董紹華　張河葦

中國(guó)石油大學(xué)（北京）

摘要：智能管網(wǎng)可以解決當(dāng)前系統(tǒng)繁多以及數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用脫節(jié)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)油氣管道安全、高效、可持續(xù)發(fā)展。全面闡述了國(guó)內(nèi)外數(shù)字化管道、智能管網(wǎng)的實(shí)施進(jìn)展，分析了智能管網(wǎng)發(fā)展的特點(diǎn)、難點(diǎn)以及存在的問(wèn)題，研究建立了管道全生命周期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了管道全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)。提出了全生命周期智能管網(wǎng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，包括管道全生命周期資產(chǎn)設(shè)施管控、運(yùn)行管理控制、決策支持3個(gè)方面。提出了基于GIS的智能化管理平臺(tái)方案，搭建了管道建設(shè)與運(yùn)維一體化智能管理平臺(tái)，一是用于建設(shè)期施工數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)移交、施工質(zhì)量可視化管理；二是用于運(yùn)營(yíng)期腐蝕防護(hù)電位控制、在線完整性評(píng)估、高后果區(qū)、地區(qū)等級(jí)升級(jí)地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及無(wú)人機(jī)巡線等完整性管理循環(huán)；三是用于管網(wǎng)的決策支持，包括大數(shù)據(jù)建模、應(yīng)急決策支持、焊縫大數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、基于物聯(lián)網(wǎng)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、管道泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)培訓(xùn)、遠(yuǎn)程故障隱患可視化巡檢、移動(dòng)應(yīng)用等。智能管網(wǎng)的推廣應(yīng)用，有利于管道管理水平的提升，為決策者提供足夠的信息，保障管道企業(yè)安全、高效運(yùn)營(yíng)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；全生命周期；智能管網(wǎng)；一體化平臺(tái)；決策支持 

    從國(guó)內(nèi)外管道管理的發(fā)展歷程來(lái)看，伴隨信息技術(shù)和完整性管理技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，建設(shè)數(shù)字化管道已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外管道運(yùn)營(yíng)者的主要目標(biāo)，管道企業(yè)均建立了GIS系統(tǒng)和完整性管理系統(tǒng)，并取得重要成果。但近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能的發(fā)展，管道運(yùn)營(yíng)管理模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，數(shù)字化管道逐步向智能化管道發(fā)展，以大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持、移動(dòng)應(yīng)用等方式進(jìn)行管道管理，從而補(bǔ)充傳統(tǒng)管理方式的不足^[1-2]。

智能管網(wǎng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能管網(wǎng)管理的手段和載體，其集成管道和站場(chǎng)的所有信息，采用大數(shù)據(jù)建模的分析理念，提供成熟可靠的智能管網(wǎng)一體化解決方案，包括：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的全面監(jiān)控，以及所有管理環(huán)節(jié)所需信息的全面共享；通過(guò)大數(shù)據(jù)建模，實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理，保障生產(chǎn)活動(dòng)安全有序。智能管網(wǎng)進(jìn)一步突出管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)，全面自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，貫通上下管理環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行事前優(yōu)化預(yù)測(cè)、事中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，事后全面分析的閉環(huán)管理，降低油氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本。

1　智能管網(wǎng)發(fā)展概況

1.1　國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

    數(shù)字化管道是中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司最早提出的，并陸續(xù)將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于油氣管道行業(yè)的勘察設(shè)計(jì)和施工階段，2004年首先應(yīng)用于西氣東輸冀寧管道聯(lián)絡(luò)線，2008年在西氣東輸二線、中緬油氣管道等工程建設(shè)中，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、GIS成圖技術(shù)在勘察設(shè)計(jì)和施工階段幫助優(yōu)化路由，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和運(yùn)行調(diào)度，在管道數(shù)字化方面縮小了與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的差距^[3-7]。

    中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司將數(shù)字管道建設(shè)確定為技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，對(duì)已建或擬建工程中的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS、GPS的應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃部署，并與SCADA等自動(dòng)化管理技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)了PIS完整性管理系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)，為所轄油氣田和管道的在線檢漏、優(yōu)化運(yùn)行、完整性管理提供數(shù)據(jù)平臺(tái)。目前，建立了以SCADA、氣象與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等平臺(tái)、天然氣與管道ERP、管道生產(chǎn)管理、管道工程建設(shè)管理（PCM）、管道完整性管理（PIS）、天然氣銷(xiāo)售等信息系統(tǒng)為支撐的總體信息化系統(tǒng)，全面支持資產(chǎn)和物流兩條主線的業(yè)務(wù)工作。    

     中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司所轄管道企業(yè)2001年開(kāi)始引進(jìn)完整性管理理念，建立完整性管理體系，2007年開(kāi)始推廣應(yīng)用，2009年建設(shè)PIS完整性管理系統(tǒng)，完整性管理覆蓋率達(dá)到48%，2012年覆蓋全部長(zhǎng)輸管道。管道事故率由2006年的1.67次/千公里降至2009年的0.48次/千公里，管道完整性管理水平由2007年的4級(jí)提高至2009年的6~7級(jí)，打孔發(fā)案率下降35%。中石油北京天然氣管道有限公司在智能化管道方面，搭建了管道建設(shè)期、運(yùn)行期數(shù)據(jù)一體化平臺(tái)，建立了管道全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)，建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)基于全生命周期的GIS應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管道安全評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及完整性評(píng)價(jià)，以及生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程和設(shè)備狀態(tài)數(shù)字化、可視化的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)和管理。其GIS應(yīng)急決策支持平臺(tái)與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合緊密，包括管道基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)全入庫(kù)，自動(dòng)維護(hù)平臺(tái)、地理信息系統(tǒng)平臺(tái)、應(yīng)急決策支持一鍵式輸出，實(shí)現(xiàn)樁加載的全部管道數(shù)據(jù)提取^[8-9]。

    中海油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司完成了生產(chǎn)調(diào)度及應(yīng)急指揮中心、貿(mào)易平臺(tái)、LNG汽車(chē)加氣運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)、資金平臺(tái)、槽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)等的構(gòu)建及深化應(yīng)用，構(gòu)成了信息化的主體框架，形成了集團(tuán)級(jí)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的全息化“基礎(chǔ)平臺(tái)”，同時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與展示平臺(tái)融合各項(xiàng)目公司的GIS數(shù)據(jù)、數(shù)字化管道數(shù)據(jù)、DCS/SCADA等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)，成為統(tǒng)一的“數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”。建成了綜合辦公信息系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)擴(kuò)容及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目、手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)功能擴(kuò)展項(xiàng)目、外網(wǎng)門(mén)戶網(wǎng)站、內(nèi)部門(mén)戶網(wǎng)站、Sap財(cái)務(wù)系統(tǒng)與用友財(cái)務(wù)系統(tǒng)雙線融合、裝備管理綜合信息平臺(tái)等。目前正在構(gòu)建智慧氣電，建設(shè)全面覆蓋、高度集成的先進(jìn)信息網(wǎng)，用以快速、全面、正確地獲取、理解、判斷集團(tuán)全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，并作出智能化決策。

中國(guó)石油化工股份有限公司榆濟(jì)管道工程在施工階段同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，2007-2008年開(kāi)展的數(shù)字化管道建設(shè)，以二維GIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，包括管道走向、埋深圖，采集了較多的施工數(shù)據(jù)，疊加了影像圖，其運(yùn)營(yíng)期的系統(tǒng)建設(shè)按照總部智能化管道系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)正在整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。川氣東送管道的數(shù)字化建設(shè)亦逐步推進(jìn)中，投產(chǎn)后建設(shè)了3D管道GIS系統(tǒng)，補(bǔ)充了施工數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了大口徑、高壓力、長(zhǎng)距離天然氣輸氣管道全程全景真三維、地下地表地上一體化、站線一體化、二三維一體化的管道專業(yè)地理信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)覆蓋全線逾2 200 km管道本體及附屬設(shè)施^[10-12]。2014年中國(guó)石油化工股份有限公司啟動(dòng)了“中國(guó)石化智能化管道管理系統(tǒng)”項(xiàng)目，完成了項(xiàng)目頂層設(shè)計(jì)和管道數(shù)字化管理、管道完整性管理、管道運(yùn)行、應(yīng)急響應(yīng)管理、綜合管理五大類功能的研發(fā)，以及7家試點(diǎn)企業(yè)39條1 939 km管道系統(tǒng)的實(shí)施和27座站場(chǎng)的數(shù)字化、可視化管理。同時(shí)，重視數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和業(yè)務(wù)流程模板化，形成5類21項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。中國(guó)石油化工股份有限公司智能化管道目標(biāo)是：建設(shè)集成數(shù)據(jù)中心和共享服務(wù)平臺(tái)，建設(shè)上下貫通的6大應(yīng)用模塊，即管道數(shù)字化管理、管道完整性管理、管道運(yùn)行管理、應(yīng)急輔助管理、隱患治理管理、綜合管理，形成安全可靠的工作平臺(tái)，滿足管道安全運(yùn)行管理要求。

1.2　國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外管道的建設(shè)運(yùn)行逐漸向智能管網(wǎng)方向發(fā)展，已經(jīng)取得重要成果，與信息技術(shù)保持同步發(fā)展，管道建設(shè)和運(yùn)行的各個(gè)階段應(yīng)用了云計(jì)算移動(dòng)存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集、大數(shù)據(jù)決策分析^[13-17]。

美國(guó)休斯敦的控制中心控制著公司的天然氣業(yè)務(wù)，石油管道業(yè)務(wù)則由設(shè)在Tulsa的控制中心監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬（RTM）、預(yù)測(cè)（前瞻性）模擬（PM）、壓縮機(jī)站優(yōu)化（CSO）、壓縮機(jī)性能自動(dòng)優(yōu)化（RTCT）、氣體負(fù)荷預(yù)測(cè)（LF）、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。美國(guó)建立公司統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)（GIS），將管道物理數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)整合，覆蓋4×10⁴英里（1英里=1.609千米）天然氣管道，與其他信息系統(tǒng)（如風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、管網(wǎng)模型系統(tǒng)）相接，實(shí)現(xiàn)公司對(duì)管道動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

    挪威Statoil公司開(kāi)發(fā)了管道完整性管理系統(tǒng)，集成了SAP、Maximo、STAR、Intergraph、Inspection等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，管理者可以在同一界面查看管道的完整信息，如管道設(shè)計(jì)、運(yùn)行情況、維護(hù)歷史等，大幅降低了管理難度，提高了管理效率。美國(guó)雪佛龍公司開(kāi)發(fā)了VMACS（Volumetric Management and Customer Service），通過(guò)對(duì)相關(guān)管道數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和共享，實(shí)現(xiàn)降低成本、優(yōu)化資源并最大限度地利用管道的生產(chǎn)能力。

英國(guó)BP公司利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高管道資產(chǎn)與人員的安全性，通過(guò)先進(jìn)的無(wú)線智能終端應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、儀表的位置標(biāo)記與識(shí)別，資產(chǎn)周期、歷史數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)性查詢，包括現(xiàn)場(chǎng)操作工人操作規(guī)程指引，現(xiàn)場(chǎng)工單提示與任務(wù)分配，以及現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)、進(jìn)展、規(guī)程與位置跟蹤；通過(guò)使用帶有高清晰度攝像頭及熱力傳感器等的無(wú)人機(jī)（UAV）技術(shù)，對(duì)復(fù)雜自然環(huán)境中的管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)與安全監(jiān)控。

英國(guó)BP公司Cherry Point煉油廠開(kāi)發(fā)了基于大數(shù)據(jù)分析的物聯(lián)網(wǎng)腐蝕管理系統(tǒng)，將腐蝕無(wú)線傳感器安裝在管道重點(diǎn)部位，形成物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)，獲得大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳到系統(tǒng)中。某些惡劣環(huán)境會(huì)影響電氣系統(tǒng)對(duì)腐蝕傳感器數(shù)據(jù)的讀取，形成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)生成的數(shù)量彌補(bǔ)了跳動(dòng)影響，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)到管道重點(diǎn)部位的承壓，使管理人員實(shí)時(shí)了解到某些種類的原油比其他種類原油更具腐蝕性。

加拿大Enbridge公司利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)智能移動(dòng)終端，實(shí)時(shí)收集、匯總、傳輸儀表與資產(chǎn)數(shù)據(jù)，站隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)數(shù)據(jù)與工單處理，管道巡線數(shù)據(jù)處理，環(huán)境、健康、火災(zāi)、安全等HSE檢查，以及合規(guī)性檢查等資料。

美國(guó)CDP管道公司，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能管道領(lǐng)域的全面應(yīng)用方案，建立了智能人員生命安全裝備系統(tǒng)（ALSS），在Wifi環(huán)境下持續(xù)監(jiān)測(cè)有害氣體、追蹤人員位置狀態(tài)；通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)管道變形和泄漏等異常情況，通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行站隊(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)數(shù)據(jù)與工單處理及視頻通話，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)管道路由監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1.3　智能管網(wǎng)的特點(diǎn)及建設(shè)難點(diǎn)

    智能化管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)龐大的應(yīng)用工程系統(tǒng)，其將眾多相對(duì)獨(dú)立的管道數(shù)字化，集成化和產(chǎn)品化，整合為以海量數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，具有智能化、數(shù)字化、可視化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、一體化特征，并具有專業(yè)性、兼容性、共享性、開(kāi)放性、安全性特點(diǎn)，最大限度地消除信息孤島。智能化，即實(shí)現(xiàn)管道的運(yùn)行優(yōu)化、管道安全風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急搶險(xiǎn)的交互聯(lián)動(dòng)響應(yīng)；數(shù)字化，即通過(guò)文檔資料及圖片資料的結(jié)構(gòu)化、索引化，加強(qiáng)知識(shí)共享，更為設(shè)備更新改造提供便捷；可視化，即實(shí)現(xiàn)管道相關(guān)數(shù)據(jù)的圖形、圖像、視頻、圖表分析信息的多維度查詢及可視化展示；標(biāo)準(zhǔn)化，即生命周期的業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以及設(shè)計(jì)、建設(shè)期成果的數(shù)字化移交標(biāo)準(zhǔn)；自動(dòng)化，即完善管道的自控儀器儀表、檢測(cè)設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)；一體化 ，即全面整合生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和管理應(yīng)用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)建模分析實(shí)現(xiàn)決策支持。

   智能管網(wǎng)的建設(shè)難點(diǎn)和制約因素主要包括以下幾個(gè)方面：

    （1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的難點(diǎn)，智能管網(wǎng)平臺(tái)是確保建設(shè)期數(shù)據(jù)與運(yùn)行期數(shù)據(jù)一體化的平臺(tái)，涵蓋管道全生命周期的各個(gè)階段，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響管道的智能化水平。 

    （2）數(shù)據(jù)統(tǒng)一的難點(diǎn)，建設(shè)期與運(yùn)行期要采用同樣的數(shù)據(jù)框架、數(shù)據(jù)字典，系統(tǒng)建設(shè)才能落地，數(shù)據(jù)才能自由調(diào)用。 

    （3）智能化應(yīng)用的難點(diǎn)，體現(xiàn)在如何建模才能與管道實(shí)際運(yùn)行情況相吻合，重點(diǎn)在于決策支持分析，即如何為管道企業(yè)決策提供支持服務(wù)。

    （4）系統(tǒng)運(yùn)行速度及自維護(hù)的難點(diǎn)，系統(tǒng)的運(yùn)行速度，直接決定只能管網(wǎng)建設(shè)的成敗，需要采用GIS調(diào)用和存儲(chǔ)的新技術(shù)，同時(shí)，需要解決如何使數(shù)據(jù)變成活數(shù)據(jù)，增加更新速度，提高自維護(hù)性能的問(wèn)題。 

    （5）體系建設(shè)與平臺(tái)同步的難點(diǎn)，體系建設(shè)必須與平臺(tái)同步，否則未來(lái)應(yīng)用和運(yùn)維等均難以落實(shí)。 

2　智能管網(wǎng)解決方案

2.1　建立管道全生命周期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 

    為了形成與管道實(shí)體相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，確保數(shù)據(jù)的完整性及可重復(fù)應(yīng)用，需要構(gòu)建數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在整個(gè)生命周期內(nèi)執(zhí)行同樣的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行整合。通過(guò)構(gòu)建智能化管道數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，在管道全生命周期內(nèi)，各類業(yè)務(wù)產(chǎn)生、傳遞、共享、應(yīng)用、形成完整的數(shù)據(jù)信息鏈。

2.2　構(gòu)建管道全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)

    管道全生命周期管理（Pipeline Lifecycle Management，PLM）可定義為：在管道規(guī)劃、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、工程施工、投產(chǎn)、竣工驗(yàn)收、運(yùn)維、變更、報(bào)廢等整個(gè)生命周期內(nèi)，整合各階段業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)信息，建立統(tǒng)一的管道數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)管道從規(guī)劃到報(bào)廢的全業(yè)務(wù)、全過(guò)程信息化管理。

    構(gòu)建全生命周期管道數(shù)據(jù)模型，以設(shè)計(jì)和運(yùn)行為主，創(chuàng)建APDM數(shù)據(jù)模型，將各階段全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按中心線入庫(kù)和對(duì)齊，通過(guò)將全部數(shù)據(jù)加載到管道數(shù)據(jù)模型上，對(duì)管道本體及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、管道地理信息數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)活動(dòng)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源進(jìn)行集中存儲(chǔ)和開(kāi)發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)物理管道和數(shù)字管道模型的融合（圖1）。

 

  

圖1　管道全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成示意圖

2.3　全生命周期智能管網(wǎng)設(shè)計(jì)

    全生命周期包括管道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)兩個(gè)階段，同時(shí)將決策支持作為重要組成部分，突出智能管道的決策支持功能（圖2、圖3）。

 

 圖2　全生命周期智能管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

 

圖3　大數(shù)據(jù)分析決策支持分析流程圖

2.4　搭建基于GIS的全生命周期智能管網(wǎng)平臺(tái)

    按照“統(tǒng)一系統(tǒng)、統(tǒng)一平臺(tái)、統(tǒng)一安全、統(tǒng)一運(yùn)維”的思路，基于云架構(gòu)建設(shè)數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用平臺(tái)和共享服務(wù)系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的建營(yíng)一體化平臺(tái)，構(gòu)建管道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，滿足工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的業(yè)務(wù)需求。

 

 

圖4　管道生命周期GIS 數(shù)據(jù)平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)搭建流程圖

2.5　施工管理

2.5.1 施工數(shù)據(jù)采集錄入管理

施工數(shù)據(jù)入庫(kù)包含施工全過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、整理、轉(zhuǎn)換、傳輸和加載等內(nèi)容，既要滿足數(shù)據(jù)完整性、合規(guī)性、可靠性、外延擴(kuò)展性和邏輯一致性等要求，又要滿足空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系的正確性及與其他數(shù)據(jù)的融合精度要求，如遙感數(shù)據(jù)、航測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)等，對(duì)于數(shù)據(jù)入庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)，包括字段、數(shù)據(jù)類型、字段長(zhǎng)度、單位等必須滿足智能化管道標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.5.2　工程建設(shè)過(guò)程可視化管理

    工程建設(shè)過(guò)程可視化質(zhì)量管理，是以督導(dǎo)施工過(guò)程規(guī)范化為目標(biāo)，以空間圖像、照片為手段，實(shí)現(xiàn)反映問(wèn)題有圖有真相，是施工過(guò)程可視化質(zhì)量管理的有效手段。系統(tǒng)通過(guò)智能手持終端快速拍照，有效記錄施工過(guò)程，根據(jù)照片的坐標(biāo)信息，定位承包商。

2.5.3　工程數(shù)據(jù)數(shù)字化移交

    以全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行移交，移交成果為管道建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于未來(lái)管道運(yùn)行管理過(guò)程中查詢和調(diào)用技術(shù)參數(shù)、設(shè)備屬性，數(shù)據(jù)可用性強(qiáng)，可為后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)直接提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.6　管道運(yùn)維管理

    開(kāi)發(fā)基于GIS的運(yùn)維管理模塊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維期管道全生命周期的閉環(huán)管理，滿足完整性管理6步循環(huán)的要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、高后果區(qū)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、修復(fù)與減緩、效能評(píng)價(jià)的全過(guò)程管理（圖5）。

  

圖5　管道運(yùn)維管理流程示意圖

2.6.1　腐蝕控制斷電電位管理

    陰極保護(hù)工程實(shí)施斷電電位管理，采用電位遠(yuǎn)傳的方式，實(shí)現(xiàn)日常陰極保護(hù)數(shù)據(jù)如保護(hù)電位、自然電位、恒電位儀、保護(hù)電流密度等的上傳和自動(dòng)上報(bào)，并對(duì)防腐層檢測(cè)與修復(fù)情況進(jìn)行科學(xué)管理。

2.6.2　高后果區(qū)、地區(qū)等級(jí)升級(jí)地段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

    針對(duì)高后果區(qū)、地區(qū)等級(jí)升級(jí)地段，采用基于歷史失效數(shù)據(jù)和基于可靠性理論的計(jì)算模型，考慮天然氣管道失效模式對(duì)后果的影響，建立管道失效概率計(jì)算方法；分析管道事故災(zāi)害類型，并考慮財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡、管道破壞、服務(wù)中斷和介質(zhì)損失等管道失效后果情景，建立天然氣管道失效后果的定量估算模型^[18]。

  

圖6　天然氣管道失效后果定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖

2.6.3　智能無(wú)人機(jī)巡線

    傳統(tǒng)的人工巡線方法，不僅工作量大，而且條件艱苦，特別是山區(qū)、河流、沼澤及無(wú)人區(qū)等地的管道巡檢，抑或冰災(zāi)、水災(zāi)、地震、滑坡、夜間的巡線檢查，所花時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高、困難大。而管道線路危險(xiǎn)區(qū)域巡檢采用無(wú)人機(jī)全數(shù)字化巡檢，在特殊地段、風(fēng)險(xiǎn)較大的地段，進(jìn)行第三方防范巡護(hù)、泄漏巡檢巡護(hù)，可以克服傳統(tǒng)人工巡線方法的不足。泄漏巡檢搭載高精度紅外熱像儀或紅外光譜儀，可以對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行泄漏識(shí)別，及時(shí)預(yù)警和報(bào)警。

2.6.4　管道在線完整性評(píng)估

    針對(duì)內(nèi)外檢測(cè)缺陷、幾何變形、重車(chē)碾壓、洪水沖擊、礦場(chǎng)堆料、管道懸空、閥室沉降、管道屈曲、山體滑坡、管道落差坑溝填埋、并行管道、爆破等建立有限元仿真評(píng)估模型。 目前，重點(diǎn)針對(duì)不同鋼級(jí)管道適用性評(píng)估開(kāi)展研究，建立了管道氫致開(kāi)裂、焊縫、平面型缺陷、體積型缺陷、幾何缺陷的理論評(píng)估方法，建立了有限元、邊界元的數(shù)學(xué)仿真模型，開(kāi)發(fā)了系列評(píng)估軟件；提出了氫致開(kāi)裂斷裂判據(jù)，研究了氫濃度對(duì)管道斷裂的影響，建立了新的管道失效評(píng)定關(guān)系，并給出了失效評(píng)定圖；確定了一定輸送壓力和H₂S含量下，含裂紋缺陷管道的安全度和安全范圍，給出了相應(yīng)的安全系數(shù)；建立了管道ICDA直接評(píng)估、管道ECDA直接評(píng)估、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂SCCDA直接評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)了管道實(shí)時(shí)在線完整性評(píng)估。已經(jīng)開(kāi)發(fā)的模塊、模型^[19]有：管道適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) API579、管道國(guó)際缺陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-F101\ASMEB31.G\Rstreng\Modified B31.G、管道焊縫評(píng)估系統(tǒng)、管道BS7910 評(píng)估系統(tǒng)、管道氫致開(kāi)裂完整性評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

3　管道數(shù)據(jù)挖掘與決策支持

3.1　應(yīng)急決策支持

   發(fā)揮智能管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)急指揮和應(yīng)急決策支持的作用，滿足應(yīng)急指揮決策的需求，主要是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下對(duì)管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管道周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的及時(shí)調(diào)取，并自動(dòng)計(jì)算疏散范圍、安全半徑，自動(dòng)輸出應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急處置方案等，通過(guò)搶修物資與搶修隊(duì)伍的路由優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)一鍵式應(yīng)急處置方案文檔輸出，輸出數(shù)據(jù)包括：管道基本信息、事故影響范圍、應(yīng)急設(shè)施、人口分布、最佳路由、應(yīng)急處置方案等。 

3.2　大數(shù)據(jù)決策支持

基于大數(shù)據(jù)的相關(guān)性、非因果性分析理論，管道系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的來(lái)源包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等，類別包括管道腐蝕數(shù)據(jù)、管道建設(shè)數(shù)據(jù)、管道地理數(shù)據(jù)、資產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、市場(chǎng)數(shù)據(jù)等。未來(lái)管網(wǎng)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)集成，將各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合，通過(guò)建立大數(shù)據(jù)分析模型，解決管道當(dāng)前的泄漏、腐蝕、自然與地質(zhì)災(zāi)害影響、第三方破壞等數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用問(wèn)題，獲得腐蝕控制、能耗控制、效能管理、災(zāi)害管理、市場(chǎng)發(fā)展、運(yùn)營(yíng)控制等綜合性、全局性的分析結(jié)論（圖7），指導(dǎo)管道企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展^[20]。

  

圖7　管道大數(shù)據(jù)決策支持系統(tǒng)示意圖

3.3　焊縫大數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析

     焊縫是管道的重要特征之一，其質(zhì)量直接影響管道的本質(zhì)安全，2010年以來(lái)，國(guó)內(nèi)發(fā)生了10余起管道焊縫失效事故。焊縫缺陷主要表現(xiàn)為：管道碰死口，焊縫射線片不合格，隱藏缺陷，焊縫射線底片與焊口對(duì)應(yīng)不上。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析能夠發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷或隱含的問(wèn)題，獲取碰死口位置的全部底片^[21]。

     基于X 射線的焊縫圖像，可以對(duì)缺陷的特征進(jìn)行提取和自動(dòng)識(shí)別：對(duì)焊縫圖像采用均值濾波和中值濾波相結(jié)合的方法進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)比兩類圖像增強(qiáng)算法，選擇直方圖均衡方法進(jìn)行圖像增強(qiáng)，采用迭代閾值圖像分割算法對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行分割，并對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行特征提取和特征選擇，進(jìn)而采用基于二叉樹(shù)的SVM 分類器方法對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行分類識(shí)別，篩選可能的缺陷特征，如裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、球狀?yuàn)A渣及條狀?yuàn)A渣等。

 

圖8　焊片氣孔Roberts 算子分析結(jié)果

3.4　基于物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)監(jiān)測(cè)的災(zāi)害預(yù)警

    開(kāi)發(fā)了管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由傳感器、采集儀、傳輸模塊、評(píng)價(jià)系統(tǒng)組成，其克服了極端天氣、系統(tǒng)供電等困難，實(shí)現(xiàn)了7×24 h時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警管理。該系統(tǒng)能夠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)、高后果區(qū)管道的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，包括應(yīng)變監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、土壓監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)變報(bào)警、應(yīng)力報(bào)警、位移報(bào)警，已經(jīng)形成管道監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

3.5　管道泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

   管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以SCADA系統(tǒng)或負(fù)壓波、次生波、光纖等監(jiān)測(cè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)將詳細(xì)檢查這些異常數(shù)據(jù)，并分析是否為泄漏。 管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)后，將立刻發(fā)出警報(bào)并顯示泄漏地點(diǎn)、泄漏時(shí)間、泄漏速度和泄漏總量等數(shù)據(jù)^[22]。 

3.6　遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)及故障隱患可視化巡檢培訓(xùn)

   拆裝維護(hù)實(shí)訓(xùn)，通過(guò)對(duì)設(shè)備零部件、組件按正確順序地拆解和組裝，可以直觀地查看設(shè)備整體展開(kāi)或剖面結(jié)構(gòu)，單獨(dú)查看設(shè)備各個(gè)零部件和組件的外觀，掌握設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理，以及正確的拆裝工具、拆裝流程、注意事項(xiàng)，為設(shè)備的維護(hù)維修奠定基礎(chǔ)。

    通過(guò)積累長(zhǎng)輸管道場(chǎng)站典型故障與隱患案例，建立故障隱患數(shù)據(jù)庫(kù)，利用三維可視化技術(shù)對(duì)場(chǎng)站進(jìn)行三維重建，學(xué)員在虛擬環(huán)境中巡查摸排系統(tǒng)設(shè)定的故障隱患，熟悉典型故障點(diǎn)及處理方法。同時(shí)，系統(tǒng)在員工訓(xùn)練結(jié)束后可以給出分析評(píng)價(jià)，使領(lǐng)導(dǎo)能夠定期掌握員工對(duì)風(fēng)險(xiǎn)故障隱患的掌握情況。

3.7　移動(dòng)應(yīng)用

    隨著4G、5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的形成，移動(dòng)應(yīng)用成為管道管理發(fā)展的重要組成部分。移動(dòng)應(yīng)用（圖9）使管理者與系統(tǒng)緊密結(jié)合，保證第一時(shí)間內(nèi)開(kāi)展突發(fā)事件處置、文件處理、在線管理，及時(shí)了解管道運(yùn)行動(dòng)態(tài)，最大限度地保障管道安全運(yùn)營(yíng)。

  

圖 9　管道移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)框圖

4　結(jié)論和建議

    （1）智能管網(wǎng)已經(jīng)成為管道信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，是現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)及行業(yè)相關(guān)先進(jìn)技術(shù)匯集而成的針對(duì)油氣管道應(yīng)用的智能集合，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)控制及基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，未來(lái)將與大數(shù)據(jù)建模分析、人工智能緊密結(jié)合在一起，為油氣管道安全可靠、優(yōu)化高效、環(huán)境友好運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

    （2）智能化管網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，管網(wǎng)建設(shè)期數(shù)字化水平、運(yùn)營(yíng)期完整性管理的實(shí)施深度是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)和分析模型的精準(zhǔn)性是決定性因素，自適應(yīng)控制與反饋是實(shí)現(xiàn)途徑。

    （3）智能管網(wǎng)系統(tǒng)的移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，是管道企業(yè)發(fā)展的主流方向，但要克服運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)保密、預(yù)警報(bào)警機(jī)制設(shè)置等難題，移動(dòng)應(yīng)用的個(gè)性化設(shè)置、維護(hù)機(jī)制均需重點(diǎn)考慮。

    （4）全生命周期的智能管網(wǎng)建設(shè)，最重要的是解決數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)應(yīng)用的難題。管道行業(yè)大數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用，未來(lái)一定向云計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展，最終將智能管網(wǎng)實(shí)踐應(yīng)用遷移到云上，使所有用戶共享數(shù)據(jù)和模型。

    （5）建議未來(lái)新建管道，考慮智能管網(wǎng)一體化平臺(tái)建設(shè)，減少數(shù)據(jù)重復(fù)錄入，避免應(yīng)用系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，加大數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司“十三五”重大科研項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)的內(nèi)檢測(cè)綜合分析模型與決策支持技術(shù)研究”。