智能管道發(fā)展現狀及具體領域智能化的探討

陳傳勝 李 丹 尹 恒 王盼鋒 全 青 王壽喜

1. 中國石化川氣東送天然氣管道有限公司, 湖北 武漢 430000; 2. 西安石油大學石油工程學院, 陜西 西安 710065

0 前言

2017年,我國發(fā)布的《中長期油氣管網規(guī)劃》指出:目前中國運營的油氣管道里程為12×104km,到2025年將達到24×104km,形成主干互聯(lián)、區(qū)域成網的全國網絡。針對建設規(guī)模日益龐大的油氣管網,對管道高效運營和安全管理的要求越來越高,管道發(fā)展迎來新機遇。

隨著大數據、物聯(lián)網、移動互聯(lián)、數字孿生及人工智能(AI)等新一代信息技術的提出與發(fā)展,“智慧地球”戰(zhàn)略付諸實施,油氣管道行業(yè)也積極推進與新興技術的融合創(chuàng)新,開拓智能管道的發(fā)展道路[1]。

1 智能管道介紹

智能管道集智能感知、智能預判、智能管控和自適應于一體。管道從數字化向智能化的發(fā)展,可以理解為從代替人的眼(如無人值守、視頻巡檢、異常報警)向代替人的手(如遠程啟停、機器人)和腦(如智能決策、診斷預警)的發(fā)展。智能化管道系統(tǒng)的具體建設內容[2]見表1。

表1 智能化管道系統(tǒng)具體建設內容表

管道系統(tǒng)的智能化建設過程中,充分利用物聯(lián)網、大數據、人工智能、數字孿生等新興技術,做好數據實時采集及標準化、數據數字化移交、大數據智能分析、管道數字孿生體構建、智能算法模型建立等工作[3],實現管道系統(tǒng)的全面感知、綜合預判、一體管控和自適應優(yōu)化,并且能在某些關鍵部位進行自主決策和操作。典型智能管道的整體架構包括感知層、網絡層、數據層、算法層和應用層[4],總體架構見圖1。

2 智能管道建設現狀

在管道智能化建設方面,國外發(fā)達國家起步較早。目前,在管道建設過程中應用物聯(lián)網數據采集、云計算和大數據等信息技術較為成熟的國家有美國、加拿大和意大利,不同管道公司在建設智能管道上也各有特色[5],見表2。

近年來,隨著信息技術和管道完整性管理技術的逐步發(fā)展,我國智能管道、智慧管網的建設陸續(xù)展開,并有了一定的探索成果,油氣管道的建設逐步由數字化向智能化發(fā)展,見圖2。但就目前的建設狀況來說,感知技術(包括傳感器精度、感知能力以及感知范圍)還有待加強,數據標準化統(tǒng)一化程度低、數據規(guī)范差異大,大數據、數字孿生等技術應用的廣度和深度有待提升,數據挖掘、智能決策等方面仍有待突破。

圖1 智能管道總體架構圖Fig.1 The overall architecture of the smart pipeline

表2 國外智能管道建設特色做法表

圖2 我國油氣管道信息化發(fā)展歷程圖Fig.2 Informatization development of oil and gas pipelines in China

中國石油在國內最早提出了“數字化管道”的概念,并于2004年首次應用于西氣東輸冀寧管道聯(lián)絡線。在管道建設期間,應用遙感、數字攝影測量等數字化技術[6],建立起管道信息管理系統(tǒng),實現管道工程項目建設和運營管理的信息化,西氣東輸冀寧管道是我國第一條數字化多功能管道。后經過不斷規(guī)劃和探索,建設管道ERP系統(tǒng)、管道工程建設管理系統(tǒng)(PCM)等核心應用系統(tǒng),構建了包含管道勘察設計系統(tǒng)、管道項目建設管理系統(tǒng)、管道運營管理系統(tǒng)的數字化管道體系[7]。中國石化于2007-2008年開展的數字化管道建設,始于榆濟管道工程,將二維GIS系統(tǒng)作為基礎平臺,采集了包括管道走向、埋深等多類施工數據,疊加了影像圖。后在川氣東送管道上全面深入建設數字化管道,建設了3 D管道GIS系統(tǒng),完善施工數據,完成GPS巡檢、GMS、運行仿真等,并建成了管道專業(yè)地理信息系統(tǒng)。

隨著物聯(lián)網、大數據等新興技術的迅速發(fā)展,智能化管道的建設逐步提上日程。中國石油將互聯(lián)網技術與GIS、SCADA等自動化管理技術相結合,建設PIS管道完整性管理系統(tǒng),應用于多家單位所轄管線,有效降低了管道事故率。2017年6月,中國石油通過中俄東線智能管道試點全力推進智能管道的建設,應用PIS系統(tǒng),通過管道工程建設管理系統(tǒng)(PCM)獲取中俄東線建設期間的鋼管、防腐層等多類數據,構建了中俄東線的數字孿生體,并實現建設期間有關鋼管、防腐層等的多類數據全數字化移交,成為我國首條第三代管道。2014年,中國石化正式啟動智能管線的建設,建成具有管線數字化管理、管線完整性管理、管線運行管理、應急響應、防患治理、綜合管理6大功能的智能化管線管理系統(tǒng),實現管線管理水平和管線防患預測、風險管控、應急處置等管網安全管控能力的提升[8]。2018年中國石化投產的川氣東送智能診斷項目,為實現天然氣長輸管道智能化運行管理與實時診斷,充分應用物聯(lián)網、數字孿生等技術,以管網運行可視化、可監(jiān)測和可決策為目標,研究智能診斷技術,為天然氣長輸管道系統(tǒng)的調度管理和操作控制提供科學手段。

3 油氣管道具體領域智能化發(fā)展現狀

隨著油氣管網的愈發(fā)龐大和復雜,管道經濟運行、安全管理的要求也越來越高。對天然氣管網進行運行優(yōu)化,可以提高輸送效率,大幅降低運行成本,從而輔助決策集輸配氣方案[9]。在生產過程中,油氣管線一旦發(fā)生泄漏,將會對人民生命、財產以及環(huán)境造成巨大傷害[10]。同時在管網運行期間也會產生各類其他異常,科學、有效地進行油氣管道診斷、預警已成為油氣管道行業(yè)管理中的重大研究課題[11]。對管網的未來狀態(tài)進行預測,亦具有重要的指導意義。燃氣負荷是城市燃氣設計、調度的理論依據,是燃氣管網優(yōu)化的根基?？茖W、準確地對未來指定時段的用氣量進行預測,會給整個天然氣長輸管線帶來良好的投資效益和可靠的決策支持,還關系到城市燃氣管網規(guī)劃能否更好地適應新型能源結構、用戶結構和居民生活方式等問題[12-13],預測結果可指導生產調度、合理規(guī)劃燃氣用量。國內外學者結合智能算法對油氣管道的具體領域做了深入研究,見表3。

表3 具體領域智能化發(fā)展現狀表

研究發(fā)現,大量算法僅停留在理論階段,還未結合生產實際應用于智慧管網的建設中。管網運行優(yōu)化大多偏于穩(wěn)態(tài)計算,同時鑒于天然氣管道的愈發(fā)龐大和復雜,模型的建立亦需要從提高運算速度著手加深研究[14]。泄漏檢測理論研究豐富,但檢測的精度與準確定位還不能達到理想要求[15-16],可結合管道的實時瞬態(tài)模型,加深相關算法研究,降低誤報率,實現準確、快速檢測與定位。診斷預警的算法雖多,但存在較大的局限性[17]。油氣管道事故類型復雜多樣,包括管線泄漏、儀表閥門故障、場站設備異常等。應深入研究異常類型及信號特征,充分利用現場管道生產運行數據結合大數據、數字孿生等技術進行故障診斷,以管道系統(tǒng)異常診斷和預警為目標,向智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)負荷預測模型在某方面具有一定的穩(wěn)定性,不斷涌現基于AI的高精度預測模型及其優(yōu)化組合模型是燃氣負荷預測模型的發(fā)展方向[18-20]。

4 結論和建議

油氣行業(yè)處于結構調整和轉型升級的關鍵期,智能化是油氣管道行業(yè)發(fā)展的大趨勢。目前我國的管道智能化建設整體還處在初級階段,對于智能管道未來的建設,提出以下三點建議。

1)數據是基礎?；谖锫?lián)網等技術的數據采集手段已經足夠豐富,已能采集到管道運行期間的大量生產數據,但需統(tǒng)一數據標準,同時若能結合人工智能等技術,做到數據智能前端處理,部分數據就地處理,則會為系統(tǒng)運算節(jié)省時間。

2)加強數字孿生技術的應用。構建管網數字孿生體,從而高度反映管網全生命周期的實體行為和運行狀態(tài)。針對管道建設運營期間產生的大量數據,基于人工智能、機器學習、模式識別等,加強數據挖掘能力,構建未來知識,并充分了解知識網絡,建立人機混合智能綜合決策模型,形成智慧決策。

3)基于管網數字孿生體,深入研究油氣管道各類異常的診斷和預警技術,對管道運行進行實時監(jiān)測,結合關聯(lián)規(guī)則挖掘、報警聚合等技術,做到事故報警預警,保障管網安全運營。