數字孿生體在中緬原油管道智能化建設中的應用

喻 斌,馮 騁,叢 瑞,榮海倫

1.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊 065000

2.國家石油天然氣管網集團有限公司油氣調控中心,北京 100013

2016年2月，國家發改委、能源局及工信部聯合印發《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》[1]，該文件提出，油氣行業應積極推進與“中國制造2025”“互聯網+”國家戰略的融合創新，探索智能化發展道路。2017年5月，國家發改委、能源局又聯合印發了《中長期油氣管網規劃》[2]，該文件提出，建立智慧能源管網，推進大數據、云計算等技術與智慧管網建設相融合。可見，加強油氣管網智能化建設，促進“源-網-荷-儲”協調發展[3]，推動油氣管網信息化、互聯互通、統籌調度，已成大勢所趨。智能化管道建設即是運用工業互聯網和人工智能等技術手段，通過實時感知、數據中心處理分析、實時反饋和智能決策，實現油氣管網全生命周期的高效生產目標[4]。通過管道智能化建設，可以促進智慧管網的發展與完善。

中緬原油管道地處中國西南，途經橫斷山脈及云貴高原，最大高差達1 500 m，是典型的大落差管道及山地管道[5-7]。目前，中緬原油管道的智能化建設尚未完全成熟[8]。在智能控制方面主要以人為干預為主，未形成智能化管道的閉環智能控制。在數據感知、數據傳輸方面也未能實現多傳輸方式融合和大數據挖掘關聯分析。受制于地形地質的復雜性，中緬原油管道智能化建設到了瓶頸期。引入數字孿生體技術可以將中緬原油管道本身的數據數字化[9-10]，建立管道的虛擬仿真模型，以輔助的方式指導現場操作人員進行決策，這種方式有別于過去只依靠人工經驗進行決策，可顯著降低人為因素導致的管道安全運行風險[11]。

基于以上現狀，本文從中緬原油管道智能化建設現狀出發，回顧了智能化建設現狀及存在的問題，介紹了數字孿生體技術的內涵和作用，并分析了數字孿生體技術在原油管道建設中的應用和可行性，旨在為未來管道建設提供理論依據和指導方案。

1 中緬原油管道智能化建設現狀

1.1 中緬原油管道概況

中緬原油管道2018年投產，包括一條主干線和一條支線[12]。干線起點瑞麗泵站，終點祿豐分輸泵站，全長599.7 km，所轄工藝站場6座、閥室34座。支線的起點祿豐分輸泵站，終點安寧末站，全長42.78 km，所轄工藝站場1座、閥室1座，管道線路走向見圖1。設計壓力4.9～15 MPa，管徑D610～813 mm，輸量 （1 300～2 300） × 104t/a。管道途徑地區80%以上為山區，落差超過1 000 m的管段10處，最大落差1 500 m。管道穿越大中型河流11處、山體隧道12處、地震活動斷裂帶3處。其智能化運行需求迫切，但有相當大的智能化運行難點[8,13]，主要在于以下幾點。

圖1 中緬原油管道線路走向

（1）管道跨越山脈眾多，為典型的山地管道，地形起伏較大，有水擊危害。

（2）管道沿線多穿越地震頻繁帶，穿越斷裂帶5條。

（3）大量采用山體隧道穿越方式，隧道地質條件復雜。

（4）跨越國際河流多，安全環保任務重。

可見，地形地質等多方面因素使得中緬原油管道的生產運行處于高風險狀態。人工操作不能兼顧管道運行的各個細節，無法及時感知風險的醞釀和發生。因此，引入數字孿生技術對中緬原油管道智能化建設進行補充，提升其運行的安全性，是智慧管網建設的必然要求。

1.2 中緬原油管道智能化建設概況

中緬原油管道智能化現狀與國外智能管道建設現狀如圖2所示。差距主要體現在以下幾個方面。

圖2 智能管道建設現狀

（1）數據感知方面：已開展工業物聯共享系統建設，實現站場SCADA系統、非SCADA系統數據的全面采集與傳輸，但是數據采集的種類與數量尚不滿足大數據分析的要求。

（2）數據傳輸方面：已開展感知數據的衛星傳輸、光纖傳輸、部分數據的手機基站傳輸、工業物聯網建設等，但尚未實現多種傳輸方式的融合。

（3）數據標準化方面：已開展云數據中心、數據資產圖譜分析等數據存儲與標準化建設工作，目前尚未實現數據分布式存儲與大數據挖掘、數據標準融合統一。

（4）決策優化方面：以中緬原油管道7座站場為試點建立工業物聯共享系統，建立了生產智能管理系統，實現資產的全生命周期管理。系統仍在升級完善中，尚不具備設備故障的大數據分析功能，以生產智能管理系統為載體的設備完整性管理體系有待完善。建立了地質災害監測與預警平臺，并在不斷升級完善中，實現了重點地段地質災害監測。仍需加強對地質災害易發區、高后果區、管道穿跨越區監測網絡的全覆蓋建設。

（5）智能控制方面：目前主要以人為干預控制管道運行為主，尚未形成智能化管道閉環智能控制。

通過上述分析可知，中緬原油管道在智能化建設上還有很長一段路要走，在管道智能化建設方面可以借鑒意大利SNAM公司和哥倫比亞管道集團公司的智能化管道架構[14]。如圖3所示，引入管道數字孿生技術進行管網的智能化建設，通過工業物聯網、管道完整性、工況分析預測、管道管理優化、動態資產評估、設備信息數據可視化等功能，將管道實時信息、決策計劃、優化信息等上傳至調控中心，由調控中心控制優化管道運行狀態，形成閉環智能控制。

圖3 中緬原油管道智能化建設架構

1.3 數字孿生體的內涵和作用

數字孿生是具有數據連接的特定物理實體或過程的數字化表達，而數字孿生體指與這個物理實體或過程相對應的數字化模型的實例[15]。即數字孿生體是一個對應實際情況的模型，該模型是真實空間中的實體映射，結構、參數與真實空間中的物理實體相對應，是實際環境中物理實體的映射[16-17]。

在原油管網智能化建設中，數字孿生體技術可應用于多個方面，基于實體管道本身展開的管道數字孿生體是一種建設模式。如圖4所示，虛擬管道與實體管道之間通過建立的管道孿生數據進行交互作用。不斷反饋并通過建立的虛擬模型進行仿真、模擬、分析，從而感知實體管道運行狀態[18]。

圖4 管道數字孿生體油氣調運過程的運行原理[19]

2 數字孿生體在中緬管道智能化建設中的應用

2.1 管道內檢測

定期對管道進行內檢測是保障管道安全運行的重要一環，將無損檢測技術和清管設備結合在一起，使清管設備具有數據感知、傳輸、處理的功能。以往部分管網將全線管道分成不同站間段進行分段檢測，將兩個監測點之間的管道體作為一個單元，通過監測兩個點流量和壓力的變化，利用負壓波法和（或）音波法來判斷管道是否發生泄漏并進行定位。引入數字孿生技術后，中緬原油管道的在線內檢測可以不再采用傳統的分段檢測法。如圖5所示，利用數字孿生體技術將管道實際信息數據化并導入電腦，形成網絡在線監測、計算及預警，及時感知異常數據并進行分析計算，報告給監測人員，進而進行快速反應、調整。

圖5 利用數字孿生體技術進行管道檢測

2.2 調度優化

對原油管網進行優化調度有助于管道安全運行和高效生產。近年來我國油氣管網發展較為迅速，但新建的眾多管網運行情況比較復雜，導致原油管網的調度優化難度日益陡增。

引入數字孿生體的原油管網調度模式有助于改善中緬原油管道運行復雜、安全調控難度高等情況。如圖6所示，將現場的管道實體進行數字化，利用大數據計算技術建立貼合實際的虛擬管道，實現實際管道與計算機集成的虛擬管道的交互反饋。現場傳感器實時感知運行數據并傳輸至電腦端虛擬模型，該虛擬模型運行狀態與現場的一樣，通過大數據、人工神經網絡等算法實現虛擬管道的參數優化控制，進而反饋到現場的實際應用。基于數字孿生體的管網調度模式有別于傳統的原油調度方法。傳統的人工調度模式無法實時感知工藝參數、控制參數、設備運行狀態，同時，基于人工的排產優化調度無法窮盡所有的最優排產方案；而引入數字孿生體的調度優化模式后，可通過優化算法進行系統的協同仿真，全面、準確地感知管網運行狀態，并通過排產需求計算最佳的排產方案。

圖6 管網智能調度優化流程

2.3 設備運行維護

原油管道在運行過程中需對設備進行保養維護，提升管道運行壽命、可靠性及經濟安全性，但管道設備種類眾多、數量大，包括機械設備、電氣設備、儀表設備、計量設備等，呈現點多面廣的特點，高效運維難度較大。如圖7所示，李柏松等人[20]報道的一種智能化管道設備維修維護模型有很好的借鑒作用。

圖7 基于數字孿生體的管道設備維護流程[20]

基于數字孿生體的設備維修維護，在管道設計階段就進行了數字孿生體的設計。在中緬原油管道運行維護過程中，也可以將設計數據應用到數字孿生體當中。通過SCADA系統、設備監測系統進行實時的數據感知，并將該部分數據反饋到數字孿生體更新模塊。在該模塊內，基于多場耦合的仿真模擬方法將感知的數據進行邏輯關聯。并通過RCM、RBI、SIL的可靠性安全評估及基于故障案例庫的診斷，對設備的健康狀況進行評估，預測設備故障原因及剩余壽命，進而給出維修維護策略。

2.4 高后果區監測與預警

管道高后果區可分為人口密集區、基礎設施區、環境敏感區和地質災害區。中緬原油管道地質地形極其復雜，管道多穿越崩塌、滑坡地段，對該條管道進行高后果區監測與預警有助于提升管道運行的安全性，保障管道沿線相關的人身及財產安全。引入數字孿生體的高后果區監測預警系統見圖8。

圖8 引入數字孿生體的高后果區監測預警系統

如圖8所示，在災害隱患點處布置好地質災害監測儀器，這些儀器包括水壓力計、應力傳感器等。然后建立與實際現場相對應的災害體數字孿生體模型，在數據中心處理模塊內，內嵌的算法來源于基于ABAQUS的大數據建模技術，通過有限元建模分析地質災害發生的安全系數，并將不同災害體的預警模型導入系統。在數據應用層，系統實時感知現場的監測數據，通過內嵌算法對數據進行識別，并對異常數據進行報警。

2.5 全生命周期管理

智慧管網的發展依賴于管道智能化建設，而智能化建設依賴于數字化、信息化管道的發展，數字化管道已成為未來管道信息技術領域的上甘嶺。數字孿生體可以貫穿中緬原油管道生產運行的各個階段。當建立起基于數字孿生體的智能化運行模式后，在該模式下的運行系統可以記錄整個生命周期的全部對象、模型及數據，是管道各個生產模塊的數字化檔案庫。未來的智能化管網建設，可以將先進的管理理念與大數據、云計算等技術相融合，形成一套全生命周期管道完整性管理解決方案，實現管道業務與信息可視化的統一管理。

3 結論與展望

（1）中緬原油管道的智能化建設任重道遠，亟需引入數字孿生體技術改善其生產管理系統，保障管道高效生產、安全運行。

（2）本文討論了數字孿生體在中緬原油管道智能化建設中的應用，包括管道內檢測、調度優化、設備運行維護、高后果區監測與預警和全生命周期管理五個方面。引入數字孿生體技術后可提升管道系統的科學性和快速反應性。

（3）數字孿生體技術在原油管道中的應用前景廣闊，還需要進一步開展原油管道數字孿生及智能化管理研究。