油氣管網智能化建設進展與思考

朱汪友 侯磊 杜宇

1中國石油大學（北京）

2國家石油天然氣管網集團有限公司北方管道公司

3廊坊中油龍慧科技有限公司

2006 年，美國政府提出《美國競爭力計劃》，CPS（Cyber Physics System）概念正式提出。2008年，IBM 提出“智慧地球”概念，包含“3I”：物聯化、互聯化、智能化(Instrumentation、Interconnectedness、Intelligence)，旨在把新一代互聯網技術充分運用到各行各業。2013 年，德國正式推出“工業4.0 戰略”，并上升為國家級戰略，其技術核心是CPS。同年，通用電氣（GE）提出了工業互聯網概念，與德國“工業4.0 戰略”有異曲同工之處，被稱為美國版工業4.0。2016 年，日本智能制造參考框架（IVRA，Industrial Value Chain Reference Architecture）正式發布，編織了日本制造優勢的智能工廠互聯互通基本模式[1]。隨著第四次工業革命（工業4.0）席卷全球，以及大數據、物聯網、云計算、人工智能等技術的不斷發展與成熟，物理系統逐步向著數字化、網絡化和智能化方向發展，智能時代拉開序幕[2-4]。

我國在泛在傳感、可靠通信、高性能數據處理及智能控制等方面擁有諸多領先世界的科技成果，已成為第四次工業革命的領跑者[5-7]。2016 年，國務院印發《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》提出：構建CPS參考模型和綜合技術標準體系，支持開展兼容適配、互聯互通和互操作測試驗證。2017 年，國務院發布《新一代人工智能戰略規劃》，人工智能發展已上升至國家戰略層面。根據國家發改委發布的《中長期油氣管網規劃》，2025 年我國油氣管道總里程將達到24 萬千米，同時將“提升標準化、智能化水平”作為未來發展的重點方向。2020 年，工信部、應急管理部聯合發布了《“工業互聯網+安全生產”行動計劃（2021—2023 年）》，要求重點行業充分利用工業互聯網等信息技術提高安全生產水平。

雖然我國油氣管道安全總體局勢持續向好，但管道資產本體隱患及運營期地質災害突發、第三方損傷、違法占壓等新老風險隱患交織疊加，增大了事故發生風險，嚴重危害人民生命財產安全，影響了我國社會經濟發展[8-10]。安全生產是實現工業高質量發展的重要保障，工業互聯網是信息通信技術與工業經濟深度融合的基礎設施，通過對人、機、物、系統等的深度互聯，打通全生命周期信息流，加速安全生產的業務數據由零散分布向統一共享轉變、信息系統由孤立分散向融合互聯轉變、風險管控模式由被動向主動轉變、資源調配由局部優化向整體優化轉變、運行管理由人為主導向系統智能轉變[11]，提升工業生產本質安全水平。本文聚焦油氣管道智能化技術發展現狀，闡述了智能化管道建設的主要內容、方案及關鍵問題，并對其發展方向進行展望。

1 國內外發展現狀

1.1 國外現狀

國外先進油氣生產與管道運營企業均在管道智能化建設方面做出大量有益嘗試。美國Columbia管道公司基于通用電氣和埃森哲公司聯合推出全球首個“智能管道解決方案”：利用GE公司的Predix工業數據平臺，通過地理信息系統對管道屬性數據、感知數據、環境數據、運行數據等進行整合，依托PVI（Pipe View Integrity）軟件的風險模型對管道風險開展實時動態管理。意大利SNAM公司實現了管網生產動態數據的實時收集與分析（圖1），通過人工智能神經網絡計算，實現天然氣用量的精準預測[12]。

圖1 意大利SNAM公司管網數字化解決方案——調控中心Fig.1 Pipeline network digital solution of Italian SNAM Company：control center

在數字化轉型方面，英國BP 公司和英荷Shell公司均將數字化轉型列為戰略項目之一，并與人工智能公司開展深度合作，利用物聯網技術提高管道資產與人員的安全性；通過先進的無線智能終端應用，實現設備、儀表的位置標記與識別，資產周期、歷史數據與關聯性查詢等。挪威石油公司也加入數字化轉型行列，于2017 年啟動數字化建設中心[13-14]項目。

1.2 國內現狀

原中石油管道公司于2004 年開始建設管道完整性管理系統（PIS），初步實現業務信息化，使企業內各層級人員清楚地了解“業務現在是什么情況”“流程進展到哪里”等動態業務信息，在管道安全運行保障方面發揮了積極作用。原中石化儲運公司于2014 年探索性建設了智能化管線管理系統（IPMS），部分核心資產實現了三維可視化，助力決策機制模型化。2017 年，中國石油提出依托中俄東線天然氣管道建設智能管道、智慧管網工作目標，并開展相關頂層設計和研究（圖2）；通過試點建設，形成了一批可復制、可應用、可推廣的管道智能化技術，由此開啟了從數字管道向“智能管道/智慧管網”的新跨越[15-16]。

圖2 智慧管網建設理念Fig.2 Construction idea of intelligent pipeline network

西南管道公司結合山地管道實際業務情況，提出了以“五縱兩橫、兩大體系”為核心的數字化轉型思路；新粵浙管道作為中石化建設的大型煤制氣外輸管道，在項目啟動初期即按照全生命周期智能化管道的建設要求制定技術路線；浙江浙能天然氣運行公司以陰極保護管理、高后果區管理、風險評價、巡線管理等十余個業務模塊為基礎，促進天然氣管網調度運行的技術升級和管理創新；油氣田企業也積極通過綜合管理一體化平臺建設，全面推動業務重構和流程優化[17-20]。

2 智能化管道建設內容

智能化管道建設需要數字化支撐，通過對流程、數據、標準和IT 系統的高度融合，在信息化系統基礎上將企業管理經驗模型化，分散獨立的物理實體，逐步互聯互通，并與自身狀態數據、運動執行過程數據相融合，自動分析系統記錄的各項數據，通過不斷學習調整，從而提高工作效率。其本質是從新的融合空間視角實現對基礎客觀世界的可觀和能控，提升人類認識世界、控制世界和改造世界的能力。智能化管道建設目標是提供全生命周期風險預控和優化決策，工作內容包括以下幾方面：

（1）可研與設計。通過建設和運營期數據標準化，應用云技術支持設計全過程，全面記錄設計數據，并向管道施工、運維部門提供設計數據共享和集成，最終實現管道數字化資產移交。

（2）物資供應鏈。從標準化、共享、互聯、智能的維度對物資計劃、采購、物流、倉儲、實物、數據采集及移交等環節進行需求分析和方案設計，打造前后貫通、上下一體、內外互聯的智慧物資供應鏈。

（3）施工管理。以加強施工現場過程精細化管理和提升施工階段數據采集自動化水平為目標，滿足后續運營階段數據應用和向設計階段進行數據回流的需求。

（4）運行管理及優化。以實現管道智能化維護為目標，綜合各類監測系統實現線路的智能感知；結合各類業務數據，采用大數據分析技術實現線路管理的智能決策支持；以SCADA 國產化為基礎，優化控制系統，實現關鍵設備遠程一鍵啟停，同時不斷提升能耗分析、計量交接管理水平，研發大型管網優化平臺，實現管網運行能耗最低、收益最優目標。

（5）安全環保與應急。以提高管道應急搶險響應效率為目標，通過應急資源智能調配，提高應急反應效率；實現應急搶險智能處理，提高應急決策支持水平。

通過不斷深化信息化與工業化深度融合，運用大數據、云計算、物聯網、人工智能等新一代信息技術，構建數字孿生體管網系統以及具有知識應用和決策支持能力的人工智能大腦，形成管網“全方位感知、綜合性預判、一體化管控、自適應優化”能力，實現業務對象數字化、業務規則數字化和生產過程數字化，承載油氣長輸管道數字化轉型與實踐，最終形成具有自適配和自決策的智慧管網。

3 總體設計方案

3.1 總體架構

從感知、認知、決策三方面對油氣管網建設進行智能化提升，形成感知、數據、知識、應用、決策五個層次的總體架構，支撐、支持各專業領域應用和綜合決策（圖3）。

圖3 智慧管網總體架構Fig.3 Overall structure of intelligent pipeline network

通過智慧管網數字孿生體的構建及應用，固化數據標準，形成數據模型，同時支撐大數據分析和機理模型應用，并在此基礎上逐步完善知識網絡，形成數據層和知識層，作為智慧管網技術方案的內核。向下集成以物聯網系統和工業控制系統為主的感知層，向上集成以各專業領域應用組件群為主的應用層，并與管理決策和專業決策模型融合形成決策層，最終完成智慧管網總體架構的構建。

3.2 技術路線

基于工業領域智能化發展實踐、結合管道行業業務特點，智能管道建設應從基礎感知層、數據管理層、認知深化層、優化決策層這四個層面進行智能化提升。

（1）基礎感知層。全面采集實體管道運行數據，覆蓋管道本體、周邊環境、設備工況、安全環保等領域。

（2）數據管理層。通過數據預處理，數據融合及大數據分析挖掘等技術，將數據轉變為可用于支持及輔助決策的信息，提供一體化、智能化分析手段，搭建多學科協同研究工作環境，實現對管線生產動態實時監控、故障預警及物聯設備基礎數據管理等功能。

（3）認知深化層。以數字孿生體為載體，將各業務系統、數據中心、物聯網與數字孿生體一體化融合，構建知識圖譜，實現對運行狀況精確映射和準確預測。知識圖譜構建（圖4）包括知識獲取、知識表示、知識建模、知識存儲、知識計算、知識融合、知識應用和維護等階段。

圖4 知識圖譜構建示意圖Fig.4 Schematic diagram of knowledge map construction

（4）優化決策層。不斷充實各領域并實現知識融合，構建完善知識圖譜，在此基礎上不斷梳理優化管理體系，依托優化算法和決策模型（圖5）[21]，全面支持科學高效的專業決策和綜合決策。

圖5 優化算法和決策模型Fig.5 Optimization algorithm and decision model

以超聲波流量計為例，自1998 年丹尼爾就建立在線診斷平臺，知識庫相對完善，規則逐漸豐富，具備和知識圖譜技術深度融合的能力。該系統同樣具備智能管道技術框架的四個層次：①基礎數據感知層：通過中間數據庫或OPC 等通信協議，獲取工藝數據、計量數據、診斷數據及其他相關異構數據（如視頻數據、診斷經驗、知識文獻等）；②數據管理層：對實時數據進行預處理，如點表數據由分鐘級變為小時平均數據，以減少系統隨機誤差，文獻等數據通過自學習算法、排序算法、專家決策成為新的診斷規則等；③認知深化層：以知識規則、案例匹配為核心，對預處理后的數據進行基于推理機制、解釋機理的判斷，對用戶提出分級報警；④優化決策層：主要以計算機后臺提出決策建議，人工輔助判斷并決策。

近幾年，中俄東線在管道智能化建設方面進行了有益探索[22-23]，基于業務信息化，建立資產全生命周期管理系統；通過提升光纖安全監測、視頻智能識別、陰保遠程監控、關鍵設備遠程診斷等應用效果，建設監控預警管理體系；基于SCADA 實時采集運行數據，提供調度運行決策的核心、關鍵信息，實現以全管線為對象的整體運營優化，指導管道科學化運行。

4 若干關鍵問題

以CPS 技術為核心的工業4.0 方興未艾，世界各國油氣管道智能化建設正處于起步階段。油氣管道具有點多、線長、面廣特點，在智能化/智慧化建設過程中，必然面臨若干需解決的關鍵性問題。

4.1 感知層

（1）全方位感知的內涵，即感知的廣度和深度、感知設備的最優配置方案等。管道全方位感知應包括管道輸送業務的所有關鍵環節，即上游交接點、運輸各節點、下游交接點的信息全面采集。感知設備的最優配置方案是典型的有約束優化問題，即以現有的法律、標準為約束，實現投資、損失及收益曲線的最優化。感知設備的配置數量越多，投資及維護成本越高，但發生損失的概率也越小，損失成本也隨之降低。

（2）數據傳輸安全性。站場和管道線路上不同類型的數據將通過專用光纖、物聯網、其他專用網絡（如設備專網）、第三方提供的通信系統（衛星通信、wireless 等）等進行傳遞，涉及外網、內網和工控網之間的數據交換。數據類型不同、通信協議不同、現場條件不同，對數據傳輸的要求必然是不一致的，數據傳輸的安全性將是一個嚴峻挑戰。

4.2 數據層

（1）數據融合互聯。眾多的感知系統和各統建系統所采用的技術路線、數據架構和數據標準不盡相同，導致各系統間沒有完全達到互融互通，影響數據傳輸及共享。

（2）數據存儲管理。種類繁多的感知數據、挖掘分析產生的數據存儲和管理涉及數據中心、分數據中心、災備中心的建設，需要考慮邊緣計算、區塊存儲、分布使用和數據挖掘、集中存儲、整合使用的關系，做到既滿足數據安全，又能夠提供快速、靈活的共享服務，是非常復雜的系統性問題。

4.3 應用層

（1）管網全局全時段優化運行。在滿足安全約束的前提下尋求管輸效益最大化是關鍵技術挑戰之一，其技術難度在于以下三個方面：①管網本身的拓撲復雜程度；②大型混合整數非線性規劃難題的可解性和求解效率；③如何將工程、管理技術要求轉換為適宜的優化方程。優化方案在技術上是有必要條件的，如管輸收益、管輸成本、特別是能耗成本，其計算模型與真實數值之間的誤差，必須顯著低于優化模型本身的準確度。解決上述技術問題的可行思路之一是分層，通過分層，可將大型管網分解成若干區域性管網，直接解決管網拓撲、可解性和效率的問題，其核心是如何將分層中的各關鍵點數值（或約束）求解出來。

（2）人工智能、大數據等技術合力和協同作用。電力、物流、電商等相關行業人工智能、大數據技術應用已達到較深程度，油氣管道目前也有很多監測和診斷技術，但各技術發揮合力和協同作用的能力較低。應以業務需求為導向，將相關技術整合，通過人工智能、大數據挖掘分析、數字孿生技術等，實現智能管道建設目標。

5 智能管道/智慧管網發展方向

我國長輸油氣管道行業經過半個世紀的發展歷程，經歷了自動化、信息化、數字化階段，正在進入智能時代，智能管道建設正在全面興起，并穩固推進典型場景落地實施，助力產業轉型升級。

隨著國家管網公司的成立與運營，需持續加強管道“數字基建”，拓展數據管理，探索建立集團級數據中心，形成區塊式分布、松散式耦合、集中式管理的大數據體系，管道全生命周期信息的融合互聯、綜合挖掘和對業務的全面支撐能力將得以充分釋放；多技術融合將是管道智能化管理的新思路，各種新技術融合使用，取長補短，取得“1+1＞2”的效果；通過遺傳算法、人工神經網絡、粒子群算法等智能算法，應用于解決風險排序、預測或最優化等問題，打造管網的“智慧大腦”，管網的運營及管理水平將得到極大提升。

我國油氣管網智能化建設仍處于初級階段，要實現全面智能化升級還有相當長的路要走。管道智能時代的大幕已經開啟，應把握、利用好智能管道與智慧管網建設的重要窗口期，助力管道行業的技術進步與轉型升級。