山地油氣管道智能化建設(shè)架構(gòu)與方法

鄒永勝 梁 俊 高建章 熊 明 吳志鋒 李章青 王維國 張興龍

中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司, 四川 成都 610041

0 前言

2017年5月,國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》,明確提出中國油氣長輸管道將迎來新的建設(shè)高峰,迫切需要提升科技支撐力,加強(qiáng)油氣管網(wǎng)與信息等領(lǐng)域新技術(shù)創(chuàng)新融合,提高管道智能化運(yùn)行水平[1-5]。

中國西南地區(qū)油氣管道70%以上為大落差山地管道,沿線地形起伏劇烈,穿跨越多,水力參數(shù)變化大;地震活動(dòng)頻繁,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高;國際河流多,安全環(huán)保任務(wù)重。這些風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和難點(diǎn)[6-10],通過傳統(tǒng)的技術(shù)手段很難得到有效管控,需要探索適合西南山地油氣管道智能化建設(shè)新模式。

1 國外管道智能化建設(shè)

通過調(diào)研意大利SNAM公司、美國哥倫比亞管道集團(tuán)、挪威康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司在管道智能化建設(shè)中的成功作法,總結(jié)出國外管道智能化運(yùn)行主體架構(gòu)。人機(jī)混合智能決策是國外智能化管道運(yùn)行重點(diǎn),基于大數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生體等技術(shù)建立了智能決策輔助平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)油氣管道在線仿真、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制、地質(zhì)災(zāi)害在線監(jiān)測(cè)、管道完整性管理等功能,形成最優(yōu)的人機(jī)混合決策方案,提升管道經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行水平。

1.1 國外管道智能化建設(shè)主體架構(gòu)

國外管道智能化建設(shè)的主體架構(gòu)總體可分為數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化層、應(yīng)用與決策優(yōu)化層以及控制層,見圖1。目前,針對(duì)油氣管道數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化層的建設(shè),國內(nèi)外建設(shè)差距不斷縮小[11],建設(shè)思路基本一致,即：數(shù)據(jù)感知層是通過各種感知手段,實(shí)現(xiàn)管道本體、設(shè)備設(shè)施、周邊環(huán)境、管理人員以及儲(chǔ)備物資數(shù)據(jù)的智能采集和處理,是管道智能化建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ);數(shù)據(jù)傳輸層對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,打破信息孤島;數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化層通過云平臺(tái),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)化及存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一[12]。

圖1 國外管道智能化建設(shè)主體架構(gòu)圖Fig.1 Main structure of smart construction of foreign pipelines

國內(nèi)外技術(shù)差距較大的層次是應(yīng)用與決策優(yōu)化層和控制層。應(yīng)用與決策優(yōu)化層是管道智能化建設(shè)核心。國外管道智能化基于數(shù)字孿生體技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、在線仿真與優(yōu)化技術(shù)、管道完整性管理技術(shù)等,建立機(jī)理模型和人工智能模型,實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合決策、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)測(cè)、設(shè)備故障預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能;控制層是管道智能化的執(zhí)行層,國外管道智能化主要依靠先進(jìn)的工控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)執(zhí)行與動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的閉環(huán)智能控制。

1.2 國外管道智能化建設(shè)特色技術(shù)

1.2.1 意大利SNAM公司

意大利SNAM公司是歐洲領(lǐng)先的天然氣管道公司,運(yùn)維著意大利本土約95%的天然氣集輸系統(tǒng),其管道智能化建設(shè)架構(gòu)見圖2。SNAM公司通過部署SIMONE在線仿真系統(tǒng)、E-vpmsTM在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),建立瞬態(tài)仿真引擎和預(yù)測(cè)引擎,實(shí)現(xiàn)在線仿真、生存時(shí)間分析、管輸計(jì)劃制定、管存預(yù)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)與定位等功能,依托員工任務(wù)智能分配系統(tǒng),評(píng)估員工專業(yè)技能,將任務(wù)遠(yuǎn)程分配至最佳員工手持移動(dòng)設(shè)備終端,形成閉環(huán)智能控制。

圖2 意大利SNAM管道智能化建設(shè)架構(gòu)圖Fig.2 Italian SNAM’s pipeline smart construction framework

1.2.2 美國哥倫比亞管道集團(tuán)

美國哥倫比亞管道集團(tuán)存儲(chǔ)天然氣85×108m3,運(yùn)營超過2.4×104km的洲際天然氣管道,是北美地區(qū)主要的管道運(yùn)營商,其管道智能化建設(shè)架構(gòu)見圖3。美國哥倫比亞管道集團(tuán)擁有三大管道運(yùn)行智能決策優(yōu)化平臺(tái),分別為GE PVI管道完整性管理平臺(tái)、GE Predix工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和GE Samllworld GIS資產(chǎn)管理平臺(tái)?；诠I(yè)物聯(lián)網(wǎng)、管道完整性、三維建模等技術(shù),三大平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、工況分析預(yù)測(cè)、管道管理優(yōu)化、動(dòng)態(tài)資產(chǎn)評(píng)估、設(shè)備信息數(shù)據(jù)可視化等功能,將決策優(yōu)化信息上傳至調(diào)控中心,由調(diào)控中心控制優(yōu)化管道運(yùn)行狀態(tài),形成閉環(huán)智能控制。

圖3 美國哥倫比亞管道集團(tuán)管道智能化建設(shè)架構(gòu)圖Fig.3 American Columbia Pipeline Group’s pipeline smart construction framework

1.2.3 挪威康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司

挪威康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司的核心技術(shù)是管道數(shù)字孿生體建模技術(shù),能在數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多物理量、多尺度、多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的油氣管網(wǎng)過程仿真,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)仿真優(yōu)化結(jié)果,指導(dǎo)實(shí)體管道建設(shè)運(yùn)營業(yè)務(wù)優(yōu)化。

挪威康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司指出管道智能化數(shù)字孿生體技術(shù)發(fā)展分三個(gè)階段：過去,現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過自控系統(tǒng)對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制,依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策判斷的情況較多;現(xiàn)在,通過數(shù)字孿生體技術(shù)建立管道虛擬仿真模型,以輔助決策的方式指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行生產(chǎn)操作,顯著降低因經(jīng)驗(yàn)判斷而引起的管道生產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),使管道運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化;未來,通過數(shù)字孿生體技術(shù)直接對(duì)自控系統(tǒng)下達(dá)指令,將管道運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整到最優(yōu),實(shí)現(xiàn)無人站場(chǎng)、區(qū)域化管理、管道智能化運(yùn)行等一系列目標(biāo)。該公司數(shù)字孿生體技術(shù)發(fā)展見圖4。

圖4 挪威康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司數(shù)字孿生體技術(shù)發(fā)展圖Fig.4 Digital twin technology development of Norwegian KONGSBERG

1.3 國外管道智能化建設(shè)特點(diǎn)

根據(jù)國外管道智能化建設(shè)主體架構(gòu)和特色技術(shù),得出國外管道智能化具備三大特征,即對(duì)自身狀態(tài)和外界信息的自主感知能力，對(duì)自身安全狀態(tài)和外部威脅事件的自主分析與認(rèn)知能力以及對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)執(zhí)行與動(dòng)作能力,國外管道智能化建設(shè)特色技術(shù)見表1。感知能力指基于完善的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部、外部狀態(tài)數(shù)據(jù)精確感知；自主分析與認(rèn)知能力指依托應(yīng)用與決策優(yōu)化層,分析、預(yù)判管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),通過人機(jī)混合決策,獲得最佳運(yùn)行方案;執(zhí)行與動(dòng)作能力指基于先進(jìn)的工控系統(tǒng),將管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)整到最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)智能閉環(huán)控制。

表1 國外管道智能化建設(shè)特色技術(shù)

Tab.1 Characteristic technologies for smart pipeline construction abroad

運(yùn)營公司或服務(wù)商特點(diǎn)特色技術(shù)意大利SNAM公司三大決策優(yōu)化系統(tǒng)SIMONE在線仿真系統(tǒng)E-vpmsTM在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)員工任務(wù)智能分配系統(tǒng)美國哥倫比亞管道集團(tuán)三大決策優(yōu)化平臺(tái)GE PVI管道完整性管理平臺(tái)GE Predix工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)GE Samllworld GIS資產(chǎn)管理平臺(tái)挪威康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司數(shù)字孿生體建模管道數(shù)字孿生體技術(shù)

2 山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵

在調(diào)研國外管道智能化建設(shè)架構(gòu)與特色技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合中國西南地區(qū)山地油氣管道地質(zhì)地貌、氣象、流域特點(diǎn),提出了山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵與架構(gòu)。

2.1 建設(shè)瓶頸

西南地區(qū)山地油氣管道地質(zhì)、地貌和水文條件復(fù)雜,具有山多、河多、地質(zhì)災(zāi)害多等顯著特點(diǎn)。在對(duì)標(biāo)國外智能化管道的感知能力、自主分析與認(rèn)知能力、執(zhí)行與動(dòng)作能力時(shí),結(jié)合山地管道特點(diǎn),在管道智能化建設(shè)過程中,具有以下主要瓶頸。

1)數(shù)據(jù)感知與傳輸方面:地形復(fù)雜,風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分散,巡檢和數(shù)據(jù)采集難度大,目前山地油氣管道感知數(shù)據(jù)類型、數(shù)量和傳輸方式不滿足管道智能運(yùn)行大數(shù)據(jù)決策分析的需求。

2)應(yīng)用與決策優(yōu)化方面:缺乏管道及站場(chǎng)工藝運(yùn)行仿真及管控、安全監(jiān)測(cè)及應(yīng)急管控、全生命周期完整性管理軟件和智能決策系統(tǒng),不能實(shí)現(xiàn)智能分析、預(yù)判與決策,難以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警可控。

3)自動(dòng)控制系統(tǒng)方面:目前仍以人為干預(yù)控制為主,工控系統(tǒng)及邏輯功能不滿足遠(yuǎn)程控制及無人操作、智能聯(lián)動(dòng)要求,尚未形成閉環(huán)智能控制。

2.2 建設(shè)內(nèi)涵

為解決山地油氣管道智能化建設(shè)瓶頸,指導(dǎo)具有山地特色的油氣管道智能化建設(shè),提出山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵:建設(shè)形成以先進(jìn)的數(shù)據(jù)感知傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ),完善的智能化運(yùn)行決策系統(tǒng)為核心,高仿真3D模型為載體的管道、站場(chǎng)數(shù)字孿生體[13-14],實(shí)現(xiàn)管道和站場(chǎng)各種運(yùn)行工況的在線預(yù)測(cè)、預(yù)警、決策與優(yōu)化,提出應(yīng)急管控措施。通過先進(jìn)的工控系統(tǒng),實(shí)時(shí)優(yōu)化管道運(yùn)行狀態(tài),大幅提高運(yùn)行效益，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)高效和本質(zhì)安全。山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵見圖5。

圖5 山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵圖Fig.5 Connotation flow chart of smart construction of mountain oil and gas pipelines

3 山地油氣管道智能化建設(shè)架構(gòu)

在山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵的指導(dǎo)下,設(shè)計(jì)了由數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化層、應(yīng)用與決策優(yōu)化層、控制層等五層縱向體系構(gòu)成的山地油氣管道建設(shè)總體架構(gòu),提出了應(yīng)用與決策優(yōu)化層中包含運(yùn)行管控系統(tǒng)、安全管控系統(tǒng)、全生命周期完整性管理系統(tǒng)三大系統(tǒng)的橫向建設(shè)架構(gòu),山地油氣管道智能化建設(shè)架構(gòu)見圖6。

1)數(shù)據(jù)感知層:基于傳感器、無人機(jī)[15]、衛(wèi)星遙感天地一體化地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)[16]、高后果區(qū)智能視頻監(jiān)控和光纖預(yù)警技術(shù),監(jiān)測(cè)土體應(yīng)力應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)、管道應(yīng)力應(yīng)變及位移數(shù)據(jù)、高后果區(qū)智能視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)、管道泄漏數(shù)據(jù)、站場(chǎng)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù)、安全儀表數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全面感知與信息融合。

2)數(shù)據(jù)傳輸層:針對(duì)山地管道偏遠(yuǎn)地區(qū)通信強(qiáng)度弱、兩高地區(qū)(高后果區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)段)數(shù)據(jù)傳輸量大等特點(diǎn),基于操作技術(shù)(OT)與通信技術(shù)(CT)建立管道工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[17-18],結(jié)合邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈技術(shù)等手段,做到數(shù)據(jù)一次采集、按需調(diào)用,實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸方式互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。

圖6 山地油氣管道智能化建設(shè)架構(gòu)圖Fig.6 Framework of smart construction of mountain oil and gas pipelines

3)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化層:針對(duì)山地油氣管道海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、篩選、標(biāo)準(zhǔn)化與存儲(chǔ),依托數(shù)據(jù)湖、云數(shù)據(jù)中心,實(shí)現(xiàn)低價(jià)值、低密度數(shù)據(jù)的識(shí)別、篩選、清理[19-20],數(shù)據(jù)統(tǒng)一管控、按需分配;圍繞山地管道數(shù)據(jù)資產(chǎn)全生命周期管理特點(diǎn),設(shè)計(jì)特定化數(shù)據(jù)模型[21-22],形成山地管道數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系,統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享。

4)應(yīng)用與決策優(yōu)化層:應(yīng)用與決策優(yōu)化層是管道智能化建設(shè)的核心部分。輸入管道感知數(shù)據(jù),輸出決策與優(yōu)化信息,建立復(fù)雜機(jī)理模型與高效求解算法,實(shí)現(xiàn)電腦大屏3D模型上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的展示,進(jìn)行人機(jī)混合決策,優(yōu)化管道、站場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

5)控制層:完善的邏輯控制程序,可以準(zhǔn)確執(zhí)行管道智能化決策優(yōu)化的命令,精準(zhǔn)動(dòng)作管道、站場(chǎng)設(shè)備,調(diào)整管道運(yùn)行狀態(tài),優(yōu)化管道運(yùn)行參數(shù),由數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化后參數(shù)進(jìn)行再次采集,繼續(xù)進(jìn)行決策優(yōu)化和智能控制,形成一套管道智能化運(yùn)行的閉環(huán)系統(tǒng),保證管道安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 山地油氣管道智能化建設(shè)方法

在山地油氣管道智能化建設(shè)架構(gòu)基礎(chǔ)上,遵循統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實(shí)施的原則,提出山地油氣管道智能化建設(shè)五步法,見圖7。其核心思路:第一步,基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道本體、關(guān)鍵設(shè)備、自然環(huán)境及運(yùn)行人員數(shù)據(jù)的全面感知和多網(wǎng)互聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸;第二步,通過管道數(shù)字化恢復(fù),建立管道、站場(chǎng)高仿真3D模型,以虛擬管道、站場(chǎng)3D模型為數(shù)據(jù)載體實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)可視化,依托云數(shù)據(jù)平臺(tái),設(shè)計(jì)特定化數(shù)據(jù)模型,形成山地管道數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系;第三步,基于機(jī)理模型、優(yōu)化模型,開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)管道狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警、優(yōu)化的智能決策系統(tǒng)及軟件,輔助人工進(jìn)行決策;第四步,基于機(jī)器學(xué)習(xí),大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),開發(fā)深度智能決策系統(tǒng)及軟件,實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合決策;第五步,基于數(shù)字孿生體技術(shù),實(shí)現(xiàn)3D管道模型對(duì)管道物理實(shí)體的在線仿真、狀態(tài)重建、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、調(diào)度優(yōu)化、設(shè)備故障診斷等功能,顯著減少人為干預(yù),實(shí)現(xiàn)智能閉環(huán)控制。

圖7 山地油氣管道智能化建設(shè)五步法結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of the five-step method for smart construction of mountain oil and gas pipelines

5 結(jié)論

1)對(duì)標(biāo)多家國外管道公司在管道智能化建設(shè)的成功做法,設(shè)計(jì)山地油氣管道智能化建設(shè)架構(gòu)。針對(duì)山地油氣管道系統(tǒng)運(yùn)營管理難度大、風(fēng)險(xiǎn)管控難度高等特點(diǎn),需要重點(diǎn)建立管網(wǎng)全局全時(shí)段仿真及優(yōu)化模型和求解算法,結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生體等技術(shù),逐步形成自學(xué)習(xí)能力,不斷提高人機(jī)對(duì)話水平,實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合決策的初級(jí)應(yīng)用。

2)分析山地油氣管道地質(zhì)地貌、氣象、水系流域復(fù)雜性帶來的智能化建設(shè)瓶頸,提出山地油氣管道智能化建設(shè)內(nèi)涵,建設(shè)形成以先進(jìn)的數(shù)據(jù)感知傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ),完善的智能化運(yùn)行決策系統(tǒng)為核心,高仿真3D模型為載體的管道、站場(chǎng)數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)高效和本質(zhì)安全。

3)提出山地油氣管道智能化建設(shè)五步法,為管道智能化建設(shè)運(yùn)營提供合理實(shí)現(xiàn)路徑,實(shí)現(xiàn)管道可視化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理,旨在最終達(dá)到“數(shù)據(jù)全面感知、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、人機(jī)混合決策、閉環(huán)智能控制”的建設(shè)目標(biāo)。