淺析城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化的應(yīng)用

上海大眾燃?xì)庥邢薰?王海華

城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著燃?xì)庥沙鞘械拈T站輸送到成千上萬終端用戶的重任，其中管線長度少則幾百公里，多則上萬公里；各種調(diào)壓設(shè)施、閥門和計量設(shè)備等管網(wǎng)附屬設(shè)施，以及燃?xì)饨K端用具更是不計其數(shù)。傳統(tǒng)燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行、維護(hù)和保養(yǎng)全部要依賴人工的操作，尤其對隱患或故障的排查往往依賴于人的“經(jīng)驗(yàn)”，而智能化的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)則賦予管線及其附屬設(shè)施以“智慧”，使其具有對事物感知、分析、判斷的能力，可對管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)、可能的故障提前處置，并最終實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)本身自我管理，最大程度地減少人為的干預(yù)。管網(wǎng)系統(tǒng)智能化的目的，從用戶方面來講就是使用戶得到更加穩(wěn)定、舒適、安全的燃?xì)庥脷怏w驗(yàn)，從燃?xì)馄髽I(yè)方面來講就是要實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的運(yùn)營。

1 智能管網(wǎng)應(yīng)具備的功能

如前所述，智能管網(wǎng)具有對事物的感知、分析判斷和各種事態(tài)的自我管理功能，三種功能相互依托，逐步遞進(jìn)，從而賦予燃?xì)夤芫W(wǎng)以“智慧”。

1.1 感知功能

感知功能，就是相關(guān)信息的收集能力。這主要涉及兩個問題：一是收集哪些信息，二是如何收集這些信息。

智能管網(wǎng)需要感知的信息量是巨大的。俗話說“見多識廣”，對智能管網(wǎng)而言，其感知的信息量越大，由信息分析出的結(jié)果將越準(zhǔn)確，智能化的程度也將越高。

對需要感知的信息按其產(chǎn)生的載體可分為三大類，分別為：管網(wǎng)內(nèi)部輸送的介質(zhì)(天然氣)本身的相關(guān)信息；管網(wǎng)系統(tǒng)本體的各種信息；管網(wǎng)系統(tǒng)周邊可能影響管網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的外部信息。按信息本身的屬性又可分為固態(tài)信息和動態(tài)信息兩大類：固態(tài)信息是指管網(wǎng)系統(tǒng)本身和其所輸送介質(zhì)的一些固有屬性信息，即可固化的信息；動態(tài)信息是指管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量的運(yùn)營信息，包含系統(tǒng)本身及系統(tǒng)周邊可影響系統(tǒng)運(yùn)行的其他信息。在此，僅按載體分類為例做如下簡單描述：

1.1.1 輸送介質(zhì)信息

燃?xì)夤芫W(wǎng)內(nèi)部輸送的介質(zhì)信息主要是指燃?xì)庠诠芫W(wǎng)系統(tǒng)輸送過程中燃?xì)獗旧淼母黝悈?shù)，如燃?xì)獾某煞?、壓力、溫度、流量，以及燃?xì)庾鳛闅怏w本身所固有的一些物理和化學(xué)屬性。這些信息變化將直接決定燃?xì)廨斔偷钠焚|(zhì)及終端用戶用氣體驗(yàn)。

1.1.2 管網(wǎng)系統(tǒng)本體信息

管網(wǎng)系統(tǒng)本體信息是指管網(wǎng)系統(tǒng)本身的固有信息及管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一些動態(tài)信息。以管道為例：應(yīng)采集的信息主要包含管道材質(zhì)、口徑、空間位置以及運(yùn)行過程中產(chǎn)生腐蝕、電位、磨損、泄漏和應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)，這些信息數(shù)據(jù)將能反映出管網(wǎng)系統(tǒng)本身運(yùn)行的安全性指標(biāo)，是決定管網(wǎng)本質(zhì)安全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.1.3 周邊外部信息

周邊外部信息主要是指管網(wǎng)系統(tǒng)周邊可能會影響到管網(wǎng)安全運(yùn)行的外部信息，比如周邊介質(zhì)的溫度信息、成分信息、震動信息(主要指外力擾動等)以及占壓(包覆)等，這些信息將直接反映管網(wǎng)系統(tǒng)可能受到的外部破壞的風(fēng)險。

需要收集的信息如此之多，如何采集這些信息？在哪些部位采集這些信息？采集信息的頻度是多少？這些信息如何傳輸共享？這都是管網(wǎng)智能化推進(jìn)過程中不得不面對的一些最基本的問題。對管網(wǎng)系統(tǒng)而言，信息的采集不外乎兩種方式，一種是系統(tǒng)設(shè)備自帶的各類信息采集功能，如流量計的流量數(shù)據(jù)、調(diào)壓器進(jìn)出口的壓力數(shù)據(jù)等；另一種方式就是通過外部加裝各類信息采集器的方式采集相關(guān)數(shù)據(jù)。信息的傳輸既可依托第三方平臺，也可自建傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有線或無線傳輸。不論采用哪種方式，目前受技術(shù)水平和成本的限制，全方位地進(jìn)行管網(wǎng)信息的數(shù)據(jù)采集還面臨著諸多困難，相信隨著技術(shù)進(jìn)步，信息收集技術(shù)將逐步完善和推廣。

1.2 分析和判斷功能

如果說管網(wǎng)系統(tǒng)的感知功能是神經(jīng)末梢的話，那么分析和判斷功能將代表智能管網(wǎng)大腦的“智慧化”程度。依托海量數(shù)據(jù)的處理和各類算法的應(yīng)用，智能化管網(wǎng)的分析和判斷能力應(yīng)至少包含以下三個方面：

1.2.1 統(tǒng)計和預(yù)測功能

統(tǒng)計和預(yù)測功能應(yīng)該是智能管網(wǎng)一項(xiàng)最基本的能力。應(yīng)不僅能夠統(tǒng)計各類與燃?xì)廨斔拖嚓P(guān)的數(shù)據(jù)，而且還應(yīng)當(dāng)能夠?qū)芫W(wǎng)系統(tǒng)本身運(yùn)行的工況進(jìn)行各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計，同時可對未來某一時期的運(yùn)行進(jìn)行預(yù)測。

1.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析

智能管網(wǎng)應(yīng)具備對自身運(yùn)行進(jìn)行定性和定量的分析能力，至少應(yīng)涉及到管網(wǎng)系統(tǒng)輸送介質(zhì)的穩(wěn)定性、管道及附屬設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及終端燃?xì)庥镁哌\(yùn)行的穩(wěn)定性，對超標(biāo)數(shù)據(jù)或即將超標(biāo)的各類參數(shù)應(yīng)具備必要的警示或預(yù)警功能。同時能夠通過運(yùn)行穩(wěn)定性分析，為管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供方案。

12.3 系統(tǒng)風(fēng)險分析

智能管網(wǎng)應(yīng)具有對自身安全和風(fēng)險進(jìn)行評估和分析的能力，這關(guān)系到管網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備設(shè)施是否能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，是否存在泄漏或失效風(fēng)險，為管網(wǎng)系統(tǒng)的搶修和改造提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 自我管理功能

當(dāng)管網(wǎng)系統(tǒng)本身具有了“動腦”能力后，“自我管理功能”則反應(yīng)出智慧管網(wǎng)的“動手”能力。燃?xì)庵悄芑芫W(wǎng)的自我管理功能將分為兩個階段，第一階級將實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行的自動控制，平衡各類運(yùn)行參數(shù)，以使管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在最為安全和高效的條件下運(yùn)行；第二階段將實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)本身自我修復(fù)功能，即將能夠?qū)芫W(wǎng)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的各類問題和風(fēng)險進(jìn)行自我修復(fù)或臨時處置，將風(fēng)險降至最低，這也將是智能燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)展的終極目標(biāo)。

2 智能管網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展

就目前的技術(shù)水平和成本投入來講，城鎮(zhèn)燃?xì)庵悄芄芫W(wǎng)的建設(shè)不可能一蹴而就，需要經(jīng)歷一個相當(dāng)漫長的過程。管網(wǎng)的智能化建設(shè)，還是應(yīng)本著規(guī)劃先行、分階段實(shí)施的原則逐步推進(jìn)，理清每個發(fā)展階段的任務(wù)和目標(biāo)將是關(guān)鍵。智能管網(wǎng)的建設(shè)，筆者認(rèn)為至少應(yīng)經(jīng)歷三個發(fā)展階段，即數(shù)字化管網(wǎng)平臺建設(shè)階段、信息采集和分析階段和自我控制管理階段，當(dāng)然這三個階段并非邏輯上的三步走，而是考慮到每個階段的發(fā)展和建設(shè)重點(diǎn)。

2.1 數(shù)字化管網(wǎng)平臺建設(shè)階段

要實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)智能化，首先應(yīng)建立一套完善的數(shù)字化管網(wǎng)平臺，這也是構(gòu)建智能化管網(wǎng)的基礎(chǔ)之基礎(chǔ)。數(shù)字化的網(wǎng)系統(tǒng)不僅能夠虛擬展示現(xiàn)實(shí)管網(wǎng)的所有設(shè)施(即數(shù)字化圖檔)，而且還應(yīng)能夠收集并向管理者提供所需要的各類管網(wǎng)信息。數(shù)字化的管網(wǎng)系統(tǒng)歷經(jīng)近 20年的發(fā)展，已取得一些成績，目前較為常見的GIS系統(tǒng)已被各大燃?xì)夤酒毡椴捎?。但從目前?yīng)用情況看，還僅僅實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夤芫W(wǎng)圖檔資料初步的數(shù)字化，雖然某些管網(wǎng)的GIS系統(tǒng)已具備簡單的分析和統(tǒng)計功能，但距離實(shí)現(xiàn)智能化的要求還相距甚遠(yuǎn)。

一套完善的數(shù)字化管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)至少具備以下兩個基本功能：

(1)必須具備詳盡的管網(wǎng)固態(tài)屬性，也就是通常所說的圖檔(檔案)系統(tǒng)，它將涵蓋連接在管網(wǎng)系統(tǒng)上的所有的管道、設(shè)備的自有屬性。以管道為例：應(yīng)至少包含原料的采購、施工過程、驗(yàn)收過程以及工程竣工結(jié)算過程的的各類屬性參數(shù)。

(2)必須具備接收和存儲管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各類動態(tài)參數(shù)的能力。雖然目前在用的各類SCADA系統(tǒng)、GPRS采集系統(tǒng)等已具備接受和存儲數(shù)據(jù)的能力，但不論從數(shù)據(jù)采集的密度還是數(shù)據(jù)挖掘的程度來看目前仍處于初級階段，更為關(guān)鍵的是，這些采集的數(shù)據(jù)對數(shù)字化管網(wǎng)系統(tǒng)來講還是十分孤立的，并未做到與數(shù)字化管網(wǎng)的有效融合。

2.2 信息采集和分析階段

此階段顧名思義就是采集管網(wǎng)各類數(shù)據(jù)，針對數(shù)據(jù)分析管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。此階段根據(jù)信息采集和分析的難易也可大致分為兩個階段：

第一階段——管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測階段：此階段的主要任務(wù)是構(gòu)建管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵設(shè)備上必要信息的采集和初步的預(yù)警能力，為管理者把控管網(wǎng)的整體運(yùn)行情況提供數(shù)據(jù)支持，同時實(shí)現(xiàn)簡單的分析和預(yù)測。目前，一些有規(guī)模的燃?xì)夤疽殉醪酱罱ㄆ鹆舜祟惼脚_，如管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的壓力、流量的監(jiān)測，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對管網(wǎng)系統(tǒng)或重要用戶的燃?xì)夤?yīng)情況進(jìn)行實(shí)時的了解。

第二階段——海量數(shù)據(jù)的采集和分析階段：隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的突破和成本的降低以及新型具有智能感知材料和設(shè)備的出現(xiàn)，對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集和傳輸將成為可能。此階段的重點(diǎn)工作將是大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集和收集，同時輔助后臺管理系統(tǒng)的處理和算法的應(yīng)用，使管理者能夠全面而精準(zhǔn)地掌握管網(wǎng)系統(tǒng)中所有管段、所有設(shè)備、設(shè)施(包括終端用氣設(shè)備)的運(yùn)行情況，并能夠向管理者提供局部或全局管網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及可能存在的各類風(fēng)險分析，為管理者的決策提供依據(jù)，同時可實(shí)現(xiàn)少量管網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的自動調(diào)節(jié)和自動控制。

2.3 自我控制管理階段

這個階段是管網(wǎng)建設(shè)的終極目標(biāo)，主要側(cè)重于管網(wǎng)的自控能力建設(shè)，將實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)所有設(shè)備設(shè)施的自動調(diào)控，對風(fēng)險能夠自動識別、自主消除等等，此時的管網(wǎng)將具有真正意義上的“智慧”。

3 結(jié)語

城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的智能化，最終目的是為了解放人力資源，同時實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)自主高效安全的運(yùn)行。它將帶來傳統(tǒng)管網(wǎng)運(yùn)行管理模式的革命性改變，是人類科技進(jìn)步的必然趨勢。管網(wǎng)智能化的藍(lán)圖無限美好，但其實(shí)現(xiàn)將要經(jīng)歷一個相當(dāng)長的階段，而且每一步的實(shí)施并不輕松。

智能化管網(wǎng)的建設(shè)，無論處于哪個階段，總體的規(guī)劃將是關(guān)鍵，不論分系統(tǒng)如何建設(shè)，都應(yīng)圍繞主線，在大的構(gòu)架下發(fā)展，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)才可能進(jìn)行高效綜合利用，這也是近階段所面臨的，也是必須應(yīng)該解決的問題，否則要么智能化將成為華而不實(shí)的口號，要么將浪費(fèi)大量的人力物力和財力。

當(dāng)然，管網(wǎng)系統(tǒng)的智能化發(fā)展是必須要依托信息化技術(shù)和自動控制技術(shù)的進(jìn)步，但如何將現(xiàn)有技術(shù)高效地融入到管網(wǎng)智能化建設(shè)當(dāng)中，考驗(yàn)著每一位管理者的智慧。