智慧工地在油氣管道建設中的應用探索

庚琳，尹向陽，趙佳麗，隋楠，冷雪，邊海容，張學鋒

1.中國石油天然氣管道工程有限公司（河北 廊坊 065000）2.國家管網集團山東天然氣管道有限公司（山東 濟南 250000）3.國家管網集團北方管道有限責任公司 管道科技研究中心（河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著管道里程的跨越式發展，新建管道以及在役管道工地倍數增加，隨之而來的是各類安全、合規及管理難題。據不完全統計，在施工現場中約80%的事故是由工地管理不嚴造成，工地管理同樣是管道企業的短板，如何加強工地現場安全管理，如何有效監管施工和承包商是工地建設的首要問題[1-3]。2017 年中國石油率先提出了建設“智能管道，智慧管網”的發展目標，將實現油氣管網“全數字化移交、全智能化運營、全生命周期管理”，智慧工地的構建是其中至關重要的一環[4-7]。智慧工地的推行將極大程度上解決管道施工現場的質量、安全、成本、周期等問題。

分析參考其他行業的智慧工地政策及要求，將對管道智慧工地的發展及構建起到借鑒作用。市政、電力、建筑行業為最早開展“智慧”研究與嘗試的行業。21 世紀初，中國智慧科學院、國脈互聯智慧城市研究中心等機構紛紛組建，工信部、住建部、發改委等下屬的支撐機構、組織等也都加快了智慧城市布局。電力、建筑等行業隨后也開展了一些研究，且均具有各自行業特色和要求：①市政及建筑行業智慧工地政策要求。要求加快推進建筑信息模型（BIM）技術在規劃、勘察、設計、施工和運營維護全過程的集成應用，為項目方案優化和科學決策提供依據[8-12]。②鐵路行業智慧工地政策要求分析。與管道行業類似，鐵路里程的快速發展必將導致鐵路信息化系統建設的快速發展，同時鐵路工地構建的的信息化、智慧化也必然是未來鐵路行業發展的重要趨勢[13-15]。③電力行業智慧工地政策要求分析。要提高工程建設的現場管理和監督，推進項目各項工作安全管理體制的實施，信息化技術的作用顯得尤為突出。工程建設項目管理體系的不斷改進和提高，能夠為電網工程智慧建設提供良好的基礎保障[16-18]。

調研與分析發現，在智慧工地大規模開展的社會環境下，管道智慧工地行業將迎來蓬勃發展。鑒于管道行業工地具有綜合性強、復雜性高、技術性強、嚴格性高等特點，管道智慧工地盡管已經有了很大進步，但仍處于行業中下游水平，其發展尚未成熟，存在成本高、應用效果差等問題，同時存在缺乏智慧工地建設的有效規范標準、碎片化的應用尚不成體系等問題?；谏鲜龇治?，構建具有管道行業特有的智慧工地是管道行業智慧工地的主要方向，形成一套模塊化的管道智慧工地構建流程，將有效提升管道行業智慧工地構建水平，為管道智慧工地相關標準的制修訂提供參考。

1 管道智慧工地概念模型

為了實現管道智慧工地的模塊化建設與設計，首先需結合管道行業自身特點，明確管道智慧工地的概念及設計的范圍模型。為實現管網公司“全數字化移交、全智能化運營、全生命周期管理”的目標，從建設期、應用領域及技術要素3 個視角出發，給出了關于智慧工地整體范疇的一些抽象概念模型（圖1）。每個視角的具體描述如下：

圖1 管道智慧工地概念模型

1）建設周期維度視角。建設周期指建設過程中包含的不同階段，主要包括規劃階段、設計階段、建設階段和運維階段。

2）應用領域維度視角。智慧管道的應用領域不僅適用于建設期工地，也適用于運營期的工地。其中比較有代表性的工地如管道建設工地、儲罐大修工地、動火現場工地、泵機組大修工地等。

3）技術要素維度視角。技術要素是指支撐智慧工地構建中各個功能所需要的相關技術要素，可分為對象技術和風險管控技術。其中對象技術包括針對工地建設中的人、機、料、法、環各個環節所要涉及的對象；風險管控技術指構建工地監管過程中可能面對的風險環節，并采用相應的技術手段實現風險減緩。

2 管道智慧工地框架構建

智慧工地模塊化構建是在具體工業工程中的應用，是建立在數字化、信息化基礎上的一種能實現全面感知、全面智能、全面互聯的新型信息化、模塊化方法。兩大主線分別為標準體系主線及安全體系主線，兩大主線相互依托，相互關聯；5 層分別為監管層、應用層、決策層、數據層、傳輸層、感知 層，各層級相互依賴、依次構建（圖2）。

圖2 管道智慧工地推薦架構設計圖

3 管道智慧工地技術構建

3.1 視頻監控模塊構建

視頻監控是智慧技術中最為常見也是最重要的技術手段，現場監控數據可以通過數據采集及傳輸實現監督與智能識別功能，便于掌控工地實時狀態，及時發現管道工地中的安全風險。通過視頻監控模塊的構建可以實現人員的安全監管，物料、機具、車輛和環境的監管等。一般來說，管道工地的視頻監控模塊應具備如下一些功能：

1）紅外實時監控功能。實時獲得監控區域內清晰的熱感圖像及可見光圖像，同時能夠對云臺及鏡頭進行操作，對視角、方位、焦距進行調整，實現全方位、多視角、無盲區、全天候式監控。

2）巡檢預案功能。相較于人工現場巡檢的傳統巡視方式，預案可大大提高巡檢實時性及可靠性，還可按季節情況進行巡檢預案周期調整。

3）存儲及檢索。在監控平臺上，可按時間、報警等進行自定義搜索錄像、圖片、溫度數據。

4）報警預案。預案有助于相關部門第一時間核實超溫設備，迅速做出部署，適時啟動停電安排，把損失控制到最小范圍。

5）系統管理。通過模塊提高整套視頻模塊的工作效率。

6）視頻質量診斷（擴展）。

3.2 施工現場的網絡環境構建

由于管道工地一般為線性工地，不同設備間的距離較大，且工地范圍可能較廣，最為重要的問題之一即是網絡覆蓋。對于站外管道上的線路施工，宜采用4G/5G 路由器結合無線AP 組合的方式進行網絡搭建，便于實現網絡的無縫覆蓋（圖3）。

圖3 管道智慧工地網絡覆蓋方法

通過接入點放大信號后可實現施工現場的網絡全覆蓋，滿足施工現場人員監管、質量監管、物料監管、環境監管、焊機監管、過程監管、機具監管所需的網絡要求，再通過物聯網及互聯網將數據傳回監管層，達到監管的目的。

3.3 人員管理模塊構建

人員監管模塊的構建可由如下幾個部分組成：

1）人臉識別門禁系統。無論人員、設備的管理均可與門禁類系統進行對接。門禁系統是人員、設備、物料等管理的初始部分，是工地管理的第一環節。該系統可與考勤系統對接，并應支持人員、設備、物料、訪客管理等。

2）陌生信息報警、捕獲。人員監管模塊還需具備陌生人或黑名單人員信息捕捉、報警功能。即通過與管理人員通行權限對比，進行陌生人員特征識，一旦識別為陌生信息將立即拍照、捕捉，并對監管者預警。

3）記錄及多維查詢。模塊還應具備記錄及信息多維查詢功能，可以記錄所有信息。監管者通過系統的功能可記錄并查詢所有進入工地人員的信息，并利用人工智能算法對人臉識別。同時系統會記錄時間、位置、人員類型等篩選查詢，也可以通過特征實現精確查找。

4）狀態監控及熱點識別。管道工地人員監管還可利用紅外熱像儀實現人員位置管控?？蛇x用集紅外、可見光于一體的網絡型紅外熱像儀，實現管控分析功能。

3.4 物料設備信息化構建

油氣管道焊接設備管控中，有許多設備及物料需要智能管控，其中最關鍵的步驟無疑是焊接。此處，以焊接監管為主介紹單一模塊的平臺構建（圖4）。

圖4 焊接智能監管平臺

焊接過程中的各個參數采集、對比、分析、優化可有效提高焊接質量。建設期管道工地的焊接施工可以將焊機的各項數據記錄并上傳至應用層，管理者即可實現智能管理，在中俄東線、中段管道、國家管網集團廣東省網粵東、粵北天然氣管網工程的建設過程中均采用了該技術。焊接過程中的感知過程是完成智能化構建最直接的單元，通過監管焊機的焊槍電、電壓、溫度等數據，通過專有設備可以監測焊縫、焊道、焊弧，可以識別焊接過程中的焊道數量、焊接層數，實現焊縫、焊弧實時監控?；贛odbus等通訊協議將有效數據上傳至應用層，這些關鍵數據通過人工智能軟件處理后，即可將分析結果進行回傳?；貍鞯臄祿⒃俅闻c焊縫、焊工以及探傷等情況進行關聯，優化焊接過程。同時，焊接監管平臺將記錄管道焊接全過程中的焊口基本信息、位置信息、焊接工藝等，可有效提高焊接控制質量，避免后期風險發生。

3.5 管道智慧工地會議信息化構建

管道智慧工地綜合管理解決方案采用全業務的后臺服務層、基礎接入層、基礎應用層、用戶接入層等4層系統結構，基于工地安防應用和業務應用，以管道業務平臺為核心，構建系統架構圖。集體決策及重要事項部署的關鍵管理行為，是單位的核心管理業務之一。但實際會議管理業務常面臨議題收集耗時費力、會議室管理混亂、會議決策效率低、決策跟蹤難以統籌等問題。會議管理可以作為各單位在疫情期間實現高效智慧會議的云解決方案（圖5）。

圖5 智慧工地會議監管系統架構

支持會議審批功能，具有自動審核、手動審核模式可選，發起人可選擇手動審核模式、自動審核模式。自動審核：發起人提交會議預約信息，預約信息自動審核通過，并通知相關參會人員。手動審核：發起人提交會議預約信息，會議信息同步至審核人員，審核人員查看詳情后可通過或拒絕會議，審核結果自動下發至發起人，并將會議通知落實至相關參會人員。

3.6 長輸管道巡檢監管構建

3.6.1 長輸管道施工過程中站點巡檢可視化

無人機巡檢管理平臺可用于長輸管道施工及運行過程中的巡檢。這一平臺主要運用4G/5G視頻寬帶、多終端、低延時、GIS 高清地圖以及人工智能邊緣計算技術，具備無人機4G/5G 通信、飛控、數據采集、監控直播和基于行業應用場景的無人機智能分析等功能，降低工業無人機使用門檻，滿足行業用戶光網巡檢、電力巡檢、智慧警務、智慧工地、安防監控、生態環保、農業種植等場景的無人機服務需求（圖6）。

圖6 線路無人機監管系統架構

飛行控制功能：可直接在平臺設置任務和飛行路線，無人機飛行任務完成后自動返航功能；也可在飛行過程中，重新設置飛行路線。

巡檢功能：針對人、車難以進入的線路及地面情況比較復雜的線路進行巡檢檢查，通過平面模型展示重點線路地形；直觀呈現重點線路的情況，對于需要3D成像的線路，可進行360°的全方位視角呈現，方便進行線路查詢。

監控實時視頻、回放功能：無人機可快速機動到任何需要的區域上空，將視頻圖像實時傳輸回指揮中心，視頻監控平臺采用H.264/MPEG-2/4壓縮方式，確保所傳視頻達到高清效果，將無人機所拍圖像清晰地展現至用戶面前，輔助指揮中心進行現場決策。

視頻智能分析實現科學管理：利用無人機高空俯瞰回傳的視頻監控畫面，通過視頻智能分析技術，實現人體檢測、安全帽識別、車輛檢測、信息化設備檢測、人流監測和態勢分析等智能應用，大大提升業務預警能力，實現科學管理的目標。

數據大屏展示：平臺具備數據可視化展示功能，可在大屏直觀、全面、多平臺、多方位實現飛行軌跡管控和GIS 地圖展示，通過對智能分析結果的集中展示，輔助領導決策并可確保在第一時間安排指揮調度任務。

3.6.2 工地周界報警模塊技術

管道工地安防可用的另一項常見技術是周界報警模塊。工地周界報警系統可實現人員入口感知、投料口感知、設備出入感知、IP 電話接入等功能，最終將獲取的數據結果在大屏顯示，實現統一管理、安全防范。在面對突發安全狀況時，通過該系統模塊能夠24 h 不停歇主動提醒管理方對風險實時管控，這不僅降低了工地風險，也大大降低了發生損失的可能。

4 管道智慧工地評價

鑒于管道工地的特點以及初步形成的特點，對管道行業的智慧工地進行設計及構建合理性評價顯得尤為重要。對合理性進行評價常用層次分析法、熵權法以及模糊綜合評價法，其中：熵權法可能會降低業主對客觀事件的主觀能動性；層次分析法一般僅能獲得同類型工地的相對評估，不適用于管道多類型工地的綜合評價；而模糊綜合評價法能充分考慮業主或專家對標準及規定的主觀能動把控力，實現多種復雜工地的綜合評價。因此，推薦采用模糊綜合評價法對管道工地的設計及構建合理性進行評價。

管道智慧工地的評價應遵循客觀性、全面性、科學性的原則。即評價標準要客觀，滿足標準及規范要求；評價內容要全面，針對管道工地的各個對象及環節；評價指標要科學，建立的指標能夠真實反映管道智慧工地的特點，并聯絡起各指標間的關系。

結合現場調研及其他行業智慧工地的構建經驗，先對評價指標進行初選，通過前述內容形成的智慧工地概念以及特性，結合管道工地的具體要求，形成總體指標。在此基礎上，進一步細化、篩選指標，最終確定了影響因素集U=（U1,U2,U3,U4,U5）=（項目信息管控，實施過程管控，人員安全管控，環境監督管控，機具物料綜合管控）。根據確定的影響因素集進一步確定了指標集，形成了管道智慧工地的評價指標體系。其中：①項目信息管控應至少包含項目名稱、類型、位置、目標、規模、呈現方式、建設單位、人員配置、綜合配置、HSE 要求、風險要求等三級指標；②實施過程管控應至少包含特種作業要求、許可證管理、二維碼管理、掃碼設備管理、交底管理、演練管理、HSE 監管、進場管理、安全檢查、感知層管理、傳輸層管理、數據層管理、應用層管理、監管層管理等三級指標；③人員安全管控應至少包含人員信息管理、附屬信息、穿戴管理、行為管理、定位管理、考勤管理、健康管理、攝像頭管理、視頻感知管理、風險檢查等三級指標；④環境監督管控應至少包含氣體監測、環境聯動報警、溫濕度監測、風力監測、水位監測、水量監測、噪聲監測、災害監測等三級指標；⑤機具物料管控應至少包含車輛識別、移動物識別、數量統計、焊機管控、物料統計、設備檢查等三級指標。

建立起管道智慧工地的評價指標之后，即可確定各指標信息。第二層影響因素集的各個指標對應的權重為ω=（ω1，ω2，ω3，ω4，ω5）。其中，ω1+ω2+ω3+ω4+ω5=1；第二層的各個指標集分別為（Ui1，Ui2，Ui3，...，Uin）對應的權重為（ωi1,ωi2,ωi3,...,ωin）。其中，ωi1+ωi2+ωi3+...+ωin=1（i 為影響因素集代碼）。采用專家打分法對管道智慧工地的指標進行重要性評價，得到各指標的權重。

通過獲得的綜合評價向量與評分，即可綜合判別模塊化的智慧工地設計與構建效果，若評價結果較為一般可以改進設計方案。

5 結論

1）研究了智慧工地在長輸油氣管道行業的構建方法，基于管道工地自身特點，定義了包括技術維度、應用維度、周期維度的完整管道智慧工地概念，同時形成了感知層、傳輸層、數據層、決策層、應用層、監管層的管道智慧工地整體及局部設計框架及涵蓋內容。

2）給出了管道智慧工地構建的技術流程，從監控模塊、網絡模塊、人員模塊、物料模塊、智能模塊、巡檢模塊等幾個方面介紹了各自的獨立構建框架設計方法。

3）基于管道行業現有標準及規范，利用模糊綜合評價法，構建形成了管道智慧工地的設計與合理化評價體系，彌補現有管道智慧工地規范不足的缺陷，輔助建設單位實現需求與目標的統一。提出的概念及構建方法可有效提升管道行業工地的管理水平，提高管道智慧工地的構建效率，統一不同運營單位及建設單位在工地建設過程中的分歧，有助于長輸油氣管道行業的高效、平穩發展。