中國智慧燃氣現狀、挑戰及展望

鄭 賢 斌

中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售分公司

0 引言

近年來，我國相繼出臺《全國安全生產專項整治三年行動計劃》[1]、《經營者反壟斷合規指南》[2]等政策文件，對高速發展下的城市燃氣行業的市場監管和安全管控提出更高的質量要求。特別是隨著2019年國家油氣管網公司的掛牌成立，進一步重構了包括天然氣定價體系、天然氣銷售模式、合同簽署模式、管輸定價規則、天然氣交易規則等方面的天然氣市場體系，對下游燃氣行業格局帶來顛覆性影響。從長期來看，大型燃氣企業天然氣采購議價能力得到提升，但總體上城鎮燃氣企業或將因部分大用戶獨立采購而受到沖擊；燃氣電廠、大型工商用戶或將因直供機會的出現而受益。高順利[3]認為，無論是內憂外患的競爭壓力，還是信息技術發展的時代機遇，都讓燃氣行業內部逐漸意識到唯有通過智慧燃氣，才能為產供儲銷全鏈條智能管控提供更優的解決方案，才能讓燃氣行業做大做強。在此形勢下，持續數字化轉型、智能化發展，已經成為燃氣行業提質增效、轉型發展的關鍵手段。受新冠肺炎疫情影響，國內各大燃氣企業更加充分認識到智慧燃氣建設的必要性與緊迫性，燃氣企業經歷了一個從被迫轉型逐步向主動轉型的思想轉變，加之燃氣行業已經基本具備進一步向智能化邁進的技術支撐等前提條件，燃氣行業將很快進入一個以數智化為主導的智慧燃氣發展新階段，開啟燃氣管理新模式。

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[4]在加快數字化發展方面提到“在重點行業和區域建設若干國際水準的工業互聯網平臺和數字化轉型促進中心，深化研發設計、生產制造、經營管理、市場服務等環節的數字化應用，培育發展個性定制、柔性制造等新模式，加快產業園區數字化改造”；在加快數字社會建設方面提到“分級分類推進新型智慧城市建設，將物聯網感知設施、通信系統等納入公共基礎設施統一規劃建設，推進市政公用設施、建筑等物聯網應用和智能化改造”。燃氣產業作為我國能源體系的一部分和重要的城市公共基礎設施，在“十四五”規劃總體要求下，燃氣企業通過建立“智慧燃氣”，實現數智化轉型發展、融入智慧城市建設已經勢在必行。

1 智慧燃氣發展現狀

1.1 智慧燃氣概述

對于智慧燃氣的概念，燃氣行業目前并未有統一的定義，基本上還處于各自闡述的階段[5-8]。筆者認為，城鄉智慧燃氣系統（以下簡稱智慧燃氣）是基于地理信息系統（GIS)，采用物聯網技術，應用高端智能感知設備，感知城市燃氣管網流量、壓力、溫度和泄漏等運行數據，基于可視化方式進行有機整合，形成“城市燃氣物聯網”，并應用大數據、人工智能技術將海量燃氣信息進行實時分析、處理、挖掘和輔助決策的燃氣系統綜合管理系統。智慧燃氣是燃氣企業的智能化發展目標。以高效優質服務、安全平穩生產、企業提質增效為目標，將信息技術與天然氣工業技術、市場策略深度融合，形成“數據+算法”的新生產力和新服務形態，對燃氣企業的生產、銷售、服務和經營管理等各個業務環節進行改造優化，實現數據自動流轉、業務高效處理、資源配置效率優化，構建企業新型競爭優勢。智慧燃氣具有以下特征：

1）數據采集的高度自動化：業務數據直接從智能設備、自控系統和信息系統自動采集獲取。

2）分析預測的高度模型化：通過仿真預測、數據挖掘技術進行定量分析計算。

3）業務處理的高度程序化：日常業務通過智能設備、機器人和信息系統中的程序規則自動處理。

4）決策制定的高度智能化：決策制定過程中充分利用機理模型和數據驅動，進行全局資源優化，對決策執行過程進行實時評估和反饋。

智慧燃氣的實現需要信息化、網絡化、自動化、數字化、智能化等技術作為支撐，包括云計算[9]、大數據[10]、物聯網[11]、人工智能[12]、計算機仿真[13]、區塊鏈[14]、信息安全[15]等，這些前沿技術需要與燃氣業務運行緊密結合、融合創新，才能有效助力傳統天然氣公司轉型成為智慧燃氣企業。

1.2 智慧燃氣國內外發展概述

油氣行業的數字化轉型智能化發展已成為世界各大石油天然氣公司、大型燃氣集團中遠期發展重大戰略。其中，歐美日韓等國在燃氣信息化、智能化方面的研究應用起步較早，發展水平也較高。國外典型的智慧燃氣體系一般融入在智慧能源的大體系中，能源互聯網將電力、燃氣、水務、熱力、儲能等資源作為整體，統籌規劃，形成耦合系統，形成整個能源系統的智慧模式[16-17]。東京燃氣集團[18-19]、法國燃氣蘇伊士集團[20]及意大利飛奧集團[21]均對智慧燃氣進行了構架，以建立安全、可靠、高效、低碳的能源體系。在國內，北京燃氣集團最早提出建設“智能燃氣網”的燃氣企業，在行業內率先提出“智慧燃氣”的理念框架，主持編制了燃氣智能化的行業標準，并在2014年啟動亦莊地區智能管網示范建設，完成基礎信息收集、監控及智能化設備安裝改造、系統開發建設等工作，并將智能化技術廣泛應用到全市管網的運營管理中，確保管網全生命周期各階段的本質安全[22-23]。深圳燃氣集團是國內燃氣智能化建設領先的服務商，其生產運營信息化建設歷經20余年的發展，逐步形成了以數據采集與監控系統SCADA、地理信息系統GIS、氣量管理系統、管道完整性管理系統、管網仿真等為核心的信息系統，構建智慧型燃氣服務運營模式[24-25]。另外，上海燃氣依托北斗高精度定位、管網地理信息、信息感知等，初步實現燃氣管網設施數字化全生命周期管理、量化管網安全評估、更新改造輔助決策、實時巡線測漏等智能應用[26]。目前，我國智慧燃氣對應到智能化實現程度分析情況如（表1）所示，智能終端和智能生產的實現程度整體接近50%，但是智能運行、智能營銷和智能決策的實現程度還較低，智慧燃氣產業智能化未來存在較大開發潛力和提升空間。

表1 目前智慧燃氣對應到智能化實現程度分析表

2 國內智慧燃氣關鍵問題分析

國內智慧燃氣建設應用過程中需要解決以下4個關鍵問題：

1）廣泛生產單元的感知能力建設方面的問題。智慧燃氣的核心特征是“智慧”，具備“三個實現”即實現智慧有賴于廣泛覆蓋的信息感知，具備深度互聯的信息體系，實現對海量信息的智能處理，實現對業務工作的分析、預測、監控，為經營決策提供有力的信息支撐。針對燃氣業務生產單元，生產經營相關設置的自動化信息采集、遠程操作控制、狀態監控與預警等方面需要移動應用、5G、數字孿生、智能終端、人工智能、模擬仿真等技術進行感知，包含運行狀態、計量參數、業務運行情況、視頻監視等工作實現感知。廣泛的感知是一個過程，由重點到全面逐步建設，廣泛感知還依賴業務系統的能力和企業大數據處理的能力。廣泛的感知不是針對所有設備，而是針對關鍵的設備、業務、場所等進行感知，保證業務運行狀態的全面透徹的了解，工作量大，難度大。

2）應用的充分集成和智能融合方面的問題。基于統建系統的建設應用，尤其是燃氣零售系統、生產運行管理系統、客戶關系管理系統、燃氣銷售運行管理系統、電子銷售管理系統等系統對業務支持，采用云計算技術，形成燃氣業務的技術中臺，搭建統一的燃氣業務云，做到資源、信息、業務的深度集成和融合。同時，應結合示范性工程，注重與生產單元設備設施的集成，形成標準便于推廣建設應用。在這個過程中，存在兩方面的問題：第一是由于各業務系統可能是不同的系統建設單位承建的，系統的數據格式、模式組態以及數據協議可能都不一樣，數據集成需要統一數據標準；第二除了技術層面上統一數據標準、統一數據協議等問題外，可能還需要重塑業務功能，不同的系統關注的業務不同，這些業務之間存在關聯關系，在系統集成后，需要考慮業務之間關聯、依賴、并行等關系。

3）全面感知、協同運營和創新增值方面的問題。基于云計算平臺，依托大數據分析技術，建設燃氣數據湖和燃氣業務分析管理平臺。在全面透徹感知、燃氣業務運行平臺的深度融合和集成基礎上，基于海量數據的信息處理技術，實現對燃氣業務分析、預測、監控，對新業務、增值業務的決策與技術支持，以及對燃氣銷售業務數據的管理、治理和共享。同時，為燃氣業務云提供數據基礎，實現燃氣業務的全面感知、業務的協同運營，推廣燃氣業務數智創新和可持續高質量發展。對新業務、增值業務的決策與技術支持需要大數據算法的支持，而目前的大數據算法主要采用監督式機器學習算法，監督式機器算法需要大量的機器學習樣本的輸入，這些樣本的質量，包括樣本的數量、均衡性以及樣本的全面性決定了監督式機器學習算法是否準確，然而在目前的工業互聯網中由于歷史海量的工控系統數據受存儲空間的限制，僅能保存少量的數據，少量的數據中能作為生產異常或者設備異常的樣本更是少之又少，樣本數量不足，大數據模型的算法的準確率會受到較大的損失。

4）智慧燃氣建設應用技術迭代與試點推進方面的問題。隨著大數據、人工智能、物聯網等新興前沿技術不斷推進和產業化，以及國家工業和信息化部、住房和城鄉建設部、國務院國資委等部委大力推進數字化智能化轉型升級發展，特別是燃氣行業的數智化融合發展不斷深入推進實施。城市燃氣行業必將在數字燃氣、智能燃氣、智慧燃氣建設過程中，將燃氣精益化管理、燃氣數字技術、燃氣智能管控、燃氣知識工程的工具方法技術不斷升級迭代穩步發展，大力促進城市燃氣在天然氣全產業鏈上實現賦能提質增效。城市燃氣隨著科技持續進步和工程實踐不斷發展面臨許多挑戰，包括燃氣基礎設施升級、燃氣設備工藝、機械作業、自動控制、遠程智能調控、資產管理系統和技術、燃氣完整性技術等方面的發展，對數智化要求越來越高，面臨國家行業監管越來越嚴，對人員素質要求越來越專業化、技術化、科學化和領導履職能力也是一個新的更大的挑戰。燃氣界深入扎實推進智慧燃氣建設及應用，要“堅持世界眼光、國際標準、中國特色、高點定位”將是一個非常大的挑戰和機遇。此外，“燃氣數據池”、“燃氣資源湖”、“燃氣知識庫”的構建關系到未來智慧燃氣和燃氣知識工程的格局，此外要想突破傳統的手段和方式，智慧燃氣建設務必要在智慧+知識工程[27]的深入理論研究和應用實踐領域基于業務場景進行探索、嘗試和深耕。在解決基礎設施升級、人員素質提高、知識工程建設等問題后，開展智慧燃氣試點示范，智慧燃氣建設大致可分為試點示范、推廣擴展、數字運行、優化增值等4個階段。試點示范開局決定了整個智慧燃氣的布局和藍圖，但是其中也有戰略機會風險，因此建議按照“整體部署、系統推進、分類施策、重點突破”的原則進行試點示范工程建設。此外這四個階段存在嚴密的邏輯關系，每一個階段都決定了下一個階段的質量，前三個階段的實現可以達成智慧燃氣的目標，與第四個階段相比，前三個階段的推進需要更多人力、物力、財力資源的投入，需要穩步扎實推進，經過前三個階段積累的過程資產，第四個階段優化增值將呈現指數級的效益增長。

3 智慧燃氣構架設計

3.1 智慧燃氣平臺應用架構

智慧燃氣應該充分利用現有統建系統，建設統一平臺、統一業務、統一管理的系統，并充分利用新技術在數據采集、操控自動化等方面提升業務效率和效果。

智慧燃氣應用構架的縱向結構由感知層、網絡層、數據層、支撐層、應用層及決策層搭建，其中感知層為整體構架的最底層，用來獲取基礎數據，基礎數據通過網絡層形成數據層，基礎數據在支撐層中進行集成及處理形成信息系統，在應用層中起作用，決策層為整體構架的最頂層，在此層級上實現統籌決策。智慧燃氣云應用架構如圖1所示，智慧燃氣構架內容如表2所示。基礎層對應智慧燃氣架構中感知層和網絡層，資源層和平臺層對應其數據層和支撐層，應用人員對應其決策層（圖1）。

圖1 智慧燃氣云應用架構圖

表2 智慧燃氣建設內容表

3.2 智慧燃氣實現主要功能

感知層是智慧燃氣實現的基礎，是基礎數據的收集環節，涉及的范圍最廣，需要投入大量自動化設備，也是智慧燃氣開展的第一步；支撐層是智慧燃氣信息技術的集中體現，是形成智慧燃氣的關鍵。智慧燃氣功能在應用層實現，應用層中的五大板塊覆蓋燃氣設施建設及運營、燃氣的儲運、燃氣的銷售及終端客服。智慧燃氣的實現需要各個縱向層級無縫對接、各橫向板塊互聯互通、各關鍵技術深度融合，形成智能終端、智能生產、智能運行、智能營銷、智能決策的全過程智慧燃氣管理系統。智慧燃氣從實現的程度來看，包含智能終端、智能生產、智能運行、智能營銷、智能決策五個層次（圖2）。

圖2 智慧燃氣構架圖

4 智慧燃氣實施路徑及應用場景

4.1 智慧燃氣實施路徑

堅持目標導向，以解決智慧燃氣建設中面臨的單元感知能力建設、應用充分集成和智能整合等四個關鍵問題為突破口，逐步推進智慧燃氣試點建設。

1）針對感知能力建設，結合示范性項目建設和具體的業務應用場景制定統一的數據標準，在此基礎上，一方面通過建立統一的數據接口規范集成已建設系統的數據，另一方面對于缺乏信息化基礎的數據，要明確數據傳輸協議標準、數據字典項、數據治理要求，最終感知能力建設成果能夠為不同業務之間數據互聯互通和關聯關系洞察提供基礎支撐。

2）對于應用充分集成和智能融合問題，建議先取得高層決策者的支持，再在此基礎之上開展業務數據重構、數據血緣關系分析等數據治理工作，從管理和技術兩個角度出發，不斷尋找和探索應用集成和整合的最佳實踐。

3）在協同運營和創新增值方面，人工智能技術模型是核心，應樹立樣本資產意識，積累數據，創建豐富均衡的樣本庫，建立機理與數據融合的大數據分析方法和理論，逐步持續提升大數據算法模型的準確率，賦能協同運營和創新增值。

4）在智慧燃氣建設應用技術迭代與試點推進方面，基于國內國際雙循環相互促進的新發展格局，根據2020年國家住房和城鄉建設部出臺《關于加快推進新型城市基礎設施建設的指導意見》，建構“云移物大智網”核心基礎，進一步推進燃氣行業的信息化、數字化、智慧化與經濟社會發展深度融合和創新實踐，統籌加快新型基礎設施建設進度，遴選智慧燃氣試點城市，優選燃氣企業開展燃氣智慧升級試點工作，提早布局的燃氣智慧試點示范工程應具備一定的技術先進性和前瞻性，發揮行業領先示范作用，呈現標桿典范效應。

解決好感知能力建設、應用充分集成和智能融合以及協同運營和創新增值等智慧燃氣面臨的四個關鍵問題后，智慧燃氣建設應當實現“5個演進”：

1）從獨立系統向平臺+應用演進。智慧燃氣的建設應該充分利用集團公司統建系統的成果建設統一的云計算平臺。通過統一的平臺對業務進行支撐管理。

2）從業務分散管理到統一集中管理演進。進行統一的業務平臺建設，將分散的業務在一個統一的平臺下管理，有效地規范了業務工作，同時也可以真實地反應業務運營情況，為后續的數據分析和業務決策提供真實有效的數據。

3）從企業內網向互聯網+5G演進。智慧燃氣的數據依賴于對生產設施、工作操作等方面自動采集。這對網絡環境提出了非常高的要求。例如城市燃氣居民燃氣表等，需要利用好新的網絡技術在結合企業內部網絡實現。

4）從人工處理向程序化處理演進。通過統一平臺的建設，規范業務操作和流程，對程序化的工作由人工智能來進行處理，節約勞動力提升企業效率。

5）從報表分析向仿真預測模型演進。在進行大數據分析之后，結合經營狀況以及采集的設備設施等生產作業單元的工作情況進行預測分析，為下一步生產上精耕細作、經營上精打細算、管理上精雕細刻、技術上精益求精“四精”提供全面指導。

4.2 智慧燃氣應用場景

基于智慧燃氣平臺的整體業務需求分析，結合云計算、大數據、物聯網、移動互聯網[29]、人工智能、數字孿生[30]、數字仿真、區塊鏈、信息安全等技術，梳理智慧燃氣應用場景（表3）。

表3 智慧燃氣采用的數智化技術及應用場景分析表

5 結論及展望

隨著我國大力實施綠色低碳的發展戰略，燃氣行業的規模體量正處于高速上升期，與此同時，國民經濟發展、人民生產生活需要及城鄉統籌發展對燃氣行業的安全性可靠性要求越來越高，智慧燃氣的部署及應用已迫在眉睫。智慧燃氣的實現需大量的頂層設計和落地實施等復雜工作，從基礎設施的數字化建設到上層的智能決策，是一項龐大的系統工程。目前我國各燃氣企業智慧化進程仍面臨諸多難題，主要包括泛在感知技術市場不成熟、后端大數據算法不精準、數據維度不全面等多個方面，導致多系統的綜合智能互聯尚未取得實質性進展，燃氣行業需要加快突破智慧燃氣發展道路上的技術創新和關鍵技術瓶頸，實現合理的規劃、可靠的技術支持、循序漸進的運行過程，以及持續優化改進。

1）物聯網+大數據+人工智能+5G[31]+北斗[32]等新興技術的應用，生產運營和工程建設的管理創新，燃氣行業改革發展模式、商業運營模式、業務運行模式、組織機構模式等方面的革新，在客戶管理、資產完整性管理、工程建設全生命周期管理、維搶修與應急管理、領導決策與戰略管理等方面，由傳統的信息化和網絡化向產業的數智化發展的工作方式發生了巨大轉變。隨著智慧燃氣建設發展和深化推進，將進一步加速與各行業各產業的融合，勢必推動軟件、硬件、平臺、應用和服務橫貫技術創新、商業模式創新、應用模式創新、建設模式創新到用戶體驗創新的各方面和各環節。

2）未來燃氣企業將圍繞國家打造互聯網+智慧能源[33]（能源互聯網[34]）、公平開放工業發展大平臺、創新成長新業態、新模式的戰略發展目標，從管理、技術、標準、人員等諸多方面超前謀劃、主動作為，堅定不移加大智慧燃氣綜合運營體系構建力度，努力為燃氣行業高質量發展提供更多有益探索。

3）解決好感知能力建設、應用集成和智能融合、協同運營和創新增值以及技術迭代與試點推進問題，智慧燃氣建設將實現從獨立系統向平臺+應用演進、從業務分散管理到統一集中管理演進、從企業內網向互聯網+5G演進、從人工處理向程序化處理演進以及從報表分析向仿真預測模型演進。