基于提升供热系统韧性保障能力的城市生命线感知体系_白舰_.pdf

Specials 特稿Report 报道一、实施背景（一）践行“总体国家安全观”的重要内容随着国家经济的高速发展，各地城市供热管网的规模也在高速扩增，供热管线的铺设长度及范围也在不断加大。受历史条件、技术水平等多方面因素影响，有相当一部分早期铺设的地下供热管线腐蚀老化现象严重。由于地面及地下环境复杂，相关风险隐患难以发现，导致影响范围广、破坏性强的供热安全事故时有发生，给城市平稳有序运行带来巨大风险。城市韧性是指当灾害发生时，城市能够承受冲击并快速应对、恢复，保持城市功能正常运行的能力。筑牢以供热系统为代表的城市生命线，提升应急保障能力，是保证城市韧性的重要一环，是确保城市安全运行的一项重点。习近平总书记在中央国家安全委员会第一次会议上强调，要准确把握国家安全形势变化新特点新趋势，坚持总体国家安全观，走出一条中国特色国家安全道路。这为城市供热系统建设与管理指明了方向，提供了根本遵循。具体来说，相关政府部门和企业就是要牢固树立以人民为中心的发展思想，坚持以防为主、平战结合，研究把握首都城市和超大城市运行规律，把韧性城市要求融入城市规划建设管理发展之中，推进韧性城市建设制度化、规范化、标准化，全方位提升城市韧性，实现城市发展有空间、有余量、有弹性、有储备，形成全天候、系统性、现代化的城市安全保障体系。（二）落实北京市相关文件的重要要求根据北京市委关于制定北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标的建议、“十四五”时期智慧城市建设控制性规划要求、新型智慧城市感知体系建设总体方案的相关文件精神，以及北京市委、市政府办公厅印发关于加快推进韧性城市建设的指导意见通知的相关内容要求，相关企业要以供热系统中供热管线（城市生命线）为研究对象，结合文件精神，了解掌握利用新兴与前沿技术提升供热系统韧性的关键因素并进行可行性分析。（三）保障城市安全稳定供热的现实需要供热是重要民生工程之一。对于基于提升供热系统韧性保障能力的 城市生命线感知体系创造单位：北京热力智能控制技术有限责任公司主 创 人：白 舰 张立申 毛永清创 造 人：田金风 安振源 李伯刚 李仲博 石 英 杨天宇 杨 阳摘要面对地下供热管线腐蚀老化现象严重、风险隐患发现难，供热企业如何确保管网高效安全运行？北京热力智能控制技术有限责任公司以点、线、面相结合的方式，应用物联网、云计算、大数据、知识图谱、数字孪生等数字技术，创新构建城市生命线感知体系，逐步建立起一套城市生命线工程供热系统安全运行监测系统，对供热管网泄漏、爆管等安全事故及次生事故进行全方位、全天候监测预防，实现了供热管网安全运行管理“从看不见向看得见、从事后调查处理向事前事中预警、从被动应对向主动防控、从被动应付向主动监管”的转变，极大地提升了供热管网的安全运行效能和城市安全风险防控能力。关键词供热企业；供热管网；感知体系；风险防控42|创新世界周刊|2023.3供热企业来说，满足人们对美好生活的向往诉求，既是始终不变的初心，更是一以贯之的光荣使命。一直以来，北京热力全力履行“四个服务”职责，把供热保障作为头等大事来抓，坚持首善标准，努力实现安全稳定供热、优质高效服务，确保了历年市民的温暖过冬。据不完全统计，截至2020年底，全市拥有供热管线2.99万公里，其中建成20年以上及年代不详的供热管线约0.94万公里，超期服役管线0.31万公里。特别是，部分早期铺设的地下供热管网管道腐蚀老化严重，存在各种难以发现的风险隐患。而目前绝大多数供热管网运行状态仍缺乏在线监测，主要依靠人工巡检方式。人工巡检具有一定的周期性，无法实现724小时全天候有效监测，巡检人员对于隐患排查的能力也参差不齐，无法在事前实现有效的故障筛查，发生事故时企业应急响应的速度效率更是亟待提升。通过构建生命线感知体系，可以进一步加强对供热管网运行安全的监控，实现供热管网安全运行标准化、系统化的管理，并对供热管网运行状态进行有效的评估与判断，提升供热突发事件按应急响应速率，保障人民群众生命财产安全。二、主要做法（一）构建城市生命线感知体系，织密风险防控网北京热力智能控制技术有限责任公司以点、线、面相结合的方式，应用物联网、云计算、大数据、知识图谱、数字孪生等技术，逐步建立起一套城市生命线工程供热系统安全运行监测系统，对供热管网泄漏、爆管等安全事故及次生事故进行全方位、全天候监测预防。系统通过遍布地下管网的前端感知设备，实时监测管网运行状态，编织出覆盖城市重要敏感区域、人口密集区域的立体化监测网，实现了系统风险全面感知。供热企业的生产运行部门可以从监测系统平台直观、实时地掌握管网运行状态，及时对事故、事件预警做出反馈，实现供热管网安全运行管理“从看不见向看得见、从事后调查处理向事前事中预警、从被动应对向主动防控、从被动应付向主动监管”的转变，从而切实减少安全事故发生、人员伤亡和经济损失，极大地提升热力管网的安全运行效能和城市安全风险防控能力，保障城市韧性。1.统筹梳理管线运行风险结合管网拓扑结构及运行情况，经过对供热管网面临风险的统筹梳理、系统分析，发现风险主要集中在以下四个方面。（1）部分供热管网运行年限长，老化腐蚀风险高目前，大部分管线运行在10年以上，老化腐蚀风险较大。尤其是部分直埋管网，年代久远，管道腐蚀严重，维修频繁，加上管线长、用户少，管线热损高，部分管段保温设备材料损坏严重，已失去保温和防腐作用。更严重的是管沟填埋的管网容易进水，导致管道运行管损增加并加快管道腐蚀损坏，并可能导致爆管、高温烫伤等事故。（2）一次管线运行工况压力大、巡检维护难，易发生泄漏相对于供水、燃气管线等其它城市生命线，一次供热管网运行工况压力较大，管线工作环境更为恶劣，高压、高温、高湿，更易增加腐蚀危险。同时，直埋管网巡检维护困难，泄漏难以及时发现，如果长时间冲刷土体，容易形成地下空洞，并可能进一步引发路面塌陷事故。（3）第三方施工易导致管线破坏目前，我国城市建设仍处于快速发展阶段，城市部分区域内第三方施工较多，如地铁、道路施工等，地面开挖范围大，对地下管线的危害较大，极易造成管段破坏，导致大面积停供。全国范围内已发生多起因第三方施工造成供热管线破损乃至爆炸的安全事故。（4）人口密集区域热力管线泄漏次生危害大在城市中心区域、居民密集区域、企事业单位密集区域等关键敏感地区，由于用户及防护目标聚集，如供热管网泄漏容易引发高温烫伤、大面积停热、道路塌陷等事故，极大地威胁居民生活及城区公共安全。2.建立管网安全运行监测系统，实时感知风险热力管网安全运行监测系统基于“感、传、知、用”四个维度构建，分为“四层两翼”。“四层”依次为前端感知层、网络传输层、数据辨知层、应用层；“两翼”是指系统建设必须遵循的法律法规、标准规范和安全保障体系。其中，前端感知层为“感”，实现实时监测热力管网特征参数和采集监测数据；网络传输层为“传”，指监测数据的网络传输系统，实现将监测数据从前端感知系统传输至后台数据中心；数据辨知层为“知”，指的是对监测数据的存储和分析，采用各种专业模型对实时数据进行分析，并及时预警；应用层为“用”，指的是对监测数据分析结果的应用，实现热力管网总体状态与异常状态的直观展示和处理。（1）前端感知层在供热管网上安装流量计、高频压力计、温度传感器，形成物联网前端感知系统，监测管网运行状态，实时感知如温度、压力和流量等。（2）网络传输层热力管网各类安全监测传感器布设后，采集信号汇聚到前端监测物联网网关，将信号转换成TCP/IP协议进行4G/NB-IOT网络传输，实现感Innovation World Weekly|43Specials 特稿Report 报道知层与大数据平台及应用层之间的数据互联互通。（3）数据辩知层即大数据分析平台，包括数据库、数据加工与处理、三维BIM建模、专业建模、统计分析、数据挖掘以及云计算等。（4）应用平台建设搭建热力管网安全运行监测平台，实现热力管网的基础数据管理、综合风险评估一张图、安全运行监测、预测预警分析和应急辅助决策支持等功能。为管网的安全精细化管理提供直接的平台支持。热力管网安全运行监测系统其最重要的特色在于“一图览”和“一网控”，即实现风险可视化及监测智能化（见图1）。3.“一张图”实现风险可视化系统通过热力管网运行物联网监测数据的采集、汇聚和分析，结合城市日常运行的各类数据，以“热力管网安全整体态势图”的形式呈现城市生命线整体运行情况，可实现城市级风险实时监测和整体情况“一图尽览”。热力管网安全整体态势图基于三维可视化地理信息平台技术，以地理信息资源为基础，以地理空间框架数据为核心，自动汇聚前端感知信息，以“一张图”形式立体呈现，对异常情况动态显示、实时更新，确保数据可取、可控、可用、可靠，做到一目了然、一键推送。建立完善了分析研判与指挥的空间立体交互界面，实现了地下基础设施各要素信息的集成化、立体化、虚拟化动态展现与分析。“热力管网安全整体态势图”还通过GIS地图展示地形图并加载热力管线的总体分布情况及管线的报警标志。系统主要功能包括热力管网及关联基础设施报警及监测数据的查看、应急辅助决策等功能。具体如下：在热力综合风险“一张图”上，通过GIS/BIM三维可视化系统，展示全区所有监测范围内的热力管线分布、管线信息及报警信息、预测供热管网风险趋势、数据对比分析，对数据进行直观精准的数据显示；并可对数据进行追溯操作，为生命线工程和地下空间的维护抢修、大修或改造方案的制定和实施提供准确的图像及属性数据资料；前端监测数据通过各相关专业模型进行分析计算后，对于管网运行异常情况提出预警并进行三维可视化展示，为分析研判及预测预警提供直观可视的辅助决策依据。4.“一网控”实现监测智能化以往供热管网安全管理主要靠人力巡检，效率低、准确度差。通过物联网、云计算、大数据、移动互联、BIM/GIS等数字化技术，对供热管网进行整体监测、动态体检、早期预警和高效应对，可有效监测预防供热管网泄漏及其导致的次生灾害，真正实现城市生命线安全运行管理“从看不见向看得见、从事后调查处理向事前事中预警、从被动应对向主动防控”的根本转变，进一步提高城市安全韧性。主要做法如下：一是打造供热系统安全运行“大脑”。通过风险识别、监测传感等技术，搭建供热系统安全监测系统，实时感知监测各类型城市基础设施运行状态。二是坚持统一“频道”，织密城市生命线安全运行“脉络”。利用供热系统安全运行监测中心，实现724小时的监测值守和数据分析，建立高效的“监测、发现、分析、预警、处置、反馈、总结”防控闭环机制。三是坚持统一导向，夯实城市生命线安全运行“轨道”。构建供热系统运行风险评估和物联网智能监测技术体系，供热管网安全风险监测预警响应工作规程，逐步建立系统平台建设、运行、维护、处置、决策和管理的一体化工作机制和流程。（二）场景示范1.实施范围为了保障冬奥会、冬残奥会供暖工作顺利进行，选择在延庆区北京京能延庆热力有限责任公司供暖范围内进行重点实施。依据保障城市运行安全，维持居民生活稳定的建设思想，按照优先考图1 热力管网安全运行监测系统逻辑架构44|创新世界周刊|2023.3虑具有高泄漏风险、关系民生保障、人口密集、地区敏感和面临威胁较大区域的选择原则，公司确定了北至城东热源厂、南至延庆站、东至妫川路、西至百莲路的实施范围。此范围是延庆区政治、经济中心，主要包括延庆镇、百泉街道、香水园街道等行政区域，有区政府、区法院、区工商局、区城管局等政府机关、企事业单位及大量小区，以及延庆火车站、新华人寿等北京冬奥会、冬残奥会重要保障点。对此范围热力管线进行监测，对于保护人民生命财产安全，保障政务领导正常办公环境，支撑冬奥会、冬残奥会供热工作安全有序运行具有重要的意义。按照热力管线安全运行监测系统的监测范围选择原则指导，本次系统主要监测的一次热力管线，包括城东热源厂片区和城南热源厂片区约15.4公里一次热力管线，管径分别为DN200、DN500、DN600、DN700，管线为直埋敷设。2.实施内容基于公共安全物联网感、传、知、用技术架构，本次实施主要包括前端感知系统、网络传输系统、大数据平台、应用系