文｜濰坊港華燃?xì)庥邢薰?劉鵬

1.數(shù)字孿生應(yīng)用現(xiàn)狀及條件

數(shù)字孿生（digital twin）是數(shù)據(jù)、智能交叉發(fā)展至嶄新階段的產(chǎn)物，在航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用。數(shù)字管道建設(shè)的信息獲取上，既可以利用光學(xué)影像，又可以捕獲聲學(xué)振動(dòng)信息[1]；數(shù)字管道的呈現(xiàn)效果，可以按照實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)3D 模型與現(xiàn)實(shí)參數(shù)的不同程度的匹配[2]。市政燃?xì)庑袠I(yè)在新信息技術(shù)的應(yīng)用普遍較為落后，以數(shù)據(jù)采集技術(shù)為例，管道竣工建設(shè)仍缺乏必要的數(shù)據(jù)錄入，后續(xù)運(yùn)行維護(hù)缺少必要的參考信息，不得不為再次摸清過(guò)去的信息投入成本。

自燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的開始階段起，以管道為線索，把發(fā)生在管道系統(tǒng)的各項(xiàng)工作聯(lián)系起來(lái)，打通業(yè)務(wù)，融合數(shù)據(jù)，建設(shè)形象精確的數(shù)字孿生管道，是每個(gè)燃?xì)馄髽I(yè)終究要邁出的一步。從員工執(zhí)行基礎(chǔ)工作來(lái)看，業(yè)務(wù)中信息共享必將節(jié)省調(diào)查拜訪時(shí)間；從燃?xì)馄髽I(yè)經(jīng)營(yíng)來(lái)看，工作效率的規(guī)模提升也將長(zhǎng)遠(yuǎn)地節(jié)省相關(guān)成本；從地區(qū)城市管理部門來(lái)看，科學(xué)及時(shí)的精準(zhǔn)決策可以防范化解安全風(fēng)險(xiǎn)。

受限于當(dāng)前的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素，數(shù)字孿生燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)必將經(jīng)歷由簡(jiǎn)至繁，由被動(dòng)到智能的發(fā)展過(guò)程。建設(shè)進(jìn)程的推動(dòng)力，來(lái)源于建設(shè)成果給燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)帶來(lái)業(yè)務(wù)效率的提升。既有賴于燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)的投入，則應(yīng)從具體的燃?xì)馄髽I(yè)業(yè)務(wù)考慮，本文以下探究初始階段的數(shù)據(jù)孿生管道構(gòu)建思路。為便于研究，每項(xiàng)業(yè)務(wù)抽象為管道系統(tǒng)的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的圖層，以起到保留關(guān)鍵因素，忽略無(wú)關(guān)因素的目的。

2.數(shù)字孿生管道與現(xiàn)階段智慧燃?xì)庵g的關(guān)系

近幾年，燃?xì)夤艿佬畔⒒ㄔO(shè)已經(jīng)在覆蓋面、滲透率和存儲(chǔ)量上有了明顯的進(jìn)步，這為燃?xì)鈹?shù)字孿生管道的建設(shè)提供了豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源。其關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生管道與現(xiàn)階段應(yīng)用的智慧燃?xì)庀到y(tǒng)關(guān)系圖

（1）從“數(shù)字孿生”的字面意義上理解，數(shù)字就好比生物體的細(xì)胞，數(shù)字就是基本組成單元。現(xiàn)有的可以獲得的數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分，構(gòu)建較為完整的管道，達(dá)到仿真的效果，仍需要更復(fù)雜的數(shù)據(jù)建設(shè)。

（2）數(shù)字管道的虛擬鏡像建成之后，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)演未來(lái)和智能決策，此項(xiàng)內(nèi)容，正是當(dāng)前應(yīng)用的各項(xiàng)軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

（3）資源管理系統(tǒng)上已實(shí)現(xiàn)的工作流，也將融合成為數(shù)字孿生管道的本身。

3.數(shù)字孿生管道的各圖層應(yīng)用

如前面第1 節(jié)所述，數(shù)字孿生管道可以看成是多種圖層疊加而成，同時(shí)，為研究某項(xiàng)問(wèn)題或者業(yè)務(wù)，應(yīng)從整體管道中抽離關(guān)鍵數(shù)據(jù)，成為簡(jiǎn)化模型。本文中將各個(gè)模型表示為某種特征的虛擬燃?xì)夤艿馈?/p>

3.1 反映空間存在狀態(tài)的燃?xì)夤艿缊D層

(1)應(yīng)用目的：為了隨時(shí)獲取管道及設(shè)備的具體位置和空間占用信息，燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)單位需要建設(shè)能反映空間存在狀態(tài)的燃?xì)夤艿缊D層。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類別：包含管道自身的幾何尺寸，管道的走向，架空的高度（或埋地深度），與樓棟墻面的水平距離。由于GIS 已在燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)用多年，因而原有舊管道的數(shù)據(jù)可從該系統(tǒng)中直接獲取，新建設(shè)的管道可同時(shí)維護(hù)。地上道路、建筑物等場(chǎng)景信息，效率最高的方法為從規(guī)劃部門中獲取。

(3)數(shù)據(jù)詳細(xì)程度：對(duì)于民用戶，樓前庭院管的信息應(yīng)當(dāng)明確。經(jīng)過(guò)調(diào)查，多個(gè)燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)，在竣工圖上僅對(duì)庭院管的位置有詳細(xì)記錄。庭院管之后連接各廳引入管，則無(wú)對(duì)應(yīng)的具體記錄，僅記錄相關(guān)個(gè)數(shù)。從實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景上看，庭院管公稱通徑多數(shù)在50 至150mm 之間，體積較大，且往往采用埋地敷設(shè)，開挖定位明顯困難，因而需要準(zhǔn)確的位置信息。

(4)數(shù)據(jù)更新周期：可隨新建工程進(jìn)度進(jìn)行更新。對(duì)位置定位，常常是管道投入運(yùn)行1年或者幾年之后，因而通常對(duì)定位結(jié)果的緊迫性要求不高。

3.2 反映終端用戶狀態(tài)的燃?xì)夤艿缊D層

（1）應(yīng)用目的：管道末端連接的是燃?xì)庥脩舻脑O(shè)備，無(wú)論產(chǎn)權(quán)歸屬何方，供氣、用氣合同如何約定，燃?xì)夤?yīng)企業(yè)都承擔(dān)著一定管理責(zé)任，燃?xì)夤?yīng)企業(yè)入戶安全檢查是履行法定義務(wù)[3]。而實(shí)際入戶工作中，面臨入戶率低，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的困難。做好前置規(guī)劃與現(xiàn)場(chǎng)輔助是提升入戶檢查工作的重要途徑。作為當(dāng)前社會(huì)中，為數(shù)不多能夠且需要入戶的業(yè)務(wù)，此類工作獲得的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止對(duì)燃?xì)夤居兄匾饬x（圖2）。

圖2 數(shù)字孿生管道包含的客戶信息處理，提供指引與預(yù)測(cè)可極大提高一線入戶人員的效率

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類別：研究此類問(wèn)題，不需要把終端用戶與分支管道建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要的是按照樓棟分布與地理位置建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化區(qū)域管理。簡(jiǎn)單地說(shuō)，用戶不必“畫”在管道上，但要“畫”在樓棟上。除了錄入具體位置信息、入戶時(shí)間以及隱患跟進(jìn)記錄以外，還需要更新管道設(shè)施、計(jì)量表具、用氣設(shè)備信息。以上基本信息已經(jīng)在部分燃?xì)馄髽I(yè)的移動(dòng)入戶工作系統(tǒng)中或者客戶檔案管理系統(tǒng)成功運(yùn)行，以取代紙質(zhì)記錄。

而作為智能決策信息，需要預(yù)判片區(qū)內(nèi)工作除了要將上述系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合，能夠分類匯總網(wǎng)格特征，以對(duì)人員、施工設(shè)備、材料準(zhǔn)備、方法與經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備進(jìn)行優(yōu)化部署。例如城市橡膠軟管更新為不銹鋼波紋管，需要在對(duì)用戶集中更換時(shí)既照顧不常在家用戶又能節(jié)約總體時(shí)間。這就需要用近期用量是否頻繁來(lái)估計(jì)常住用戶數(shù)，用某用戶中午是否有氣量判斷用戶在家時(shí)長(zhǎng)，用某用戶的年齡結(jié)構(gòu)確定入戶的時(shí)段。此外，某總體廚房結(jié)構(gòu)，以及物聯(lián)網(wǎng)表傳輸狀況也是指導(dǎo)業(yè)務(wù)開展的有效信息。

(3)數(shù)據(jù)詳細(xì)程度：燃?xì)獗?、不銹鋼波紋管的使用年限為8年，相關(guān)的信息精確到月即可。而保險(xiǎn)有效期等延伸業(yè)務(wù)因利益責(zé)任劃分界限明確，需要精確到日。考慮到非采暖季97%的中國(guó)城市戶均日燃?xì)庥昧康陀?.5 方，而燃?xì)獗硐到y(tǒng)上傳數(shù)據(jù)僅保持小數(shù)點(diǎn)后一位，因此用量數(shù)據(jù)僅保留到0.1 方。

(4)數(shù)據(jù)更新周期：因?yàn)槿細(xì)馄髽I(yè)通常在點(diǎn)火通氣時(shí)，要求用戶準(zhǔn)備燃?xì)庠睿穗A段入戶工作要確保連接至用氣設(shè)備的整個(gè)戶內(nèi)管段無(wú)漏氣。在此已將表具等戶內(nèi)設(shè)施的基礎(chǔ)信息錄入完畢，后續(xù)只在更換時(shí)進(jìn)行更新；特別的異常用戶，不明原因進(jìn)行了更換，則在定期入戶工作發(fā)現(xiàn)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。用量信息，數(shù)據(jù)上傳情況，目前都是每日上報(bào)，可接入相關(guān)燃?xì)獗韽S家提供的數(shù)據(jù)。入戶維修、辦理延伸業(yè)務(wù)、過(guò)戶信息在業(yè)務(wù)完成時(shí)每日與現(xiàn)有的檔案系統(tǒng)同步即可。

3.3 反映氣流壓力的燃?xì)夤艿缊D層

(1)應(yīng)用目的：管道內(nèi)部燃?xì)鈮毫κ侵苯臃从橙細(xì)膺\(yùn)行狀態(tài)的指標(biāo)：一是反映管道本身及下游用戶壓力承壓范圍是否正常，二是反映管道內(nèi)燃?xì)庥袩o(wú)泄漏。對(duì)下游用戶，若運(yùn)行壓力過(guò)高，則易導(dǎo)致設(shè)備密封失效，燃?xì)庖莩龅氖鹿?；若運(yùn)行壓力過(guò)低，會(huì)造成燃燒火焰熄滅，繼續(xù)供應(yīng)未點(diǎn)燃的燃?xì)猓锌赡茉斐扇細(xì)饩奂l(fā)的事故。

目前，對(duì)于調(diào)查的19 家燃?xì)馄髽I(yè)，近十年內(nèi)沒(méi)有利用SCADA 系統(tǒng)壓力異常發(fā)現(xiàn)泄漏的記錄。從定性分析，壓力傳感器設(shè)置絕對(duì)數(shù)量較少，距離潛在泄漏點(diǎn)的位置過(guò)遠(yuǎn)，就難以表征泄漏。某行政區(qū)域由于第三方施工誤截?cái)嗳細(xì)夤艿?，而造成附近小區(qū)600 余戶居民停氣，該位置最近的壓力傳感器波動(dòng)仍在日常范圍之內(nèi)。即使在最靠近用戶的位置，流量計(jì)上的壓力傳感器，對(duì)于類似小孔滲漏引起的壓力變化，也是不能引起壓力的異常減小。這些都說(shuō)明僅靠單一壓力因素，現(xiàn)實(shí)中難以識(shí)別燃?xì)庑孤┈F(xiàn)象。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類別：顯然基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是各壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的壓力。壓力傳感器主要分布在接氣門站，儲(chǔ)氣場(chǎng)站，主干管道的變壓站（中壓以上站），以及工商用戶的流量計(jì)上。相較于壓力傳感器的數(shù)量，調(diào)壓柜內(nèi)的機(jī)械式壓力表則龐大得多，每個(gè)大型的管徑Dn90 以上的工業(yè)戶，或者是居民小區(qū)都設(shè)置調(diào)壓柜，此類壓力表數(shù)據(jù)對(duì)反應(yīng)管道運(yùn)行狀況的參考意義甚微。流量計(jì)內(nèi)包含壓力傳感器和溫度傳感器，在同一位置獲得壓力數(shù)據(jù)的同時(shí)還可同時(shí)感知溫度和流量。但是此類獲取十分局限，目前燃?xì)馄髽I(yè)僅在對(duì)接上游氣源和下游用戶的必要交割計(jì)量的位置設(shè)置流量計(jì)。

（3）數(shù)據(jù)詳細(xì)程度：應(yīng)包含所有帶能自動(dòng)上傳的壓力數(shù)據(jù)。精度要求，參考行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的壓力傳感器，一般為0.01MPa。經(jīng)調(diào)查100 個(gè)終端用戶壓力每日變化幅度，小于3.0Mpa 的有98%，說(shuō)明該精度等級(jí)可足夠分辨壓力變化。

（4）數(shù)據(jù)更新周期：終端用戶有三種情況：a.用量大用戶已安裝scads 測(cè)點(diǎn)；b.安裝物聯(lián)網(wǎng)流量計(jì)；c.安裝數(shù)據(jù)采集器。前者可以按照每1 或者3 分鐘采集并傳輸一次，后者按小時(shí)采集，日傳輸一次。

機(jī)械式壓力表一般在定期維護(hù)調(diào)壓柜時(shí)讀數(shù)，周期長(zhǎng)達(dá)一月及以上，僅在每日工單錄入時(shí)更新即可。注意，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因?yàn)榇藬?shù)據(jù)明顯之后，應(yīng)與其余壓力表示方法體現(xiàn)差異化，可以用顏色的不同予以區(qū)分。

（5）管道泄漏的壓力研究理論[4]：驗(yàn)證管道某節(jié)點(diǎn)的壓力是否正常的理論方法已經(jīng)取得一定成果，但是實(shí)際應(yīng)用中也難以察覺(jué)泄露引起的壓力變化。目前方法為，選取首、末兩端和其中一點(diǎn)測(cè)量壓力p，并計(jì)算壓力降：

△p=p2-p1

而管段正常壓降為：

ATp=△p

A 表示管網(wǎng)的連接矩陣。

△p=S'qv,pipe

qv,pipe為管段流量，對(duì)角陣S'可根據(jù)氣流靜態(tài)參數(shù)計(jì)算。

計(jì)算壓力p'實(shí)際壓力p 相比較。若存在明顯差別則說(shuō)明有壓力異常。此研究目前在實(shí)際中仍不能用來(lái)直接判斷某點(diǎn)是否出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象。

3.4 反映外層防腐的埋地燃?xì)夤艿缊D層

由于管道防腐技術(shù)適用于鋼制管道，聚乙烯管道并不需要防腐處理與維護(hù)，而聚乙烯管道在城市燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用中呈增多趨勢(shì)，特別是道路下埋地主干管使用聚乙烯管道，而地上管采用架空鋼管，這就造成了呈現(xiàn)同一材質(zhì)的管道的不連續(xù)的現(xiàn)象。為此，在簡(jiǎn)化模型研究時(shí)：一是用等同種規(guī)格的效管線代替不同規(guī)格的聚乙烯，使之作為線索串連鋼質(zhì)管道；二是用記錄在鋼質(zhì)管道末端，記錄與關(guān)鍵建筑物的位置。架空管道與埋地管道維護(hù)方式有很大不同，一般分別研究，故建立圖層時(shí)不必同時(shí)呈現(xiàn)，如（圖3）。

圖3 輸送燃?xì)獾墓艿涝诟骷?jí)區(qū)域通常使用的材質(zhì)類型

埋地管道的防護(hù)分為兩部分：一是外加防腐層（使用成品3 層聚乙烯防腐管，并且管道連接的裸露焊口，在管道施工時(shí)對(duì)進(jìn)行“打補(bǔ)丁”似的聚乙烯防腐處理），適用于所有埋地管道；二是額外施加陰極保護(hù)，適用于主路干網(wǎng)的跨區(qū)中壓管道。

（1）應(yīng)用目的：對(duì)于陰極保護(hù)，運(yùn)行工作較為單一，僅僅需要檢查電位是否符合要求，若不合要求則需要重新布置防護(hù)措施。調(diào)查的9 家燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)，近5年來(lái)檢查數(shù)據(jù)的結(jié)果，很明顯，在運(yùn)行的陰極保護(hù)測(cè)試樁全部符合要求。從相關(guān)的規(guī)范也對(duì)檢查頻率提出了寬泛的要求，即六個(gè)月檢查一次。曾經(jīng)有人研究將固定測(cè)試樁上的電位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至服務(wù)器，實(shí)際上從效果上看是沒(méi)有必要的。從燃?xì)馄髽I(yè)的需求性、數(shù)據(jù)的價(jià)值性、人工操作的便利性、結(jié)果的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、時(shí)間要求的寬泛性上來(lái)看，完全沒(méi)有必要對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)饨?jīng)營(yíng)的陰極保護(hù)結(jié)果優(yōu)先納入數(shù)字孿生系統(tǒng)。

對(duì)于埋地管道，監(jiān)測(cè)管道防腐層效果的慣常做法為使用多頻管中電流法[5]，該方法可判斷防腐層是否破損并定位破損點(diǎn)位置。由于此種方法測(cè)量原理主要關(guān)注電流衰減情況，測(cè)量結(jié)果而受地形、土壤等影響，不同人員操作和解讀分析存在較大差異[6]，應(yīng)當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)綜合考慮或者復(fù)核，由此可見，數(shù)字孿生管道的作用是明顯的。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類別：需結(jié)合管段的位置，此外跨越道路、溝壑、工廠應(yīng)在該鏡像中得到體現(xiàn)。按照分類對(duì)處理后的數(shù)據(jù)——管道防護(hù)等級(jí)記錄，并在防護(hù)等級(jí)非“優(yōu)良”和特殊要求劃定的區(qū)域記錄電流衰減的原始數(shù)據(jù)。此外，還應(yīng)記錄時(shí)間，季節(jié)，濕度等對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響的數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)詳細(xì)程度：將能進(jìn)行防腐監(jiān)測(cè)的埋地管道，應(yīng)結(jié)合防護(hù)等級(jí)標(biāo)出已完工管段的位置。溝渠等特殊位置與就進(jìn)管道的相對(duì)距離也應(yīng)標(biāo)示，現(xiàn)有儀器可定位精度到十米。此類已經(jīng)探明的有影響干擾因素，應(yīng)在管段上標(biāo)示出數(shù)量。

（4）數(shù)據(jù)更新周期：隨管道檢測(cè)完工時(shí)日更新。雖然目前此類非開挖的檢測(cè)受限于設(shè)備和人員因素，進(jìn)行得周期跨數(shù)月，但是此類業(yè)務(wù)有可能與日常巡線結(jié)合，而巡線的頻率數(shù)日完成一輪，若工作融合，管道檢測(cè)頻次很有可能提高。

3.5 反映外層防腐的架空燃?xì)夤艿缊D層

（1）應(yīng)用目的：管道防腐是常態(tài)化的過(guò)程，盡管工作允許的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。除了基本的檔案完工記錄以外，當(dāng)前防腐工藝和產(chǎn)品更新較快，可結(jié)合防腐效果與進(jìn)行橫向與歷史縱向的對(duì)比，進(jìn)一步通過(guò)篩選出適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件下，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類別：a.管道建成類的包括管段長(zhǎng)度、管段規(guī)格，施工隊(duì)伍。b.架空管道防腐維護(hù)類的包括防腐油漆種類、施工隊(duì)伍、施工工藝，以及完工抽查狀況。

（3）數(shù)據(jù)詳細(xì)程度：考慮到防腐年限，時(shí)間應(yīng)記錄到年月?？紤]到防腐施工隊(duì)伍的完成進(jìn)度及抽查檢驗(yàn)條件，應(yīng)按照整棟樓為單位記錄完工信息。此外，在考察防腐衰落演變和進(jìn)行工程預(yù)估時(shí)，需要測(cè)算需處理的防腐層個(gè)數(shù)，因此應(yīng)按照樓棟為單位，記錄需處理的防腐補(bǔ)口個(gè)數(shù)。

（4）數(shù)據(jù)更新周期：完工數(shù)據(jù)隨施工完成進(jìn)度，或者按照月更新。新發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)可隨現(xiàn)場(chǎng)巡查時(shí)日更新。

3.6 各管道圖層構(gòu)成的數(shù)字孿生燃?xì)夤艿阑究蚣?/h3>

上述各圖層疊加之后，虛擬管道系統(tǒng)描述的一段管網(wǎng)的基本參數(shù)得以確立，輔助現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)的功能得以實(shí)現(xiàn)。則數(shù)字孿生燃?xì)夤艿拦艿赖幕究蚣芤簿托纬闪恕?/p>

4.結(jié)語(yǔ)

市政燃?xì)鈹?shù)字孿生管道的實(shí)現(xiàn)必然有多重使命，而其應(yīng)用的主要對(duì)象是燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)。面對(duì)著數(shù)字化對(duì)燃?xì)饨?jīng)營(yíng)資質(zhì)評(píng)價(jià)的形式要求[7]，依托燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源，建設(shè)能優(yōu)先為燃?xì)饨?jīng)營(yíng)企業(yè)帶來(lái)業(yè)務(wù)帶來(lái)實(shí)際好處的初步數(shù)字孿生管道，是本文的建設(shè)初衷。隨著實(shí)現(xiàn)的單一業(yè)務(wù)融合成復(fù)雜業(yè)務(wù)，數(shù)字孿生管道將更加無(wú)限接近現(xiàn)實(shí)狀態(tài)。