數字孿生技術在油氣管道管理中的應用

趙國深，趙嘉玲，劉思妤，王星，夏榮蓓，代炳濤

(1.河北省智慧管道技術創新中心，河北 廊坊 065000；2.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

油氣資源關系到國民經濟的發展，是國家經濟發展的重要支撐。自進入21世紀以來，我國油氣管道擴建速度逐年加快，截至目前，全國油氣管道總長已經超過15萬千米，大大促進了國民經濟的發展。但是由于地理環境和人為因素的原因，在施工建設以及運行過程中時有事故發生。

通過對20余家企業進行梳理和分析發現，油氣管道建設安全管理形勢嚴峻。近13年間油氣管道管理引發的事故有18起，其中重大事故1起、較大事故4起、一般事故13起。根據事故原因分析，因“三違”導致的安全事故共15起，占比88%以上，如：2013年11月22日山東省青島市中石化輸油儲運公司濰坊分公司輸油管線破裂造成的爆燃，給人民群眾造成了巨大的生命及財產損失，嚴重危害油氣管道及其周圍環境和社會的安全；2010年7·16大連輸油管道爆炸事故造成消防戰士一人犧牲、一人重傷、大片海域被污染，直接損失達到2 000多萬元。油氣管道的施工以及安全管理的重要性日益凸顯，圍繞著管道的安全管理，油氣生產企業做了大量的探索。隨著中國油氣骨干管網建設步伐的加快以及新技術的不斷發展，互聯網技術、人工智能技術、無人機技術、機器視覺技術等在油氣管道管理中也獲得了大量的應用。

特別是近年來油氣管道建設過程中結合無人機技術、互聯網技術、數字孿生技術獲得了推廣與應用?；跀底謱\生技術，傳統油氣管道建設逐步向智慧管道建設轉變。

1 數字孿生技術在油氣管道中研究應用現狀

數字孿生也被稱為數字雙胞胎和數字化映射，它是指充分利用物理模型、傳感器、以往歷史數據，集合多學科、多專業，在虛擬空間對實體進行模擬仿真的技術[1]。數字孿生的概念最早是由美國國防部提出利用，主要用在航空航天飛行器的健康維護與保障上[2]，通過利用數字技術建立實體與三維模型的關系，利用虛擬技術再現真實設備的狀態，根據傳感技術檢測現有運行情況和過往載荷，及時分析評估實體的工作狀態。油氣管道數字孿生技術可將管道數據以3D形式呈現，用戶可以通過檢測到的數據將實體管道與三維虛擬管道相連接，通過人工智能、大數據等對實體管道的安全狀態進行預測。

通過全息透視眼鏡，用戶可對管道的虛擬圖像進行旋轉、放大和擴展。管道數字孿生技術節省了管道數據的研究時間，有助于用戶更好地監控管道運行狀況，快速準確地評估管道完整性[3]。

國內已經有多家企業以及高校對管道數字孿生技術進行了研究，國家管網集團北方管道公司結合智慧管網的相關概念以及油氣管道行業企業的現狀，基于數字孿生技術提出了智慧管網建設的理論，圍繞著實體管道建設、虛擬管道模型開發、管道服務系統、管道數字化模型以及管道孿生數據的傳輸技術，獲得了實體管道與虛擬管道兩者之間的交互與融合技術[4]。中國科學院沈陽自動化研究所針對油氣輸送管道業務現狀，結合新一代信息技術，提出了智能管道發展的系統架構與主要內容[5]。中國石油管道公司智慧管道建設項目中心從管道設計、管道設備運行維護、調度優化、全生命周期管理等幾個方面分析數字孿生體在油氣管道中的應用前景，指出在油氣管道中實施數字孿生技術可以實現虛擬管道的仿真優化，有利于促進國家智慧管網的建設[6]。中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司以中緬油氣管道為研究重點，通過綜合應用管道探測、航空攝影、傾斜攝影、數字化三維建模技術實現了管道建設初期的設計、構建了中緬油氣管道的三維模型，形成了管道線路數據資產以及施工戰場的資產庫。同時，通過研究構建了中緬油氣管道的數字孿生體，其構建的管道數字化孿生系統實現了油氣管道的可視化運行、可以實現人員的培訓以及用來指導搶險作業[7]。

綜上，國內以中石油為主的公司已經在管道數字孿生技術的應用上開展了初步的研究，而且已經有部分油氣管道管線進行了初步的應用。但是，目前該項技術主要應用于航空航天行業和智能制造行業，在管道中的應用還不成熟。管道數字孿生技術發表的論文也主要集中在近兩年，管道數字孿生技術仍處于研究的初期。

2 數字孿生體管道應用技術研究

數字孿生體賦予了管道三維模型新的活力，是其從簡單的幾何模型轉變為與現實對應的可運行的孿生體。通過建立高保真的三維模型，在虛擬空間制造實體的孿生體，需要關聯各種屬性和定義，如加入材料屬性、感知屬性以及有限元仿真的模型。通過高保真模擬，將現實中可能出現的問題進行反饋，面對可能出現的問題提前制定處理方案。數字孿生體可以貫穿油氣管道建設的各個階段，通過記錄整個周期的數據來反映管道各個階段的特征[7]。對管道管理提出合理化建議。關于管道數字孿生技術的研究，主要集中在管道的建模仿真技術、管道的數據傳感融合技術、管道孿生數據構建及管理技術、應用技術等方面。

2.1 數字管道建模、仿真技術

數字管道建模技術是將管道產品中的相關設計、工藝描述、屬性及管理等信息附著在產品三維模型中，為油氣管道在設計、施工、運行、維護、報廢全生命周期各個階段的數據定義和傳遞的數字化表達提供統一的模型，管道的數字化建模通常包括管道模型的幾何信息以及如應力、應變模型、流體力學、熱力學模型、管道材料等非幾何信息。在建模過程中常用的軟件包括 SynerGEE、GREEG、TGNET/TLNET 等國際仿真軟件，在國內使用最廣泛的是國家管網集團北方管道公司研制了RealPipe軟件。近年來，隨著我國管道運行公里數的增加，圍繞著管線施工環境等，通過BIM和GIS集成應用，實現了管道以及管道外圍環境建立起三維管道模型和管網信息的有機綜合體。目前已經有大量的公司開展了管道建模及仿真技術的研究。

2.2 數據采集及數據融合技術

數字孿生技術將實體管道與虛擬管道通過數據相融合，實體管道具有點多、線長、面廣的特點[8]。實體管道在運行中會受到如泥石流、管道腐蝕、管道周圍塌方、管道泄漏等多種因素的影響，圍繞著管道完整性以及安全管理等方面，油氣公司已經建立了大量的管道數據采集系統。通過傳感器物連網技術采集相關數據實現對油氣管道的感知，這包括紅外、光纖、遙感等方面的技術。管道感知技術難點在于數據實時采集、數據傳輸等方面的技術，同時由于傳感檢測涉及的傳感器種類多、傳輸方式多數據的融合性還不是很強。鑒于傳感器的種類多，給管理及數據融合帶來了困難，圍繞著管道數據采集，采用多源異構傳感器融合技術實現管道實時數據的采集和集成，將傳感轉換器、傳感無線網、物聯網等方面的技術相結合，實現設備接入、數據采集、數據轉換以及與數字管道建模軟件相連接是當今管道數字孿生技術研究的重點及熱點。

2.3 油氣管道孿生數據構建管理及應用技術

隨著管道完整性技術的發展，數據管理是管道安全管理的重要組成部分，管道數據管理是完整性技術的重要支撐。通過對油氣管道孿生數據的構建以及管理實現“虛實交互，以虛控實”。通過增強現實中的人機交互技術以及虛實交互技術提升實體油氣管道與虛擬管道之間的交互，通過傳感檢測網絡獲得實體管道的實時數據融入到虛擬管道中進行顯示、通過虛擬管道端建立的人工智能預測技術、計算機大數據分析技術，實現對實體管道腐蝕、管道防護、管道周圍環境維護提示，管道維護預警等方面的應用，通過數字孿生技術保障管道的安全運行。

3 數字孿生體在管道中應用的可行性

3.1 管道設計

傳統的管道設計大多采用三維靜態設計模型，其弊端很明顯，對設計人員依賴性高、利用率低、對于全局性的考慮不夠完善。利用數字孿生體進行油氣管道設計包含管道線路、站場、建筑三個方面：管道線路包括場地勘察、三維測量以及選線三者協同設計；管道站場包括控制、設備、工藝、電氣管路多專業協同設計；建筑方面包括建筑輔助設施和鋼結構協同配合。在完成多專業設計數據完成后將進行設計集成驗證，它包括工藝、控制、環境、影響施工等方面的驗證。兩者相互配合完成迭代優化實現管道設計。其過程如圖1所示。

圖1基于數字孿生的管道設計流程圖

3.2 調度優化

基于數字孿生體的管網的調度模式，通過實體管線系統和數字孿生體虛擬系統進行數據互換，實現信息共享。數字孿生體通過高度集成的虛擬模型將管網的運行狀態進行仿真分析，對經濟性和可靠性進行評估完成管網的調度控制。形成虛擬模型和實體模型的協同工作機制，達到二者的優化匹配和高效運作，實現管網動態迭代和持續優化。其流程如圖2所示。

圖2 基于數字孿生管道調度優化流程圖

3.3 設備維護

管道設備包括電氣設備、測量設備、減震設備等。管道設備的安全關乎整條管道線路運行的安全?；跀底謱\生的管道設備維護可以通過實體設備的檢測系統和歷史運行狀態數據對數字孿生體加以更新實現多功能集成仿真，對設備健康壽命進行評估。并制定維護作業計劃。

4 管道數字孿生技術發展建議

目前我國智慧管網建設處于起步階段，在數字孿生體構建精準檢測和評價、傳感技術、模型構建、決策支持、油氣管道大數據深度挖掘等方面還存在著欠缺。圍繞開展管道數字孿生技術目標，實現管網的智能化預警、巡護，以及管道的應急防范，構建管道安全智能化平臺，建立油氣管道全周期的數據標準，構建油氣管道全周期數據庫，包括數字管道的建模研究、孿生管道數據融合技術、孿生數據應用技術等方面內容，管道數字孿生技術應著力在以下幾個方面開展研究：

一是重點研究油氣管道數字孿生體的構建技術，重視數字孿生體建模方法研究。

二是開展數字孿生體數據技術研究，圍繞管道數字孿生技術涉及的感知、預判、自適應、自反饋、自學習等特征開展相關計算機、數學、傳感器等應用技術的研究，發揮數據在管道安全預警中的作用。

三是開展管道孿生技術應用研究，通過應用管道數字孿生技術將實體管道、虛擬管道以及管道服務系統三者相結合，實現管道安全運行、故障預警、管道巡檢巡視提示等，進一步提升我國管道的安全性。通過數字孿生體直觀觀察管道設備結構，通過智能遠程、在線診斷技術提升設備維修效率。

5 結語

管道、管道相關設備設施以及周邊環境構成了復雜的管道系統。通過管道數字孿生體模型的建立，以虛擬管道將油氣管道相關數據展示出來，通過數據采集、數據整合、物理性能模擬、實時感知、分析、虛實融合，提升油氣管道的安全系數，將數字孿生技術應用于管道設計、施工、運營以及管道企業管理的相關數據管理，保證油氣管道的安全運行成為管道行業的發展趨勢。

為了進一步推進管道管理和管道安全生產現代化，業界科技工作者應圍繞油氣管道數字孿生技術的應用開展研究，包括管道數字孿生體系建模理論、數字孿生技術在管道中的具體技術、管道數字孿生技術應用、管道數字孿生數據、管道數字孿生技術培訓、預測以及檢修等方面內容，進而提升管道數字孿生技術的應用深度與廣度。