長輸管道完整性管理信息系統建設現狀及發展方向

張劉軍，韓永波，田娜

(石化盈科信息技術有限責任公司，北京 100007)

中國長輸油氣管網規模龐大，已經形成覆蓋全國、聯通海外的能源輸送網絡。據2017年統計結果可知，中國長輸油氣管道總長度僅次于油氣能源大國美國和俄羅斯，位居世界第三，到2025年長度將達到2.4×105km[1]。鑒于國內油氣管道網絡具有點多、線長、面廣的特點，沿線途經眾多人口密集區、自然保護區、水源地等高后果區，第三方破壞、泥石流、滑坡等各類不確定性風險難以管控，致使管道安全成為困擾管道企業的巨大難題。

在20世紀70年代，美、歐發達國家二戰后興建的大量管線服役已經超過20 a，開始步入老齡期，管道風險事故時有發生，對管道周圍環境和人員生命及財產造成巨大威脅，迫切需要有效的管道風險防控手段。因此，管道完整性管理作為一種主動預防性風險管理模式應時而生，為管道風險事故防控提供了有效手段，管道風險事故得到顯著下降。歐洲天然氣管道事故數據組織于2016年統計了歐洲輸氣管網的失效數據，管道事故量自1970年呈下降趨勢，2012～2016年間平均天然氣管道失效頻率為0.134次/(103km·a)[2]。國內從21世紀初期開始系統地探索管道完整性管理技術[3]，隨著技術不斷發展成熟，逐漸被眾多管道運營商所認可，借助信息化手段，與企業風險管控各項業務融合，搭建管道完整性管理平臺，為企業安全管理、降本增效提供支持。

1 國外管道完整性管理信息系統建設情況

1.1 哥倫比亞管道集團

美國哥倫比亞管道集團擁有并運行著橫跨紐約到墨西哥灣的天然氣管道系統，管線長度超過2.4×104km，存儲天然氣約為8.5×109m3，年管輸量維持穩定上升趨勢。該公司管道完整性管理信息系統，以Predix平臺為基礎，利用物聯網、大數據、云計算等技術，集成GE PVi模塊和Smallword GIS系統，包括數據管理、高后果區分析、風險評估、完整性評估、完整性管理規劃等功能，為監管要求提供數據和分析結果支持，減少資產損壞，降低維護成本，增加資產壽命[4]。

1)數據整合管理。實現管道完整性管理相關企業內外部數據全面整合，企業內部數據包括SCADA運行監控數據、高后果區識別數據、陰極保護監測數據、GIS地理信息數據、智能內檢測數據等；企業外部數據包括氣象數據、地質數據、網絡數據、土壤數據等，實現數據實時采集與分析。同時利用GIS工具，實現整合數據的空間可視化。利用數據對齊工具，實現各種測量數據和線性數據對齊到管道的中心線上，增強檢測數據可操作性。

2)風險動態評估。能夠評估管道當前狀況，識別高風險區域，從而優化管道維護方案?？紤]內部數據(如壓力)和外部環境(如天氣)的變化，威脅因素和后果是動態的，因此評分也是每天動態變化，進而實現每天動態評估。系統可生成風險信息，包括風險直方圖結果和狀態評估結果；可以編輯管道數據，執行數據差異分析；可查看并比較多個風險結果，可輸出圖標和可定制報告；對高后果區域、主線閥段、動態風險段等進行深入報告；可實現新風險通知，對不同風險進行歸類總結，并突出顯示新出現或正在變化的風險。

3)物聯網感知監控。通過有毒氣體濃度檢測傳感器系統實現有毒氣體泄漏實時監測，基于射頻識別技術(RFID)、無線通信技術實現人員位置定位與實時跟蹤，實現管道應力變形實時監測，實現管道第三方破壞、泄漏等異常事件的實時監測預警，利用移動終端實現維修維護現場作業可視化、移動化辦公，實現了管道無人機智能巡線。

1.2 SNAM管道公司

意大利SNAM管道公司擁有歐洲大陸地質條件和拓撲結構最為復雜的輸氣網絡，經營歐洲大陸大部分的天然氣管網，公司注重有效實施數字技術及IT信息系統，實現資產完整性管理從預防性方法向預測性方法轉變[5]。

1)現場作業智能化管理?，F場作業人員可通過移動終端接收作業詳細信息，同時將現場記錄、施工完成通告、維護操作、現場設備數據等現場信息通過移動終端實時發送至中央服務器，通過IT信息系統進行集成，實現業務數據實時分析與優化，然后將優化后的施工、維護計劃等信息反饋給一線人員。此外，實現現場業務活動在線可視化管理，以支持現場活動，并向操作人員通報在該位置的當前和以前的各項操作信息，該系統還可提供相關培訓信息。

2)內檢測結果可視化管理。在完成管道內檢測后，將KMS文件直接嵌入Google earth地圖上，結合該公司定制化的Google earth pro用戶端，可以方便查看和瀏覽內檢測結果，并可以通過坐標信息直接定位缺陷位置，管理非常便捷[6]。

3)物聯網感知監控。利用傳感器、振弦式應變計、智能陰極保護、腐蝕探針、無人機等智能感知設備，實現水文數據、管道應變數據、陰極保護數據、腐蝕數據、第三方破壞數據等的實時監測，實現管線地質災害、腐蝕泄漏、第三方破壞等異常事件的預警。

4)數字化孿生技術。利用該技術構建管道全生命周期的數據和專家平臺，實現長輸管網、輸配氣管網、設備等相關設備設施的智能化模擬與優化，實現數據挖掘分析與設備故障診斷。

1.3 Enbridge管道公司

Enbridge管道公司運營北美以及北美洲以外逾8×104km管線。該公司為確保管道安全運行，于20世紀80年代開展完整性管理工作，使用先進的完整性管理相關技術達到避免管道事故的目標。該公司的完整性管理信息系統，基于ARCGIS地理信息平臺，在該平臺界面上開發和應用管道完整性評估、決策、維搶修等應用軟件，從而實現完整性管理的可視化、智能化、數據共享[7]。

在系統建設與實施過程中，該公司利用Oracle建立了管道數據庫，按照ARCGIS管線數據模型(APDM)規范存儲管理管道完整性相關數據，實現日常業務運營數據集中統一管理和數據資源共享，為管線完整性管理業務決策和管理提供數據信息支持。

2 國內管道完整性管理信息系統建設現狀

2.1 中國石油管道公司

中國石油管道公司科技研究中心在經歷國外引進、消化、吸收與國內管道業務實際結合、再創新后，開發了管道完整性管理信息系統，該系統平臺具有獨立知識產權。系統于2011年2月上線試運行，覆蓋61家公司(含地區公司、分公司、管理處)約4.2×104km管線。該平臺是中國石油管道業務管理的重要支撐平臺，為企業實現轉型升級、提質增效、做大做強等目標提供了重要支撐[8]。

該系統平臺功能分為業務管理、技術支持、效能管理、基礎信息管理四個子系統。依據管道完整性數據模型(PIDM)規則實現管道中心線數據、沿線地理信息數據、內檢測數據等業務數據的存儲、查詢、發布共享等。通過該系統實現完整性管理方案、風險管理、本體管理、腐蝕防護等業務集中統一、標準化、規范化管理，打破傳統業務管理分散、系統性不強的模式。此外，通過該系統設置的集成接口，實現與巡線系統、氣象及地質災害預報預警、在線管體缺陷評價等系統的集成。

2.2 中國石油化工股份有限公司

中國石油化工股份有限公司于2014年8月開始建設智能化管線管理系統，針對中國石化地下管線資料不完整、管道專業管理技術手段不足、非法占壓嚴重等問題，建成具有自主知識產權的智能化管線管理系統。系統建設過程中充分結合完整性管理國家標準與管線業務實踐，利用大數據、移動互聯、物聯網等先進技術，實現管線管理的數字化、可視化、標準化、集成化，為企業管線完整性管理業務提供服務。該系統于2015年1月上線運行，迄今涵蓋51家企業約3.0×104km的長輸和廠際管線，有效支撐了企業管道完整性管理體制機制變革，提高管線完整性管理水平[9-10]。

通過系統建設，創建中國石化管線數據模型(SPDM)，實現管線建設期、運營期管線全生命周期數據集中統一、標準化管理；實現管線完整性閉環管理、應急快速響應、隱患分級分類治理，并利用大數據技術輔助進行業務智能化分析與決策；實現與總部、企業相關系統集成，包括應急指揮、視頻監控、陰極保護、智能巡線等系統，保證數據源唯一和數據共享，系統集成架構如圖1所示，其中虛線表示數據集成，實線表示功能集成。

圖1 中國石化智能化管線管理系統功能結構示意

此外，中國石化開發了智能化管線管理系統移動應用。按照中石化移動平臺開發規范，以模塊的方式集成到中石化移動平臺系統。移動應用平臺框架中提供用戶認證，并需要收集應用操作信息。該應用基于ARCGIS地圖組件(Android操作系統)開發，并采用系統現有模型數據、業務數據及服務接口進行業務實現，技術架構如圖2所示。

圖2 移動應用技術架構示意

3 未來發展方向

對于管道運營管理者來說，安全生產始終要擺在第一要位。管道完整性管理作為保障管道安全可靠運行的重要手段，目前已在國內長輸油氣管道企業內部全面推行與應用。通過信息系統平臺，實現管道完整性管理數據和業務規范化、集中化、標準化管理，推動管線風險管理由被動應對向主動預防模式的轉變，提升管線完整性管理工作效率。由于管道所屬單位不同，依據的體系和標準不同，進而導致系統功能不盡相同。隨著國家管網公司的成立，為了打造智慧互聯大管網，避免信息系統重復建設、信息孤島等問題，實現資源與信息互通共享，必然面臨系統的整合與調整。

此外，與國外知名管道企業完整性管理相關系統對比發現，國內系統功能在數據采集、風險監控、功能易用性、先進技術應用等方面還有差距。近10 a以來，隨著“知識爆炸”和信息技術飛速發展，人工智能、數字孿生體、邊緣計算等新技術不斷涌現。德國政府在《德國2020 高技術戰略》中提出“工業4.0”(即工業智能化)是未來建設項目之一。由此可見，全球范圍內以人工智能為代表的智能革命已悄然到來[11]。哥倫比亞管道集團和SNAM管道公司等國外管道公司以大數據、物聯網、孿生體等新興信息技術作為切入點開展了智能/智慧管道建設的探索，目前尚處于初期應用階段，未實現較大突破[12]。與此同時，中國也在積極探索智能化建設，完整性管理系統作為智能化管道建設中重要組成部分，提出如下發展建議：

1)互聯網+物聯網。增強系統全方位實時感知能力，支持采集數據時效性、多源性需要。感知能力是智能化系統建設的基礎。隨著長輸油氣管道完整性管理系統的深入應用，積累了大量與完整性管理相關的數據，包括管線設計數據、運行監控數據、內外檢測數據、維修維護數據等。但目前仍存在實時感知能力不足、采集數據不全、更新不及時等問題。完整性管理中高后果區識別、管道風險評價、自然與地質災害風險評價等影響因素眾多，且具有不確定性和時效性，會隨著內部介質參數和外部環境的變化而變化。如若缺少實時感知設備，導致采集數據不全、更新不及時，則必然影響后續識別與評價結果的準確性和有效性。建議增強系統實時感知能力并擴大數據采集范圍，配置空、天、地多位一體的管道智能監測技術手段，將感應器嵌入和裝備到油氣管道和設備設施中，設置陰極保護遠程監測、地質災害監測、管體安全監測、光纖安全預警、周界安防、無人機巡護、視頻監控、泄漏檢測、衛星遙感監測等內容，并與交通、氣象、水文、地質、土壤等相關數據公共服務網絡連接實現資源共享，靠Python軟件來抓取互聯網數據，為一線人員配備手持移動終端實時傳送作業信息，將管道、設備、人員與互聯網整合起來，建立管道系統全面感知能力，建設管網系統數據庫，為完整性管理智能化識別、評價、分析、決策等功能建設提供實時、有效的數據支撐[13-15]。

2) 大數據+人工智能。實現智能化完整性管理，進一步提升完整性管理工作效率。管道完整性管理是持續循環的業務過程，由于國內長輸管線沿線高后果區及各類風險隱患眾多，依靠人工進行高后果區識別、風險評價、制定維修維護計劃等工作，任務繁重、耗時巨大。建立完整性管理信息系統的主要目的之一，就是為解決該問題。目前，國內完整性管理系統已經滿足數據采集、高后果區識別、風險評價、完整性評價等業務線上管理需求，實現管道日常業務網上辦理、流轉和監督；實現高后果區識別、風險評價線上打分、分值自動統計并形成評價報告；實現完整性評價結果管理，并依據內檢測結果制定維修維護計劃；實現完整性管理的各個環節是否達到目標要求評價；實現巡線工人手持移動終端的智能化巡線等，大幅減少了人為工作量。雖然截至目前完整性管理信息系統已經取得顯著成效，但是系統功能尚有不足，如高后果區識別、風險評價需要依靠人工識別風險因素并打分，未實現高后果區智能化識別及風險動態評價管理；未實現現場作業實時監督和管理，無法為作業人員提供實時優化方案；未實現在線完整性評估；未實現應急方案自動生成等。建議利用圖像識別、相關性分析、人工神經網絡、云計算、邊緣計算等人工智能、大數據技術，結合系統感知數據信息，實現高后果區智能識別及風險動態評價管理、現場作業實時風險監控和優化管理、應急方案自動生成等功能。此外，充分挖掘和分析系統采集數據，建立大數據分析模型，實現泄漏、滑坡、泥石流、第三方破壞等異常事件預測預警。通過一系列智能化建設，實現風險識別、評價、分析決策等業務“電腦”對“人腦”替代，實現業務線上自動化、智能化處理，進而實現完整性管理工作效率的進一步提升。