油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架研究

DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.014

摘" " 要：從油氣管網(wǎng)工程建設(shè)行業(yè)存在的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，在分析油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)內(nèi)涵特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他行業(yè)智能體系發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了一套油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架。該框架以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，遵循科學(xué)的發(fā)展模式，制訂合理的實(shí)施途徑，通過(guò)技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系與標(biāo)準(zhǔn)體系的整合，圍繞建設(shè)期數(shù)字孿生模型，逐步實(shí)施勘察設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、工程施工及建設(shè)管理四大業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智能化應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)油氣管網(wǎng)工程高效、安全建設(shè)，以及交付優(yōu)質(zhì)、智能油氣管網(wǎng)工程的總體目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：油氣管網(wǎng)；工程建設(shè)；智能化；理論體系框架

Abstract：This study focuses on the actual problems in the oil and gas pipeline network engineering construction industry. Based on an analysis of the connotations and characteristics of intelligent engineering construction of oil and gas pipeline networks， a theoretical framework is established with experiences from intelligent system development in other industries. This framework is guided by foundational theories， conforms to the scientific development mode， and plans reasonable ways of implementation. With the integration of technology systems， data systems and standard systems， the digital twin model during the construction phase is centered around. Intelligence is applied in four business areas： investigation design， materials procurement， construction， and project management. Ultimately， the overall goal is achieved as an efficient and safe construction is ensured and a high-quality and intelligent engineering of the oil and gas pipeline network is delivered.

Keywords：oil and gas pipeline network; engineering construction; intelligence; theoretical framework

傳統(tǒng)的油氣管道工程建設(shè)行業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，多年來(lái)延續(xù)了粗放的管理建設(shè)模式，建設(shè)過(guò)程中信息源頭不一、流轉(zhuǎn)不暢，對(duì) “人、機(jī)、料、法、環(huán)”等要素的管控不到位，由此導(dǎo)致了效率低下、資源浪費(fèi)等諸多問(wèn)題，甚至引發(fā)質(zhì)量安全事故。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)不斷與傳統(tǒng)行業(yè)融合，在各個(gè)領(lǐng)域相繼掀起了智能化浪潮。在油氣管網(wǎng)工程建設(shè)領(lǐng)域集中體現(xiàn)在將這些新技術(shù)應(yīng)用于各種不同類型的智能工地建設(shè)[1-3]，以提高對(duì)施工的管控水平。目前，新技術(shù)多用于解決特定的工程建設(shè)問(wèn)題，各技術(shù)系統(tǒng)全局整合程度不高，且沒(méi)有形成基礎(chǔ)的理論體系來(lái)指導(dǎo)智能化工程建設(shè)的發(fā)展。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本文在研究智能工程建設(shè)體系特征基礎(chǔ)上，建立一套涵蓋油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)全過(guò)程的基礎(chǔ)理論及體系框架，以期為油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1" " 油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的內(nèi)涵

工程建設(shè)領(lǐng)域的范圍涵蓋土木工程、建筑工程、交通工程及其他各類基礎(chǔ)設(shè)施工程等。近年來(lái)，各行各業(yè)通過(guò)信息化、智能化技術(shù)賦能工程建設(shè)發(fā)展，初步形成了智能工程建設(shè)體系。筆者基于對(duì)智能制造[4]及鐵路[5]、電網(wǎng)[6]、建筑[7]等行業(yè)智能工程建設(shè)體系特征的深入分析，認(rèn)為智能工程建設(shè)應(yīng)包含以下5項(xiàng)特征：一是強(qiáng)調(diào)新一代信息技術(shù)對(duì)工程建設(shè)活動(dòng)的賦能作用；二是智能化建設(shè)貫穿工程建設(shè)全周期，建設(shè)期成果與運(yùn)行維護(hù)期無(wú)縫銜接；三是在數(shù)據(jù)及模型驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)信息流與業(yè)務(wù)流的融合；四是面向工程建設(shè)的全過(guò)程、全要素和全參與方，致力于實(shí)現(xiàn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的整合與協(xié)同升級(jí)；五是以管控工程質(zhì)量、進(jìn)度、成本等為最終目標(biāo)。

在以上總結(jié)的基礎(chǔ)上，筆者提出的油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)概念為：油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)是在信息化與工業(yè)化高度融合的基礎(chǔ)上，利用新技術(shù)對(duì)油氣管網(wǎng)建設(shè)過(guò)程各項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)行賦能，推動(dòng)工程建設(shè)活動(dòng)的生產(chǎn)要素、生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系升級(jí)，促進(jìn)油氣管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流的充分融合，實(shí)現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、工程施工直到竣工交付的工程全周期、全鏈條的一體化集成管控，以保障工程建設(shè)高效、安全，交付優(yōu)質(zhì)、智能油氣管網(wǎng)工程為最終目標(biāo)的新型建設(shè)模式。

2" " 油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架

對(duì)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)目標(biāo)、內(nèi)涵、特征、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)施途徑等概念的認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷發(fā)展、逐步深化的過(guò)程。在對(duì)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)概念內(nèi)涵分析的同時(shí)，也暴露出當(dāng)前理論研究的缺失，因此筆者在總結(jié)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的發(fā)展歷史、已有理論和實(shí)踐研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架，如圖1所示。該理論體系框架由8個(gè)模塊組成?？傮w執(zhí)行思路為：在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，以建設(shè)期業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，遵循科學(xué)的發(fā)展模式，制訂合理的實(shí)施途徑，進(jìn)行技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系與標(biāo)準(zhǔn)體系3大體系建設(shè)；在此基礎(chǔ)上，圍繞建設(shè)期數(shù)字孿生模型，逐步開展勘察設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、工程施工及建設(shè)管理4大領(lǐng)域業(yè)務(wù)的智能應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)油氣管網(wǎng)工程高效、安全建設(shè)，交付優(yōu)質(zhì)、智能油氣管網(wǎng)工程的總體目標(biāo)。

3" " 框架關(guān)鍵模塊及主要內(nèi)容

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架中各關(guān)鍵模塊是相輔相成的，以下將具體闡述各關(guān)鍵模塊的主要研究?jī)?nèi)容，并探究其內(nèi)在邏輯關(guān)系。

3.1" " 理論基礎(chǔ)

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系理論基礎(chǔ)部分是體系最基礎(chǔ)的部分，主要用于闡明油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的概念內(nèi)涵、范疇、指導(dǎo)理論和方法論等一系列內(nèi)容，核心是對(duì)指導(dǎo)理論和方法論的研究。

3.1.1" " 指導(dǎo)理論

系統(tǒng)論、控制論和信息論對(duì)第四次工業(yè)革命的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，“三論”在理論層次為研究復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題提供了認(rèn)識(shí)工具。油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系本質(zhì)上是系統(tǒng)工程的范疇，因此以系統(tǒng)論、控制論和信息論有機(jī)結(jié)合的理論指導(dǎo)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的構(gòu)建符合客觀性、科學(xué)性的要求。

在系統(tǒng)層面，將油氣管網(wǎng)工程建設(shè)體系視為有機(jī)整體，尋求解決工程系統(tǒng)與各組成要素之間相互關(guān)系的模式、原則和方法，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)各要素關(guān)系，使系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)；在控制層面，建立反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，形成閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的突出矛盾，維持整個(gè)工程建設(shè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在信息層面，通過(guò)建立實(shí)時(shí)感知、雙向互通的信息系統(tǒng)，支撐對(duì)系統(tǒng)控制的實(shí)施。通過(guò)數(shù)據(jù)流使工程建設(shè)系統(tǒng)各要素相互結(jié)合，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1.2" " 方法論

以系統(tǒng)工程方法論作為油氣管網(wǎng)工程建設(shè)體系構(gòu)建的總體方法論，以基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法作為體系建設(shè)的具體方法。一方面，MBSE方法注重系統(tǒng)思維的運(yùn)用，將工程建設(shè)乃至整個(gè)工程作為整體系統(tǒng)，進(jìn)行全生命周期管理、跨專業(yè)協(xié)同和多維度優(yōu)化。另一方面，MBSE方法以模型為中心，即在油氣管網(wǎng)工程建設(shè)階段以建設(shè)期數(shù)字孿生模型為中心，隨工程進(jìn)展動(dòng)態(tài)更新數(shù)字孿生模型，并通過(guò)模型運(yùn)用支撐跨領(lǐng)域業(yè)務(wù)。

3.2" " 技術(shù)、數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)體系

要實(shí)現(xiàn)油氣管網(wǎng)智能化工程建設(shè)應(yīng)用，只有基礎(chǔ)理論支撐是不夠的，此時(shí)需要從技術(shù)、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)維度進(jìn)行體系化、層次化、規(guī)范化設(shè)計(jì)，構(gòu)建理論與應(yīng)用之間的橋梁。

3.2.1" " 技術(shù)體系

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的技術(shù)體系是工程建設(shè)3大體系的核心部分，技術(shù)體系能夠?yàn)閿?shù)據(jù)體系與標(biāo)準(zhǔn)體系的建立提供指導(dǎo)，而數(shù)據(jù)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系的建立應(yīng)充分結(jié)合技術(shù)體系的發(fā)展現(xiàn)狀。由圖2所構(gòu)建的技術(shù)體系采用分類分層設(shè)計(jì)原則，基于油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新的需求，將技術(shù)體系自上而下劃分為領(lǐng)域、方向、智能應(yīng)用技術(shù)、支撐4個(gè)層面，具體可概括為4大領(lǐng)域、7個(gè)方向、N項(xiàng)智能應(yīng)用、一個(gè)平臺(tái)支撐。4大領(lǐng)域包含勘察設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、工程施工及建設(shè)管理4個(gè)領(lǐng)域內(nèi)容，在這4大領(lǐng)域下分別開展數(shù)字化集成設(shè)計(jì)、智能采購(gòu)、智能施工及一體化管控技術(shù)的綜合應(yīng)用，由此根據(jù)不同類型工程特點(diǎn)的區(qū)別，具體進(jìn)行x個(gè)方向及一系列相關(guān)智能應(yīng)用技術(shù)的研究。最終，這些智能化技術(shù)的應(yīng)用和管理在一個(gè)統(tǒng)一的基于數(shù)字孿生體的一體化平臺(tái)系統(tǒng)的支撐下開展。

3.2.2" " 數(shù)據(jù)體系

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的數(shù)據(jù)體系是對(duì)技術(shù)體系中設(shè)計(jì)、采購(gòu)和施工各個(gè)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行管控，通過(guò)建立集成數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析與應(yīng)用的體系，指導(dǎo)數(shù)據(jù)的流動(dòng)與應(yīng)用，打通貫穿工程全生命周期的數(shù)據(jù)流，為技術(shù)體系提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，為標(biāo)準(zhǔn)體系框架提供反饋。圖3是一種數(shù)據(jù)體系的參考框架，主要內(nèi)容包括：在感知層，通過(guò)數(shù)字化集成設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的上傳，通過(guò)工程物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)采購(gòu)與施工數(shù)據(jù)的感知，最終完成工程建設(shè)全過(guò)程數(shù)據(jù)的采集；在數(shù)據(jù)層，集成油氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工等數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合、分析，形成管網(wǎng)建設(shè)期數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；在應(yīng)用層，基于工程建設(shè)一體化的平臺(tái)系統(tǒng)，建立工程建設(shè)的大數(shù)據(jù)分析和智能輔助決策模型，實(shí)現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)和工程施工等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)管控和智能化分析等數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3.2.3" " 標(biāo)準(zhǔn)體系

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體系能夠?yàn)榧夹g(shù)體系和數(shù)據(jù)體系的實(shí)際應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的支撐。標(biāo)準(zhǔn)體系框架應(yīng)能夠涵蓋智能工程建設(shè)體系的基本組成單元，具體應(yīng)包括基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)、領(lǐng)域應(yīng)用3個(gè)部分，如圖4所示。

3.3" " 業(yè)務(wù)智能應(yīng)用

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系在勘察設(shè)計(jì)、物資采購(gòu)、工程施工及建設(shè)管理4大業(yè)務(wù)領(lǐng)域圍繞建設(shè)期數(shù)字孿生模型開展智能化應(yīng)用。具體應(yīng)用思路為：在勘察設(shè)計(jì)階段基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)數(shù)字孿生模型的構(gòu)建工作，伴隨工程建設(shè)的推進(jìn)，采購(gòu)及施工數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)感知并匯集到數(shù)字孿生模型中，在數(shù)據(jù)及模型的驅(qū)動(dòng)下，信息流與業(yè)務(wù)流融合，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)信息集成和一體化管控應(yīng)用。故此在建設(shè)實(shí)體管網(wǎng)工程的同時(shí)，同步形成了數(shù)字孿生管網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)了建設(shè)期全過(guò)程、全要素及全參與方的智能應(yīng)用。工程竣工后，可將數(shù)字孿生工程隨實(shí)體工程同步移交至運(yùn)營(yíng)階段，實(shí)現(xiàn)建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)無(wú)縫銜接。

3.4" " 發(fā)展模式

發(fā)展模式應(yīng)主要闡述油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的主要發(fā)展階段及應(yīng)用模式。

目前，在智能制造領(lǐng)域已經(jīng)提出了智能制造演進(jìn)的3個(gè)基本范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造[8]。從本質(zhì)上講，智能工程建設(shè)也屬于一種大型定制化的智能制造形式，因此油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系可在已有基本范式基礎(chǔ)上明確符合油氣管網(wǎng)工程建設(shè)實(shí)際特征的發(fā)展階段。在此基礎(chǔ)上，還需要制定每個(gè)發(fā)展階段詳細(xì)的應(yīng)用模式，從而指導(dǎo)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)不同發(fā)展階段的技術(shù)應(yīng)用。

3.5" " 實(shí)施途徑

實(shí)施途徑應(yīng)主要明確實(shí)施油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的基本實(shí)施原則和實(shí)施路線。

在實(shí)施原則方面，劉強(qiáng)[9]在分析總結(jié)智能制造體系特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)施智能制造的“三要三不要”基本原則，得到了業(yè)界廣泛認(rèn)可。以此為參考，結(jié)合油氣管網(wǎng)工程建設(shè)實(shí)際，可提出油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)實(shí)施的“三要三不要”原則。

3.5.1" " “三不要”原則

1）不要在落后的技術(shù)基礎(chǔ)上搞數(shù)字化。設(shè)計(jì)方法、施工工藝及裝備技術(shù)落后，是不具備數(shù)字化基礎(chǔ)的，數(shù)字化必須有配套的技術(shù)基礎(chǔ)才能夠?qū)嵤?/p>

2）不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化。必須在科學(xué)的工程項(xiàng)目管理體系基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息化。

3）不要在不具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)時(shí)搞智能化。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是智能化工程建設(shè)的必要支撐。

3.5.2" " “三要”原則

1）標(biāo)準(zhǔn)體系要先行。標(biāo)準(zhǔn)體系的前瞻性與規(guī)范性可以決定智能工程建設(shè)體系發(fā)展的高度及適用性，是應(yīng)該首先完善的部分。

2）支撐基礎(chǔ)要強(qiáng)化?；A(chǔ)理論和支撐技術(shù)是體系發(fā)展的基石，是應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化發(fā)展的部分。

3）數(shù)字孿生理解要全面。工程建設(shè)期不但要完成數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，還應(yīng)探索數(shù)字孿生的應(yīng)用，以數(shù)字孿生模型為核心，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)一體化集成與應(yīng)用。

在以上基本原則規(guī)范下，智能工程建設(shè)體系的發(fā)展還需遵循科學(xué)合理的實(shí)施路線。實(shí)施路線的制訂必須在充分的現(xiàn)狀調(diào)研和需求分析基礎(chǔ)上，從基礎(chǔ)技術(shù)和理論建設(shè)入手，實(shí)用為主，由易到難，由簡(jiǎn)入繁，從局部到整體，從靜態(tài)孤立到動(dòng)態(tài)互聯(lián)，逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)體系智能化提升。

3.6" " 總體目標(biāo)

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的總體目標(biāo)是通過(guò)智能化體系的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度、成本和安全的有效管控，保障工程高效、安全建設(shè)，交付優(yōu)質(zhì)的智能化油氣管網(wǎng)工程。

高效：通過(guò)智能化應(yīng)用，提高工程建設(shè)效率，提高建設(shè)資源利用率，降低各方面成本支出，同時(shí)保障工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)降本增效。

安全：通過(guò)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”和信息系統(tǒng)的智能化管控，最大程度保障人員和信息安全。

優(yōu)質(zhì)：交付業(yè)主單位優(yōu)質(zhì)、可靠的智能化工程，支撐油氣管網(wǎng)智能化、智慧化運(yùn)行維護(hù)。

4" " 結(jié)論及展望

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的發(fā)展不是一蹴而就的，發(fā)展模式也不是一成不變的，本文只是對(duì)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系發(fā)展脈絡(luò)的梳理與思考，目的是為體系發(fā)展提供一定程度的指導(dǎo)。體系后續(xù)發(fā)展規(guī)劃還應(yīng)隨著理論與技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況持續(xù)提煉、動(dòng)態(tài)完善，使之順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)公司“揭榜掛帥”課題“智慧管網(wǎng)理論和技術(shù)體系研究”（JCGL202109）。

作者簡(jiǎn)介：劉宏業(yè)（1992—），男，山東青州人，工程師，2019年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油與天然氣工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事油氣地面工程智能化設(shè)計(jì)及研究工作。Email：hongye0204@163.com

收稿日期：2024-09-02