面向5G应用的智慧燃气系统参考架构

4T/SUCAXXX—2022面向5G应用的智慧燃气系统参考架构本文件规定了面向5G应用的智慧燃气系统的组成部分和功能要求。本文件适用于5G智慧燃气系统的建设。相关机构在制定团体标准时可参照使用，企业在制定企业标准时也可参照使用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T13611-2018城镇燃气分类和基本特性GB/T41315-2022城镇燃气输配系统用安全切断阀GB/T36039-2018燃气电站天然气系统安全生产管理规范SY/T6503-2016石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全规范3术语和定义GB/T13611-2018、GB/T41315-2022、GB/T36039-2018、SY/T6503-2016中规定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1专用网络Privatenetwork使用专线连接的网络。3.2无人化场站Unmannedstation无需人工操作和干预，可自动运行的站点。3.3应急指挥Emergencycommand紧急情况下的指挥活动。4参考架构5T/SUCAXXX—20224.1面向5G应用的智慧燃气系统参考架构图1智慧燃气系统参加架构4.25G专用网络系统5G专用网络应用于智慧燃气系统，用于满足燃气场站无人化作业、智能化协同、高并发传输、高时效性互动等需求，专用网络应满足如下要求：a)专用网络能够实现端到端的专网流量隔离传输到云、网、端。管道监控设备高速回传数据实现管网实时物联感知，远程实时视频传输监控；b)专用网络应保证远程监控、应急指挥数据，终端接入数据的安全性；c)5G核心网侧，分离出处于用户面的UPF设备，实现大流量传输。UPF设备与核心网之间数据传输需使用专线传输。部署MEC设备到燃气专网数据机房与UPF设备进行联动，实现边缘云能力；d)安全隔离侧，部署安全设备，如防火墙、安全网关、5GMEC等。使用二次鉴权等方式确保接入设备的安全性；e)业务侧，使用5G网络切片或者无线接入方式与系统平台连接，根据需求进行应用切片，如摄像头视频数据、应急指挥数据，终端接入数据。4.3智慧物联管控系统智慧物联管控应为一体化的管控系统，通过云、管、端相结合的方式在云平台、传输网络、终端设备三个层面建设管控系统。6T/SUCAXXX—20224.3.1云平台要求云平台核心为物联网接入平台，支持海量多制式多协议物联终端的接入及管理，支持接入终端数据的统一汇聚存储、实现物联数据标准化，统一数据资源目录，为应用开发提供开发API、HTTP消息推送、管理门户等服务。各模块功能如表1。表1云平台组成要求系统组成功能要求设备接入应支持的协议种类需涵盖MQTT、LwM2M、HTTP(S)、TCP、Modbus等，提供多种网络设备接入方案和接入方式。设备管理产品信息管理、设备信息管理、设备生命周期管理、设备分组管理、指令下发管理、事件上报管理、OTA升级管理等。各功能要求如下：a)产品信息管理具备产品名称、产品类别、网络类型、通信协议、认证方式、是否透传、消息格式、产品描述等；b)设备信息管理具备设备名称、设备编号，IMEI等信息管理，且终端编号标识在平台中是具有唯一的，平台为每个设备生成唯一设备ID，以保证所有设备在平台内的唯一性；c)设备生命周期管理具备终端认证、测试、接入、激活、注销等状态。同时支持设备在线、离线状态监控；d)设备分组管理具备对设备进行分组设置功能，便于设备的批量操作和分组维护；e)指令下发管理具备创建指令下发的内容和指令参数，提供指令下发日志的存储和查看等功能。指令下发状态包括：已发送、已送达、已完成。指令下发日志包含指令内容、下发时间、响应时间、响应信息；f)事件上报管理具备上传功能，事件类型包括信息、告警、故障等；g)OTA升级管理具备OTA空中下载升级功能，解决终端设备的软件远程修复BUG和系统更新。用户管理支持管理员针对用户设定相应的权限，支持管理员配置统一门户平台的菜单和跳转。数据采集进行各类基础计算和叠加复合计算，揭示数据间的异常情况，辅助系统运维人员开展各类异常数据管理、数据审核发布等。数据存储负责设备上报信息的存储，并开放接口供其他应用查询设备当前快照信息和设备历史数据信息。安全认证具备终端接入多种安全认证方式，如TLS、DTLS、特征串（一型一密、一机一密）。消息推送将设备上报的消息推送到指定的应用程序，包括消息订阅、消息推送和消息统计等功能。业务应用费控应用、用气数据分析、计量异常分析、损耗分析等。边缘软网关支持私有协议适配、低时延、数据暂存、离线运行，实现标准MQTT协议接入到平台，实现对设备的模型校验、数据的编解码、本地存储、边缘和平台同步等功能。7T/SUCAXXX—20224.3.2传输网络要求传输网络用于实现数据之间的传递，主要为采集现场和物联网接入云平台之间的通讯，采集现场和系统平台间通讯采用主要为5G无线网络传输。4.3.3终端设备要求终端设备应包含各储配站、门站、调压站、大客户、居民客户等现场计量表具以及液位仪、流量计、压力表、温度计等各类传感器，数据流向为从现场设备层直接上送至物联网接入云平台。4.4无人化场站系统无人化场站系统应依托5G专网，包含可视化联网监控系统和智能机器人系统，通过云边协同的架构，实现监控中心到分散站端的垂直统一管理。4.4.1可视化联网监控系统要求可视化联网监控系统要求如下：a)可视化联网监控系统以5G专网为依托、以系统平台算法为核心，实现燃气场站安防跨区域联网监控，在监控中心即可对分散在市区内的燃气场站进行集中管理；b)实现从中心平台到分散站端的垂直监管，包括场站（门站、调压站、气化站）的边缘端数据采集、边缘智能分析等；c）可视化联网监控系统需包含视频中台架构，通过应用管理和中台服务为上层应用提供视频处理服务；d）可视化联网监控系统的数据应通过数据中台的方式进行处理，例如汇聚整合、提纯加工、建模处理、算法学习。4.4.2智能机器人系统要求智能机器人系统可全天候工作，采用无轨化设计，利用传感器和图像识别技术，按照设定路线自动巡检。包括巡检、定位、制图和安全性避障。各功能要求如表2。表2智能机器人系统功能要求功能名称功能要求巡检功能对燃气站内设备关键部位进行温度测量，判断设备是否超温并及时报警，可以录制红外热成像视频。实时对可燃气体、甲烷（激光检测）、硫化氢、氨气、一氧化碳等气体检测，发现异常后进行现场及后台告警。定位功能智能机器人采用激光雷达+视觉融合方案，适应复杂环境，使SLAM能够在多种环境下工作。制图功能通过对机器人对行走过的环境进行扫描，得出相应区域的2D栅格图。8T/SUCAXXX—2022安全性避障功能机器人前进过程中能使用激光雷达，摄像头，避障雷达等传感设备侦测前进道路上的障碍物，自动避开，实现转向，后退、前左转弯、前右转弯等避障控制功能。4.55G智慧管网监测系统智慧物联管控平台采用5G专网实时采集高压、次高压和中压管网的运行压力参数，实现对各站数据的实时采集、处理和存储、对现场工艺变量、全线工艺设备运行状态进行监视等功能。包括传输网络、通信管理软件、分布式站点、管道形变监测。各功能要求如表3。表35G智慧管网系统组成要求系统组成功能要求传输网络a)主调度中心和备用调度中心使用光纤用于数据同步；b)高压站点主用通信信道采用光纤，备用通信信道采用无线通信方式，设备采用无线路c)次高压站点和中压站点通信采用主备通信方式，设备采用无线路由；d)网络总线具有不同数据传输优先级别，在大量报警信息同时发生时能够优先上传重要的报警数据；e)通信网络规范、可靠，站网络流量不影响确定性数据传输。通信管理软件a)支持多站点、多变量采集功能，每个站点相互独立。当主通信信道出现故障时，通信管理软件能自动切换到备用通信信道；b)当主通信服务器出现故障时，通信管理软件能自动切换到备用通信服务器；c)支持数据补传和报警主动上传功能；d)通信管理软件优先处理控制指令，用于保证控制阀门指令实时性。分布式站点a)支持对现场的工艺变量进行数据实时采集和处理；b)经通信接口与第三方的监控系统或智能设备交换信息；c)监控各种工艺设备的运行状态；d)站场可燃气体的监视和报警；e)与主控及紧急备份中心通讯，为调度中心提供有关数据。管道形变监测通过专用网络，通过在地质或其它灾害易发区域管道及其附近埋设传感器，在无人值守的情况下，将地质活动及管道变形情况传输到上位机，当监测数值超过规定值时自动报4.65G无人机综合预警系统5G无人机综合预警系统利用空中监管方式用于燃气管线的巡检工作，实现辅助人工巡线，建立全方位的空地人立体监管网络，使得燃气管线监控多维可视化，保障管线安全等功能。包含无人机、开发平台应9T/SUCAXXX—2022用程序、搭建智能数据库、开发人工智能模块等。各功能要求如表4。表45G无人机综合预警系统组成要求系统组成功能要求无人机a)无人机可设定合理航线沿管线路由对燃气管线周边进行无人机日常巡查；b)可在暴雨、台风等极端天气对燃气管道及周边区域进行巡查，并进行巡查图像数据比对，实现发现管线周边是否存在安全隐患。平台应用程序a)平台应用程序能够搭建管道沿线二维模型，重点地区的三维模型，可对线路上的距离、高度、坡度、面积、土方量等数据再后端进行测量；b)支持正射影像、倾斜摄影3D模型、矢量、点云等多种要素统一呈现。智能数据库智能数据库要求将燃气管道数据以文本、表格、图片、视频等形式进行挂载管理，并能够嵌入到实景地图中。人工智能模块a)人工智能用神经网络设计目标检测及识别算法，实现管道周边施工机械特定目标的快速检测，并自动生成预警信息；b)结合飞控定位，实现对巡检范围内的目标进行精准分类、提示预警；c)辅助建设高分辨率遥感数据及预警模型，提升应急处置能力。4.75G应急指挥系统应急指挥系统能够在事前、事发、事后时建立全链条管理，构筑燃气安全管控“三道防线”。建立地下空间爆炸影响范围预测模型、非连通井爆炸风险评估模型、连通管线爆炸风险评估模型、可燃气体随时间的扩散范围模型、泄漏溯源分析模型等。指挥系统包括基础设施、安全生产大数据平台、模型算法、信息化应用、显示形态、风险隐患双重预防、突发事件态势分析、突发事件应急指挥调度组成。各功能要求如表5。表55G应急指挥系统组成要求系统组成功能要求基础设施基础设施基于智能传感、视频图像等感知技术，依托通信网络，构建感知数据采集体系，打通各系统之间数据连接。安全生产大数据平台a)安全大数据平台对多源异构数据进行标准化处理和融合处理，形成数据资源池；b)对数据资源进行服务化封装，为上层业务应用提供数据资源的查询、比对、共享交换等服务，包括数据接入、数据处理、数据共享交接、数据管控、数据服务等。模型算法通过机器学习、知识图谱等技术为平台信息化应用提供专业的模型算法，包括燃气泄漏扩散分析、燃气泄漏爆炸分析、燃气泄漏溯源分析等。信息化应用a)建设覆盖安全保障、风险隐患、应急指挥调度的信息化应用；b)安全保障包括目标、组织机构与职责、安全生产投入、法律法规安全制度、教育培训等功能；T/SUCAXXX—2022c)风险隐患包括风险评估与分级管控、隐患排查治理、风险监测预警等功能；d)应急指挥调度包括应急值守、研判分析、指挥调度等功能。显示形态显示形态通过支持大屏系统、PC端、移动端等多种方式，面向管理人员的快捷服务渠道，实现各个业务系统的统一登录，跳转互通。风险隐患预防a)建立场站、管线、区域不同维度的风险评估模型，实现典型设施、场所的风险识别与动态定量评估；b)根据风险评估结果，实现风险定点定位、分类管理、动态监测与治理计划，指导日常巡检与生产调度。突发事件态势分析a)根据相关报警信息，针对燃气报警种类、周边环境等，结合相应的模型算法，对事件所造成的影响程度