郭文朋，徐寧，楊一

(1.山西天然氣有限公司，山西 太原 030032；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 昌平 102249)

0 引言

此前，油氣管道通常采用人工管理，然而該方式不僅提升了管道日常管理難度，而且使得人工成本居高不下。隨著油氣管道不斷發(fā)展，互通互聯(lián)的油氣管網(wǎng)逐漸形成，人工管理變得更為困難。數(shù)字化、智能化等技術(shù)的出現(xiàn)使得實時、連續(xù)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)感知和基于此的數(shù)字化管理成為可能，不僅改變了傳統(tǒng)人工管理模式，也極大促進(jìn)了油氣管線運行管理的安全、環(huán)保和高效性[1-2]。黨的十九大報告提出：“要推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系”。目前山西省已建成省級天然氣管網(wǎng)共計約8 000 km，其中國化能源超過1 000 km，過境國家干線約1 000 km，其余約6 000 km歸屬國新能源，基本實現(xiàn)過境天然氣和省內(nèi)氣源互通、互補的管網(wǎng)格局，放眼全國各省及自治區(qū)，山西省的燃?xì)夤芫W(wǎng)結(jié)構(gòu)相對整裝和統(tǒng)一[3]。隨著能源需求不斷增長，管網(wǎng)敷設(shè)范圍變廣，管理難度較此前大大增加；并且考慮管線通常埋設(shè)在地下，監(jiān)測上同樣困難。針對不同運營需求，山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)主要實現(xiàn)了站場SCADA、管網(wǎng)GIS、地災(zāi)易發(fā)區(qū)管道監(jiān)測、高后果區(qū)識別等不同的數(shù)字化信息系統(tǒng)，伴隨著管道完整性的落實，山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)基本完成管理信息化。

1 山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字化管理現(xiàn)狀

1.1 管道完整性管理可視化平臺

在燃?xì)夤芫W(wǎng)可視化平臺建設(shè)中，SCADA調(diào)控系統(tǒng)和GIS已融合在同一個管道完整性管理平臺上，如圖1所示?；谟嬎銠C系統(tǒng)和遙控技術(shù)，SCADA系統(tǒng)可達(dá)成監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)施數(shù)據(jù)的目的，并在此基礎(chǔ)上，完成設(shè)定設(shè)備參數(shù)等工作。GIS技術(shù)則通過有機整合管道周圍環(huán)境，包括地理環(huán)境和人文因素等，從而表征出管道沿線各點的運行情況，例如：巡檢情況、第三方施工情況[4]。通過整合上述技術(shù)，平臺可全面管理管道信息，實現(xiàn)管道管理可視化。

圖1 山西天然氣數(shù)字化管道平臺

1.2 地災(zāi)易發(fā)區(qū)管道實時監(jiān)測

山西是煤炭資源大省，由于采煤造成的沉陷區(qū)已達(dá)到3 000 km2，輸氣管道不可避免地會經(jīng)過這些區(qū)域，目前在大同、朔州、忻州、晉中、太原、霍州、呂梁、長治地區(qū)均有不同程度管道敷設(shè)區(qū)地質(zhì)沉降。如何保障全省管網(wǎng)運行安全，尤其是在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的高后果區(qū)的輸配安全，不僅僅是民生問題，更是能源輸送安全的戰(zhàn)略問題。目前，國新能源對采動采空區(qū)燃?xì)夤艿莱两甸_展了地表位移監(jiān)測和管道本體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，如圖2所示，通過對埋地管道的沉降、傾斜和局部應(yīng)力，以及地質(zhì)的沉降、位移和降雨量進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集[5]，并將數(shù)據(jù)用GPRS傳輸形式存儲至服務(wù)中心數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)而基于對管道及地質(zhì)環(huán)境的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)提取和分析，對埋地管道進(jìn)行健康狀況的診斷、失效預(yù)測以及安全性的評價，最后通過系統(tǒng)顯示出管道運行狀況的實時健康狀態(tài)[6]。

1.3 高后果區(qū)管道危險源視覺(圖像)的自動識別

按照國務(wù)院安委辦〔2016〕3號文件和〔2016〕11號文件要求，“各有關(guān)氣輸送管道企業(yè)按照GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》,全面開展人員密集型高后果區(qū)識別和風(fēng)險評價工作”，山西省不局限于人工的平行拍攝，還開展了基于數(shù)字圖像處理、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的地下管道表面自動檢測和識別的模型研究。主要包括自動圖像采集、圖像處理、特征提取和缺陷分類四大模塊。利用微型多旋翼飛行器攜帶傳感器采集技術(shù)，由斜上方或正上方對管道周邊進(jìn)行全方面的拍攝，然后將這些圖像傳輸至管道外上位機用于觀察或上傳至數(shù)據(jù)庫待處理，計算危險區(qū)域面積，可以在后臺將資料進(jìn)行智能識別[7]，作為風(fēng)險評價的重要依據(jù)。通過無人機技術(shù)，現(xiàn)已甄別出山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)高后果區(qū)，較常規(guī)人工識別準(zhǔn)確率提高20%，通過針對性地采取避災(zāi)措施，能夠盡可能減少地質(zhì)災(zāi)害造成的后果，保證燃?xì)夤芫W(wǎng)安全可靠運行。

圖2 管道本體應(yīng)力智能采集與監(jiān)控

2 山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字化管理存在的問題

2.1 數(shù)據(jù)種類多樣，檢索困難

按照管道運行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分類，可分為管道基礎(chǔ)與維檢數(shù)據(jù)、油氣管道運行實時數(shù)據(jù)、油氣管道空間與影像數(shù)據(jù)。管道基礎(chǔ)與維檢數(shù)據(jù)指管道及站場設(shè)施本體的眾多屬性數(shù)據(jù)以及針對管道設(shè)施的維修檢測數(shù)據(jù)等內(nèi)容，這類數(shù)據(jù)通常具有靜態(tài)與周期性特點；燃?xì)夤芫W(wǎng)運行數(shù)據(jù)指的是隨著運行時間增長，累計的與管道運行相關(guān)各種動態(tài)數(shù)據(jù)，如：SCADA系統(tǒng)采集的運行壓力、介質(zhì)溫度、管輸流量等反映管道實時運行狀態(tài)的各類運行數(shù)據(jù)；油氣管道空間與影像數(shù)據(jù)包括油氣管道沿線的GIS地理信息、高后果區(qū)衛(wèi)星影像、遙感遙測數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)體的總量大，未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)智慧處理和應(yīng)用

山西省燃?xì)庹{(diào)控中心SCADA每年采集運行數(shù)據(jù)總量已達(dá)到26.8億條，歸檔存儲的管道運行實時數(shù)據(jù)量也已達(dá)到188億條(2013—2019年)。同時，管道設(shè)施靜態(tài)數(shù)據(jù)、維檢修數(shù)據(jù)、周邊地理信息等數(shù)據(jù)體也呈“指數(shù)級”增長，管道運行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)達(dá)到了海量數(shù)據(jù)的級別。隨著信息量的不斷增加，此前的數(shù)據(jù)管理方式在數(shù)據(jù)查詢方面較為費時。不利于關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的聯(lián)合查詢、有效提取、綜合分析、智能評價以及決策利用。因此，急需研究開發(fā)出集成數(shù)據(jù)采集、反饋、警報發(fā)出等多種功能，且能滿足生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度、迅速響應(yīng)、及時制止安全危險、緊急維搶修等需求的智慧管道系統(tǒng)[8,9]，以確保新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、兩化(自動化、信息化)建設(shè)，提升管道管理水平。

3 山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)由數(shù)字化向智慧化發(fā)展勢在必行

隨著信息量的不斷增加，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)數(shù)字化管理方式，山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)更易實現(xiàn)和推廣智慧管道，以確保新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、兩化(自動化、信息化)建設(shè)、新形勢下城市管理體系創(chuàng)新、地下綜合管廊建設(shè)等工作的順利開展。所以，山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)必將向智能化發(fā)展。依據(jù)管道完整性管理要求，首先集成新建管道建設(shè)期數(shù)據(jù)，同時逐步完善現(xiàn)役管道的數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建大數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步整合管道全生命周期[10-12]數(shù)據(jù)，提高管道全生命周期數(shù)據(jù)全自動化移交能力。將現(xiàn)有的SCADA、GIS、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、高后果區(qū)危險源智能識別、視頻監(jiān)控等平臺，融合人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，開發(fā)智能感知數(shù)據(jù)分析模型，提高數(shù)據(jù)綜合分析、智能評價以及決策利用實用價值。通過集成多種智能監(jiān)測系統(tǒng)及智能化模型，構(gòu)建面向管道生產(chǎn)運營、安全預(yù)警、應(yīng)急搶險智能一體化平臺，促進(jìn)管道完整性管理向智慧化管理邁進(jìn)。

4 結(jié)語

總體來講，在山西省燃?xì)夤芫W(wǎng)基本實現(xiàn)數(shù)字化管理的情況下，隨著管網(wǎng)里程的不斷增加，不同數(shù)字化平臺的數(shù)據(jù)越來越多，越來越復(fù)雜，對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的有效提取和分析利用，最終為綜合決策提供依據(jù)是重中之重。在克服管道全生命周期的數(shù)據(jù)采集、集成不同智能監(jiān)測系統(tǒng)等困難條件下，山西燃?xì)夤芫W(wǎng)由數(shù)字化向智能化發(fā)展勢在必行。只有構(gòu)建面向管道生產(chǎn)運營、安全預(yù)警、應(yīng)急搶險智能一體化平臺，才能提升管道管理水平，保障能源輸送安全。