油氣輸送管道完整性管理在信息系統(tǒng)中的技術(shù)架構(gòu)

王昌楠

(中國石化銷售有限公司 北京石油分公司，北京 100035)

目前管道已成為世界第五大運輸工具，管道具有點多、線長、面廣的特點，沿途環(huán)境復雜，安全風險管控難度大，一旦發(fā)生事故，易造成重大安全生產(chǎn)事故，會對人員生命、財產(chǎn)安全和環(huán)境造成嚴重影響。通過總結(jié)和分析11.22事故，進一步明確了油氣管道安全運營發(fā)展目標和努力方向。建立油氣輸送管道完整性管理系統(tǒng)，是支撐管道風險預防式管理模式的保障。

2014年6月，國務院辦公廳發(fā)布《國務院辦公廳關(guān)于加強城市地下管線建設管理的指導意見》，文件明確要求開展普查工作，完善油氣輸送管道信息系統(tǒng)；2016年3月，GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》正式實施，標志著中國油氣輸送管道完整性管理正式進入全面推廣應用階段。在上級管理部門的統(tǒng)一部署下，結(jié)合企業(yè)自身特點建立1套基于油氣輸送管道完整性管理的信息系統(tǒng)，是落實國家對加強油氣管道隱患治理要求的有效措施，是提升管道管理水平的迫切需要。本文結(jié)合某公司油氣輸送管道完整性管理信息系統(tǒng)的實施簡要介紹了中國石化智能化管線管理系統(tǒng)的建設過程以及管道信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)。

1 建設目標

圍繞管道完整性管理總體思路，形成1套長輸智能化管線建設模板和數(shù)據(jù)標準，應用于管道公司日常生產(chǎn)運營與應急管理、管控及管理自動化到智慧化的“智能化管網(wǎng)”工作平臺。平臺以油氣輸送管道完整性為基礎，隱患治理為重點，將輸油生產(chǎn)劃分為輸油運行、運維保障和應急響應3條主線，貫穿各業(yè)務節(jié)點，全方位實現(xiàn)標準化、數(shù)字化、可視化、自動化、智能化，敏捷快速處理各種業(yè)務流程。

2 總體架構(gòu)及集成方案

智能化油氣輸送管線管理系統(tǒng)采用面向服務架構(gòu)(SOA)實現(xiàn)系統(tǒng)的整合及新應用的擴展，采用信息模型完成應用服務和功能之間的連接，采用數(shù)據(jù)模型完成功能和數(shù)據(jù)存儲之間的連接。

智能化油氣輸送管線管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)包括： 數(shù)據(jù)層、服務層、應用層以及信息安全防護系統(tǒng)、信息化標準系統(tǒng)，如圖1所示，總部與下屬企業(yè)遵循統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)。

圖1 智能化油氣輸送管線管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)示意

中國石化智能化油氣輸送管線管理系統(tǒng)分為總部層和企業(yè)層兩級部署，以數(shù)據(jù)模型為基礎，采用SOA架構(gòu)理念，以企業(yè)服務總線(ESB)與操作數(shù)據(jù)存儲(ODS)為支撐進行數(shù)據(jù)建模、流程建模、服務建模，支持各業(yè)務系統(tǒng)間集成、數(shù)據(jù)集成和跨系統(tǒng)業(yè)務流程。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地理信息云服務

3.1.1虛擬化技術(shù)

信息虛擬化技術(shù)是地理信息系統(tǒng)(GIS)公共云平臺的核心技術(shù)，云GIS平臺要實現(xiàn)中國石化總部和下屬企業(yè)之間的資源共享，就必須合理分配資源，并根據(jù)用戶的需求動態(tài)調(diào)整資源。

服務器虛擬化將物理資源等底層架構(gòu)進行抽象，包括虛擬BIOS、虛擬處理器、虛擬內(nèi)存、虛擬設備與I/O，使設備差異和兼容性對上層應用透明，使得云GIS平臺可以對千差萬別的底層資源進行統(tǒng)一管理。該技術(shù)還簡化了應用編寫工作，在開發(fā)過程中能將重點放在業(yè)務邏輯上。

服務器虛擬化技術(shù)將1臺服務器封裝為各種粒度的服務器資源使用，使得不同用戶間資源共享，節(jié)約了用戶成本。

在虛擬化的服務器操作系統(tǒng)上運行云GIS平臺，由于各種虛擬資源的彈性調(diào)配，為了高效率地使用該資源，云基礎設施層的服務器一般采用64位的操作系統(tǒng)，原生64位的云GIS平臺軟件，可以更好地支持云環(huán)境中高性能海量地理數(shù)據(jù)的管理與應用。

3.1.2面向服務架構(gòu)

智能化油氣輸送管線管理系統(tǒng)采用SOA架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的整合及新應用的擴展，采用信息模型完成應用服務和功能之間的連接，采用數(shù)據(jù)模型完成功能和數(shù)據(jù)存儲之間的連接。

云GIS平臺發(fā)布的服務不僅需要支持Web 2.0的標準服務結(jié)構(gòu)，針對空間數(shù)據(jù)的特點，還需要支持OGC標準，以滿足日常GIS平臺應用中各種服務的共享，也是實現(xiàn)上下多級節(jié)點之間橫向和縱向互聯(lián)互通的基礎。

3.1.3云GIS服務彈性調(diào)整技術(shù)

云GIS服務的部署、管理是構(gòu)建平臺的基礎，運行時的彈性調(diào)整則是云GIS的關(guān)鍵部分。針對云架構(gòu)的特點，對該部分需要提供更好的支持。

云GIS服務不同于傳統(tǒng)的操作模式，在傳統(tǒng)的模式中，一般只有1臺或幾臺服務器，通過遠程登錄、拷貝數(shù)據(jù)，操作服務器端的軟件，完成服務的發(fā)布。而在云環(huán)境中，數(shù)據(jù)的處理、打包上傳以及在云GIS平臺中發(fā)布為服務，都需要做一系列的支持。用戶可以在自己的PC端像傳統(tǒng)的操作一樣，編輯、修改、整理、制圖，發(fā)布服務時，可以發(fā)布到指定的云環(huán)境中，在完成相關(guān)身份驗證手續(xù)后，可在云環(huán)境中使用該服務。

云GIS不僅能夠監(jiān)控已有的服務，終止宕掉的進程，回收閑置的資源，包括計算資源和存儲資源，而且還能夠及時發(fā)現(xiàn)和管理新開啟虛擬機中的GIS服務。此外需要考慮云環(huán)境間服務共享，為異構(gòu)云環(huán)境之間GIS服務的共享應用提供支撐，為云環(huán)境之間的綜合應用提供基礎。

基于網(wǎng)狀集群結(jié)構(gòu)管理GIS服務，是實現(xiàn)云GIS服務彈性調(diào)整的關(guān)鍵技術(shù)，云GIS服務彈性調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GIS服務彈性調(diào)整結(jié)構(gòu)示意

云GIS服務彈性調(diào)整過程中，根據(jù)用戶訪問情況以及各個時段GIS服務器節(jié)點的運行情況，可提供GIS服務統(tǒng)計分析，輔助云GIS服務的日常維護，為云環(huán)境的資源配置和計費提供依據(jù)。

隨著各種資源的彈性調(diào)整，云GIS服務的處理能力越來越強大，云GIS服務的應用也隨之更加深入。傳統(tǒng)的以看圖為主的應用模式，改變?yōu)橐灾茍D、分析、數(shù)據(jù)編輯、動態(tài)圖層等多元化的應用方式。

3.1.4云GIS服務共享管理技術(shù)

中國石化集團公司依托總部云構(gòu)建統(tǒng)一的共享資源池，將各類地圖數(shù)據(jù)發(fā)布成地理信息服務，與企業(yè)間進行數(shù)據(jù)的共享。油氣輸送管道業(yè)務地理數(shù)據(jù)龐大，企業(yè)訪問用戶眾多，為了更好地體現(xiàn)集中管理，需要基于云GIS服務共享管理技術(shù)。

云GIS服務共享管理技術(shù)實現(xiàn)了對地圖服務訪問的權(quán)限控制管理、地圖服務的運行狀態(tài)管理、運行地圖服務的平臺監(jiān)控管理和日志管理等，以此保證總部系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行。

3.2 管道完整性管理

3.2.1高后果區(qū)管理技術(shù)

高后果區(qū)是指油氣輸送管道失效發(fā)生泄漏后對財產(chǎn)、環(huán)境造成較大破壞的區(qū)域，高后果區(qū)內(nèi)的管段應作為重點監(jiān)護管段，利用風險評價和完整性評價數(shù)據(jù)完善管理措施，高后果區(qū)管段的長度、位置、范圍應隨著周邊環(huán)境變化和人員密集程度改變。

高后果區(qū)管理是油氣輸送管道完整性管理的第一步，是實施油氣輸送管道完整性管理計劃的關(guān)鍵依據(jù)。高后果區(qū)識別是油氣輸送管道完整性管理的重點，利用GIS技術(shù)可減少企業(yè)的識別和管理成本。

根據(jù)所搜集的管道及基礎地理數(shù)據(jù)，對油氣輸送管道沿線進行潛在影響區(qū)分析、地區(qū)等級分析等，識別出屬于高后果區(qū)的地段，從而為管道安全提供決策支持。以空間數(shù)據(jù)庫為基礎，以GIS技術(shù)為表現(xiàn)手段，實現(xiàn)人工交互式的快速提取高后果信息。

高后果區(qū)管理技術(shù)在信息系統(tǒng)內(nèi)的功能設計如下：

1) 高后果區(qū)填報。不同單位根據(jù)具體情況，選用表格填報、基于數(shù)字化管道創(chuàng)建、通過Excel導入三種方式實現(xiàn)，填報后的信息可通過二級審核功能進行檢驗以保證信息準確性。

a) 基于數(shù)字化管道創(chuàng)建。高后果區(qū)的填報也可基于數(shù)字化管道創(chuàng)建，標注起始和終止位置，自動測量管段長度，用有色線條顯示高后果區(qū)對應管段，可在地圖上標出場所、建筑邊界，并收集周邊環(huán)境的信息。

b) 通過Excel導入。將已有高后果區(qū)數(shù)據(jù)按規(guī)定格式填入Excel表格中，以實現(xiàn)高后果區(qū)數(shù)據(jù)的批量導入，減輕工作量。

c) 填報審核功能。填報模塊設置至少二級審核功能，以保證數(shù)據(jù)的準確性和保密性。站場巡線員工將填好的數(shù)據(jù)上報給管理處審核，審核通過的數(shù)據(jù)須歸檔管理，管理處對未通過的審核數(shù)據(jù)應該給出原因和建議，并反饋給站場修改。站場員工可看到自己管理范圍的管道高后果數(shù)據(jù)，管理處可審核轄區(qū)內(nèi)所有管道的相關(guān)數(shù)據(jù)，審批提交的文件可以保存為多個版本。操作人員通過審核流程圖可看到審批的進度，以便及時跟進完成情況并與相關(guān)負責人溝通。

2) 高后果區(qū)分級評估：

a) 高后果區(qū)評分排序。高后果區(qū)評分功能根據(jù)填報信息對各個高后果區(qū)評分，并按照評分按降序排列，高后果區(qū)的總分是對劃定管段失效后果程度的整體度量，通過該功能可實現(xiàn)油氣輸送管道后果程度的整體評價。

b) 高后果區(qū)分級功能。分級功能可設置分數(shù)閾值，將高后果區(qū)分為緊急處理區(qū)域、優(yōu)先防控區(qū)域、強化監(jiān)管區(qū)域，劃定不同的區(qū)域便于依據(jù)輕重緩急制訂管理措施。

3) 高后果區(qū)監(jiān)管對策功能：

a) 高后果區(qū)監(jiān)管對策上報功能。站場按照高后果區(qū)分級情況，對各類高后果區(qū)制訂管理方案，并對嚴重程度較高的區(qū)域制訂更有針對性的減緩措施，將全部方案形成報告上傳到系統(tǒng)中存檔。

b) 高后果區(qū)監(jiān)管對策審核功能。監(jiān)管對策審核模塊設置至少二級審核功能以保證決策的合理性和保密性，站場將填報好的方案上報給管理處審核，審核通過的方案執(zhí)行，未通過的審核方案，管理處應說明原因和建議，并反饋給站場。站場員工可看到自己管理范圍內(nèi)的管道管理措施，管理處能審核轄區(qū)內(nèi)所有站場上報的方案。

4) 高后果區(qū)識別結(jié)果概覽。結(jié)果概覽統(tǒng)計高后果區(qū)的數(shù)量、總長度、占管道總長的比例，用條形圖或餅圖表格等形式直觀顯示高后果區(qū)的類型分布、數(shù)量比例、按閥室分界的高后果區(qū)里程。

3.2.2風險管理技術(shù)

油氣輸送管道風險管理是在風險評價的基礎上，對可能造成管道失效的各個因素和失效后果識別和分析預測，找出高風險管段，針對性地制訂管道運行管理及維護對策，最大限度地降低管道的失效概率和危害后果，預防一些危險的發(fā)生，從而達到避免或減少事故的目的。

風險管理技術(shù)在信息系統(tǒng)內(nèi)的功能設計如下：

1) 管道分段。管道的分段依據(jù)包括： 站場、閥室、地區(qū)等級、高后果區(qū)、管道壁厚等，其中站場和閥室為必選的分段依據(jù)，地區(qū)等級、高后果區(qū)、管道壁厚為可選的分段依據(jù)。管道最小的分段單元為管道樁。分段依據(jù)愈多、管段數(shù)量愈多，風險評價所需的數(shù)據(jù)愈精細，系統(tǒng)能夠根據(jù)當前的數(shù)據(jù)精細水平，設置分段的建議與提示功能。

2) 風險評價：

a) 自動評分功能。根據(jù)所評價管段，從數(shù)據(jù)庫中自動讀取與風險評價相關(guān)的管道數(shù)據(jù)，根據(jù)風險指數(shù)評分和泄漏危害評分準則，油氣輸送管道事故危害因素共有挖掘破壞、腐蝕、設計與施工、運行與維護、自然和地質(zhì)災害、蓄意破壞六大類，系統(tǒng)自動計算六大類危害因素評分值及泄漏影響系數(shù)，并能夠在人機界面中顯示同一管段六大類危害因素和泄漏影響系數(shù)的評分和不同管段某危害因素或泄漏影響系數(shù)的縱向評分。

b) 權(quán)重設置功能。根據(jù)油氣輸送管道的以往事故統(tǒng)計結(jié)果和管理者的要求確定權(quán)重值，權(quán)重值可以根據(jù)實際情況的變化逐年調(diào)整或同時設置不同的權(quán)重值計算風險值。

c) 權(quán)重人工設置。根據(jù)管理方需要，人工設置管道六類危害因素在指數(shù)評分中所占的比重。

d) 風險值自動計算功能。依據(jù)風險評價模型、指數(shù)評分結(jié)果、危害后果評分結(jié)果以及權(quán)重，在后果自動計算各段管道的風險值。風險值的計算為自動過程，不可人工干預。

e) 評分審核功能。風險指數(shù)評分和權(quán)重設置2個模塊，并設置至少二級審核功能，以保證數(shù)據(jù)的準確性和保密性。

雖然風險評價為自動模式，但是需要具有評價權(quán)限的管理人員實施，因而評價結(jié)果需要通過審核確認。

3) 風險統(tǒng)計分析：

a) 風險排序。根據(jù)計算的管道危害因素分值、不同權(quán)重條件下的失效概率、風險值、泄漏影響系數(shù)，對不同管段按照以上因素分值的大小排序。

b) 風險因素分析功能。根據(jù)危害因素評分、泄漏影響系數(shù)評分、失效概率與風險值對某原始數(shù)據(jù)能夠進行敏感性分析，分析某原始數(shù)據(jù)對評分的影響大小，從而確定導致風險的隱患根源。

4) 風險展示。風險包含相對風險和絕對風險兩方面，同一管道不同管段之間風險值相比，按照風險值的大小確定其風險等級，為相對風險；根據(jù)相關(guān)標準，將風險值的評分從0到滿分分成不同的區(qū)段，根據(jù)管道評分所屬的區(qū)段確定其風險等級，為絕對風險。相對風險和絕對風險等級或區(qū)段的劃分由管道管理人員設定。

a) 風險結(jié)果的圖表展示。風險評估系統(tǒng)能夠具備相對風險和絕對風險同時顯示功能，風險值數(shù)據(jù)的顯示可以在表格和圖表模式間切換。

b) 風險歷史的展示與比對。對于同一條油氣輸送管道的歷次風險評價結(jié)果，可根據(jù)人工設置的對比條件，如風險分布、指數(shù)評分、泄漏后果、權(quán)重變化、敏感因素等進行對比，提供表格對比和圖表對比兩種方式。

3.2.3完整性評價技術(shù)

完整性評價的方法包括內(nèi)檢測、壓力試驗、直接評價，操作中應根據(jù)管道的實際狀況選擇合適的評價方法。內(nèi)檢測能夠精確地確定管道缺陷位置及大小，從而可以計算管道的剩余強度和剩余壽命，對管道的狀態(tài)做出評價；壓力試驗可以測試管道的整體承載能力；直接評價則通過管道外檢測及其他管道信息對管道狀況做出評價。完整性評價的各種方法各有優(yōu)缺點，管理者應根據(jù)管道的實際狀況選擇合適的評價方法。對于與時間有關(guān)的管體缺陷，如內(nèi)腐蝕、外腐蝕和應力腐蝕開裂，上述三種方法都適用；對固有缺陷，如制造和現(xiàn)場施工過程中造成的管體缺陷和焊縫缺陷等，可采用內(nèi)檢測評價法或壓力試驗；對防腐層缺陷，直接評價法更為有效；對與時間無關(guān)的危害，如第三方破壞、自然和地質(zhì)災害等，上述三種方法都不適用，應當進行特定的專項評價。

3.2.4完整性管理信息系統(tǒng)應用

油氣輸送管道完整性管理的核心內(nèi)容為： 以管道數(shù)據(jù)的采集為基礎，以高后果區(qū)的識別管理為重點，以風險評價為決策依據(jù)，將完整性評價用于狀態(tài)診斷，將維修決策用于減緩風險，將效能評價用于改進提升完整性管理水平，各項功能在信息系統(tǒng)中的實現(xiàn)和應用要重點關(guān)注以下三個方面：

1) 完整性管理體系文件。完整性管理體系文件是實施完整性管理的指導性文件，以保證管道完整性管理工作各個步驟的實施，做到有章可循。管道完整性管理體系總體框架中，應形成從業(yè)務環(huán)境、工作內(nèi)容、支撐平臺、實施應用到戰(zhàn)略目標的系統(tǒng)方案。

完整性管理體系文件編制建議采用總則、程序文件、作業(yè)文件的三級體系文件，總則是管道完整性管理的綱領性文件，規(guī)定完整性管理總體內(nèi)容及流程，提出完整性管理體系架構(gòu)；程序文件是完整性管理業(yè)務活動的執(zhí)行程序，對完整性管理的具體程序和控制要求及文件使用部門提供業(yè)務內(nèi)容指導、整體執(zhí)行流程等；作業(yè)文件是程序文件的補充和支持，是管理和操作者的行為指南，圍繞總則和程序文件要求，描述具體的工作崗位和工作現(xiàn)場如何完成某項工作任務的具體做法。

2) 完整性管理流程。完整性管理應建立在過程控制論基礎上，管理控制每一環(huán)節(jié)，通過制訂規(guī)范化的體系文件，明確工作要求，使工作人員目標一致，統(tǒng)一行動。在制訂管理流程時應遵循閉環(huán)原則，在上一個閉合循環(huán)完成后，轉(zhuǎn)入下一個循環(huán)。體系構(gòu)架及其要素可以持續(xù)改進，達到油氣輸送管道最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)良性循環(huán)。完整性管理基本流程如圖3所示。

圖3 完整性管理基本流程示意

3) 完整性功能定位。信息系統(tǒng)中完整性功能設置應充分體現(xiàn)信息化、高效化、智能化，在采集的各類資源數(shù)據(jù)中，既能夠有機地結(jié)合又能進行全面管理。在系統(tǒng)內(nèi)集成完整性管理相關(guān)評價方法，實現(xiàn)快速的批量識別評價，對完整性業(yè)務活動進行綜合管理，最終實現(xiàn)智能化決策。信息系統(tǒng)完整性功能要求如圖4所示。

圖4 信息系統(tǒng)完整性功能示意

4 結(jié)束語

通過基于油氣輸送管道完整性管理的信息系統(tǒng)應用，實現(xiàn)了各項業(yè)務管理的有機整合，有效地提升了油氣輸送管道安全管理水平并提高了日常工作效率。同時，該系統(tǒng)采用云服務、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，較大幅降低了企業(yè)實施成本、管理使用成本和基層員工的工作量。在系統(tǒng)應用過程中，根據(jù)實際情況，不斷對系統(tǒng)模塊進行調(diào)整和優(yōu)化，同時不斷補充和完善油氣輸送管道的基礎數(shù)據(jù)信息，充分發(fā)揮管道綜合管理信息系統(tǒng)的優(yōu)勢，有效保障了油氣輸送管道的運行。