智慧管網技術標準體系架構探索

摘 要：本文在參考企業標準體系構建的一般方法，并借鑒電網、鐵路和船舶行業技術標準體系構建方法和智能制造、醫療人工智能、智慧城市、智能水電廠等相關智能化系統技術標準體系框架基礎上，以智慧管網技術框架研究成果為基礎，提出了智慧管網技術標準體系的構建原則，構建了智慧管網標準體系架構。該架構將智慧管網技術標準分為基礎類標準、感知類標準、數據類標準、應用與服務類標準和平臺建設與支持技術類標準。該框架將隨著智慧管網研究和建設實踐的深入而不斷完善。

關鍵詞：智能化，智慧管網，標準體系，架構

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.06.005

0 引 言

智慧管網標準是指導智慧管網建設的重要支撐，目前，智慧管網的建設尚處于探索研究階段，相關成果目前尚不足以形成標準，但在智慧管網的建設中，有些領域的標準需要與智慧管網的建設同步甚至提前開展研究，比如數據采集、傳輸、分析的相關標準。因此，智慧管網的標準體系，應與智慧管網建設之前開展頂層設計，一方面可以指導智慧管網的頂層設計，另一方面可以防止與智慧管網的建設工作產生不協調、不一致甚至相矛盾的地方，確保在標準體系框架基礎上開展的標準研制工作，能夠切實有效地指導智慧管網的建設工作。

1 標準體系的構建方法

GB/T 13016-2018《企業標準體系構建原則和要求》中[1]，對企業標準體系的定義為：企業已實施及擬實施的標準按其內在聯系形成的科學的有機整體。

GB/ T 13 017-2 018《企業標準體系表編制指南》[2]對企業標準體系的編制方法給出了一些通用性指導，將企業標準體系的編制分為確定目標和原則、界定范圍和邊界、明確結構、梳理標準明細表、統計分析、編寫標準體系表編制說明等步驟。確定范圍和邊界時，建議從業務經營、專業領域、產品體系、標準類型、標準級別、用戶需求等維度，對企業標準體系進行深入分析，分析企業標準體系的邊界，確定企業標準體系覆蓋的內容范圍，涵蓋的業務活動、專業領域、產品范圍等。

對于企業標準體系結構圖，該標準給出了三種推薦性結構，包括功能結構、屬性結構或序列結構。典型的功能結構框圖如圖1所示。

產品實現標準體系是企業為滿足顧客需求所執行的，規范產品實現全過程的標準按其內在聯系形成的科學的有機整體[3]。一般包括產品標準、設計和開發標準、生產/服務提供標準、營銷標準、售后/交付后標準子體系。

基礎保障標準體系是企業為保障企業生產、經營、管理有序開展所執行的，以提高全要素生產率為目標的標準按其內在聯系形成的科學的有機整體。崗位標準體系是為了規范人的活動，使活動流程化、規范化為目標的標準形成的有機整體。

屬性結構中將企業標準體系分為技術標準體系、管理標準體系和工作標準體系，與功能結構中的三類標準有一定的對應關系。序列標準體系基本上按照項目的建設、竣工驗收、運行維護、評價等過程來設置標準子體系。

以上兩項國標對企業編制標準體系給出了一般性原則和通用方法，對于具體各類子體系則需要企業根據自身業務特點和管理工作進行針對性的設置。

國家電網的技術標準體系將標準分為兩個層級[4]：第一層級是技術基礎標準，在一定范圍內是其他標準的基礎，包括了標準化工作導則、通用技術語言標準、量和單位、數值與數據、互換性與精度標準及實現系列化標準、環境保護與安全通用標準、各專業的技術指導通則或導則七個方面；第二層級是技術專業標準，根據涉及的技術領域，分為11個方向，包括規劃設計、工程建設、設備材料、調度與交易、運行檢修、試驗與計量、安全與環保、技術監督、信息技術與通信、售電市場與營銷和新能源。

鐵路行業的技術標準體系也可以分為兩個層次[5]：第一層次主要按照保障鐵路系統正常運行涉及的業務來劃分，包括通用及綜合、機車車輛、工務工程、通信信號、牽引供電、運營服務六個方面。第二層次則根據各自不同業務的特點進行劃分，例如機車車輛技術標準子體系則根據機車車輛的主要組成系統進行劃分，包括基礎通用、機車車輛整車、車體及車內環境、走行系統、牽引電氣系統、制動系統、柴油機、輔助系統、列車網絡及控制系統九個系統。

有學者在相關國標的基礎上，提出了基于疊加產品結構功能的企業標準體系構建方法[6]，其核心思想是采用關聯企業正向研發流程，結合產品結構功能特征。標準體系細分時應既涵蓋產品物料清單，又包含研制活動的功能，使標準體系能有效涵蓋產品全壽命周期研制活動所需標準。利用該方法建立的船舶保障系統及設備標準體系框架如圖2所示。

從以上典型企業的技術標準體系架構可以看出，企業技術標準體系構建的思路主要分為按照全生命周期各個階段和按照各個業務模塊來構建兩種思路，而綜合考慮業務模塊和全生命周期各階段則逐漸成為各個企業構建技術標準體系時的通用做法[7]。此外，在各個子體系之上或者與各個子體系相并列的綜合通用類標準，已成為企業標準體系的必不可少的組成部分。

2 智慧系統標準體系構建

在工業和信息化部、國家標準化管理委員會共同組織制定的《國家智能制造標準體系建設指南（2018年版）》中[8]，智能制造標準體系結構分為“基礎共性”“關鍵技術”“行業應用”三個部分（見圖3）。其中，基礎共性標準包括通用、安全、可靠性、檢測、評價五個部分，用于統一智能制造相關概念，是“關鍵技術”標準和“行業應用”標準的支撐。關鍵技術標準融合了智能制造系統架構中的智能特征維度、全生命周期概念以及系統層級維度，例如智能工廠下面又細分了智能工廠設計、智能工廠建造、智能工廠交付、智能設計、智能生產、智能管理、智能物流和集成優化八個方面。行業應用標準則根據各個行業具體需求進行構建。

史學蓮等[ 9]在對醫療人工智能標準化工作的發展現狀和實際需求進行梳理歸納基礎上，提出了醫療人工智能標準體系架構。醫療人工智能標準體系主要由基礎類、數據類、技術類、應用與服務類、安全與隱私類、管理類等六部分組成，具體框圖如4所示。

該框架中，基礎類標準具有指導性和全局性的作用，包括醫療人工智能標準的術語、體系框架、理論方法、高層信息模型等。數據類標準是保證語義層無歧義的重要基礎，包括數據信息的采集、表達、處理與傳輸交換等過程。技術類標準涉及醫療人工智能應用系統的設計、開發、實施、運行各個環節的技術要求、系統架構、技術實現方式等。應用與服務類標準則對人工智能技術在醫療領域不同場景應用模式下的應用效果進行規范。安全與隱私類標準對網絡、硬件設施、信息系統、數據等方面的安全與個人隱私保護予以規范。管理類標準對醫療人工智能領域標準的合理應用具有指導性的作用，同時影響評價和監督標準的具體實施。

基于《中國智慧城市標準化白皮書（2014）》[10]，王飛飛等[11]提出了智慧城市標準體系（見圖5），共包含總體、支撐技術與平臺、基礎設施、建設與宜居、管理與服務、產業與經濟和安全與保障七個方面。其中基礎設施、建設與宜居、管理與服務、產業與經濟對其他行業參考意義較小，未列出下一層次。數據、感知、計算、平臺、評價等是智能城市構建的核心要素。從該標準體系框架可以看出，智能城市的標準體系也融合了城市管理的一般通用標準。

智能高鐵標準體系架構共分三個層級[12]，第一層級為通用基礎與管理標準、智能高鐵應用標準以及平臺與支撐技術標準。具體如圖6所示。

芮鈞等[13]構建的智能水電廠技術標準體系框架中，將標準分為了基礎類、設備類、平臺類、應用類和試驗類五部分。其中，基礎類標準主要包括了設備編碼類和信息模型類標準；設備類標準主要包括智能水電廠中智能裝備的相關技術規范；平臺類標準用于規范智能水電廠一體化平臺的構建；應用類包括設備檢修決策支持、應急指揮、安全評估等相關決策和應用類標準。

總結目前智慧化系統的標準體系，具有兩個特點，一是都設置基礎類標準用于統一整個智能化系統標準體系的相關概念，并作為構建其余類標準的基礎；二是標準體系的構建與整個智能化系統的構建框架具有很強的關聯性，需基于智能化系統組成和業務活動來構建整個技術標準體系；三是數據的采集、傳輸、分析和應用是智能化系統關鍵技術類和應用類標準的核心考慮因素。

3 智慧管網標準體系構建

基于企業標準體系構建方法和相關智慧化系統的標準體系構建特點，提出智慧管網標準體系構建的一般原則，包括：

（1）充分結合智慧管網建設框架，同時考慮管道從建設到報廢的全生命周期，方便各項工作及科研成果的標準轉化，并確保標準化建設工作能有力支撐智慧管網建設實踐。

（2）借鑒相關智能制造、智慧醫療等智能化系統標準體系建設方法和基本框架，確保智慧管網標準體系建設的先進性。

（3）按照企業標準體系建設的一般要求，確保智慧管網標準體系的整體性，并覆蓋各項業務活動，實現標準體系的全面、協調。

（4）層次適當，每一項標準在標準體系結構圖中應有相應的層次，且層次不宜太多，減少復雜性，同一標準不應同時列入兩個或兩個以上的子體系中。根據第一項原則，智慧管網的標準體系構建應充分結合智慧管網的建設框架。目前，已有學者開展了智慧管網建設方案、智慧管網主要特征等方面的研究[14-19]。

蔡永軍等[14-15]認為管網總體采用“端+云+大數據”的實現方式（見圖7），技術框架分為感知層、傳輸層、數據層、算法層以及應用層。其中，感知層通過各類感知手段，實現對管道及設備本體和周邊環境信息的全面采集；傳輸層對所有感知來的信息進行安全傳輸，實現各個業務系統的互聯互通；數據層則通過云平臺，對數據格式進行統一，并集中管理；算法層通過人工智能和大數據分析技術，實現對數據的智能分析計算；應用層則利用算法層提供的計算結果，對管道狀態進行預測預警，并輔助決策，實現智能化運營。

稅碧垣等[20]提出了智慧管網的五大特征，包括業務智能化、數據統一化、信息互通化、狀態可視化及知識網絡化。業務智能化包括智能化設計、智能化施工和智能化運營，與蔡永軍等[14]提出的應用層內容有一定的對應關系；數據的統一化包括了數據標準的統一和數據的統一管理；信息互通化是基于工業互聯網，通過統一平臺、實時數據庫、云服務等技術，將不同的業務應用系統有效集成，實現信息流和數據流的在管網系統中的無縫流通；狀態的可視化是通過構建管道數字孿生體，實現管道狀態的可視化展示，大大提升日常管理和決策效率；知識網絡化則是構建覆蓋所有業務的知識庫并通過知識提取技術，對特定問題給出針對性的解決方案。數字孿生體是數據統一化、信息互通化、狀態可視化和知識網絡化的最終體現，也是建設智慧管網的核心。

在構建智慧管網標準體系之前，應首先明確智慧管網標準體系與現有管網標準體系的關系。一種觀點認為，智慧管網標準體系應獨立于現有的標準體系，是一個相對獨立的體系。另一種觀點認為，與智慧管網相關的標準或條款應融入現有的標準體系，是在現有標準體系的基礎上加入了智慧的理念，實現對現有標準體系的提升和完善。本文認為，在智慧管網標準體系的構建過程中，可以將兩種觀點進行融合，應單獨建設標準體系，有助于以標準體系為引領，進一步梳理智慧管網技術體系和建設規劃，更好地指導智慧管網建設，在單獨建設標準體系的過程中，需要單獨新制定一些標準，而更多是現有標準進行修訂，補充智慧相關的功能和要求，實現與現有標準體系的融合。

基于目前智慧管網假設框架的相關研究，按照智慧管網標準體系建設原則提出了智慧管網標準體系框架，如圖8所示。

（1）基礎類標準

通用術語與符號類標準可以統一智慧管網的相關概念，為其他標準制定奠定基礎；總則與指南類標準對智慧管網的建設和進行提出總體要求，并給出相關指南；評估模型與方法對智慧管網的成熟度評價指標、評價模型與評價方法進行規范。

（2）感知類標準

感知類標準主要對數據的采集種類、采集頻次、采取的智能化手段等進行規定，根據感知的對象可以分為設備狀態感知、管道本體感知、工藝參數感知、環境感知和人員感知。

（3）數據類標準

數據的高效流通，是建設智慧系統的必要條件，數據的標準化就是要解決數據的統一性問題，可以從數據的分類與代碼、數據模型、數據規范、數據詞典等方面建立標準，對不同數據源進行格式統一，并對同類數據提出規范性要求。

（4）應用與服務類標準

應用與服務類標準可以按照管道的全生命周期進行分類，包括智能化設計、智能化施工和智能化運營。此外，由于管道數字孿生體是實現可視化管理的需要，因此將數字孿生體的建設和應用標準單獨列出。應用和服務類標準實際上包含了智慧系統“感、傳、知、用”數據流中的“知”和“用”環節。

（5）平臺建設和支持技術類標準

平臺建設與支持技術標準是將數據與應用進行串聯的關鍵標準，包括了數據傳輸類標準、為實現數據統一管理的數據中心建設標準、支撐各業務系統信息共享的業務系統融合標準等。此外，由于智慧系統要基于知識進行決策，還包括構建管網知識庫的知識模型類標準。最后還包括了維護整個信息系統安全的系統安全類標準。

4 結 論

智慧管網的建設國內目前尚處于起步階段，及早開展智慧管網技術標準體系研制有利于智慧管網建設成果的標準轉化，通過技術標準體系的研究也有利于從頂層設計層面指導智慧管網建設工作。本文在借鑒其他智能化系統標準體系建設框架的基礎上，基于智慧管網技術架構研究成果，提出了智慧管網技術標準體系架構，該標準體系以“感、傳、知、用”為主線，包含了基礎類標準、感知類標準、數據類標準、應用與服務類標準和平臺建設與支持技術類標準。與其他標準體系一樣，智慧管網標準體系的建設也是一個持續完善的過程，與智慧管網建設實踐存在相互迭代改進的關系。未來隨著智慧管網研究和建設工作的開展，以及相關標準的研制，智慧管網標準體系將持續完善。

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作者簡介

薛魯寧，博士，高級工程師，主要從事油氣儲運專業方向的研究工作。

（責任編輯：袁文靜）