浙能省級管網智慧管理平臺架構與設計

劉承松， 韓士英， 楊旭東， 王天宇， 蔣文明， 劉 楊

(1..浙江浙能天然氣運行有限公司， 杭州 310000； 2.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

在天然氣發展“十三五”[1]規劃及《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》[2]中，中國對天然氣發展建設提出新要求，旨在加快推進天然氣在新型城鎮化建設中的規?；瘧?，實現信息與燃氣的深度融合和管網的信息化與智能化建設?，F階段，油氣管網的智能化管理是未來的主流發展方向[3-4]，數字管道正向智能管道升級，發展空間巨大[5]。中石油管道公司、長慶油田、航天云網等企業針對管道面臨的挑戰和需求，紛紛提出了智慧管網解決方案，中石油管道公司為提供智能管網一體化解決方案已經開發出管道控制系統(PCS)。為響應國家號召并實現未來競爭優勢[6]，建設智慧管網成為現階段成為浙能公司發展的重點目標。目前隨著管網的不斷擴大和完善，亟須全省管網的智慧化建設，實現全省管網的管理水平與經濟效益的進一步提升，實現浙能集團的轉型升級。

相對于原油市場的價格不穩定性，天然氣價格一直處于穩定狀態，隨著中俄管線與西氣東輸的加大供給和清潔能源地位的提升，天然氣在能源消費領域占比越來越大，發展前景良好。但燃氣行業存在的一些問題給公司運營帶來影響，按照傳統企業的發展模式，燃氣行業已經到達新的瓶頸，主要集中在以下幾點：①管理效率相對較低。企業部門人員冗余，部門繁多，管理方式往往采取垂直體系，橫向業務交流不足，在復雜問題處理時，各部門的有效聯動性不強，導致人員配置不合理，效率不高。②綜合運行監管難度大。以浙能管網為例，2018年管網輸氣量已經突破100億m3，下轄超過1 700 km的燃氣管網，生產面積涵蓋整個浙江省，日常維護與檢修通常需要大量人力，尤其是部分野外的管道所在地形較差，導致監管難度系數高。③信息利用率低下。盡管近年來，許多燃氣企業引進信息管理技術，但尚未實現管網全覆蓋，在生產過程中，大量管道信息數據在部門間不能及時共享，信息之間缺少服務型智慧管理平臺進行合理調用，導致信息利用不足?？傮w來說，燃氣企業需要一種綜合智能化管理平臺，對人力資源、信息資源、管道資源進行高效整合、合理分配，解決傳統能源企業固有的管理效率低下、監管難度大、信息利用率不高的問題。

本文的主要工作：進行智慧管理平臺架構設計，利用結合“互聯網+”，通過構建智能化管道數據標準，在管道全生命周期內，使各類業務產生、傳遞、共享、應用數據信息形成完整的數據信息鏈，突出智能管道的決策支持功能，為智慧管網打造智能化平臺。

1 省級管網平臺架構

智慧管網平臺設計思路：利用標準規范化平臺，結合“互聯網+”與物聯網[7]，將管道與站場運行數據進行全面統一，對數據格式進行標準化處理上傳至平臺，通過科學系統分析，將企業各部門進行有效聯動，篩選并互通有效數據，采取AI智能化管理，在大數據的基礎上進行深度學習，構建適應不同需求的管道系統。綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，實現實時感知、數據分析、信息服務、集中調控[8]功能，具備人機友好界面，方面管理人員進行操作。

1.1 總體架構設計

在結合歷史數據與現行智能化管道運營數據的基礎上，構建“客戶端+云端+大數據分析”架構，形成以智能管線管理系統、智能站場管理系統、智能交易管理系統三大平臺為核心，將接口層、服務層、數據層、設施層與感知層相統一的設計，利用軟件層將各操作界面呈現于員工，實現管網的統一運維、全生命周期智能化管理(圖1)。

圖1 智慧管網總體架構示意圖

平臺層：以智能管道、智能站場、智能交易為核心的平臺層，彼此之間相互配合，形成平臺層的框架結構，既可以獨立進行操作，也可以調取其他兩數據進行聯動，以此來保證整個系統的安全、平穩、智能化運行。

應用層：這層應是整個系統建設的重點，是連接人員與虛擬數據之間的橋梁，可以直觀地將數據呈現給決策者，提高數據利用率。應用層可分為3個方面：移動端(手機、平板等)APP，桌面Windows和Web應用，三者信息互通，實現行業有關的數據融合。應用建設可分為高級應用與基礎應用兩類專業應用，高級應用下轄基礎應用，可重點建設應急管理系統、運行調度系統、完整性管理系統等?；A應用則是公司日常運行的基本軟件，同時具有開放性、預留性、擴展性等特點，可為后來新功能升級提供支持。

接口層：統一接口對于數據的安全訪問有莫大幫助，通過API網關對接口的管理，實現統一接口服務，上層應用使用統一接口服務實現數據和服務的訪問，達到業務目標。

數據層：通過把不同類型的信息來源進行歸類、整合，從業務角度對各類專業數據庫進行有效規范與銜接[9]，類似管道的基礎數據、環境的實時數據與運營商各類數據信息綜合匯總，形成有效信息。需要建立統一的數據標準[10]，現階段已經有可應用的數據標準與模型如PODS、APDM、PIDM和CPDM，故而可以基于上述模型進行開發，實現數據的互聯互通、集成共享。

感知層：這部分為現階段企業已經或正在建設的內容，通?；诘讓觽鞲衅鲗ιa過程的監控與實時網絡通信對自動控制技術形成規范管理，實現各類信息的采集、傳輸等功能，是整個架構最基本的功能，其采集信息的準確性直接關系到后臺監控判斷的合理性，可以說是智慧管網系統的“眼睛”。

1.2 架構主要功能

圖2展示了智慧管網建設所依賴的相關基礎應用軟件，各應用相互關聯，涵蓋了企業正常運行的主要功能，現對管網架構主要功能進行闡述。

圖2 智慧管網建設相關基礎應用軟件

1.2.1 管道生產運行管理

對于浙能天然氣公司，其最重要的任務便是保證天然氣的生產供應，預防天然氣供應中斷的風險。通過監測管道中天然氣的壓力、溫度、流量等對管網及站場進行實時數據監測；匯總運行數據和管道數據，通過壓差變化率(ROC)監測和警報壓力峰值和波動進行泄漏檢測；建立水力仿真模型，實現管網的動態或靜態數據仿真；操作方面，可以根據需要選擇手動或自動模式，防止自動系統失效情況下安全問題出現；采取無人機定期管線巡檢、機器人定期站場巡檢、衛星定點巡檢、人工重點巡檢相結合的方式進行巡線，建設自動監控系統對上游交接、管網分配、下游用戶交接實線全覆蓋。對于運行安全，使用標準組件，確保最高組件可用性操作，實現一體化管控，節約管理維護成本[11]。

1.2.2 應急管理

應急管理系統應以高效率、精細化、智能化為目標，集成應急預備管理、應急控制、事故分析、事故搶險、應急指揮與事故報告功能于一體為手段，建成浙能集團統一的監測預警中心。事故發生前，對人員不遵守法規嚴重性、管道發生事故的可能性以及挽救措施的有效性進行評估是非常必要的[12]，需根據各企業所發生的不同事故進行制定應急搶險方案。在事故發生時，按照不同的類型與優先級，系統通過數據庫比對給出相應的評級與初始方案，對平臺的不同管理角色給予不同權限，結合地理信息系統(GIS)[13]、GPS定位系統，并同當地政府有效溝通，最優化搶救人員配置，并以電話、短信等方式通知相應負責人，為救援指揮提供一體化的信息平臺以便實現快速聯動。在依托實景與虛擬三維場景基礎上，實現平站結合、決策指揮的目標，加快事故處理速度，提升企業信息化水平。事后需要分析在站場設計方面，需要做到一鍵停機、一鍵停站、一鍵放空、一鍵越站等操作。事后需要根據事故起因、搶修過程等方面信息形成分析報告及并給出建議，并將報告納入數據庫以減少類似事故的發生，并從而減少財產損失與社會不良影響。應急管理流程如圖3所示。

圖3 應急管理流程

1.2.3 災害提前預警

對于浙江地區，山地和丘陵占比超過70%，油氣管道面對的地質結構復雜，在夏季降水量較大，尤其是強降水容易引起滑坡的地質災害與洪水災害。需要結合三維地圖，對易發生災害區進行實景三維建模，對容易引起的管道事故提前進行預測，建立預警用戶信息資料庫，管道風險評價，對易發生災害區進行實景三維建模預警。主要集成3個基礎應用的信息：地質災害模塊、管道洪水災害模塊與氣象災害模塊，構建管道安全管理可視化系統[14]，并將3個模塊的信息集合成一條信息統一推送，可對浙能集團所轄的各個站場人員與工業或居民用戶等發布防汛、氣象、水文、海洋等各類預測預警多媒體信息。

1.2.4 站場與管道完整性管理

現如今某些老管道運行時間已經接近40年，并呈現管道腐蝕疲勞泄漏事故增多的趨勢，同時新型大口徑、高壓力、薄管壁的管道帶來以往未有過的管理難點。如何推廣完整性管理及技術應用是保障管道本質安全的根本，是解決管道業務發展瓶頸的關鍵[15]。其主要分為管道和站場兩部分，通常將識別高后果區管道部分、對可能產生的危險進行辨別(腐蝕、第三方破壞、管道開裂、焊縫缺陷、人員誤操作等)進行風險評估、制定并實施風險減緩方案、評論與更新這檢查和維護結果這些方面結合起來組成完整性評價，從內檢測管理、缺陷評價、風險評價、管道適用性評價管理等方面進行綜合分析，采用“鷹眼”“光纖通信”“SCADA”系統等技術，為管道進行定期智能體檢。

1.2.5 電子商務交易

結合“互聯網+”與能源互聯網政策，實現類似易派客和上海天然氣交易中心的交易模式，為大宗天然氣、LNG交易創造條件，建立數據集成管理機制交易以計量智能化、過程透明化、管理流程化為目標實現采購，建立區位、市場、資源、運營及時機等優勢[16]，推動天然氣市場化，逐步實現平臺全國化、國際化。

1.2.6 輔助決策

以科學定量化分析方法為主，追求結果的最優化為目標，根據管理人員的不同需求，結合大數據的歷史數據進行展現和挖掘，發現隱藏在信息內部的特征和規律，構建模型庫包括數據處理模型、圖形模型等模型庫支持向量機模型在管道預警中的應用，實現多維數據分析與動態分析，“一鍵式”生成輔助決策方案，為管理人員提供科學決策依據。具體包括及時查詢系統、動態分析、數據庫模型、決策支持系統幾方面的建設。由于管道本身與運行時產生的數據量巨大，需要精簡決策指標以提高數據的挖掘、存儲、獲取的效率[17-18],供分析 、判斷、預防 、決策參考。

2 架構實際具體應用

1)積極開展泄漏檢測，降低事故發生率?；谖锫摼W組網監測預警開發管道泄漏監測系統，采用壓力波技術、光纖技術等技術監測管網實時運行狀態，構建泄漏失效概率分布模型，經過數據分析程序判斷是否發生泄漏并進行定位，一旦監測到泄漏事故，自動分析泄漏風險等級，監控系統實時發出警報，并預報泄漏點位置，給出不同泄漏等級的應急處理建議，結合SCADA系統對事故影響區域、經濟損失給出估算，為管道綜合分析提供基礎數據。

2)提升腐蝕監測水平。將腐蝕風險管理的先進理念融合到日常管道陰保工作中，通過ECDA法定檢驗、站內陰保等方法打造智能陰保軟件系統，對管道進行外防腐檢測、內腐蝕檢測，對設備設施實行精細化管理，根據現場檢測人員的電位數據采集和錄入，重點檢測管道信息與記錄各類缺陷信息(地理坐標、缺陷類型、缺陷統計分布等)，對金屬損失、溫度、腐蝕率等數據參數變化來分析腐蝕深度、剩余壁厚等管道性能狀況，保證數據的準確性和實時性；對管道各類缺陷數據信息構建防腐系統評價系統，通過對土壤腐蝕性、雜散電流和排流的管理與管道力學性能退化研究，進行配套相應的腐蝕評估方法，建成優勢互補，構建多方位、多手段的天然氣腐蝕監測系統，對腐蝕趨勢進行預測。

3)安全巡檢綜合一體化。重點突出無人機智能化設備在巡檢過程中發揮的作用，將站場機器人巡檢系統融合到智慧管網中，并與衛星定點巡檢、人工巡檢相結合形成“四位一體”綜合巡檢體系，解決日常巡檢出現巡線盲區問題。結合地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)，配合有矢量化電子地圖的終端數據采集軟件和后臺處理軟件,對巡線儀、關鍵點進行管理，對人工巡檢及無人智能化設備進行規劃，以提高尋線效率和管道數字化、可視化水平。當發現管網及站場存在安全隱患、生產故障或第三方非法施工時，由調度中心及時通知和指揮有關人員實施應急處置等決定，實現巡線計劃管理、事件管理、人員考核、終端管理、統計分析等功能，降低人工勞動強度、減少作業風險；巡檢可與下文三維虛擬數字系統相結合，對于管網及站場數據實時監測的異常數據，在虛擬管網及虛擬站場系統開展虛擬巡檢，探尋異常原因，提高巡檢效率。安全巡檢系統架構如圖4所示。

圖4 安全巡檢系統架構

4)知識挖掘。結合管道日志數據、感知數據、位置數據等相應的業務模型構建專家知識庫，在海量數據中分析管道應用場景，通過數據庫中的經驗數據與歷史數據進行大數據分析，由于管道數據集合會導致過擬合的問題，需要按照屬性值進行人工智能與決策支持系統相結合優化，得出設備健康狀態及故障預測等分析結果，進一步給出劣化運行建議、故障維修建議等行動推薦，達到參數優化、系統動態模擬、數據挖掘、知識決策的目的。由于管道數據集合空間的特性會導致過擬合的問題，借助大數據技術實現智能化應用，諸如神經網絡之類的機器學習方法使得與大數據有關的復雜性學習成為可能[19]。

5)發展三維虛擬數字系統，提高員工生產效率。在GIS、CAD等技術基礎上,使用3D MAX等三維建模軟件對管道場景構件進行高仿真三維建模,與二維地理信息系統的相結合并對實際設備進行映射，實現地理信息、管道本體、附屬工程設施的虛擬三維場景顯示，同時構建可視化的管道完整性基礎數據庫；在虛擬管網的基礎上，構建站場設備三維模型與數據庫，整合實時生產數據與三維實景實現聯動，可顯示設備參數、狀態信息，并隨時了解站場的全生命周期過程數據。建立三維管網與站場評估系統，實現數字化場景中得風險分析(高后果區的位置、里程、時間等)與事故災情推演；開發虛擬培訓系統，盡管浙能天然氣管道長度不斷增加，公司規模不斷擴大，但招入新員工可能缺乏設施的操作技能，國家層面上并沒有相應的培訓與考核。通過在虛擬管網、站場的設備培訓、流程培訓考核(事故模擬演練、人員培訓)，可提高站場人員的操作水平，提高新員工技術培訓效率、降低培訓成本。

6)完善施工作業管理。結合浙能發展實際情況，經大數據顯示，第三方破壞已經成為燃氣管道泄漏事故的主要因素之一，需要對其進行完善管理，提高其管線建設與運營管理的水平。對設計圖、施工圖、人員分工、財務預算等方面進行評估后，根據《燃氣管道設施保護方案》，落實安全監護到位原則，并標準固化施工流程：錄入基礎工程數據(鋼管信息、防腐層信息、光纜信息、套管信息、樁信息等)，設置不同的層級進行審核與批準，同時對相應法規審批文件進行錄入和管理；施工與設備數據可與投產試運行數據一起構成建設階段的管道完整性數據庫。同時結合人工監控，利用衛星監控、無人機監控、視頻監控、紅外監控等手段對違章占壓進行管理，并對各類作業車輛及現場重點作業人員的開展定位實行作業跟蹤，為綜合調度指揮服務。

7)加強高后果區識別，完善完整性管理。構建量化評估模型，從不同方面(地理位置、周圍環境、管道參數等)對高后果區進行評估，對管廊、潛在影響等區域分析，結合天然氣事故影響半徑，將管道本體風險、動態風險和高風險區域綜合覆蓋；結合數學模型預測管道失效極限狀態，研究高后果區的可靠性，對風險程度劃分不同等級并進行排序分級，實施應急處置、加強防控和一體化監控等措施進行提前預防。對于村莊、學校等人口密集區域，要以保證人員安全、以人為本，減少傷害為原則，對于站場等設備重點區，要以減少二次破壞可能性為重點，構建高后果區評估模型，得出最不利條件下的應急方案。浙能集團應每年不少于一次更新地區風險等級、重要設施場所和埋地管道所等數據，經系統研究準確有效的評價結論，完善完整性管理。圖5為高后果區處理體系流程。

圖5 高后果區處理體系流程

8)完善效能評價系統，獲取最大管理效益。制定相應效能評價規程，規定評價內容和工作流程，綜合性評價企業的投入(人力，財力和物力)以及產出(各工作的完成質量、數量及事故的降低率等)的情況,采取過程與結果、成本與效益相結合的模式，選取適當的指標體系規模，對各單元的工作效率和效果進行評估，制定效能測試定性與半定量指標，并針對重點單位的專項效能和完整性管理的整體效能設定評價指標，平衡各指標的權重，并且多層次評價。通過大數據分析比對修正，對效能進行周期性評估。單個項目評價需符合審核準則，明確審核計劃、形式、頻次及次數、資源等，分析現場評價記錄和審核證據并開具報告。

9)加強客戶資源管理，打造電子交易商務平臺，提高交易質量與營銷策略。針對大型客戶與居民用戶分類管理，收集核實用戶基礎信息(名稱、地址、聯系方式、用氣規模等)建立分析用戶以模型掌握用戶信息及變化。結合智能天然氣表，基于客戶用氣量計劃、歷史用氣記錄對用氣量進行預測，深入分析不同用戶的天然氣與煤、電、油等能源需求耦合狀態，探索用戶用氣規律與近期、遠期氣源的供氣能力，從經濟指標、規劃的經濟效率和社會效率等方面制定配氣不均勻調節方案，及時調整上游購氣量、分配管網供氣量，調節市場供需平衡，制定有效營銷策略和調控方案。企業需嚴格執行供氣安全檢查專項管理，并與用戶進行需求互動與需求提升品牌形象，建立戶用私人定制等業務改善服務模式，，提供更快速和周到的優質服務吸引和保持更多的客戶發展鎖定新客戶保證客戶的滿意度，拓展增進市場份額。

3 總結

基于浙江天然氣公司智慧管網建設需求，分別從架構設計、架構主要功能、實際具體應用方面進行了分析闡述。

1)管網架構設計可分別從平臺層、應用層、接口層、數據層、感知層等幾個方面進行建設，結合基礎生產資料，搭建云設計平臺、構建管道物聯網，集成服務平臺，完成“客戶端+云端+大數據分析”總架構與監控一體、運維一體、虛實一體、供銷一體、管控一體的目標。

2)管網架構主要功能涵蓋管道生產運行管理、應急管理、災害提前預警、站場與管道完整性管理、電子商務交易、輔助決策等，應充分利用“互聯網+”及大數據產業信息化平臺，發揮互聯網時代信息技術優勢進行建設。

3)管網實際具體應用分別從泄露檢測、腐蝕監測、安全巡檢、知識挖掘、三維虛擬數字管理、高后果區管理、效能評價與客戶管理等9個方面進行分析，建設需重視數據和系統模型的開發，減少數據重復錄入，加大移動應用領域的投入力度，結合云計算、大數據，打造生命周期的智慧管網，帶動天然氣產業升級。

現階段，國內多數燃氣公司已經認識到管道智能化的發展大趨勢，在智能化大潮流中，唯有緊跟步伐，建設智慧管網才能不被能源產業所淘汰。