智慧管道技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李海潤(rùn)

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司, 北京 100120

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)和運(yùn)行管理已基本擺脫傳統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行模式,全面利用信息化和自動(dòng)化技術(shù),基本實(shí)現(xiàn)管道建設(shè)和運(yùn)行數(shù)字化,能達(dá)到信息化、網(wǎng)絡(luò)化和可視化的技術(shù)水平,即數(shù)字管道。近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)管道建設(shè)提出了更高要求,對(duì)管道運(yùn)行可靠性提出了更迫切需求,數(shù)字管道需要進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展,智慧管道將是管道行業(yè)今后發(fā)展方向[1-4]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

中國(guó)石油、中國(guó)石化、中國(guó)海洋石油三大石油公司在數(shù)字管道方面已經(jīng)全面掌握了相關(guān)技術(shù),具備數(shù)字管道建設(shè)能力。中國(guó)石油最早開展數(shù)字管道建設(shè),2004年在西氣東輸冀寧聯(lián)絡(luò)線首次應(yīng)用,隨后在西氣東輸二線、中緬油氣管道等工程中利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和運(yùn)行調(diào)度。中國(guó)石化在2007年開始數(shù)字管道建設(shè),首先應(yīng)用于榆濟(jì)管道中,隨后在川氣東送管道上全面推進(jìn),建成專業(yè)的管道地理信息系統(tǒng),數(shù)據(jù)覆蓋全線管道及附屬設(shè)施。中國(guó)海洋石油由于業(yè)務(wù)性質(zhì),獨(dú)立運(yùn)行管道較少,數(shù)字化成果尚不完善,數(shù)字化技術(shù)主要應(yīng)用于LNG接收站領(lǐng)域[5-10]。

國(guó)內(nèi)智慧管道發(fā)展尚處于起步階段,2017年6月15日,在中俄東線天然氣管道工程項(xiàng)目管理研討會(huì)上,中國(guó)石油宣布將依托中俄東線天然氣管道工程項(xiàng)目,開啟智慧管道建設(shè),實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移交、智能化運(yùn)營(yíng)、全生命周期管理,全力推進(jìn)智慧管道建設(shè),拉開中國(guó)油氣管道由數(shù)字管道步入智慧管道建設(shè)的大幕。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家智慧管道建設(shè)起步較早,基本與信息技術(shù)進(jìn)步保持同步發(fā)展,在管道建設(shè)運(yùn)行等全生命周期大量采用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù),已取得大量建設(shè)成果。美國(guó)建立統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)(GIS),整合地理環(huán)境數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù),同時(shí)與其他信息系統(tǒng)(如管網(wǎng)模型系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等)相連,實(shí)現(xiàn)所有管道運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。英國(guó)BP公司利用現(xiàn)代信息技術(shù)，應(yīng)用天線、智能終端、高清攝像頭、無人機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了管道資產(chǎn)和人員的高效管理，提高了復(fù)雜自然環(huán)境中對(duì)管道的安全監(jiān)控[11]。

1.3 智慧管道發(fā)展面臨的難點(diǎn)和問題

1)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。管道建設(shè)從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工到運(yùn)行維護(hù),期間產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),如何建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、積累和自由調(diào)用以及建設(shè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的交互。

2)智能決策支持技術(shù)。智慧管道與數(shù)字管道最大的不同點(diǎn)在于智慧管道具有智能決策支持技術(shù),如何使用智能決策技術(shù)為管道企業(yè)提供增值服務(wù)是一難點(diǎn)。

3)系統(tǒng)運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。智慧管道整個(gè)系統(tǒng)涉及到大量的數(shù)據(jù)、實(shí)體資產(chǎn)、參建和運(yùn)營(yíng)單位,系統(tǒng)面臨數(shù)據(jù)多、界面雜和建設(shè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn),系統(tǒng)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性直接決定智慧管網(wǎng)建設(shè)的水平和質(zhì)量。

4)體系建設(shè)和系統(tǒng)建設(shè)需要同步進(jìn)行。智慧管道建設(shè)需要完善的體系支撐,需要在管道建設(shè)的同時(shí)開展相關(guān)體系的建設(shè),確保建成后的使用和運(yùn)維有章可循。

2 智慧管道總體架構(gòu)

智慧管道是以管道以及與之相關(guān)的全生命周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)在信息技術(shù)(如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等)收集、統(tǒng)計(jì)和分析管道各類屬性及數(shù)據(jù),為管道建設(shè)和運(yùn)行、管道完整性管理、管道應(yīng)急及智能決策提供支持。典型智慧管道總體架構(gòu)整體分?jǐn)?shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層三個(gè)層次,以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),服務(wù)于項(xiàng)目所有參與方，達(dá)到管道全生命周期的所有活動(dòng)在同一個(gè)平臺(tái)上開展，總體架構(gòu)見圖1[12]。

圖1 典型智慧管道總體架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)層

建立統(tǒng)一的管道數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵,在管道全生命周期采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),各種數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄、積累和調(diào)用,形成與管道實(shí)體一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)資產(chǎn),目的是保證各階段管道數(shù)據(jù)的一致性和重復(fù)使用。通過構(gòu)建智慧管道數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)管道本體以及其相關(guān)的建設(shè)數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)等進(jìn)行集中歸集、處理、分析和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)實(shí)體管道和虛擬管道模型的一一對(duì)應(yīng),在管道全生命周期內(nèi)(從前期規(guī)劃、可研、建設(shè)、投產(chǎn)到運(yùn)行維護(hù)),將各類業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息形成完整的數(shù)據(jù)信息鏈[13]。

2.2 服務(wù)層

服務(wù)層是以服務(wù)化的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧管道系統(tǒng)的業(yè)務(wù)支持,即針對(duì)不同用戶(如工程建設(shè)承包商、站場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員、線路巡線人員等)業(yè)務(wù)通過標(biāo)準(zhǔn)接口方式和規(guī)范調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)及其組合,實(shí)現(xiàn)彈性的業(yè)務(wù)流程控制,如三維模型、移動(dòng)應(yīng)用和地理信息等。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層通過門戶和單點(diǎn)登錄控制不同層次、不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的用戶應(yīng)用環(huán)境和共享信息,包括管道數(shù)字化管理、管道完整性管理、管道運(yùn)行管理、應(yīng)急響應(yīng)管理和綜合管理等。應(yīng)用層是智慧管道系統(tǒng)的重點(diǎn),數(shù)據(jù)層、服務(wù)層是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的使用效率,為智能應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[14-16]。

3 智能管理平臺(tái)核心功能

智能管理平臺(tái)是智慧管道的核心和關(guān)鍵組成部分,也是智慧管道的重要手段和工具。在典型智慧管道總體架構(gòu)下,按照“建成統(tǒng)一平臺(tái),達(dá)到智慧管理”的思路,建成管道全生命周期智能管理平臺(tái),具備管道建設(shè)與運(yùn)行管理功能,滿足工程建設(shè)和運(yùn)行管理需要,實(shí)現(xiàn)管道全生命周期的智慧化建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)行與管理。

3.1 管道建設(shè)的可視化管理和數(shù)字化移交

智慧管道建設(shè)首先是要實(shí)現(xiàn)管道建設(shè)階段的可視化管理和數(shù)字化移交,包括工程建設(shè)過程可視化管理和數(shù)字化移交。工程建設(shè)過程可視化管理,包括三維設(shè)計(jì)可視化管理和施工現(xiàn)場(chǎng)可視化管理,實(shí)現(xiàn)業(yè)主、承包商和分包商可以在平臺(tái)上實(shí)時(shí)查看三維模型和現(xiàn)場(chǎng)施工情況,三維模型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況實(shí)時(shí)更新模型狀態(tài),反饋已建未建工程量；現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)時(shí)更新,以空間圖像、照片為手段,實(shí)現(xiàn)問題實(shí)時(shí)反饋,應(yīng)用智能手持終端等先進(jìn)工具和管理現(xiàn)場(chǎng)記錄施工[17]，實(shí)現(xiàn)業(yè)主對(duì)總包方，總包方對(duì)分包方的全參與方精細(xì)化管理，提升管理質(zhì)量和效率。

數(shù)字化移交是工程建設(shè)承包商將管道建設(shè)過程中的所有設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工數(shù)據(jù)和文件以標(biāo)準(zhǔn)化的方式,向業(yè)主實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)電子化移交,實(shí)現(xiàn)虛擬管道和實(shí)體管道建設(shè)成果的同步移交,實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的線上查詢和利用,為智慧管道運(yùn)行階段各類數(shù)據(jù)的調(diào)用奠定基礎(chǔ)。

3.2 管道運(yùn)行管理

管道運(yùn)行管理指對(duì)管道各類工況以及管道優(yōu)化運(yùn)行的管理,具體包括管道巡線管理、管道運(yùn)行管理、隱患管理、管網(wǎng)仿真模擬、設(shè)備培訓(xùn)管理等功能。一是對(duì)油氣管道各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和趨勢(shì)預(yù)警分析；二是管道巡線管理,包括實(shí)現(xiàn)無人機(jī)智能巡線,掌握管道沿線變化[17]；三是管輸計(jì)劃、調(diào)度運(yùn)行和一優(yōu)化方案管理,建立管道運(yùn)行優(yōu)化和仿真模擬模型,形成模擬分析報(bào)告，實(shí)現(xiàn)管輸計(jì)劃智能優(yōu)化和管道工況智能優(yōu)化；四是建立管道運(yùn)行培訓(xùn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行操作的線上培訓(xùn)、考核。

3.3 管道應(yīng)急管理

智慧管道應(yīng)急管理能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)急資源的優(yōu)化分配和調(diào)運(yùn),通過移動(dòng)視頻和檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)應(yīng)急搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)管道周邊環(huán)境敏感數(shù)據(jù)及響應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案維護(hù)、展示和應(yīng)急模擬演練,在實(shí)際應(yīng)急情況下,通過輸入基本參數(shù)能實(shí)現(xiàn)一鍵輸出應(yīng)急預(yù)案。模塊建設(shè)以管道應(yīng)急響應(yīng)流程為主線,包括接處警、事件定位、應(yīng)急通知、事件預(yù)評(píng)估、事件進(jìn)展、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)等,全面支撐突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)全過程管理。

3.4 管道數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)決策

通過互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù),將各類管道數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、歸集、分析整合,建立管道大數(shù)據(jù)分析模型,對(duì)整個(gè)管道的市場(chǎng)需求、運(yùn)行控制、節(jié)能降耗等方面給出指導(dǎo)性意見，同時(shí)解決管道泄漏、腐蝕、自然災(zāi)害、第三方破壞等數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用問題,獲得泄漏控制、腐蝕控制、災(zāi)害管理、人為破壞管理的指導(dǎo)性解決方案，保障管道企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[18]。

4 結(jié)論與建議

1)隨著數(shù)字管道建設(shè)的快速發(fā)展和成熟,智慧管道已經(jīng)成為今后一段時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)管道發(fā)展的重點(diǎn)方向,建議管道企業(yè)緊跟前沿技術(shù),提前布局,統(tǒng)籌規(guī)劃,做好智慧管道建設(shè)頂層設(shè)計(jì)。

2)智慧管道建設(shè)的核心和基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)的統(tǒng)一,建議管道企業(yè)在管道建設(shè)前期階段建立適應(yīng)全生命周期的統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),保證數(shù)據(jù)的有效累積和調(diào)用,使數(shù)據(jù)由以前的“死數(shù)據(jù)”變成“活數(shù)據(jù)”。

3)智慧管道包括建設(shè)和運(yùn)行兩個(gè)階段,管道建設(shè)階段的數(shù)字化移交直接影響后期運(yùn)行維護(hù),建議管道企業(yè)在管道建設(shè)階段積極與承包商溝通交流,確定建設(shè)階段的數(shù)字化移交方案,為建成智慧管道打好基礎(chǔ)。

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