宮敬教授

《管道保護》編輯部：宮教授您好，當前我國智能管道和智慧管網建設進入起步階段，您新近發表的“中俄東線智能化工藝運行基礎與實現的思考”引起了廣大讀者的關注。有一些讀者通過學習思考，向您請教幾個問題。

宮敬教授：非常歡迎。我的文章對油氣管道數字化、智能化建設和發展雖然有一些研究和認識，但總體認知還比較粗淺、存在不足。讀者朋友所提出的問題都比較深刻、實踐性很強，愿借此機會與大家交流學習、拋磚引玉，期待學術界和管道業界研究者給出更好的解答，共同推動油氣管道的數字化和智能化建設。

 

問： 數字孿生體建設是智能管道的基礎工作，如何有效搭建建設期數字孿生體，并使其在管道全生命周期得到有效應用？

答： 作為第四次工業革命的關鍵技術，數字孿生體受到學術界和工業界的極大關注。目前，多個國際組織的技術委員會成立了數字孿生體相關的工作組。這從一個側面證明了數字孿生體技術在第四次工業革命中的地位和作用。目前，國際上還沒有建立相關標準。我本人比較認同《三體智能革命》一書關于智能化模型的相關描述：物理實體、意識人體、數字虛體。數字虛體在沒有加載意識體之前就是我們現在討論的數字孿生體，是存在于計算機和網絡設備之中的所有數字代碼集合體，可仿真真實系統狀態和已確定行為的實體模型。未來將實體的物聯數據和意識人體的知識、推理建模引入，實現從物理實體→意識人體→數字虛體(數字孿生體)→物理實體的循環，最終能夠形成智能系統。其中知識建模、知識積累和知識驅動是未來的難點。正在開展的知識圖譜建設是智能決策系統建設的開始，而數字孿生體技術是智能系統搭建的基礎。

可以說，數字孿生體不同于以往任何類型模型構建和可視化，其建設本身就是與管道全生命周期高度同步和關聯的系統性工程，在管道規劃、設計、建設、運營、維護直至退役的整個生命周期都有其對應的工作和應用的場景。

管道全生命周期從“紙上談兵”到“真槍實彈”是進入建設期的顯著特征，標志著管道前期規劃、設計資料的完整移交和施工應用。這些資料涉及設備、材料、工藝、地質、環境等大量數據，而這些數據正是有效構建數字孿生體雛形的原料。此時的數字孿生體已能夠實現管道靜態的全部特征，可以為管道建設施工過程提供多角度多信息的綜合利用，如：輔助工程進度管理、輔助資產采購配置、施工質量把控、工藝移交與校核等。

建設期是更新與完善數字孿生體的一個重要時間窗口，對此后數字孿生體的有效應用至關重要。如果數字孿生體在此階段沒有得到實質性更新，那么可能出現與實際不符的問題，直接影響其在施工移交、試壓投產、試運行等階段所能發揮的綜合作用，并對此后的有效應用帶來影響。

生產運行階段，通過物理實體管道系統與管道數字孿生體進行交互融合及相互映射，實現物理實體管道系統對管道數字孿生體數據的實時反饋，使管道數字孿生體通過高度集成虛擬模型進行油氣管網運行狀態仿真，形成虛擬模型和實體模型的協同工作機制，達到二者的優化匹配和高效運作，以實現安全可靠的準確預測、精準操作，優化控制。

綜上，由于油氣管道點多、線長、面廣，其數字孿生體的建設應該分應用場景和應用目的而分類建設。個人認為：

（1）管道項目開始規劃設計之初應確定數字孿生體的應用場景，從線路、站場、管道及管網系統三大層面入手，將管道數字孿生體積木化，確定承插原則、邊界及外界數據的融入（如：地理、天氣、資源、市場及檢查信息等）規則等。

（2）管道設計中數字化移交的一維、二維和三維模型必須具有生命力，在投產、試運行階段可加載數據激活應用模塊，使數字化移交的模型在施工、試運行結束后成為與實體映射的孿生體，為全生命周期運行提供靜態數字體。

投產完成后，關聯各種屬性、動態數據、數字和機理模型，實現所預設的功能。如：一個壓縮機站場，由各類設備、工藝管線、測量儀表、供電、數據傳輸等分系統組成，而它作為一個整體，又是管道系統的一部分。應根據需要確定在現階段的積木塊，即孿生體系統的顆粒度。本人認為，基于管道的特性，孿生體顆粒度要根據如何保障管道安全和經濟運行來確定。如：哪些系統需要賦予具有生命力的三維模型，要根據需求和投入加以考慮；并非全部系統需要三維模型。實現管道數字孿生體數據對物理實體管道系統的實時相互映射，使其通過高度集成虛擬模型進行管網運行狀態仿真分析，形成虛擬模型和實體模型的協同工作機制，達到二者的優化匹配和高效運作，是實現管網動態迭代和持續優化時必須達到的。而根據SCADA 系統的設備運行、設備監測、工藝運行等數據，對設備數字孿生體加以更新，進行多學科、多物理量的集成仿真分析，實現基于可靠性安全評估和基于故障案例庫的診斷，預測設備故障及剩余壽命，給出維修維護策略，制定維修維護作業計劃，也是必須功能。

問： 當前各業務模塊內部數據之間的因果及邏輯關系較為明晰，分析應用工作相對成熟，不同業務模塊之間的數據綜合分析工作應如何開展？管網業務的多源數據分析與所謂的大數據分析有何異同？

答： 不同業務模塊之間的數據分析工作應當從管網系統內部的關聯性分析著手，以物理規律為基礎，以安全運行為邊界，以優化資產配置、資源整合及高效運行為目標，對相關數據進行整合，并確定分析方法。數據整合是基礎，分析方法是手段，需求是目的。所以，首先要解決不同來源的數據在讀取方面的問題。

從面向生產和消費的角度看，管網業務的多源數據分析從方法到應用場景具有不同的特征。其中面向消費的數據分析與常見的大數據分析相似度更高，而與此不同，面向生產的數據分析往往物理規律的支配性更顯著，數據的特征和數量與應用場景緊密相關，并且數據分析的精準度和時效性要求更高。

關于油氣管道數據的相關問題，我在“中俄東線智能化工藝運行基礎與實現的思考”一文中已有論述，不再贅述。

問： 管網優化運行的技術難點在哪里？階段性技術突破預計何時可以實現？

答： 管網優化運行的技術難點可以從兩方面來看，一個是理論之難，一個是應用之難。

管網優化屬于最優化理論應用，由于管輸介質、管網特性等往往會演化成數據類型多、約束條件多、優化目標多且非線性關系復雜的優化問題。模型、求解算法和算力都會影響優化結果，目前技術難點主要在于建模和求解方法。優化模型有很多類型，好的模型往往比好的求解算法和算力更重要，而建模藝術除了需要運籌學功底外，還需要對問題背景有足夠深刻的了解，能夠抽絲剝繭抽象出關鍵因素，使所建立的模型可以忽略掉一些因素進行簡化但仍然能刻畫問題，保持一定的精度。目前只有在特定場景下進行簡化后才能取得較好的優化效果。

在工程實際中難以落地是管網優化應用之難，這與工業整體發展水平緊密相關，目前管網的信息化、自動化、互聯化建設仍較為初級，需要投入更多的物 資和人才。個人認為短期之內提高管網優化運行的可行路徑在于打造上述閉環迭代過程，先由運行管理方提供明確的需求和必需的數據，然后由工藝人員描述問題背景和系統特征，再由優化建模計算人員進行模型和數據等各類建模，嘗試不同的優化模型和求解方法，再根據應用反饋改進模型，形成一個不斷迭代升級、進化優化的過程。

此外，管網優化運行的實際落地還需要運營方、優化建模計算人員、工藝人員之間的通力合作、相互配合。要依據優化結果進行應用評估后，再根據反饋改進模型，真正形成這個閉環迭代流程。一些研究和應用效果不盡人意往往是這個閉環過程中出現了環節脫鉤。

問： 您能預見的智能管道/智慧管網將會給管道行業帶來哪些具體的提升？

答： 智能系統要具備狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行及學習提升的特征。智能管道/智慧管網最重要的都在一個“智”字，所謂“智”，意味著首先要降低風險，減少由于“不智”帶來的決策失誤、操作失誤以及自然失效，在保證科學性、時效性和準確性的基礎上使得安全性得以提升。其次，是運行效率的提升，通過“智”的建議或管控使得系統資源合理配置，管道保持高效的智能/智慧運行和管理，上下游市場得以充分發展。

智能管道/智慧管網給企業帶來的宏觀目標在以往中石油、中石化及中海油專家領導的報告中都有提及。具體的提升在于人工智能與管道結合的廣度和結合的深度，以及人工智能技術的發展水平。就目前基礎、現狀及本人認知，宏觀上可預見給企業帶來如下提升：①較大降低行業的人力成本；②管網系統在整個生命周期內運行更加安全、高效；③較大提高事故檢測和事故處理效率；④較大提升管道行業的經濟效益。

（1）智能化管道設計。已經在中俄東線天然氣管道上嘗試應用，關鍵是未來能否在全行業很好的推廣應用。智能化管道設計能避免人工失誤，實現全面精準的計算，完成優化科學的方案，提交規范統一的設計成果；并反饋給出的管道數字化模型——管道數字孿生體是否能夠滿足管道生產運行的要求。如果這些模型可以加載，數字化、智能化平臺規范統一，將會給管道全生命周期的運行管理帶來較大的經濟效益。

（2）生產安全和運行優化。運行方案制定更加便捷，運行狀態監控更加科學，事故工況的響應更加及時。管道在一定感知、數據和機理模型融合的條件下，能夠實現管道運行的精準管理和智能決策。同時，能夠根據數字孿生體的數體演化，對事故事件進行預測預警及精確控制。

（3）設備故障診斷和智能決策維護。通過傳感器實現對油氣管道關鍵設備的狀態、參數、負荷等進行感知及多種監控信息智能處理（歷史、現狀及未來的關聯分析），評估設備的狀態、不同任務的可靠性并給出維護維修策略。

（4）完整性管理和可靠性預估。在具有完整數據基礎上，智能管道系統形成的實時數據、定期檢測數據、歷史運行數據，耦合外部環境數據等，可實現油氣管道全生命周期的完整性管理和定量的可靠性分析。同時，可明確油氣管道可靠性差距，采用相應的可靠性增強措施和方案，實現在當前以及未來的油氣供應保障程度評價和與之相應的投入產出分析。

（5）智能化管道事故救援體系。目前管道系統的事故應急救援體系分散，存在信息滯后、應急預案不夠精準、各方協調不暢等困難。智能化救援體系可基于完備的信息平臺，根據事故發生地點、險情和環境等信息自動生成針對性搶險方案，將方案發送至相關部門協助指揮員協調資源和行動，在短時間內用最合理的方案完成搶險，有效地減少事故損失。

問： 智能管道目前存在卡脖子的技術主要有哪些？未來如何解決和應對？

答： 這個問題實在是太大，我僅就我自己的認知和了解的情況談點看法，肯定會與實際情況有差異，算是拋磚引玉吧，期待讀者認真調研思考，最終能夠參與到智能管道的建設中來。卡脖子技術可以從硬件和軟件兩個角度看。

在數字管道、智能管道概念提出來以后，國內廠商開始面向油氣行業提供一些硬件方案與技術，但都是局部應用。我國與智能管道相關的硬件設備（感知設備、數據采集和傳輸設備等）中的自主產品越來越多，但還有一些關鍵控制設備依賴于進口。為了智能管道的全面感知，需要研制廉價的感知設備；為進行多源海量數據處理要配備更高效的計算軟硬件。我相信，國內廠家能夠解決智能管道需要的硬件問題，即便暫時管網感知顆粒度不夠細致，也可以用仿真計算替代。

而智能管道的基礎是數據，靈魂是軟件，這是最重要的卡脖子技術。我國沒有針對管輸企業的信息集成規范，長輸管道分布廣、地形復雜、涉及面多，與一般企業差異較大，需要統一規劃管道信息數據；我國尚無實現智能管道應用的成熟軟件產品，技術和商業成熟度均落后發達國家20年左右。我非常同意《鑄魂》一書作者的觀點：工業軟件是改革開放以后，唯一一個與國外同行不斷拉大差距的工業產品領域。

隨著數字技術和工業互聯網技術的發展、國家對創新的重視及意識到在智能化進程中軟件的作用，行業內外人士已形成共識：我們已經到了解決智能管道難題、發展關鍵技術的歷史最好時期。雖然在基礎工業軟件上差距巨大，但在工業技術應用軟件上，可以以工業互聯網和智慧管網應用為切入點，自主開發適用于我國智慧管網的基于模型加基于數據的工業技術應用軟件。從大的方面講應該參考發達國家的先進經驗，通過制定類似的發展計劃引導學術界、工業界、商業界形成優勢互補、強強合作、全力攻關的良好局面；從小的方面講智能管道并非一個行業就能實現，應支持已掌握一定技術的相關團隊合作或參與關鍵技術研發與應用；同時，發掘培養更多具有綜合素質的管理人才、研發人才和應用型人才也同樣重要。

問： 您在文章里提到“中俄東線具備了工藝運行智能化的硬件和數據基礎，如果擁有統一的數據中臺或數據平臺，將能更好地實行智能工藝運行控制系統”。現在一些管道企業正在豐富智能化硬件和數據基礎，也在洽談與阿里巴巴數據中臺、業務中臺的合作。若想更好地實現與數據中臺或業務中臺的聯動，在建設過程中，除了開發精確的算法外，管道企業還需要注意什么關鍵因素？

答： 這個問題也非常大，我僅能談一點自己的認知，不見得正確。管道企業已建立了很多數字化管理體系，如：數字管道建設平臺、管道完整性管理平臺、管道生產管理系統平臺和 ERP 系統等，這些系統為智慧管網建設提供了數據基礎。企業的數據中臺或數據平臺是智能管道建設的基礎，也是意識體決策的信息來源。其關鍵因素包括：①已有數據系統如何在數據平臺上統一管理和調用；②解決管道現場數據匯聚到平臺的數據安全、數據實時性及數據標準不統一的問題；③圍繞油氣管道安全高效運行和高質量運營，規劃系統多場景、多層次應用軟件。通過調用、組合、封裝及二次開發，將油氣管道特有的工藝控制方法、運行維護技術、運營規則等軟件化，形成適用于油氣管道的專業工業化軟件，一大部分可以成為管道行業的APP應用，這里需要強調一下，這些軟件要分層次、分批次有步驟進行；④在智能管道建設中需要管理人才、研發人才及應用型人才通力配合，才能取得應有的成效。

希望各級決策者能夠對工業技術軟件給予足夠的重視，把我國已經有的、能夠與平臺結合的基于網絡開發的軟件整合起來。

問： 您在文章中指出“目前大多數企業的智能管道方案局限于管道系統數據展示、智能設備應用等，在管道數字化、物聯網基礎等方面，我們還處于初級階段”。從國情考慮，您對建設智慧管網各項工作的“幾步走”戰略，有怎樣的建議？比如先發展什么技術，再攻克什么技術？

答： 這個問題非常之大不是我能回答的。分幾步走，取決于我國技術發展、企業的短期和長期規劃、已有管道的基礎、新建管道的投資、工業控制和工業互聯網。可以肯定的是，所有的發展都要從油氣管網的實際出發，首先要解決最迫切的問題，以需求為牽引，以問題為導向，以安全經濟為目標。可能需要全面梳理、開展一定研究才能給出具體的建議。

問： 您在文章中介紹“目前國內外在數據平臺和模擬方面，已經有很多商業化的應用”。 國外在數據平臺建設方面、模型軟件開發方面，有什么先進經驗值得借鑒？我們自身有哪些強項可以發展和利用？”

答： 國外在數據平臺和模擬等方面的研究，最近《油氣儲運》等雜志已經做了很多介紹，不再贅述。

目前，第四次工業革命的蓬勃興起，帶來了很多新概念和新技術。這些新概念的背后是非常核心的關鍵技術，就是工業技術軟件。而我國有很多對管道工業技術熟悉、且還開發過很多小軟件的人員（高校和 研究所此類人員較多），可以在統一的平臺開發環境下，組織研發適用于我國油氣管道不同應用場景、不同功能的工業技術APP軟件，使我們可以在工業互聯網和云平臺軌道上前進，在應用上達到國際先進水平。

問： 您還提到“‘一張網’建成，需要各單位協作，需要建設統一的數據標準、數據平臺”。除此之外，是集合力量建立標準化的智慧管網建設方法，還是鼓勵各單位通過科技創新，發展特色。在這方面有怎樣的建議？

答： 是不是集合力量建立標準化的智慧管網建設方法我說不好，但是，不希望重復開發、重復立項。建議由國家油氣管網公司統一數據標準和數據平臺，在此基礎上，可以鼓勵各單位通過科技創新，發展特色。而各單位建立的系統，要能夠在國家管網平臺上推廣應用。當然，我還建議國家油氣管網公司及分公司要有相應的部門和固定的人員與高校、研究所及科技公司合作開發智慧管網所需要的工業技術軟件。這些軟件應該是可應用的，而不是供驗收和取得軟件著作權的。工業技術軟件也需要有持續升級、升版的過程，需要借鑒國外的經驗，與研發項目組進行長期的合作、持續的改進，這樣才能夠使我國油氣管道一點一點的智能起來。

《管道保護》編輯部： 我們代表讀者向您表示衷心感謝。（“中俄東線智能化工藝運行基礎與實現的思考”刊于《油氣儲運》 2020年第2期第130～139頁）

 

作者簡介：宮敬，教授，博士生導師，享受國務院政府津貼。 1962年生， 1982年畢業于撫順石油學院油氣儲運專業，獲工學學士學位； 1988年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運專業，獲工學碩士學位； 1995年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運專業，獲工學博士學位。

現任國家安全生產專家，石油工程學會地面工程工作部副主任；油氣管道輸送安全國家工程實驗室學術委員會副主任、工藝分室副主任，中國石油油氣儲運重點實驗室等6個重點實驗室學術委員會委員；擔任中國石油學會石油儲運專業委員會委員、北京石油學會石油應用和儲運專業委員會委員，《油氣儲運》等5種學術期刊的編委。聯系方式： 13501036944， ydgj@cup.edu.cn。

宮敬教授長期從事油氣儲運工程的教學與科研工作，是國內油氣儲運工程領域的著名專家。參加了我國“十五”“十一五”“十二五”“十三五”大型油氣管道評審與科研工作。榮獲2011年全國百篇優秀博士論文指導教師、 2010年全國優博論文提名指導教師。多年來一直致力于多相流理論、深水流動安全保障理論與技術、油氣田集輸工藝技術、油氣管道仿真技術、油氣長距離管道輸送理論與技術的研究，主持承擔國家重大專項課題和子課題6項，國家自然科學基金重點項目1項，國家自然科學基金面上項目4項，中石油、中海油、中石化科技攻關等高層次科研項目60余項，參加國家自然基金重點項目、國家“863計劃”項目6項,同時，每年還承擔多項管道企業的科研項目。在油氣儲運技術應用中，大落差管道運行及控制理論填補了國內空白，處于國際先進水平；在油氣多相流及流動安全保障理論與技術方面，以國家自然基金和國家油氣重大專項為依托，建立了蠟和水合物固相沉積預測理論和方法，開發國內首套海上氣田虛擬計量和流動管理系統，并正在推廣應用；研究和建立了成品油管道順序輸送動態優化模型和地形復雜成品油管道運行模擬技術，取得了較好的理論創新和應用效果。在天然氣管道輸送安全方面，通過理論和現場實驗研究，提出了西氣東輸管道氣質要求，為我國大型管道天然氣氣質指標標準制定提供了依據；給出了中亞天然氣管道氣質談判依據；研制出了輸氣管道中減壓波計算模型和軟件；結合西氣東輸管道和西氣東輸二線運行狀態，提出了天然氣干線管道安全運行參數，為天然氣管道安全輸送和西氣東輸二線管道設計提供了有力的技術支持。目前，正在致力于油氣管網和集輸系統數字化、智能化研究。

在Applied Energy、 fule、 Energy & fule 、 Fluid PhaseEquilibria、 Journalof Petroleum Science and Engineering、Chemical Engineering Research & Design、石油學報、力學學報、石油大學學報、化學工程等刊物及國內外學術會議發表論文170余篇，其中SCI、 EI、 ISTP收錄110余篇次；主編、參編專著7部，研究成果獲省部級科技進步一等獎4項，二等獎6項，三等獎4項。獲省部級教學成果二等獎2項。