數(shù)字孿生體在中緬原油管道智能化建設中的應用

喻 斌,馮 騁,叢 瑞,榮海倫

1.中國石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊 065000

2.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心,北京 100013

2016年2月，國家發(fā)改委、能源局及工信部聯(lián)合印發(fā)《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》[1]，該文件提出，油氣行業(yè)應積極推進與“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略的融合創(chuàng)新，探索智能化發(fā)展道路。2017年5月，國家發(fā)改委、能源局又聯(lián)合印發(fā)了《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》[2]，該文件提出，建立智慧能源管網(wǎng)，推進大數(shù)據(jù)、云計算等技術與智慧管網(wǎng)建設相融合?？梢?，加強油氣管網(wǎng)智能化建設，促進“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)發(fā)展[3]，推動油氣管網(wǎng)信息化、互聯(lián)互通、統(tǒng)籌調(diào)度，已成大勢所趨。智能化管道建設即是運用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術手段，通過實時感知、數(shù)據(jù)中心處理分析、實時反饋和智能決策，實現(xiàn)油氣管網(wǎng)全生命周期的高效生產(chǎn)目標[4]。通過管道智能化建設，可以促進智慧管網(wǎng)的發(fā)展與完善。

中緬原油管道地處中國西南，途經(jīng)橫斷山脈及云貴高原，最大高差達1 500 m，是典型的大落差管道及山地管道[5-7]。目前，中緬原油管道的智能化建設尚未完全成熟[8]。在智能控制方面主要以人為干預為主，未形成智能化管道的閉環(huán)智能控制。在數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸方面也未能實現(xiàn)多傳輸方式融合和大數(shù)據(jù)挖掘關聯(lián)分析。受制于地形地質(zhì)的復雜性，中緬原油管道智能化建設到了瓶頸期。引入數(shù)字孿生體技術可以將中緬原油管道本身的數(shù)據(jù)數(shù)字化[9-10]，建立管道的虛擬仿真模型，以輔助的方式指導現(xiàn)場操作人員進行決策，這種方式有別于過去只依靠人工經(jīng)驗進行決策，可顯著降低人為因素導致的管道安全運行風險[11]。

基于以上現(xiàn)狀，本文從中緬原油管道智能化建設現(xiàn)狀出發(fā)，回顧了智能化建設現(xiàn)狀及存在的問題，介紹了數(shù)字孿生體技術的內(nèi)涵和作用，并分析了數(shù)字孿生體技術在原油管道建設中的應用和可行性，旨在為未來管道建設提供理論依據(jù)和指導方案。

1 中緬原油管道智能化建設現(xiàn)狀

1.1 中緬原油管道概況

中緬原油管道2018年投產(chǎn)，包括一條主干線和一條支線[12]。干線起點瑞麗泵站，終點祿豐分輸泵站，全長599.7 km，所轄工藝站場6座、閥室34座。支線的起點祿豐分輸泵站，終點安寧末站，全長42.78 km，所轄工藝站場1座、閥室1座，管道線路走向見圖1。設計壓力4.9～15 MPa，管徑D610～813 mm，輸量 （1 300～2 300） × 104t/a。管道途徑地區(qū)80%以上為山區(qū)，落差超過1 000 m的管段10處，最大落差1 500 m。管道穿越大中型河流11處、山體隧道12處、地震活動斷裂帶3處。其智能化運行需求迫切，但有相當大的智能化運行難點[8,13]，主要在于以下幾點。

圖1 中緬原油管道線路走向

（1）管道跨越山脈眾多，為典型的山地管道，地形起伏較大，有水擊危害。

（2）管道沿線多穿越地震頻繁帶，穿越斷裂帶5條。

（3）大量采用山體隧道穿越方式，隧道地質(zhì)條件復雜。

（4）跨越國際河流多，安全環(huán)保任務重。

可見，地形地質(zhì)等多方面因素使得中緬原油管道的生產(chǎn)運行處于高風險狀態(tài)。人工操作不能兼顧管道運行的各個細節(jié)，無法及時感知風險的醞釀和發(fā)生。因此，引入數(shù)字孿生技術對中緬原油管道智能化建設進行補充，提升其運行的安全性，是智慧管網(wǎng)建設的必然要求。

1.2 中緬原油管道智能化建設概況

中緬原油管道智能化現(xiàn)狀與國外智能管道建設現(xiàn)狀如圖2所示。差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

圖2 智能管道建設現(xiàn)狀

（1）數(shù)據(jù)感知方面：已開展工業(yè)物聯(lián)共享系統(tǒng)建設，實現(xiàn)站場SCADA系統(tǒng)、非SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全面采集與傳輸，但是數(shù)據(jù)采集的種類與數(shù)量尚不滿足大數(shù)據(jù)分析的要求。

（2）數(shù)據(jù)傳輸方面：已開展感知數(shù)據(jù)的衛(wèi)星傳輸、光纖傳輸、部分數(shù)據(jù)的手機基站傳輸、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設等，但尚未實現(xiàn)多種傳輸方式的融合。

（3）數(shù)據(jù)標準化方面：已開展云數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)資產(chǎn)圖譜分析等數(shù)據(jù)存儲與標準化建設工作，目前尚未實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲與大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)標準融合統(tǒng)一。

（4）決策優(yōu)化方面：以中緬原油管道7座站場為試點建立工業(yè)物聯(lián)共享系統(tǒng)，建立了生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)資產(chǎn)的全生命周期管理。系統(tǒng)仍在升級完善中，尚不具備設備故障的大數(shù)據(jù)分析功能，以生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)為載體的設備完整性管理體系有待完善。建立了地質(zhì)災害監(jiān)測與預警平臺，并在不斷升級完善中，實現(xiàn)了重點地段地質(zhì)災害監(jiān)測。仍需加強對地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)、高后果區(qū)、管道穿跨越區(qū)監(jiān)測網(wǎng)絡的全覆蓋建設。

（5）智能控制方面：目前主要以人為干預控制管道運行為主，尚未形成智能化管道閉環(huán)智能控制。

通過上述分析可知，中緬原油管道在智能化建設上還有很長一段路要走，在管道智能化建設方面可以借鑒意大利SNAM公司和哥倫比亞管道集團公司的智能化管道架構[14]。如圖3所示，引入管道數(shù)字孿生技術進行管網(wǎng)的智能化建設，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、管道完整性、工況分析預測、管道管理優(yōu)化、動態(tài)資產(chǎn)評估、設備信息數(shù)據(jù)可視化等功能，將管道實時信息、決策計劃、優(yōu)化信息等上傳至調(diào)控中心，由調(diào)控中心控制優(yōu)化管道運行狀態(tài)，形成閉環(huán)智能控制。

圖3 中緬原油管道智能化建設架構

1.3 數(shù)字孿生體的內(nèi)涵和作用

數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達，而數(shù)字孿生體指與這個物理實體或過程相對應的數(shù)字化模型的實例[15]。即數(shù)字孿生體是一個對應實際情況的模型，該模型是真實空間中的實體映射，結構、參數(shù)與真實空間中的物理實體相對應，是實際環(huán)境中物理實體的映射[16-17]。

在原油管網(wǎng)智能化建設中，數(shù)字孿生體技術可應用于多個方面，基于實體管道本身展開的管道數(shù)字孿生體是一種建設模式。如圖4所示，虛擬管道與實體管道之間通過建立的管道孿生數(shù)據(jù)進行交互作用。不斷反饋并通過建立的虛擬模型進行仿真、模擬、分析，從而感知實體管道運行狀態(tài)[18]。

圖4 管道數(shù)字孿生體油氣調(diào)運過程的運行原理[19]

2 數(shù)字孿生體在中緬管道智能化建設中的應用

2.1 管道內(nèi)檢測

定期對管道進行內(nèi)檢測是保障管道安全運行的重要一環(huán)，將無損檢測技術和清管設備結合在一起，使清管設備具有數(shù)據(jù)感知、傳輸、處理的功能。以往部分管網(wǎng)將全線管道分成不同站間段進行分段檢測，將兩個監(jiān)測點之間的管道體作為一個單元，通過監(jiān)測兩個點流量和壓力的變化，利用負壓波法和（或）音波法來判斷管道是否發(fā)生泄漏并進行定位。引入數(shù)字孿生技術后，中緬原油管道的在線內(nèi)檢測可以不再采用傳統(tǒng)的分段檢測法。如圖5所示，利用數(shù)字孿生體技術將管道實際信息數(shù)據(jù)化并導入電腦，形成網(wǎng)絡在線監(jiān)測、計算及預警，及時感知異常數(shù)據(jù)并進行分析計算，報告給監(jiān)測人員，進而進行快速反應、調(diào)整。

圖5 利用數(shù)字孿生體技術進行管道檢測

2.2 調(diào)度優(yōu)化

對原油管網(wǎng)進行優(yōu)化調(diào)度有助于管道安全運行和高效生產(chǎn)。近年來我國油氣管網(wǎng)發(fā)展較為迅速，但新建的眾多管網(wǎng)運行情況比較復雜，導致原油管網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化難度日益陡增。

引入數(shù)字孿生體的原油管網(wǎng)調(diào)度模式有助于改善中緬原油管道運行復雜、安全調(diào)控難度高等情況。如圖6所示，將現(xiàn)場的管道實體進行數(shù)字化，利用大數(shù)據(jù)計算技術建立貼合實際的虛擬管道，實現(xiàn)實際管道與計算機集成的虛擬管道的交互反饋?，F(xiàn)場傳感器實時感知運行數(shù)據(jù)并傳輸至電腦端虛擬模型，該虛擬模型運行狀態(tài)與現(xiàn)場的一樣，通過大數(shù)據(jù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等算法實現(xiàn)虛擬管道的參數(shù)優(yōu)化控制，進而反饋到現(xiàn)場的實際應用?；跀?shù)字孿生體的管網(wǎng)調(diào)度模式有別于傳統(tǒng)的原油調(diào)度方法。傳統(tǒng)的人工調(diào)度模式無法實時感知工藝參數(shù)、控制參數(shù)、設備運行狀態(tài)，同時，基于人工的排產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度無法窮盡所有的最優(yōu)排產(chǎn)方案；而引入數(shù)字孿生體的調(diào)度優(yōu)化模式后，可通過優(yōu)化算法進行系統(tǒng)的協(xié)同仿真，全面、準確地感知管網(wǎng)運行狀態(tài)，并通過排產(chǎn)需求計算最佳的排產(chǎn)方案。

圖6 管網(wǎng)智能調(diào)度優(yōu)化流程

2.3 設備運行維護

原油管道在運行過程中需對設備進行保養(yǎng)維護，提升管道運行壽命、可靠性及經(jīng)濟安全性，但管道設備種類眾多、數(shù)量大，包括機械設備、電氣設備、儀表設備、計量設備等，呈現(xiàn)點多面廣的特點，高效運維難度較大。如圖7所示，李柏松等人[20]報道的一種智能化管道設備維修維護模型有很好的借鑒作用。

圖7 基于數(shù)字孿生體的管道設備維護流程[20]

基于數(shù)字孿生體的設備維修維護，在管道設計階段就進行了數(shù)字孿生體的設計。在中緬原油管道運行維護過程中，也可以將設計數(shù)據(jù)應用到數(shù)字孿生體當中。通過SCADA系統(tǒng)、設備監(jiān)測系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)感知，并將該部分數(shù)據(jù)反饋到數(shù)字孿生體更新模塊。在該模塊內(nèi)，基于多場耦合的仿真模擬方法將感知的數(shù)據(jù)進行邏輯關聯(lián)。并通過RCM、RBI、SIL的可靠性安全評估及基于故障案例庫的診斷，對設備的健康狀況進行評估，預測設備故障原因及剩余壽命，進而給出維修維護策略。

2.4 高后果區(qū)監(jiān)測與預警

管道高后果區(qū)可分為人口密集區(qū)、基礎設施區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)和地質(zhì)災害區(qū)。中緬原油管道地質(zhì)地形極其復雜，管道多穿越崩塌、滑坡地段，對該條管道進行高后果區(qū)監(jiān)測與預警有助于提升管道運行的安全性，保障管道沿線相關的人身及財產(chǎn)安全。引入數(shù)字孿生體的高后果區(qū)監(jiān)測預警系統(tǒng)見圖8。

圖8 引入數(shù)字孿生體的高后果區(qū)監(jiān)測預警系統(tǒng)

如圖8所示，在災害隱患點處布置好地質(zhì)災害監(jiān)測儀器，這些儀器包括水壓力計、應力傳感器等。然后建立與實際現(xiàn)場相對應的災害體數(shù)字孿生體模型，在數(shù)據(jù)中心處理模塊內(nèi)，內(nèi)嵌的算法來源于基于ABAQUS的大數(shù)據(jù)建模技術，通過有限元建模分析地質(zhì)災害發(fā)生的安全系數(shù)，并將不同災害體的預警模型導入系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)應用層，系統(tǒng)實時感知現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌算法對數(shù)據(jù)進行識別，并對異常數(shù)據(jù)進行報警。

2.5 全生命周期管理

智慧管網(wǎng)的發(fā)展依賴于管道智能化建設，而智能化建設依賴于數(shù)字化、信息化管道的發(fā)展，數(shù)字化管道已成為未來管道信息技術領域的上甘嶺。數(shù)字孿生體可以貫穿中緬原油管道生產(chǎn)運行的各個階段。當建立起基于數(shù)字孿生體的智能化運行模式后，在該模式下的運行系統(tǒng)可以記錄整個生命周期的全部對象、模型及數(shù)據(jù)，是管道各個生產(chǎn)模塊的數(shù)字化檔案庫。未來的智能化管網(wǎng)建設，可以將先進的管理理念與大數(shù)據(jù)、云計算等技術相融合，形成一套全生命周期管道完整性管理解決方案，實現(xiàn)管道業(yè)務與信息可視化的統(tǒng)一管理。

3 結論與展望

（1）中緬原油管道的智能化建設任重道遠，亟需引入數(shù)字孿生體技術改善其生產(chǎn)管理系統(tǒng)，保障管道高效生產(chǎn)、安全運行。

（2）本文討論了數(shù)字孿生體在中緬原油管道智能化建設中的應用，包括管道內(nèi)檢測、調(diào)度優(yōu)化、設備運行維護、高后果區(qū)監(jiān)測與預警和全生命周期管理五個方面。引入數(shù)字孿生體技術后可提升管道系統(tǒng)的科學性和快速反應性。

（3）數(shù)字孿生體技術在原油管道中的應用前景廣闊，還需要進一步開展原油管道數(shù)字孿生及智能化管理研究。