管道完整性管理智能分析輔助決策模型及應(yīng)用

溫 慶 張文娟 張大雙 林 宇

1.中國石油西南油氣田公司集輸工程技術(shù)研究所 2.中國石油西南油氣田公司致密油氣勘探開發(fā)項目部

0 引言

管道完整性管理是一種以預(yù)防為主的管理模式，通過對風(fēng)險因素的識別和評價，針對性地實施風(fēng)險減緩措施，將風(fēng)險控制在合理、可接受的范圍內(nèi)，從而保證管道安全經(jīng)濟(jì)的運行[1-2]。

管道完整性管理工作流程包括數(shù)據(jù)采集、高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價、檢測評價、維修維護(hù)、效能評價等5個環(huán)節(jié)[3-4]。中國石油西南油氣田自2007年開始引入完整性管理理念，歷經(jīng)十多年的發(fā)展，目前在管道完整性管理方面已形成了數(shù)據(jù)管理與效能評價、高后果區(qū)識別與風(fēng)險評價、管道完整性檢測、管道完整性評價、維修與維護(hù)等5大類技術(shù)[5]。高后果區(qū)識別、風(fēng)險評價、完整性管理方案編制這3項業(yè)務(wù)，已作為年度例行工作由各級單位根據(jù)職責(zé)權(quán)限組織開展，實現(xiàn)與日常生產(chǎn)管理深度融合。

目前西南油氣田常規(guī)的管道完整性管理工作，部分環(huán)節(jié)分析方法單一，效率低且結(jié)果存在較大的主觀性；傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析挖掘方法使得各項數(shù)據(jù)的綜合利用效率不高，工作強(qiáng)度和重復(fù)性較大。因此，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、提高工作效率是增強(qiáng)完整性管理水平的當(dāng)務(wù)之急[6-7]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法以及基于人工經(jīng)驗的決策已不能滿足智能決策的需求，傳統(tǒng)的決策技術(shù)只能支撐局部決策、無法實現(xiàn)全局決策，為此，筆者針對高后果區(qū)識別、風(fēng)險評價、完整性管理方案編制這3項業(yè)務(wù)工作開展數(shù)據(jù)挖掘分析，在西南油氣田首次建立了3項業(yè)務(wù)工作的智能分析輔助決策模型[8-9]，并搭建了 高后果區(qū)智能識別模塊”“風(fēng)險評價可視化分析模塊”和 完整性管理方案編制智能文字識別填充模塊”。

1 管道完整性管理數(shù)據(jù)挖掘

管道完整性管理數(shù)據(jù)包括測繪數(shù)據(jù)、特性數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、操作運行數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等。目前數(shù)據(jù)已經(jīng)保證了規(guī)范性、全面性，那么對數(shù)據(jù)的挖掘工作，遂指向大數(shù)據(jù)的智能提取和實時更新這兩個方向。

管道完整性管理數(shù)據(jù)挖掘，即從管道完整性管理數(shù)據(jù)中挖掘信息，梳理與研究各種數(shù)據(jù)在管道完整性管理關(guān)鍵業(yè)務(wù)中的邏輯關(guān)系，找出因果關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系[10-11]，以備下一步模型構(gòu)建。

1.1 管道完整性管理數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源的確定方法為：基于高后果區(qū)識別、風(fēng)險評價、完整性管理方案編制這3項業(yè)務(wù)工作的工作流程，明確各項工作所包括的關(guān)鍵指標(biāo)[12]；再通過指標(biāo)要素和計算方法分析，梳理出各類關(guān)鍵指標(biāo)下所有的參數(shù)；最后確定每項參數(shù)的數(shù)據(jù)來源。

1.1.1 對高后果區(qū)識別工作

它包括4類關(guān)鍵指標(biāo)：地區(qū)等級、潛在半徑、特定場所、易燃易爆場所。依據(jù)關(guān)鍵指標(biāo)，建立數(shù)據(jù)識別模塊[13-14]，通過指標(biāo)要素和計算方法分析，明確4類關(guān)鍵指標(biāo)下共有9項參數(shù)：一級地區(qū)、二級地區(qū)、三級地區(qū)、四級地區(qū)、管徑、壓力、易燃易爆場所、特定場所Ⅰ、特定場所Ⅱ。這9項參數(shù)的來源如下：一級、二級、三級地區(qū)數(shù)據(jù)來源于人口戶數(shù)統(tǒng)計情況，四級地區(qū)數(shù)據(jù)來源于周邊自然地理因素，管徑、壓力數(shù)據(jù)來源于管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，易燃易爆場所數(shù)據(jù)來源于周邊環(huán)境因素，特定場所Ⅰ數(shù)據(jù)來源于周邊自然地理因素，特定場所Ⅱ數(shù)據(jù)來源于周邊環(huán)境因素。

1.1.2 對風(fēng)險評價工作

根據(jù)風(fēng)險評價半定量評價規(guī)程中計算公式：相對風(fēng)險分值 = 失效可能性總和 失效后果，基于影響因素，將失效可能性和失效后果作為風(fēng)險評價工作的兩大關(guān)鍵指標(biāo)，通過指標(biāo)要素和計算方法分析，梳理出兩類關(guān)鍵指標(biāo)下共有31項參數(shù)。目前西南油氣田完整性管理信息系統(tǒng)均使用中國石油天然氣股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY01039.2—2020《油氣田管道和站場完整性管理規(guī)范 第2部分：管道數(shù)據(jù)管理》的63張附表進(jìn)行開發(fā)，因此將這63張表作為數(shù)據(jù)挖掘來源表格庫，依次確定31項參數(shù)每一項的數(shù)據(jù)來源，除了可關(guān)聯(lián)的表格和字段，還有默認(rèn)填充和人工填充部分，共同完成數(shù)據(jù)來源的確定。

1.1.3 對完整性管理方案編制工作

根據(jù)工作流程，明確完整性管理方案編制的8類關(guān)鍵指標(biāo)，包括：確定方案適用范圍及目標(biāo)、數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀分析及計劃、管道危害識別、高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價現(xiàn)狀分析及計劃、檢測評價現(xiàn)狀分析及計劃、維修維護(hù)現(xiàn)狀分析及計劃、效能評價現(xiàn)狀分析及計劃、其他要素。這8類指標(biāo)下共有34項參數(shù)，數(shù)據(jù)來源于63張附表以及相關(guān)的識別報告。

1.2 建立管道完整性管理數(shù)據(jù)庫

確定各項參數(shù)涉及的相關(guān)內(nèi)容或表格字段后，通過簡化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與分類[15-16]，將龐大的數(shù)據(jù)來源進(jìn)行降維處理，提取出重要特征，使參數(shù)可快速直觀地進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終確定相關(guān)工作的數(shù)據(jù)庫。

1.2.1 對高后果區(qū)識別工作

將數(shù)據(jù)來源簡化為矢量數(shù)據(jù)和非矢量數(shù)據(jù)，其中矢量數(shù)據(jù)部分主要存儲管道測繪及基礎(chǔ)地理信息，非矢量數(shù)據(jù)部分主要儲存管道專業(yè)數(shù)據(jù)表格、地圖切片、周邊居民、建筑屬性等。將矢量數(shù)據(jù)、非矢量數(shù)據(jù)相結(jié)合，作為高后果區(qū)識別數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 對風(fēng)險評價工作

確定31項參數(shù)的數(shù)據(jù)來源后，通過簡化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，將63張附表中涉及表格和字段作為風(fēng)險評價數(shù)據(jù)庫（不包含人工填報所需材料）。

1.2.3 對完整性管理方案編制工作

依據(jù)作業(yè)章程，確定8類指標(biāo)下34項參數(shù)每一項的數(shù)據(jù)來源后，通過簡化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，可將63張附表中涉及表格、管道危害識別報告、高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價報告作為完整性管理方案編制數(shù)據(jù)庫（不包含人工填報所需材料）。

最終，高后果區(qū)識別數(shù)據(jù)庫、風(fēng)險評價數(shù)據(jù)庫、完整性管理方案編制數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成管道完整性管理常規(guī)工作數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效整合，為模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

1.3 管道完整性管理數(shù)據(jù)流向

通過對數(shù)據(jù)的深入挖掘分析，明確整個管道完整性管理常規(guī)工作的數(shù)據(jù)流向和邏輯關(guān)系，構(gòu)建數(shù)據(jù)流向圖（圖1）。如圖1所示：①通過收集矢量數(shù)據(jù)和非矢量數(shù)據(jù)可開展高后果區(qū)識別工作；②通過收集63張附表涉及字段，加上默認(rèn)填充和人工填充部分，可開展風(fēng)險評價工作；③通過收集63張附表涉及字段、高后果區(qū)識別報告、風(fēng)險評價報告、管道危害識別報告，加上人工填充部分，可開展完整性管理方案編制工作。

圖1 管道完整性管理常規(guī)工作數(shù)據(jù)流向圖

2 管道完整性管理智能分析輔助決策模型

通過數(shù)據(jù)挖掘分析，明確了每項參數(shù)的數(shù)據(jù)來源，簡化后形成了管道完整性管理常規(guī)工作數(shù)據(jù)庫，再基于衛(wèi)星地圖定位劃分、建筑數(shù)據(jù)矢量化智能分析、管段自動劃分、報告智能生成等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建管道完整性管理智能分析輔助決策模型，為管道完整性管理提供有效的智能決策。

2.1 高后果區(qū)識別智能分析輔助決策模型

目前高后果區(qū)識別工作是由熟悉管道沿線情況的巡線工先預(yù)判，再配合技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場踏勘核實。針對該傳統(tǒng)識別過程受人為因素影響較大、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程等問題，欲將工作流程實現(xiàn)智能分析化，故構(gòu)建高后果區(qū)識別的智能分析輔助決策模型（圖2）。

圖2 高后果區(qū)識別智能分析輔助決策模型圖

在數(shù)據(jù)收集階段引入衛(wèi)星地圖定位劃分技術(shù)，利用地圖軟件以管道為中心在兩側(cè)按照高后果區(qū)識別要求劃分帶狀圖[17]，可識別管道周邊大體環(huán)境，判別交通情況、商業(yè)、工業(yè)、市郊情況等。

在地區(qū)等級劃分階段引入基于建筑數(shù)據(jù)矢量化的智能分析技術(shù)[18]，利用線劃圖高度屬性，推導(dǎo)出層數(shù)，考慮小區(qū)住宅每戶面積在70～130 m2，根據(jù)線劃圖與實際情況的長寬比，可建立數(shù)學(xué)模型計算出一幢住宅的住戶數(shù)，達(dá)到對空間數(shù)據(jù)預(yù)處理的效果。

在識別結(jié)果統(tǒng)計階段引入報告智能生成技術(shù)，利用計算機(jī)軟件系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)整合工作，可形成完整、規(guī)范的高后果區(qū)識別報告，避免統(tǒng)計誤差和語言描述的不規(guī)范，得出準(zhǔn)確有效的評價結(jié)論。

2.2 風(fēng)險評價智能分析輔助決策模型

目前風(fēng)險評價是先進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，收集核實資料，繼而人為劃分管段，識別風(fēng)險因素，通過人工填寫打分表計算風(fēng)險分值，再根據(jù)計算結(jié)果編制風(fēng)險評價報告，一年更新一次。針對該傳統(tǒng)評價過程費時費力、評價結(jié)果與風(fēng)險因素變化不同步等問題，欲將工作流程實現(xiàn)智能分析化，故構(gòu)建風(fēng)險評價的智能分析輔助決策模型（圖3）。其特色如下所述。

圖3 風(fēng)險評價智能分析輔助決策模型圖

1）在管段劃分階段提出管段自動分段技術(shù)。將風(fēng)險評價的各因素找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)來源表單，按照預(yù)先設(shè)定的打分準(zhǔn)則自動生成風(fēng)險評價自動分段表單設(shè)計表，再由邏輯循環(huán)算法，自動識別每一個相對里程有差異的點，作為自動分段插入點，實現(xiàn)管道自動分段[19]。此方法不僅提高工作效率，分段數(shù)的增多也會使管道風(fēng)險評價的準(zhǔn)確度得以增強(qiáng)。

2）在風(fēng)險值計算階段可實現(xiàn)智能填充、手動填充、默認(rèn)填充等幾種不同的填充方式相結(jié)合，再根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置的評分標(biāo)準(zhǔn)，自動計算出風(fēng)險分值，實時更新風(fēng)險評價結(jié)果。

3）在評價結(jié)果統(tǒng)計階段引入報告智能生成技術(shù)，除了設(shè)計文本功能模塊，還加入數(shù)據(jù)分析模塊，提供多樣化數(shù)據(jù)分析，不僅可智能生成圖文并茂的評價報告和對比分析報告，還能通過數(shù)據(jù)綜合處理，用圖表形式展現(xiàn)管線當(dāng)前風(fēng)險值變化，實現(xiàn)風(fēng)險評價的實時可視化功能。

2.3 完整性管理方案編制智能分析輔助決策模型

西南油氣田現(xiàn)有輸氣管線9 000余千米，已形成430多個一線一案、60多個一區(qū)一案。目前一線一案和一區(qū)一案均采用統(tǒng)一的模板，每年由各廠（處）相關(guān)崗位人員采取傳統(tǒng)人工方法進(jìn)行更新。針對方案編制過程的工作強(qiáng)度和重復(fù)性較大、效率低下等問題，欲實現(xiàn)工作流程的智能分析化，故構(gòu)建智能分析輔助決策模型（圖4）。

圖4 完整性管理方案編制智能分析輔助決策模型圖

通過固化一線一案、一區(qū)一案模版格式，制作固定的模版，基于智能文字識別填充技術(shù)，準(zhǔn)確全面地識別相關(guān)報告中的文字和表格，并通過語義分析理解，抽取所需關(guān)鍵要素進(jìn)行有效填充，最后人工核查完成二次編輯，智能生成完整性管理方案。

3 智能分析應(yīng)用

3.1 實現(xiàn)高后果區(qū)智能識別

基于衛(wèi)星地圖定位劃分、建筑數(shù)據(jù)矢量化智能分析等關(guān)鍵技術(shù)，以前文所述 高后果區(qū)識別智能分析輔助決策模型”為核心算法，構(gòu)建 高后果區(qū)管理系統(tǒng)”，可實現(xiàn)高后果區(qū)智能識別、識別歷史追溯、AI智能監(jiān)控分析、風(fēng)險閉環(huán)管理等功能，從而提升油氣管道的完整性管理水平、降低管理成本。

系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分為3層：①第一層（最底層）數(shù)據(jù)是正射遙感影像（DOM, Digital Orthophoto Map），該數(shù)據(jù)來源于最新衛(wèi)星遙感和航測影像數(shù)據(jù)，直觀反映管道周邊的環(huán)境；②第二層數(shù)據(jù)為數(shù)字線劃圖（DLG, Digital Line Graphic），將影像中的建筑、道路、管線等轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠捕捉建筑、管線、道路等的走向、邊界等信息；③第三層數(shù)據(jù)為屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將管道資料、現(xiàn)場踏勘等相關(guān)統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)與管線、站場、位置等三維地理信息掛接。

選取天府新區(qū)集輸氣管道為例，將人工識別與系統(tǒng)智能識別進(jìn)行比對，所需人力可從20人降到1人（表1），不僅可大幅度降低人工成本及管理成本，還能通過科技手段提升管道預(yù)判、預(yù)警、預(yù)防和自主決策能力，為實現(xiàn)管道一體化、智能化管理奠定基礎(chǔ)。

表1 高后果區(qū)識別工作采用傳統(tǒng)人工方式與智能識別方式對比表

3.2 實現(xiàn)風(fēng)險評價可視化

通過對地理數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合處理，搭建了 風(fēng)險評價可視化分析模塊”，實現(xiàn)了對風(fēng)險等級和危害影響范圍的綜合展示與管理?？砂达L(fēng)險等級、風(fēng)險類型來查詢風(fēng)險管段的位置、里程以及評估日期等；并用不同顏色區(qū)分不同等級的管段，可將風(fēng)險等級高風(fēng)險、中風(fēng)險、低風(fēng)險分別對應(yīng)紅、黃、綠的顏色標(biāo)識，風(fēng)險等級的表現(xiàn)形式支持用戶自定義編輯；通過集成專業(yè)數(shù)學(xué)模型，展示風(fēng)險管道可能影響的災(zāi)害范圍，為管道科學(xué)管理與決策提供信息支持，從而延長管道生命周期。

以模塊中磨溪氣田西區(qū)集氣站的西北干線為例（圖5），用戶可通過頁面上的白點，直觀地看到西北干線管道分段位置，且每一管段的長度、風(fēng)險分值、地區(qū)等級等具體信息也能通過下方表格一目了然，并且風(fēng)險等級在GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）圖上用醒目的顏色進(jìn)行了標(biāo)識，由此可快速定位需要處理的風(fēng)險管段。

圖5 風(fēng)險評價可視化分析模塊展示圖

良好的應(yīng)用效果表明， 風(fēng)險評價可視化分析模塊”通過導(dǎo)入風(fēng)險評價數(shù)據(jù)表格、提取數(shù)據(jù)，并充分結(jié)合GIS系統(tǒng)，直觀展示空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了風(fēng)險評價的可視化功能。

3.3 實現(xiàn)完整性管理方案編制智能文字識別填充

基于文字挖掘技術(shù)，從上傳到系統(tǒng)的管道危害識別報告、高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價報告中獲取有價值的信息和知識，實現(xiàn)文本的分類和聚類。通過搭建 智能文字識別填充模塊”，有效提取報告中的文字內(nèi)容，通過模塊內(nèi)置的智能信息提取系統(tǒng)，輸出關(guān)鍵信息提取結(jié)果，最后關(guān)聯(lián)到完整性管理方案模版相應(yīng)填寫位置，實現(xiàn)智能填充。

以 一線一案”方案中第四條《高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價現(xiàn)狀分析及計劃》為例，首先固化模版：①本次高后果區(qū)識別時間和結(jié)果；②上一次高后果區(qū)識別時間和結(jié)果；③下次高后果區(qū)識別計劃；④本次風(fēng)險評價的時間、采用的方法和評價結(jié)果；⑤上一次風(fēng)險評價的時間、采用的方法和評價結(jié)果；⑥下次風(fēng)險評價計劃。然后，通過有效提取高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價報告中的關(guān)鍵要素，實現(xiàn)智能填充模版內(nèi)相應(yīng)內(nèi)容，最終解決目前每年傳統(tǒng)人工更新效率低的問題，降低工作強(qiáng)度和重復(fù)性，提高工作效率。

4 結(jié)論

1）隨著生產(chǎn)管理與信息化的深度融合，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析方法以及基于人工經(jīng)驗的決策已難以滿足智能決策的需求。目前的數(shù)據(jù)已經(jīng)保證了規(guī)范性、全面性，還要往大數(shù)據(jù)的智能提取和實時更新方向發(fā)展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面統(tǒng)一、系統(tǒng)融合互聯(lián)、運行智能高效。

2）本文利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)細(xì)化明確了高后果區(qū)識別、風(fēng)險評價、完整性管理方案編制這3項業(yè)務(wù)工作各指標(biāo)下每項參數(shù)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和相互關(guān)聯(lián)，通過有效整合管道完整性管理常規(guī)工作相關(guān)數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性地建立了管道完整性管理智能分析輔助決策模型，探討并取得以下成果：①基于圖像智能識別技術(shù)，實現(xiàn)高后果區(qū)智能識別及處理；②基于數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)險評價的實時可視化功能；③基于智能文字識別填充和語義分析理解等手段，實現(xiàn)智能填充固化模版。

3）智能分析輔助決策模型研究不僅是數(shù)據(jù)分析探索的有效途徑，也為針對各類管道的完整性管理工作、提出相應(yīng)的智能化管理決策方案，提供了全新的思路、方法和應(yīng)用框架。應(yīng)用結(jié)果表明，模型可滿足智能分析需求，為管道完整性管理工作帶來新的解決方案，推動智能分析決策，提高工作效率和管理水平，為西南油氣田的管道完整性管理工作從預(yù)防型進(jìn)一步提升到預(yù)知型提供了技術(shù)支撐，對于數(shù)字管道向智慧管道的發(fā)展具有重要意義。