获取信息，并通过电子邮件等方式实现双向的操作。具有管理员权 限的用户可以远程访问数据库并对数据进行修改。
在图3中，实时网络空间数据库4存储了管网的属性数据(管线、管长、管径、管 线粗糙度等)和地理信息数据以及SCADA系统3提供的管网运行参数(气体压力、流量 和温度)数据。GIS系统2中嵌入的管网动态仿真软件通过读取管网属性数据以及SCADA 系统的监控数据，进行实时动态仿真。软件程序已对安全运行条件下管网各个节点处的 信号进行了估计。利用各节点处的一系列残差信号估计了一系列的"潜在泄漏量"，根 据这些"潜在泄漏量"对照预先设的阈值进行泄漏检测。模型的参数经过不断的调整， 使得无泄漏发生时各个"潜在泄漏量"最小化。如果模型的预测结果与测量数据之间的 偏差超过了设定的阈值，则认为管线发生了泄漏，并泄漏预警信息提供给操作人员。
在图4中，GIS系统2中嵌入的管线安全性评价软件通过读取实时网络空间数据库4 中的管网属性数据(管线材料、管线缺陷尺寸、土壤化学组成等)对在役管线的最大允 许工作压力进行评定。由于对管线安全性影响的因素较多，通过敏感性分析，可以识别 出对管线安全性影响最大的参数。将管线缺陷分为两类裂纹缺陷和腐蚀缺陷。对裂纹 缺陷进行安全评定时，采用的是失效评定图(FDA)方法。计算出给定条件下的Kr和L 值，如果评价点(K L)是在评定曲线内侧，该管线被认为是安全的；如果评价点(Kr， L)是在评定曲线外侧，则该管线是不安全的，计算出管线的最大允许工作压力。对腐蚀 缺陷进行安全评定时，利用人工神经网络预测模型计算土壤腐蚀速率，其步骤为1)将
管线外界土壤的化学组成作为网络的输入；2)将相应管线的权值赋予网络的连接单元；
3)运行人工神经网络预测模型分析管线的土壤腐蚀速率。最后，结合API579凹坑评定 标准中提出的方法，计算出该管线的最大允许工作压力。如果在役燃气管线的工作压力 超过最大允许工作压力，系统就出现预警信息。
权利要求
1.一种燃气管网事故预警方法，包括下列步骤1)建立燃气管网地理信息系统，读取和存储燃气管网图、管网属性数据及空间地理数据；2)根据管线属性数据，确定管线载荷，并给定缺陷初始尺寸和裂纹扩张量；3)按照裂纹扩展方程求出寿命增量，将累加法和逼近法相结合，进行寿命预测；4)采用失效评定图方法，评定管线是否安全，如果不安全，计算管线的最大允许工作压力和剩余寿命；5)将各管线的实际寿命与所预测的剩余寿命相比较，如果达到剩余寿命，报告管线寿命预警信息；6)建立燃气管网的数据采集与监视控制系统，实时采集包括各个节点管线压力在内的动态数据；7)将燃气管网的数据采集与监视控制系统所采集的各个节点管线压力根据与该节点管线的最大允许工作压力相比较，如果超出，则报告管线压力预警信息。
2. 根据权利要求1所述的燃气管网事故预警方法，其特征在于，在步骤l)之后和 步骤5)之前，还包括下列步骤-a) 根据管线属性信息，确定缺陷轴向和纵向尺寸以及管线最小壁厚；b) 采用人工神经网络预测模型分析土壤腐蚀速率；c) 计算管线的失效压力；d) 结合管线的安全系数，计算出管线的最大允许工作压力；e) 通过建立可靠性数学模型，对管线进行可靠性分析，确定管线的剩余寿命；f) 将歩骤d)和e)所确定的管线的最大允许工作压力和管线的剩余寿命分别与歩 骤4)所确定的管线的最大允许工作压力和剩余寿命相比较，选择最小值作为管线的最大 允许工作压力和剩余寿命。
3. 根据权利要求2所述的燃气管网事故预警方法，其特征在于，其中的步骤b)包 括下列歩骤(1)将管线外界土壤的化学组成作为网络的输入；(2)将相应管材的权 值赋予网络的连接单元；(3)运行人工神经网络预测模型分析管材的土壤腐蚀速率。
4. 根据权利要求1至3任意一项所述的燃气管网事故预警方法，其特征在于，还包 括下列步骤A. 建立管线实时仿真模型，计算各个节点管线的参数值，并根据燃气管线的压力平 衡关系，设定泄漏阈值；B. 利用燃气管网的数据采集与监视控制系统采集各个节点处的包括气体流量和温 度在内的动态数据的测量值；C. 计算各个节点处测量值与所计算的参数值之间的偏差；D. 如果偏差超过泄漏阈值，则报告管线泄漏预警信息。
全文摘要
本发明属于城市燃气管网自动监控技术领域，涉及一种燃气管网事故预警方法，包括下列步骤建立燃气管网地理信息系统，读取已绘制的燃气管网图，存储管网属性数据及空间地理数据；根据管网属性数据，采用失效评定图和人工神经网络等方法预测含有缺陷管线的最大允许工作压力及其剩余寿命；建立燃气管网数据的实时采集与自动监视系统，实时采集包括管线各个节点压力在内的动态数据；建立实时监测在役管线是否发生泄漏、运行压力及其寿命等动态或静态报警机制。本发明提出的燃气管网事故预警方法能有效防止燃气重大事故的发生。
文档编号G05B19/048GK101183249SQ20071015038
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者刘明亮, 昭 杨, 赖建波 申请人:天津大学