陳傳勝 李 丹 尹 恒 王盼鋒 全 青 王壽喜

1. 中國石化川氣東送天然氣管道有限公司, 湖北 武漢 430000; 2. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院, 陜西 西安 710065

0 前言

2017年,我國發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》指出:目前中國運(yùn)營的油氣管道里程為12×104km,到2025年將達(dá)到24×104km,形成主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)的全國網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)建設(shè)規(guī)模日益龐大的油氣管網(wǎng),對(duì)管道高效運(yùn)營和安全管理的要求越來越高,管道發(fā)展迎來新機(jī)遇。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、數(shù)字孿生及人工智能(AI)等新一代信息技術(shù)的提出與發(fā)展,“智慧地球”戰(zhàn)略付諸實(shí)施,油氣管道行業(yè)也積極推進(jìn)與新興技術(shù)的融合創(chuàng)新,開拓智能管道的發(fā)展道路[1]。

1 智能管道介紹

智能管道集智能感知、智能預(yù)判、智能管控和自適應(yīng)于一體。管道從數(shù)字化向智能化的發(fā)展,可以理解為從代替人的眼(如無人值守、視頻巡檢、異常報(bào)警)向代替人的手(如遠(yuǎn)程啟停、機(jī)器人)和腦(如智能決策、診斷預(yù)警)的發(fā)展。智能化管道系統(tǒng)的具體建設(shè)內(nèi)容[2]見表1。

表1 智能化管道系統(tǒng)具體建設(shè)內(nèi)容表

管道系統(tǒng)的智能化建設(shè)過程中,充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新興技術(shù),做好數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)數(shù)字化移交、大數(shù)據(jù)智能分析、管道數(shù)字孿生體構(gòu)建、智能算法模型建立等工作[3],實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的全面感知、綜合預(yù)判、一體管控和自適應(yīng)優(yōu)化,并且能在某些關(guān)鍵部位進(jìn)行自主決策和操作。典型智能管道的整體架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、算法層和應(yīng)用層[4],總體架構(gòu)見圖1。

2 智能管道建設(shè)現(xiàn)狀

在管道智能化建設(shè)方面,國外發(fā)達(dá)國家起步較早。目前,在管道建設(shè)過程中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)較為成熟的國家有美國、加拿大和意大利,不同管道公司在建設(shè)智能管道上也各有特色[5],見表2。

近年來,隨著信息技術(shù)和管道完整性管理技術(shù)的逐步發(fā)展,我國智能管道、智慧管網(wǎng)的建設(shè)陸續(xù)展開,并有了一定的探索成果,油氣管道的建設(shè)逐步由數(shù)字化向智能化發(fā)展,見圖2。但就目前的建設(shè)狀況來說,感知技術(shù)(包括傳感器精度、感知能力以及感知范圍)還有待加強(qiáng),數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一化程度低、數(shù)據(jù)規(guī)范差異大,大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度有待提升,數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等方面仍有待突破。

圖1 智能管道總體架構(gòu)圖Fig.1 The overall architecture of the smart pipeline

表2 國外智能管道建設(shè)特色做法表

圖2 我國油氣管道信息化發(fā)展歷程圖Fig.2 Informatization development of oil and gas pipelines in China

中國石油在國內(nèi)最早提出了“數(shù)字化管道”的概念,并于2004年首次應(yīng)用于西氣東輸冀寧管道聯(lián)絡(luò)線。在管道建設(shè)期間,應(yīng)用遙感、數(shù)字?jǐn)z影測量等數(shù)字化技術(shù)[6],建立起管道信息管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)管道工程項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營管理的信息化,西氣東輸冀寧管道是我國第一條數(shù)字化多功能管道。后經(jīng)過不斷規(guī)劃和探索,建設(shè)管道ERP系統(tǒng)、管道工程建設(shè)管理系統(tǒng)(PCM)等核心應(yīng)用系統(tǒng),構(gòu)建了包含管道勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)、管道項(xiàng)目建設(shè)管理系統(tǒng)、管道運(yùn)營管理系統(tǒng)的數(shù)字化管道體系[7]。中國石化于2007-2008年開展的數(shù)字化管道建設(shè),始于榆濟(jì)管道工程,將二維GIS系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái),采集了包括管道走向、埋深等多類施工數(shù)據(jù),疊加了影像圖。后在川氣東送管道上全面深入建設(shè)數(shù)字化管道,建設(shè)了3 D管道GIS系統(tǒng),完善施工數(shù)據(jù),完成GPS巡檢、GMS、運(yùn)行仿真等,并建成了管道專業(yè)地理信息系統(tǒng)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的迅速發(fā)展,智能化管道的建設(shè)逐步提上日程。中國石油將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與GIS、SCADA等自動(dòng)化管理技術(shù)相結(jié)合,建設(shè)PIS管道完整性管理系統(tǒng),應(yīng)用于多家單位所轄管線,有效降低了管道事故率。2017年6月,中國石油通過中俄東線智能管道試點(diǎn)全力推進(jìn)智能管道的建設(shè),應(yīng)用PIS系統(tǒng),通過管道工程建設(shè)管理系統(tǒng)(PCM)獲取中俄東線建設(shè)期間的鋼管、防腐層等多類數(shù)據(jù),構(gòu)建了中俄東線的數(shù)字孿生體,并實(shí)現(xiàn)建設(shè)期間有關(guān)鋼管、防腐層等的多類數(shù)據(jù)全數(shù)字化移交,成為我國首條第三代管道。2014年,中國石化正式啟動(dòng)智能管線的建設(shè),建成具有管線數(shù)字化管理、管線完整性管理、管線運(yùn)行管理、應(yīng)急響應(yīng)、防患治理、綜合管理6大功能的智能化管線管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)管線管理水平和管線防患預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)管控、應(yīng)急處置等管網(wǎng)安全管控能力的提升[8]。2018年中國石化投產(chǎn)的川氣東送智能診斷項(xiàng)目,為實(shí)現(xiàn)天然氣長輸管道智能化運(yùn)行管理與實(shí)時(shí)診斷,充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術(shù),以管網(wǎng)運(yùn)行可視化、可監(jiān)測和可決策為目標(biāo),研究智能診斷技術(shù),為天然氣長輸管道系統(tǒng)的調(diào)度管理和操作控制提供科學(xué)手段。

3 油氣管道具體領(lǐng)域智能化發(fā)展現(xiàn)狀

隨著油氣管網(wǎng)的愈發(fā)龐大和復(fù)雜,管道經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全管理的要求也越來越高。對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化,可以提高輸送效率,大幅降低運(yùn)行成本,從而輔助決策集輸配氣方案[9]。在生產(chǎn)過程中,油氣管線一旦發(fā)生泄漏,將會(huì)對(duì)人民生命、財(cái)產(chǎn)以及環(huán)境造成巨大傷害[10]。同時(shí)在管網(wǎng)運(yùn)行期間也會(huì)產(chǎn)生各類其他異常,科學(xué)、有效地進(jìn)行油氣管道診斷、預(yù)警已成為油氣管道行業(yè)管理中的重大研究課題[11]。對(duì)管網(wǎng)的未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,亦具有重要的指導(dǎo)意義。燃?xì)庳?fù)荷是城市燃?xì)庠O(shè)計(jì)、調(diào)度的理論依據(jù),是燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化的根基?？茖W(xué)、準(zhǔn)確地對(duì)未來指定時(shí)段的用氣量進(jìn)行預(yù)測,會(huì)給整個(gè)天然氣長輸管線帶來良好的投資效益和可靠的決策支持,還關(guān)系到城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃能否更好地適應(yīng)新型能源結(jié)構(gòu)、用戶結(jié)構(gòu)和居民生活方式等問題[12-13],預(yù)測結(jié)果可指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)度、合理規(guī)劃燃?xì)庥昧?。國?nèi)外學(xué)者結(jié)合智能算法對(duì)油氣管道的具體領(lǐng)域做了深入研究,見表3。

表3 具體領(lǐng)域智能化發(fā)展現(xiàn)狀表

研究發(fā)現(xiàn),大量算法僅停留在理論階段,還未結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用于智慧管網(wǎng)的建設(shè)中。管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化大多偏于穩(wěn)態(tài)計(jì)算,同時(shí)鑒于天然氣管道的愈發(fā)龐大和復(fù)雜,模型的建立亦需要從提高運(yùn)算速度著手加深研究[14]。泄漏檢測理論研究豐富,但檢測的精度與準(zhǔn)確定位還不能達(dá)到理想要求[15-16],可結(jié)合管道的實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型,加深相關(guān)算法研究,降低誤報(bào)率,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速檢測與定位。診斷預(yù)警的算法雖多,但存在較大的局限性[17]。油氣管道事故類型復(fù)雜多樣,包括管線泄漏、儀表閥門故障、場站設(shè)備異常等。應(yīng)深入研究異常類型及信號(hào)特征,充分利用現(xiàn)場管道生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等技術(shù)進(jìn)行故障診斷,以管道系統(tǒng)異常診斷和預(yù)警為目標(biāo),向智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測模型在某方面具有一定的穩(wěn)定性,不斷涌現(xiàn)基于AI的高精度預(yù)測模型及其優(yōu)化組合模型是燃?xì)庳?fù)荷預(yù)測模型的發(fā)展方向[18-20]。

4 結(jié)論和建議

油氣行業(yè)處于結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵期,智能化是油氣管道行業(yè)發(fā)展的大趨勢。目前我國的管道智能化建設(shè)整體還處在初級(jí)階段,對(duì)于智能管道未來的建設(shè),提出以下三點(diǎn)建議。

1)數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)?；谖锫?lián)網(wǎng)等技術(shù)的數(shù)據(jù)采集手段已經(jīng)足夠豐富,已能采集到管道運(yùn)行期間的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù),但需統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)若能結(jié)合人工智能等技術(shù),做到數(shù)據(jù)智能前端處理,部分?jǐn)?shù)據(jù)就地處理,則會(huì)為系統(tǒng)運(yùn)算節(jié)省時(shí)間。

2)加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。構(gòu)建管網(wǎng)數(shù)字孿生體,從而高度反映管網(wǎng)全生命周期的實(shí)體行為和運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)管道建設(shè)運(yùn)營期間產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等,加強(qiáng)數(shù)據(jù)挖掘能力,構(gòu)建未來知識(shí),并充分了解知識(shí)網(wǎng)絡(luò),建立人機(jī)混合智能綜合決策模型,形成智慧決策。

3)基于管網(wǎng)數(shù)字孿生體,深入研究油氣管道各類異常的診斷和預(yù)警技術(shù),對(duì)管道運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,結(jié)合關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、報(bào)警聚合等技術(shù),做到事故報(bào)警預(yù)警,保障管網(wǎng)安全運(yùn)營。