一、实施背景
城市燃气行业发展正在经历变革，从投资带动的粗犷型管理向精细化管理发展。随着信息化技术的不断发展，“工业4.0”、“大数据”、“互联网+”、“云计算”等概念不断落地实施，传统能源企业面临着巨大的数字化管理挑战。城市燃气管网建设和使用规模越来越庞大，城市燃气规划设计、市场发展、生产调度、应急抢险等环节，存在信息孤岛、系统不兼容、大量数据冗余等诸多问题，急需提高工作效率。幸运的是，当前云计算平台、人工智能技术和大规模多线程计算等技术高速发展，为智慧燃气乃至智慧城市提供了坚实的技术支撑。
天津中新生态城作为中新两国联合建设的智慧示范新城，是世界首个国家间合作开发的生态城市。它承载着为其他城市可持续发展提供样板;为生态理论创新、节能环保技术的使用和展示提供国际平台的任务。生态城多年来在基础设施，管理办法、日常运维、以及数据汇总等多方面取得了丰硕的成果。该区域内有着良好的信息化、智慧化建设基础，包括优秀的管理队伍、超前的管理理念、良好的政策支持、现代化的基础设置等。围绕智慧城市、智慧安全领域区内已经建设了如数据感知系统、智慧安全系统、智慧运维系统、智慧应急系统等多个平台化系统。因此在该区域内进行城市燃气综合管理平台的建设是完全具备实现条件和落地基础的。
基于以上种种，我司为生态城定制一套针对该区域燃气运行、安全管理、初期应急处置为一体的综合解决方案，使用户能够及时获知各输配管线、调压环节、用气环节的运行情况，为智能燃气系统提供基础数据支撑和快速应对一些异常情况的能力，降低安全风险，为科学用气、合理用气提供数据依。该项目本着“一个体系”“联动处置”的建设理念，结合生态城良好的信息化建设基础，突出“建标准”“抓运维”“筑安全”的建设内容，有效推进燃气信息化、智能化建设速度，为燃气行业插上智慧的翅膀，为城市安全、人民安心提供有力保障。同时力争让本项目成为国内城市燃气安全管理领域具有指导和引领意义的标准化建设框架。
二、实施目标
本案例研究开发目的是基于天然气行业精细化、智慧化运营管理的发展需求，建设基于管网仿真监测系统平台，搭建了水力仿真、沙箱模拟、气体溯源、泄漏检测等模块，以解决目前燃气公司运维监管中的一些痛点，达到下述目标：
管网仿真主要技术指标如下：
1)仿真准确性：中压管网平均误差小于5%（实际成果受GIS质量以及用气量数据准确性和完整性的影响）；
2)仿真速度：单次仿真耗时小于1min；
3)拓扑结构：环网、支网；
4)系统可靠性≥99.9%。
泄漏检测主要技术指标如下：
1)在泄漏量达到50Nm3/h及以上的条件下，泄漏定位精度在50m以内；
2)泄漏点定位时间平均不超过20分钟。
三、建设内容：
拓扑维护界面
实时大屏界面
以天津市生态城燃气管网为主体，部署一套智慧燃气AI智算平台，其主要功能包括实时仿真、数据监控、泄漏检测。该平台具有完全的国产自主知识产权，具备以下特点：
1)采用改进的“Godunov格式”，全面适应空间拓扑结构的管网模型，灵活性高，可在计算运行中任意改变管网拓扑结构而不会出现计算异常；
2)采用“高阶K-T算法”可大幅提高计算精度和速度，减少计算资源消耗；
3)采用完全“并行计算”内核，可实现大规模线程（1万以上）同时计算；
4)采用“组合式”高智能算法，具有深度自学习能力，高速寻优和深层挖掘能力随使用时间增加而不断增强，自适应性高。
3.1燃气管网水力仿真模块
基于管网的拓扑结构、运行状态等完成燃气管网水力仿真模块搭建，该模块包含数据监控、实时仿真等功能，可在燃气管网规划设计与运行阶段，实现对某种工况下的管网压力、流量、速度分布仿真，分析管道内流速状态、管网区域压力状况，以及不同供气门站的气体混合点位置等进行精准稳态分析。
3.2燃气泄漏定位模块
通过基于仿真模型和物联网数据采集得到大量样本数据，结合智能算法和云计算服务，并将机器学习算法、燃气系统大数据及物联网相结合，完成燃气泄漏定位模块搭建，包含时间告警等功能。可快速识别管道爆裂或者泄漏的故障，实时报警并定位突发的管道爆裂或者泄漏的事故地点。
四、案例内容
智慧燃气AI智算平台的搭建需要一定的燃气系统信息化基础，包括GIS系统、SCADA系统、客服系统等。首先根据GIS系统提供的数据完成对天津中新生态城燃气管网的建模，包括各设备地理信息位置和管道物理属性（管径、管长、管材等），模型信息概况如下：天津中新生态城整个中压燃气管网全长86.3km，压力等级为0.2MPa，该管网有门站2个，分别是北部高调站和南部高调站，用户108个，阀门502个。
4.1管网仿真阶段
管网仿真是通过智算平台与SCADA系统之间的数据交互，实时现场运行工况数据的采集和传输，驱动在线模型实现仿真。仿真系统需要获取的运行工况数据信息汇总如下：
1)气源站：出口压力、流量、温度；
2)用户调压箱：进口压力、流量、温度（*注：用户调压箱有多路进气时需要进行流量汇总）。
智慧燃气AI智算平台为天津中新生态城管网提供在线稳态仿真、场景模拟（规划和应急）、气体溯源等主要功能需求，具体应用情况和效益如下：
1)实时仿真连通SCADA数据传输接口，模拟当前管网的实时运行工况，用于提供整个管网任意位置的压力、流量、流向和管储量实时监测。目前中压管稳态计算校核结果为，模拟计算得到的门站、调压站、用户端的压力、流量值与其SCADA监测值误差均在±3%内，仿真精度达到97%。
2)应用场景模拟功能完成多场景模拟需求，如区域升压改造、气源停供、增设调压站、最大输配能力测算等，可以在模拟结论指导下安排施工和保供作业。
3)气体溯源界面可以展示每个气源站的供气范围以及管网任意一根管道中各气源站的流量和所占比例。
4.2泄漏样本建立阶段
1)选择放散点进行泄漏试验
选择不同的阀门井作为放散点，进行泄漏试验。
2)在燃气管网中设置放散点，由专业技术人员到指定地点进行放散操作。
选取放散点要求：
选取管道管径≥DN200，管长≥500m；
泄漏点放散量≥50Nm3/h;
监测数据时间间隔≤1min；
传输数据时间间隔≤10min。
3)收集泄漏试验当天的监测数据
收集泄漏试验当天的监测数据，进行数据清洗，用于生成泄漏事件样本库。
4)系统自适应学习
通过对漏点在不同位置及漏量情况下的工况进行模拟计算，采用大规模并行计算的方式在短时间内生成大量的仿真样本，然后根据实测的管网运行工况数据与样本库内的样本数据进行比对，利用机器学习、人工智能等技术提升样本比对的速度和辨识的精准性，实现管网泄漏判断与检测。通过一段时间的学习和积累，显著减少误报率，提升泄漏定位的准确性。
4.3泄漏功能验证阶段
1)实验方式：选取已完成管网仿真建模中的任意点进行放散，检测系统响应速度及定位精度（含无压力远传泄漏模拟、不敏感区域泄漏模拟、多点同时泄漏模拟）。
2)实验次数：不少于30次。
泄漏检测结果：
五、实施效果
与传统仿真技术相比，智慧燃气城市管网AI智算平台的高性能数值解法在准确性、速度和适用规模上都有明显的提升。通过应用该平台，能够更加精细地监管所辖的城市燃气管网，掌握燃气在管道内的运行规律。各种模拟场景的实现也为管网运行部门当前许多运维决策提供了理论基础和数据支持，能够合理地确定管道系统的设计方案和改造方案，保障管道系统的运行性能，提高管道系统的调度管理水平。
另外经过多次现场放散实验和盲测实验的反复论证，泄漏定位模块报警平均耗时13min，泄漏报警定位平均偏差24.3米，达到预期目标。通过智算平台进行泄漏检测进一步提升了燃气管网运行的安全性，可以做到快速发现异常事件，发生事故及时响应，保障人民群众的生命安全和社会的稳定发展。