徐蔥蔥 劉冰 張妮 譚笑 張巍 馬江濤 李云杰

1中國石油管道科技研究中心

2中國石油管道公司

截至2015 年，全球石油和天然氣管道總里程超過200×104km，年增長率約為1%～2%，管道里程大，并且大部分管道已經(jīng)運(yùn)行超過20 年，管道運(yùn)行維護(hù)成本高，全球每年花費(fèi)約400×108美元用于管道維護(hù)，并且這個(gè)數(shù)字在持續(xù)增長[1]。另外，油氣行業(yè)數(shù)據(jù)利用比例非常低。經(jīng)調(diào)查，目前平均每4.8×104km 管線就可以產(chǎn)生15 000 Gbit 的數(shù)據(jù)，如何在這么龐大的數(shù)據(jù)中獲取有效數(shù)據(jù)，用于保障人員安全、便于設(shè)備維護(hù)以及提高效率將是油氣管道行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。未來，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，智能管道建設(shè)將是提升管道運(yùn)行維護(hù)效率、降低維護(hù)成本、保障人員安全的重要措施，是國內(nèi)外油氣行業(yè)研究的重點(diǎn)方向[2]。根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇在2017 年提供的《石油天然氣行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型倡議》白皮書，2016—2025 年期間，油氣行業(yè)通過智能化轉(zhuǎn)型將在潛在經(jīng)濟(jì)、降低事故率、提升工作效率、安全環(huán)保等方面取得重要進(jìn)展，油氣上、中、下游產(chǎn)業(yè)鏈統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1 所示。至2016年，我國油氣管道總里程已達(dá)到12.6×104km，油氣管道已初具規(guī)模，并且未來仍將處于一個(gè)高速發(fā)展的階段，根據(jù)《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，2025 年我國管道總里程將達(dá)到24×104km[3]。運(yùn)用智能化技術(shù)是促進(jìn)國內(nèi)油氣管道高質(zhì)量建設(shè)和運(yùn)行管理的一個(gè)重要手段。

表1 2016—2025 年智能化轉(zhuǎn)型帶來的價(jià)值Tab.1 Value of intelligent transition from 2016 to 2025

1 智能化技術(shù)現(xiàn)狀

智能化技術(shù)包括大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、云計(jì)算、機(jī)器人與無人駕駛、可穿戴技術(shù)、人工智能（包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別、聲音識(shí)別技術(shù)等）以及其他技術(shù)（如3D 模擬技術(shù)/打印、數(shù)字孿生技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等）[4]。圖1 為智能化技術(shù)在油氣行業(yè)的投資趨勢(shì)，柱狀圖的百分比表示目前投資占比。大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信是目前全球油氣行業(yè)普遍關(guān)注的智能技術(shù)點(diǎn)；而機(jī)器人與無人駕駛、人工智能和可穿戴技術(shù)則是2018—2022 年期間快速增長的智能化技術(shù)。

圖1 智能化技術(shù)在油氣行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Development trend of intelligent technology in oil&gas industry

表2 智能化技術(shù)分析Tab.2 Analysis of intelligent technology

圍繞油氣管道，對(duì)各智能化技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

2 行業(yè)外智能化技術(shù)應(yīng)用

2.1 GE 公司

GE（通用電氣）公司積極推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的智能化轉(zhuǎn)型，開發(fā)了包括Predix 平臺(tái)、APM、OPM 和ServiceMax 等軟件產(chǎn)品，滿足不同企業(yè)的數(shù)字化服務(wù)需求，涵蓋了航天、交通、石化、電力等各個(gè)行業(yè)。例如，Qantas Airways 航空公司為提升飛機(jī)的燃油效率，節(jié)省運(yùn)營成本，采用了GE 公司基于Predix 平臺(tái)開發(fā)的Flight Analytics 軟件，通過獲取詳細(xì)的飛行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，制定出更科學(xué)合理的燃油使用決策，實(shí)現(xiàn)了燃油成本的顯著降低。在鐵路行業(yè)，墨西哥鐵路（Ferromex）公司為實(shí)現(xiàn)列車的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，采用了GE 基于Predix 平臺(tái)開發(fā)的Smart Shopping 軟件，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，從而預(yù)先制定列車的維修計(jì)劃，降低列車維修的時(shí)間和成本。在石油煉化領(lǐng)域，英國石油公司（BP）采用了GE 基于Predix 平臺(tái)開發(fā)的POA（Plant Operation Advisor）服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了油田煉廠效率的提升，同時(shí)有利于提高生產(chǎn)的可靠性和安全性。

2.2 微軟公司

微軟公司作為全球軟件業(yè)的巨頭，積極致力于數(shù)字化的技術(shù)服務(wù)，探索不同領(lǐng)域的智能化服務(wù)方案，開發(fā)了微軟智能云Azure、Azure IoT Edge 物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等，已為全球50 多個(gè)地區(qū)提供云服務(wù)。如在無人機(jī)領(lǐng)域，大疆創(chuàng)新（DJI）通過采用微軟的Azure IoT Edge 和Azure 服務(wù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)、公共安全、城市建設(shè)等不同領(lǐng)域的人工智能解決方案，通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，并進(jìn)行信息分析和展示，從而快速和智能化地進(jìn)行響應(yīng)及反饋。

2.3 美空軍和波音公司

美空軍與波音公司合作，采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了F-15C 機(jī)體數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了多尺度仿真和結(jié)構(gòu)完整性診斷；能夠?qū)蝹€(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤，可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)組件壽命，調(diào)整結(jié)構(gòu)檢查、維修和替換的時(shí)間，對(duì)獲取到的各類信息（如飛行數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行綜合分析，使用概率分析方法量化風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力、材料狀態(tài)、結(jié)構(gòu)變形等的預(yù)測(cè)與管理。

3 行業(yè)內(nèi)智能化技術(shù)應(yīng)用

通過與傳統(tǒng)管道對(duì)比，目前國內(nèi)外油氣管道行業(yè)普遍認(rèn)為智能管道應(yīng)具備表3 所列的各項(xiàng)特征。

表3 智能管道與傳統(tǒng)管道對(duì)比分析Tab.3 Contrastive analysis of intelligent and traditional pipeline

3.1 國外油氣管道智能化技術(shù)應(yīng)用

國外智能管道建設(shè)圍繞“傳統(tǒng)管道數(shù)字化轉(zhuǎn)型”展開，并初見成效，已將GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、智能設(shè)施等技術(shù)應(yīng)用到管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營全生命周期中。BP 通過使用智能技術(shù)來提升油氣管道業(yè)務(wù)，如為實(shí)現(xiàn)人員及物資的狀態(tài)監(jiān)控，BP 采用了基于RFID（無線射頻識(shí)別）技術(shù)的位置識(shí)別安全系統(tǒng)（LASS），實(shí)時(shí)了解物資及人員狀態(tài)，可更好地做出決策；為了實(shí)現(xiàn)管道周圍第三方施工和管道泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能判斷和預(yù)警，BP 采用了基于ZigBee/Mesh 的無線傳感及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，保障管道的安全可靠；基于人工智能技術(shù)，研究其在自主修復(fù)機(jī)器人和應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用；基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以識(shí)別管道損傷模式及缺陷與環(huán)境因素的相關(guān)性；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線智能終端應(yīng)用實(shí)現(xiàn)管道的平穩(wěn)運(yùn)行，并保障員工安全；針對(duì)深水管道采用緊急修復(fù)機(jī)器人，特別適用于封堵深水原油泄漏管線；基于Web EOC 軟件合作開發(fā)應(yīng)急決策軟件等。最終，通過應(yīng)用智能化技術(shù)消除人為主觀因素造成的失誤，用自動(dòng)化取代效率較低的人工勞動(dòng)，收集和使用“大數(shù)據(jù)”（運(yùn)營歷史記錄）以預(yù)測(cè)未來的模式和趨勢(shì)，在不中斷作業(yè)的情況下了解管道內(nèi)所有狀況，更好地運(yùn)營和服務(wù)管道。

哥倫比亞管道集團(tuán)（CPG）聯(lián)合通用電氣和埃森哲公司通過將智能技術(shù)應(yīng)用于油氣管道，充分挖掘與利用數(shù)據(jù)價(jià)值，使得管道企業(yè)從其生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中受益，幫助管道運(yùn)營商在管道安全和完整性管理方面做出明智的決策。通過將多源數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其超過24 140 km 的州際管道近乎實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，包括管道風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)管控和環(huán)境感知；可以快速定位高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域并評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，提供響應(yīng)措施，以幫助減少潛在的突發(fā)事件；也可幫助管道運(yùn)營商全面了解管道的安全性和資產(chǎn)完整性狀況，從而做出更為科學(xué)的決策。同時(shí)，CPG 采用Rockwell PlantPAx 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將所有自動(dòng)化操作都集成到互聯(lián)平臺(tái)中，提高生產(chǎn)效率并降低成本，確保當(dāng)前管道滿負(fù)載輸送時(shí)達(dá)到99%的可靠性。另外，CPG 與IBM 聯(lián)合將管道業(yè)務(wù)操作轉(zhuǎn)移到云服務(wù)，IBM 還提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、智能安全平臺(tái)、移動(dòng)設(shè)備管理和業(yè)務(wù)分析等功能。IBM 的QRadar 安全智能平臺(tái)可將CPG 所儲(chǔ)存的事件、操作、日志、管理等數(shù)據(jù)與異常檢測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)處置相結(jié)合進(jìn)行分析。另外，CPG 通過在天然氣管線壓縮機(jī)上運(yùn)用GE-預(yù)測(cè)分析軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的早期預(yù)警與調(diào)度系統(tǒng)連接，提高壓縮機(jī)智能化程度和設(shè)備性能，在該軟件使用的前4 個(gè)月，CPG 節(jié)省了260×104美元的維護(hù)成本。

3.2 國內(nèi)油氣管道智能化技術(shù)探索

國內(nèi)中石油是第一個(gè)引入GIS 技術(shù)、數(shù)字技術(shù)來建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)管道的企業(yè)，采用整體規(guī)劃和分布建設(shè)模式，已形成多個(gè)成熟的應(yīng)用系統(tǒng)，包括工程建設(shè)期施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和管道完整性管理系統(tǒng)等[14-15]。目前正積極開展中國石油智慧管網(wǎng)建設(shè)研究，逐步實(shí)現(xiàn)新建管道和在役管道的全面智能化提升，集成管道全生命周期數(shù)據(jù)，提供智能分析和決策支持，滿足管道可視化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，最終實(shí)現(xiàn)“全過程管控、全信息化管理、全數(shù)字化移交”。

隨著國內(nèi)外油氣管道信息化和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外管道運(yùn)營商基本建立了基于GIS 系統(tǒng)和完整性管理系統(tǒng)的數(shù)字化管道，并取得了重要成果。近年來，隨著新型技術(shù)的快速發(fā)展，未來油氣管道的建設(shè)、運(yùn)行和管理模式也將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，以大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)為主的綜合解決方案將成為油氣管道行業(yè)智能化發(fā)展的必由之路，是管道信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)束語

智能管道的建設(shè)是在綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興信息技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，涵蓋管道的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)等全生命周期。狹義的智能管道包括管道所有狀態(tài)、功能及周圍區(qū)域信息的數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化到智能化的過程；而廣義的智能管道包括管道、社會(huì)、上下游資源市場等各類要素資源的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)管道企業(yè)內(nèi)外部信息的實(shí)時(shí)獲取、整理、傳遞和反饋，從而做出最優(yōu)化決策。目前智能化技術(shù)在油氣管道行業(yè)仍處于探索和發(fā)展階段，通過國內(nèi)外智能化技術(shù)分析，智能管道建設(shè)在以下技術(shù)領(lǐng)域具有較大的發(fā)展前景：

（1）采用機(jī)器人與無人駕駛技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化，取代效率較低的人工勞動(dòng)，提升整體工作效率。

（2）采用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、數(shù)字孿生和虛擬仿真等實(shí)現(xiàn)對(duì)管道實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，即時(shí)訪問和處理功能，為現(xiàn)場操作、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、快速維搶修、完整性管理和決策提供全方位的信息支撐，最終實(shí)現(xiàn)管控一體化，決策智能化。

（3）基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行模擬仿真，預(yù)測(cè)管道未來的模式和趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)，提高設(shè)備管理維護(hù)的能力，降低設(shè)備故障發(fā)生的概率，確保資產(chǎn)和人員的安全。

（4）采用智能感知、可穿戴技術(shù)提供可視化信息、資產(chǎn)細(xì)節(jié)和三維圖像等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)與場外專家無縫協(xié)作，提升管道管理的效率和安全性，減少對(duì)環(huán)境的污染等。