一種基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理方法

陳渝，胡耀義，曹宏艷

1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院

0 引言

“十三五”以來，不同發(fā)達(dá)國家先后提出了數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展戰(zhàn)略，其焦點(diǎn)是“實(shí)現(xiàn)國家和社會(huì)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化及產(chǎn)業(yè)模式變革”。同時(shí)，以現(xiàn)代新型信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展模式，已成為國內(nèi)外油氣工業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)［1-9］。

2021年12月28日，中國工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合發(fā)布了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，明確了到2025年，國家規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)大部分需實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)應(yīng)用初步達(dá)到智能化；到2035年，國家規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)全面普及數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)智能化。

在國內(nèi)外數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展的背景下，本文結(jié)合新型信息技術(shù)在油氣輸送管道建設(shè)和運(yùn)營中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了一種基于油氣輸送管道數(shù)字孿生體的完整性管理方法，旨在推動(dòng)油氣輸送管道完整性管理的精細(xì)化水平，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字孿生體為載體并由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的油氣輸送管道完整性管理方法。

1 油氣輸送管道完整性管理現(xiàn)狀及存在問題

1.1 發(fā)展歷程

油氣輸送管道完整性管理起源于歐美等發(fā)達(dá)國家。其中，美國率先借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)和其他工業(yè)領(lǐng)域中的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)來評(píng)價(jià)油氣輸送管道的風(fēng)險(xiǎn)，其目標(biāo)是通過合理分配維護(hù)費(fèi)用，延長油氣輸送管道的使用壽命，減少油氣輸送管道事故［10-15］。經(jīng)過不斷總結(jié)和探索，形成了API 1160-2001Managing System Integrity for Hazardous Liquid Pipelines（危險(xiǎn)液體管道的系統(tǒng)完整性管理）和 ASME B31.8S-2001Managing System Integrity of Gas Pipelines（輸氣管道系統(tǒng)完整性管理）等標(biāo)準(zhǔn)［10-14］，并于 2002年發(fā)布了《管道安全促進(jìn)法》。

中國油氣輸送管道完整性管理的研究始于2004年，經(jīng)過 10余年的持續(xù)實(shí)踐和試點(diǎn)應(yīng)用，于2015年10月發(fā)布了GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》，并于2016年10月由國家發(fā)展和改革委員會(huì)等五部委聯(lián)合發(fā)布發(fā)改能源〔2016〕2197號(hào)《關(guān)于貫徹落實(shí)國務(wù)院安委會(huì)工作要求全面推行油氣輸送管道完整性管理的通知》，開始全面推行油氣輸送管道的完整性管理。目前，中國油氣輸送管道完整性管理已取得極大進(jìn)展，形成眾多可推廣的經(jīng)驗(yàn)和成果。

1.2 面臨的問題與挑戰(zhàn)

隨著油氣輸送管道完整性管理工作的不斷推行和實(shí)施，國內(nèi)外油氣輸送管道平均失效頻率呈逐漸下降趨勢(shì)［16-18］。但隨著“兩化融合”（以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、以工業(yè)化促進(jìn)信息化）進(jìn)入深水區(qū)，以及“十四五”數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，油氣輸送管道完整性管理工作面臨如下問題。

1.2.1 數(shù)據(jù)組織問題

油氣輸送管道完整性管理需采集的核心數(shù)據(jù)包括管道施工中線、管體屬性和周邊環(huán)境等，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的組織未考慮數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化問題，但面向油氣輸送管道智能化應(yīng)用和大數(shù)據(jù)分析等新型業(yè)務(wù)場(chǎng)景，數(shù)據(jù)組織模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)該業(yè)務(wù)場(chǎng)景，尤其是二維文檔類和三維設(shè)計(jì)模型類數(shù)據(jù)中關(guān)鍵信息的抽取和二次復(fù)用。

1.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量與孤島問題

已建管道（尤其是老齡管道）及新建管道數(shù)據(jù)的規(guī)范性、完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性等質(zhì)量問題參差不齊，且不同單位或同一單位不同管道的數(shù)據(jù)相互隔離，存在不同程度的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，數(shù)據(jù)應(yīng)用的共享程度較低。

1.2.3 數(shù)據(jù)資產(chǎn)化與管理問題

油氣輸送管道數(shù)據(jù)組織和管理工作一般由信息技術(shù)相關(guān)單位牽頭完成，由于缺乏生產(chǎn)經(jīng)營管理相關(guān)業(yè)務(wù)人員的深度參與，造成企業(yè)數(shù)據(jù)治理工作不充分，進(jìn)而形成雖然有數(shù)據(jù)，但無數(shù)據(jù)資產(chǎn)的現(xiàn)狀，其直接結(jié)果是數(shù)據(jù)價(jià)值密度普遍較低，間接結(jié)果是數(shù)據(jù)難以直接復(fù)用。

1.2.4 數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值挖掘與應(yīng)用問題

油氣輸送管道數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍然處于信息化建設(shè)階段，即：線下工作遷移到線上完成，并基于該模式開展了基本的數(shù)據(jù)可視化展示等應(yīng)用。而在油氣工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展背景下，數(shù)據(jù)潛在價(jià)值的挖掘，以及基于數(shù)據(jù)價(jià)值的智能化應(yīng)用亟待提升和改善。

2 基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理解決方案

2.1 總體架構(gòu)

自2002年Michael Grieves教授首次提出數(shù)字孿生概念以來，不同企業(yè)、行業(yè)及國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，對(duì)數(shù)字孿生體的定義提出了不同的看法，但其本質(zhì)都是按照一定頻率進(jìn)行物理實(shí)體對(duì)象的數(shù)字化映射，并通過實(shí)測(cè)、仿真和模擬來感知、診斷和預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化和調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生體的應(yīng)用從可視化向智能化方向發(fā)展。

近年來，數(shù)字孿生體構(gòu)建技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅猛，油氣輸送管道數(shù)字孿生體應(yīng)用技術(shù)逐漸成熟，且基于數(shù)字孿生體的智能化應(yīng)用水平亦逐年提高，尤其是 ISO 23247Automation Systems and Integration—Digital Twin Framework for Manufacturing（自動(dòng)化系統(tǒng)和集成—制造業(yè)的數(shù)字孿生框架）的發(fā)布，為油氣輸送管道完整性管理的持續(xù)提升創(chuàng)造了條件。

本文以數(shù)據(jù)生態(tài)建設(shè)和數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化為核心，提出了一種基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理解決方法。該方法利用現(xiàn)代新型數(shù)字技術(shù)和工業(yè)仿真技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了管道完整性管理從二維到三維（或多維）、從數(shù)據(jù)管理到數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、從數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用到智能化應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理由數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)賦能與分析，以及面向管道完整性管理的數(shù)據(jù)應(yīng)用四大模塊組成，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理總體架構(gòu)

2.1.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源包括油氣輸送管道完整性管理生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集與交付的內(nèi)容應(yīng)以數(shù)據(jù)應(yīng)用需求為基準(zhǔn)進(jìn)行策劃，包括但不限于GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的數(shù)據(jù)采集要求。

2.1.2 數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)組織模式以油氣輸送管道物理實(shí)體對(duì)象為載體，建立物理實(shí)體對(duì)象之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的屬性進(jìn)行數(shù)字化描述，并可根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自定義和可配置，在此基礎(chǔ)上對(duì)接收的原生數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、對(duì)齊和編碼處理。需要說明的是，實(shí)體對(duì)象分解不應(yīng)存在邏輯上的區(qū)域、裝置或單體；同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容應(yīng)包括油氣管道輸送完整性管理的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用過程中產(chǎn)生的可回存高價(jià)值數(shù)據(jù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)賦能與分析

數(shù)字孿生體是數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)的有效途徑之一，其建設(shè)過程需遵循物理實(shí)體與數(shù)字孿生體在應(yīng)用需求上按照一定速率進(jìn)行同步的原則，確保油氣輸送管道數(shù)字孿生體與物理實(shí)體及周邊環(huán)境的一致性。據(jù)此，構(gòu)建油氣輸送管道完整性管理的大數(shù)據(jù)模型、機(jī)理模型或大數(shù)據(jù)與機(jī)理融合模型，支撐基于數(shù)字孿生體的可視化或智能化應(yīng)用。需要說明的是，大數(shù)據(jù)模型是基于人工智能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而推測(cè)未知問題；機(jī)理模型則更依賴明確的數(shù)學(xué)算法或物理模型解決具體的已知問題；而二者的融合則可在不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，但最終目標(biāo)均指向油氣輸送管道完整性管理的智能化。

2.1.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

融合油氣輸送管道數(shù)字孿生體幾何模型、數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)模型和仿真模型，按照油氣輸送管道完整性管理的可視化或智能化應(yīng)用需求，基于數(shù)字孿生體構(gòu)建油氣輸送管道高后果區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、維修與維護(hù)、效能評(píng)價(jià)，以及基于大數(shù)據(jù)分析和人工智能的智能專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維或多維環(huán)境下的油氣輸送管道完整性管理。其中，幾何模型用于解決油氣輸送管道的數(shù)字孿生體形狀與物理實(shí)體形狀的一致性；數(shù)據(jù)模型用于解決物理實(shí)體建設(shè)和運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的組織模式；業(yè)務(wù)模型用于解決油氣輸送管道完整性管理業(yè)務(wù)程序和方法；基于業(yè)務(wù)需要確定的同步頻率，仿真模型用于解決數(shù)字孿生體與油氣輸送管道物理實(shí)體動(dòng)靜態(tài)信息的一致性。只有這4類模型相互融合并協(xié)調(diào)配合，方可實(shí)現(xiàn)油氣輸送管道完整性管理的智能化，進(jìn)而促進(jìn)油氣管道運(yùn)營的提質(zhì)增效和運(yùn)維管理的安全可控。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

以油氣輸送管道完整性管理業(yè)務(wù)為核心，面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交付、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用6個(gè)方面著手開展工作，主要關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.2.1 建立企業(yè)級(jí)或項(xiàng)目級(jí)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

面向油氣輸送管道完整性管理的高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、維修與維護(hù)、效能評(píng)價(jià)，以及基于大數(shù)據(jù)分析和人工智能的智能專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，應(yīng)結(jié)合GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)獲取要求，建立基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理的企業(yè)級(jí)或項(xiàng)目級(jí)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。這是形成基于數(shù)字孿生體油氣輸送管道完整性管理方法的基礎(chǔ)條件。

2.2.2 建立基于標(biāo)準(zhǔn)體系下的數(shù)據(jù)生態(tài)體系

通過油氣輸送管道的數(shù)字化交付，貫通數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)鏈和數(shù)據(jù)鏈中的傳遞機(jī)制，形成以油氣輸送管道業(yè)務(wù)為核心的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制和數(shù)字化交付方法，進(jìn)而建立基于標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系框架下的數(shù)據(jù)生態(tài)體系。這是形成基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理方法過程中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值持續(xù)釋放和數(shù)據(jù)資產(chǎn)高價(jià)值應(yīng)用的重點(diǎn)工作。

2.2.3 建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)化服務(wù)平臺(tái)和知識(shí)管理機(jī)制

以油氣輸送管道智能化為目標(biāo)，建立大數(shù)據(jù)分析模型和機(jī)理模型融合應(yīng)用的數(shù)據(jù)資產(chǎn)化服務(wù)平臺(tái)和知識(shí)管理機(jī)制，既為油氣輸送管道的當(dāng)前健康狀態(tài)提供實(shí)時(shí)信息，又為油氣輸送管道未來健康狀態(tài)的預(yù)判提供仿真模型。這是形成基于數(shù)字孿生體油氣輸送管道完整性管理方法的核心要素。

2.2.4 建立數(shù)據(jù)應(yīng)用功能點(diǎn)

以油氣輸送管道完整性管理業(yè)務(wù)為工作重心，建立數(shù)據(jù)應(yīng)用的功能點(diǎn)，并依托數(shù)字孿生體進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，突破傳統(tǒng)基于二維的油氣輸送管道完整性管理模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能應(yīng)用。這是形成基于數(shù)字孿生體油氣輸送管道完整性管理方法的主流趨勢(shì)。

2.3 實(shí)現(xiàn)方法

在具體實(shí)施過程中，遵循應(yīng)用的可持續(xù)性、業(yè)務(wù)場(chǎng)景的適應(yīng)性和技術(shù)前瞻性原則，可采用以下方法進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

在油氣輸送管道完整性管理的需求與業(yè)務(wù)功能架構(gòu)方面，采用業(yè)務(wù)主導(dǎo)下的新型科技應(yīng)用，將業(yè)務(wù)需求與信息技術(shù)相融合，形成基于數(shù)字孿生體幾何模型、數(shù)據(jù)模型、仿真模型和業(yè)務(wù)模型四維一體框架下的可視化應(yīng)用或智能化應(yīng)用。

在油氣輸送管道完整性管理的技術(shù)架構(gòu)方面，整體采用 DevOps開發(fā)運(yùn)維一體化技術(shù)和微服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的微服務(wù)化和容器環(huán)境下的自動(dòng)部署及運(yùn)行，達(dá)到各功能模塊的可拆分、可組裝，以及可配置應(yīng)用。

在油氣輸送管道完整性管理的數(shù)據(jù)架構(gòu)方面，采用開源數(shù)據(jù)庫，融合關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的不同優(yōu)勢(shì)，并基于數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理與運(yùn)營技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)向應(yīng)用的統(tǒng)一交付，消除數(shù)據(jù)孤島、保障數(shù)據(jù)安全。

在油氣輸送管道完整性管理的部署和應(yīng)用方面，采用廣域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的云化部署和加密傳輸，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)操作、管理和決策人員在統(tǒng)一授權(quán)機(jī)制下的分層使用。

3 應(yīng)用效果展望

按照總體架構(gòu)，開展基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)以下效果。

一是，將管道建設(shè)、運(yùn)行和維修維護(hù)的數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生體上進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成以數(shù)字孿生體為核心的管道完整性管理數(shù)據(jù)資產(chǎn)。基于數(shù)據(jù)資產(chǎn)的潛在價(jià)值，賦能管道完整性管理業(yè)務(wù)，建立智能專家系統(tǒng)，將管道完整性管理和管道生產(chǎn)運(yùn)行有機(jī)融合，不僅為管道完整性管理的各階段工作提供知識(shí)保障，而且為管道生產(chǎn)運(yùn)行和管理提供決策依據(jù)。

二是，基于數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)版本控制機(jī)制，以及數(shù)字孿生體與物理實(shí)體按一定速率的同步機(jī)制，通過高后果區(qū)圖形、圖像或視頻基線進(jìn)行圖像識(shí)別和對(duì)比分析，可精確判斷高后果區(qū)的前后變化，尤其在降雨頻繁的滑坡、崩塌和泥石流高后果區(qū)可疊加實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)，能夠掌握實(shí)時(shí)信息，并對(duì)高后果區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行趨勢(shì)分析和預(yù)判，達(dá)到管道高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的智能化管理。

三是，通過管道完整性管理高后果區(qū)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的整合，建立機(jī)理模型、確定管道完整性管理特征值，可快速進(jìn)行管道當(dāng)前階段的完整性評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，將機(jī)理模型形成的應(yīng)用成果數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，通過大數(shù)據(jù)分析模型對(duì)管道的健康狀態(tài)進(jìn)行效能評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，進(jìn)而指導(dǎo)維修維護(hù)工作，將管道完整性管理的成本控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文以數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化及應(yīng)用為主線，以油氣輸送管道完整性管理的智能化為目標(biāo)，采用數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)賦能與分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用的資產(chǎn)化路線，提出了一種基于數(shù)字孿生體的油氣輸送管道完整性管理方法，形成了油氣輸送管道的高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、維修與維護(hù)、效能評(píng)價(jià)和專家系統(tǒng)建設(shè)的完整解決方案，可解決油氣輸送管道的數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、數(shù)據(jù)孤島和應(yīng)用可持續(xù)的問題，為油氣輸送管道完整性管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展提供了一種思路。