我國智慧管道建設現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)探討

程萬洲 王巨洪 王學力 王 新

中國石油管道公司

油氣管道點多線長，處于開放的社會環(huán)境中，沿線自然環(huán)境、人為因素時刻影響著管道安全，部分因素的發(fā)生偶然性很強、運行風險高、管理難度大，管道事故時有發(fā)生。青島“11·22”事故的警醒及新安全生產(chǎn)法、新環(huán)境保護法和特種設備安全法的相繼出臺，國家對油氣管道安全重視程度日益提升，行業(yè)監(jiān)管更趨嚴格。由于油氣管道輸送行業(yè)自身特點，其傳統(tǒng)發(fā)展模式存在管理效率低、人工成本高、技術(shù)決策風險大等瓶頸，在安全環(huán)保監(jiān)管越來越嚴格、提質(zhì)增效壓力越來越大的情況下，迫切需要轉(zhuǎn)變生產(chǎn)管理方式，降低運營成本，提升發(fā)展質(zhì)量[1]。隨著全球物聯(lián)網(wǎng)、新一代移動寬帶網(wǎng)絡、云計算、大數(shù)據(jù)分析等新一輪信息技術(shù)的迅速發(fā)展和深入應用，信息化正醞釀著重大變革，工業(yè)制造向更高階段的智能化發(fā)展成為必然趨勢。管道行業(yè)作為傳統(tǒng)行業(yè)也開始了積極探索，努力向智能化方向發(fā)展。

1 智慧管道提出的背景

20世紀末，時任美國副總統(tǒng)的戈爾在一次演講中第一次提出了“數(shù)字地球”的概念，由此掀起了全球數(shù)字化的浪潮。帶來的地理信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的深刻革命，使油氣管道建設和運行過程中充分應用數(shù)字技術(shù)成為可能。通過海量地理信息和建設運行數(shù)據(jù)，我們可以在計算機屏幕上了解管道、分析管道和虛擬未來的管道[2]。2008年11月，IBM提出“智慧地球”的理念，2009年8月，IBM發(fā)布《智慧地球贏在中國》計劃書，在全球掀起了“智慧”系統(tǒng)的建設浪潮。

在此背景之下，2011年4月工業(yè)和信息化部、科學技術(shù)部、財政部、商務部、國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推進信息化與工業(yè)化深度融合的若干意見》，提出把智能發(fā)展作為信息化與工業(yè)化融合長期努力的方向，推動云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)應用，促進工業(yè)產(chǎn)品、基礎設施、關(guān)鍵裝備、流程管理的智能化和制造資源與能力協(xié)同共享，推動產(chǎn)業(yè)鏈向高端躍升。國內(nèi)工業(yè)企業(yè)積極探索智能化建設，先后涌現(xiàn)出中國石化九江石化分公司等一系列全國兩化融合管理體系貫標示范企業(yè)和國家智能制造試點示范單位。2015年3月，李克強總理政府工作報告首次提出“互聯(lián)網(wǎng)+”概念，標志著“互聯(lián)網(wǎng)+”上升為國家戰(zhàn)略，同時也宣告了中國正式開啟“互聯(lián)網(wǎng)+”時代[3]。2015年7月，國務院印發(fā)《關(guān)于積極推進互聯(lián)網(wǎng)+行動的指導意見》，提出充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在促進產(chǎn)業(yè)升級以及信息化和工業(yè)化深度融合中的平臺作用，推動生產(chǎn)方式和發(fā)展模式變革，確定了互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源在內(nèi)的11項重點行動。隨后，國家發(fā)改委、能源局及工業(yè)和信息化部聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，提出以“互聯(lián)網(wǎng)+”為手段，以智能化為基礎，促進能源和信息深度融合，推動能源互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)、新模式和新業(yè)態(tài)發(fā)展。針對油氣管道，智能管道是未來主要發(fā)展方向，也是智慧能源的重要組成部分[4]。

以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的新一輪信息技術(shù)革命，為信息技術(shù)向智能化、集成化方向發(fā)展，信息網(wǎng)絡向?qū)拵?、融合方向發(fā)展，信息技術(shù)與其他產(chǎn)業(yè)技術(shù)高度融合提供了重要的技術(shù)基礎?！爸腔酃艿馈笔切乱惠喰畔⒓夹g(shù)變革和知識經(jīng)濟進一步發(fā)展的產(chǎn)物，是工業(yè)化與信息化深度融合并向更高階段邁進的表現(xiàn)（圖1）。

2 智慧管道發(fā)展現(xiàn)狀

通用電氣和埃森哲公司2014年聯(lián)合推出全球首個“智能管道解決方案”，2015年被美國最大的管道運營商之一的哥倫比亞管道公司應用。智能管道解決方案整合了地理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、風險管理系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并與外部數(shù)據(jù)結(jié)合，如天氣、地震和第三方活動信息等，整合以后的數(shù)據(jù)具有開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可為管道提供實時的數(shù)字化參考。通過該解決方案，用戶可以整合預測功能，為未來管道決策提供支持[5]。

我國智能管道建設目前還處于發(fā)展初期。2014年11月，中國石油化工集團公司（簡稱中國石化）正式啟動智能管線建設項目工作，完成了數(shù)字化管理、完整性管理、管線運行、隱患治理、應急響應、綜合管理六大類功能的研發(fā)。項目重視數(shù)據(jù)標準化和業(yè)務流程模板化，通過新建、采標、擴標，形成了一套涵蓋數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務、培訓四大類的智能化管線標準體系框架。智能管線具備管線缺陷和隱患報警功能，能及時了解事故現(xiàn)場狀況，實時監(jiān)控事故管線的生產(chǎn)運營情況，實時掌握事故處置動態(tài)，最大限度控制事故的影響和損失。

伴隨信息技術(shù)和完整性管理技術(shù)的進步發(fā)展，建設數(shù)字化管道已經(jīng)成為國內(nèi)外管道運營者的主要目標[6]，中國石油天然氣集團公司（簡稱中國石油）近年來在管道建設的標準化和數(shù)字化方面持續(xù)探索，取得豐碩成果，為建設智慧管道奠定了基礎。2003年起，西氣東輸冀寧聯(lián)絡線、西部原油成品油管道、港棗成品油管道、蘭銀輸氣管道等開始嘗試“數(shù)字化管道”建設，自施工階段開始應用數(shù)字化管道系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)的局部應用；2015年9月投產(chǎn)的哈沈天然氣管道是中國石油首條采用全生命周期數(shù)字化設計技術(shù)的長輸管道；2016年完成了數(shù)字化設計體系、數(shù)字化移交標準和全生命周期數(shù)據(jù)庫的配套建設，并在中俄原油二線、陜京四線、中靖聯(lián)絡線等管道工程深化應用。在油氣管網(wǎng)規(guī)模建設過程中，管道業(yè)務的“標準化、模塊化、信息化”水平不斷提高，已完成從傳統(tǒng)管道向數(shù)字管道的轉(zhuǎn)變。2017年6月，中國石油提出“全數(shù)字化移交、全智能化運營、全生命周期管理”智慧管道建設理念，將以中俄東線天然氣管道為起點，步入智慧管道建設階段。

智慧管道建設以保障安全、提升經(jīng)濟效益為目標，圍繞工程建設、生產(chǎn)運行及管道管理3條主線，利用先進的感知技術(shù)，將采集到的海量數(shù)據(jù)納入云存儲，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)新應用，優(yōu)化系統(tǒng)資源，進行智能分析決策。智慧管網(wǎng)目前還是一個全新概念，中國石油對智慧管網(wǎng)定義為：在標準統(tǒng)一和數(shù)字化管道的基礎上，以數(shù)據(jù)全面統(tǒng)一、感知交互可視、系統(tǒng)融合互聯(lián)、供應精準匹配、運行智能高效、預測預警可控為特征，通過“端+云+大數(shù)據(jù)”體系架構(gòu)集成管道全生命周期數(shù)據(jù)（圖2），提供智能分析和決策支持，用信息化手段實現(xiàn)管道的可視化、網(wǎng)絡化、智能化管理，具有全方位感知、綜合性預判、一體化管控、自適應優(yōu)化的能力。

3 智慧管道建設關(guān)鍵技術(shù)、面臨問題與 解決方案

3.1 全面統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，實現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)互通

經(jīng)過多年的統(tǒng)一規(guī)劃與建設，中國石油信息化已經(jīng)形成規(guī)模應用，建設了多個核心應用系統(tǒng)（圖3）。（1）管道ERP系統(tǒng)覆蓋并優(yōu)化了設備、物資、項目、財務等核心業(yè)務流程，加強了管控力度，實現(xiàn)企業(yè)物流、資金流及信息流的統(tǒng)一；（2）管道工程建設管理系統(tǒng)（PCM）業(yè)務覆蓋從核準立項、勘察設計、工程施工、投產(chǎn)試運到竣工驗收的各階段，對工程建設業(yè)務統(tǒng)一管理，規(guī)范了工程項目管理流程，促進了業(yè)主與承包商的協(xié)同工作，初步實現(xiàn)建設和運營期數(shù)據(jù)共享，對工程建設項目起到重要支持作用；（3）管道生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PPS）實現(xiàn)了油氣管道生產(chǎn)運行計劃、調(diào)度、運銷計量、能源管理等業(yè)務統(tǒng)一管理，推動了油氣管道由分散調(diào)控向集中調(diào)控的重要轉(zhuǎn)變；（4）管道完整性管理系統(tǒng)（PIS）實現(xiàn)了從管道日常管理、高后果區(qū)識別、風險識別與分析、完整性評價、缺陷修復到效能評估等環(huán)節(jié)的閉環(huán)管理，確保管道安全、可靠、受控，為管道管理提供有力支撐。核心應用系統(tǒng)基本涵蓋了工程建設、生產(chǎn)運行及管道管理等管道核心業(yè)務領域，滿足了企業(yè)的經(jīng)營管理需求，促進了業(yè)務規(guī)范和管理水平提升。

圖2 “端+云+大數(shù)據(jù)”體系架構(gòu)

由于各應用系統(tǒng)均是針對固定的業(yè)務模式進行開發(fā)，業(yè)務管理側(cè)重點不同、報表格式不統(tǒng)一，導致重復錄入、多頭上報，準確性無法保證。大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)存在形式多樣，形成“信息孤島”，缺乏有效共享，數(shù)據(jù)更新缺乏快速、有效、先進的方法。

數(shù)據(jù)標準的統(tǒng)一是建設“智能管道、智慧管網(wǎng)”的前提?！笆濉逼陂g，中國石油已在管道全生命周期各階段建立了管道全生命周期系列數(shù)據(jù)移交規(guī)定（CDP）、PIS數(shù)據(jù)規(guī)范、ERP數(shù)據(jù)規(guī)范等數(shù)據(jù)規(guī)范。這些標準在各自業(yè)務領域發(fā)揮著重要作用的同時，其差異和問題也在顯現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)規(guī)范在分類結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面存在差異，使在此基礎上建立起來的信息系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享存在障礙。

因此，需要對基礎層面的數(shù)據(jù)標準進行統(tǒng)一與融合，實現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一分類、互融以及數(shù)據(jù)定義的一致，理順建設期和運維期的數(shù)據(jù)聯(lián)系，實現(xiàn)從管道的概念、定義、實施、驗收、運維到最終報廢各階段的數(shù)據(jù)標準全面統(tǒng)一，規(guī)范數(shù)據(jù)移交的格式、編碼、結(jié)構(gòu)，形成統(tǒng)一、覆蓋全生命周期的數(shù)據(jù)標準，為相關(guān)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和應用集成提供支持，滿足全數(shù)字化移交、全智能化運營、全生命周期管理的基礎數(shù)據(jù)需要。

圖3 管道業(yè)務核心應用系統(tǒng)

3.2 搭建管道物聯(lián)網(wǎng)，健全數(shù)據(jù)采集端，實現(xiàn)管 道全面智能感知

智能感知是智能管道建設的重要基礎和密不可分的組成部分，是開展智能化系列應用的前提條件和重要保障。隨著管道信息化的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的獨有特點恰好滿足了該需求[7]。通過應用物聯(lián)網(wǎng)采集傳輸技術(shù)，全面采集站場各類自控系統(tǒng)和管道專用傳感器采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)管道及站場運行數(shù)據(jù)的實時泛在感知，支持其他信息系統(tǒng)的設備運行監(jiān)測診斷、泄漏監(jiān)測、第三方損壞預警、地質(zhì)災害預警等數(shù)據(jù)分析應用。

物聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)架構(gòu)上可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層：

（1）感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的核心，是工業(yè)領域和信息技術(shù)領域發(fā)展的重點。其由各種傳感器和傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，作用相當于人的感覺神經(jīng)末梢，用于識別物體和過程，并采集所需信息。例如將管道監(jiān)測系統(tǒng)（如光纖預警系統(tǒng)、泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)）應用于管道線路狀態(tài)監(jiān)測中。

（2）網(wǎng)絡層由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息?？蓱脽o線、有線兩種通信技術(shù)：①無線通信技術(shù)，近距離的無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最活躍的部分，目前常用技術(shù)包括藍牙、ZigBee、RFID、NFC、UWB、WI-FI等[8]；②有線通信技術(shù)，利用金屬導線光纖等有形媒質(zhì)傳送信息。光纖通信和衛(wèi)星通信是智慧長輸管道的重要通信手段[9]。如無人機可通過搭載的高清相機、高清攝像機、紅外探測器等感知設備進行高清拍照和數(shù)據(jù)采集，并通過互聯(lián)網(wǎng)或有線網(wǎng)絡與地面控制站和數(shù)據(jù)接收設備、實時影像接收設備連線，實現(xiàn)管道沿線監(jiān)控影像的傳輸，完成管道巡檢作業(yè)。

（3）應用層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，可與行業(yè)具體需求結(jié)合，利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)開展業(yè)務應用與分析，為管理決策層提供依據(jù)[10]。應用層包括數(shù)據(jù)存儲和應用，通過云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對感知層采集的管道數(shù)據(jù)進行存儲、計算、處理和挖掘分析，進而實現(xiàn)對長輸管道的實時控制、完整性管理和科學決策。例如管道巡檢系統(tǒng)，通過分析大量巡線數(shù)據(jù)和第三方施工記錄，研究管道第三方損壞風險規(guī)律，合理安排巡線計劃，實現(xiàn)基于風險的管道巡護。

在長輸管道的一些業(yè)務領域，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展了泄漏監(jiān)測、陰極保護數(shù)據(jù)采集、移動巡檢等應用，但依然停留在某些單項業(yè)務領域[11]。全面、準確的數(shù)據(jù)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的重要基礎，為有效整合分散的數(shù)據(jù)，有必要建立一個物聯(lián)網(wǎng)平臺對各類感知層數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，以全面感知管道。智能感知技術(shù)是智能管道、智慧管網(wǎng)建設的數(shù)據(jù)來源和基礎，應學習國內(nèi)外先進智能感知技術(shù)，吸收行業(yè)內(nèi)外的新思想、新技術(shù)，大膽創(chuàng)新利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等技術(shù)，構(gòu)建面向應用的數(shù)據(jù)集成平臺和智能應用服務系統(tǒng)（包括管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)視、智能陰極保護測試樁、射頻識別技術(shù)、光纖傳感、無人機技術(shù)等），實現(xiàn)多個系統(tǒng)的高度集成共享。

3.3 建設管道數(shù)據(jù)中心，借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)， 實現(xiàn)智能化應用

在互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)存儲、計算和應用的集中化已是大勢所趨，應運而生的數(shù)據(jù)中心正以前所未有的速度發(fā)展[12]。管道各信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)抽取至管道數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和加載，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、綜合利用和可視化展示，通過統(tǒng)一接口為各業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析挖掘應用提供數(shù)據(jù)共享服務和全方位支持，避免了多個數(shù)據(jù)源匯總數(shù)據(jù)帶來的延遲性、數(shù)據(jù)交叉矛盾、系統(tǒng)不兼容、跨平臺開發(fā)等多種問題。數(shù)據(jù)中心向下實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成管理，向上統(tǒng)一分發(fā)數(shù)據(jù)提供個性化應用，集成各種類型的數(shù)據(jù)分析挖掘工具，為業(yè)務管理提供全方位的決策支持。同時，基于數(shù)據(jù)中心可以建設管道安全監(jiān)測預警中心，實現(xiàn)管道風險的集中、動態(tài)、可視化管理，極大增加了數(shù)據(jù)的使用效率。

大數(shù)據(jù)是近年繼物聯(lián)網(wǎng)、云計算之后最炙手可熱的技術(shù)。管道信息系統(tǒng)所產(chǎn)生、存儲和使用的數(shù)據(jù)總量正在逐年遞增，數(shù)據(jù)所承載的業(yè)務內(nèi)涵、數(shù)據(jù)管理的復雜性也在不斷攀升，其所蘊含的價值成為企業(yè)重要的資產(chǎn)。采用何種手段，可以更有效地使用數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、挖掘數(shù)據(jù)價值、提高數(shù)據(jù)使用效率、縮短數(shù)據(jù)分析周期、更快地為管理提供支持，是業(yè)內(nèi)亟需解決的“數(shù)據(jù)海量、信息缺乏”的問題。

目前，大數(shù)據(jù)分析在管道系統(tǒng)的應用案例較少，僅限于在管道風險分析、內(nèi)檢測等方面進行了初步探索，尚未實質(zhì)性應用。管道物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)管理的新模式，開啟了管道企業(yè)數(shù)據(jù)管理的新篇章，是形成管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的基礎，兩者的結(jié)合將成為數(shù)據(jù)管控的新模式[13]。面對管道生產(chǎn)運行過程中快速增長的管道數(shù)據(jù)，需要選擇特定的模型計算框架，開發(fā)部署大數(shù)據(jù)分析模型，自動適應數(shù)據(jù)量的成倍增長，在滿足模型計算可靠性和準確性的前提下，確保模型運算的速度。如何將這些數(shù)據(jù)快速存儲并應用于大數(shù)據(jù)分析，是大數(shù)據(jù)分析模型服務于實際生產(chǎn)的關(guān)鍵。

利用管道數(shù)據(jù)中心，從原來分散的海量數(shù)據(jù)庫中抽取形成各類專題數(shù)據(jù)，滿足各專業(yè)的數(shù)據(jù)檢索和應用。利用大數(shù)據(jù)分析工具，對工程建設、生產(chǎn)運行、維修維護、應急響應、日常監(jiān)控等業(yè)務中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)開展挖掘分析，找出隱藏在現(xiàn)象背后的規(guī)律、預測變化趨勢，指導設備預檢預修，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)方案，減少非計劃停輸，實現(xiàn)安全高效運營。大數(shù)據(jù)分析將是管道企業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢之一，是實現(xiàn)管道智能化決策的重要手段。

4 結(jié)束語

智能化已經(jīng)成為世界科技發(fā)展的大趨勢，同樣是未來管道行業(yè)發(fā)展的大趨勢，是提高管道本質(zhì)安全水平和運營效益的有效途徑。當前，我國智能管道建設總體還處于起步階段，智能管道建設工作應循序漸進，做好短板分析，穩(wěn)步推進，逐步實現(xiàn)智能應用。應加強人員隊伍建設，打破固有思維定式，完善現(xiàn)有管理模式，適應未來智能管道、智慧管網(wǎng)發(fā)展需求。