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能源数字化|中国智慧管道的现状及发展前景

目前,智慧管道已成为中国油气管道界的热词,相关机构技术人员围绕智慧管道开展了大量研究与规划工作。然而,迄今为止,中国油气管道界对智慧管道的概念尚未形成广泛共识,对其内涵与外延缺乏全面、系统、深入、确切的认识,还不能完整、清晰地描绘出未来智慧管道的全景图像。基于此,从管道技术角度出发,结合对现代信息技术的认识,对中国油气管道行业智慧管道建设的若干问题进行了初步思考,由此形成的认识和观点或许对中国智慧管道的健康发展有些许参考价值。

近年来,随着信息技术的发展,以“智慧”冠名的概念在人类社会的各个领域如雨后春笋般涌现。在这个由信息化迈向智能化的时代,具有技术密集特征的油气管道行业提出智慧管道的概念是顺应时代要求的必然选择。智慧管道与智慧地球、智慧城市、智慧社区、智慧医疗、智慧课堂、智慧工厂、智慧制造、智慧物流等概念类似。2008年11月,IBM 提出智慧地球的概念;2009 年 8 月,又发布了《智慧地球赢在中国》计划书,正式揭开IBM“智慧地球”中国战略的序幕。目前 IBM“智慧地球”战略已经得到世界各国的普遍认可,而与“智慧地球”密切相关的物联网、云计算、人工智能、区块链等技术已成为许多国家制定本国发展战略的重点。

“智慧”的本意是对人的思维能力与决策能力的评价,当用于形容人以外的其他对象或系统时,通常是指该对象或系统具有类似于人的感知、分析、综合、判断及决策能力。如果对象或系统是类似于油气管道这种专业性很强的系统,则这里所说的“人”是指与该系统密切相关的专业人员。虽然冠名“智慧”的系统通常要模仿人的感知、交流、分析、判断、决策方式,但因这些系统建立在计算机、互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等现代计算技术、信息技术、决策技术的基础上,故其在许多方面的能力可能超越专业人员,可谓源于人而高于人。

笼统地说,智慧管道可定义为:在全生命周期各个阶段(包括规划、可行性研究、设计、施工、投产试运、运营维护、改扩建、废弃处置等),综合应用控制、监测、检测、预测、仿真、优化、人工智能、大数据分析、计算机、数字化、多媒体、互联网、物联网、移动通信等技术,按相关组织或人员的合理意愿和预期目标,以全自动或人机交互方式实施各种计划、作业、监控、管理业务的油气管道。按此定义,智慧管道首先是指实体管道本身,同时包括赋予实体管道智慧特征的技术支撑系统。对智慧管道的另一种理解是仅仅指后者,即针对实体管道建立的综合信息管理及决策支持系统。这两种理解都属于智慧管道概念的外延,在此主要按后一种理解讨论智慧管道。

无论按以上哪种理解,智慧管道的核心内涵都是指具有高度自动化、智能化、数字化及网络化特征的信息管理、决策支持与自动作业系统,其可以满足管道全生命周期内的各种业务需求。该系统具有自动感知、分析、诊断、评价、预测、展示、控制、调节实体管道整体及其各组成部分状态的功能,可以对实体管道全生命周期内的各种作业、工程项目管理、管道运营业务进行自动决策或提供决策支持。为实现这些功能,作为信息管理与决策支持系统的智慧管道通常应包括数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、管道运行仿真、管道状态评价、单元状态评价、支持管道生命周期内各种业务和作业的决策工具或辅助决策工具以及相关的数据库、知识库、模型库等组成部分。这里所说的针对实体管道的业务和作业是广义的,包含的具体内容很广:既有建设阶段的,又有运行阶段的;既有工程项目管理方面的,又有运行管理、经营管理、维护维修等方面的;既有线路方面的,又有站场方面的;既有工艺方案、设备运行维护方面的,又有节能与 HSE 方面的;既有管道工艺系统方面的,又有各种辅助系统方面的。

智慧管道的具体功能、结构、内容因实体管道而异,取决于实体管道的输送介质类型(原油、成品油、天然气)、输送工艺、拓扑结构、设备配置、建设项目管理与施工组织方式、经营模式等多方面因素。智慧管道不但适用于新建管道,也适用于改扩建管道或管网,即使对于没有任何改扩建的老管道或管网,也可以构建智慧管道。然而,因未必能获得老管道的完整历史数据,故对老管道建立的智慧管道系统往往不如新管道完整。

从智慧管道的内涵与外延可知,其本质特征是信息管理和决策,因此其必然与互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能、专家系统、系统工程等现代信息技术和决策技术密切相关。同时,作为一个专业特色鲜明的系统,智慧管道也必然包括与油气管道自身的物理特性、工程特性及各种业务需求相关的专用软件、数据及配套硬件。

在油气管道行业,虽然智慧管道本身是近两年适应现代信息技术和人工智能技术发展提出的新概念,但其并非凭空产生,而是早前提出且目前仍在应用的一些相近概念的延伸和发展,主要包括 SCADA 系统、数字管道、智能管道。认识到这一历史延续性,对智慧管道进一步持续健康发展具有两方面的重要意义:①可以合理继承和充分应用能满足当前需求的成熟技术,从而避免不必要的重复研究、重复建设;②通过梳理、分析、评价近几十年油气管道技术发展历程中的相关技术成果及存在的问题,吸取经验教训,为确定智慧管道的未来发展方向提供依据。

追根溯源,可以说作为现代油气管道标配的SCADA 系统是智慧管道的鼻祖,其是油气管道或管网运行监控的中枢神经系统。无论未来智慧管道发展到何种程度,SCADA或其他功能更强大的管道运行监控系统将始终是智慧管道的核心组成部分。SCADA系统的数据采集、状态监测、故障报警及各种控制功能自身便具有不同程度的智能性,此外,其还可以与运行仿真、运行优化、状态预测、泄漏监测、故障监测与诊断等支持管道运行的专用系统配套使用,从而提高管道运行的智能化程度和水平。近年来,中国石油、中国石化的管道企业下大气力研发成功了拥有自主知识产权的 SCADA 系统,这也体现了 SCADA 系统对油气管道的重要性。值得一提的是,SCADA 系统实际上是一种经典的工业物联网系统,因此可以将其视为当前迅猛发展的物联网技术的先驱。

继SCADA系统以后,智慧管道的前身是数字管道和电子管道。数字管道(Digital Pipeline)的概念约形成于21世纪初,但基本上只有中国油气管道界使用数字管道这个术语,国外对应的术语是电子管道(Electronic Pipeline)。国外油气管道界之所以不采用数字管道的说法,可能是因为 Digital Pipeline 这个词是计算机行业用于表示数据传输通道的专业术语,在管道行业被赋予另一种含义容易产生混淆。

目前中国油气管道界流行“智能管道、智慧管网”的说法,此处“智能”和“智慧”的含义并无实质区别,仅仅只是表达方式不同,其目的或许是为了避免用词重复。而“智能”和“智慧”这两个词的原始词义是有差异的:智能是指人造系统具有某些类似于人的智力活动的能力,而智慧是指从事智力活动的能力强、水平高,可见智慧比智能的层次高,智慧是高水平的智能。中国石化 2014 年提出的智能管道概念比较符合“智能”的本意,也可以认为是当前油气管道界热议的智慧管道或“智能管道、智慧管网”的前身。为了体现智慧管道与智能管道的差异,以下将“智能管道、智慧管网”中的“智能管道”均表述为智慧管道。

21世纪初,中国油气管道界相继提出数字管道、智能管道的概念。2003 年,随着连接西气东输管道与陕京输气系统的冀宁联络线工程建设前期工作启动,中国在世界上首次提出数字管道的概念。作为世界上第一条数字管道,冀宁联络线从设计、施工、投产试运到运行的各个阶段都按数字管道建设的要求,收集、管理与管道相关的各类数据,且该过程将贯穿这条管道的全生命周期。数字管道的概念源于数字地球、数字城市等类似概念,其主体是一个面向实体管道的数据库系统或数据仓库,本质是对应于实体管道的一个数字化虚拟系统,或是实体管道的数字化映像。中国建设数字管道的初衷与管道完整性管理(PIM)的目的是一致的,即提高管道运行安全性,数字管道可以为完整性管理提供数据支持。

事实上,中国石油的数字管道建设和管道完整性管理几乎同时起步,而且二者相辅相成。基于数字管道中的海量数据,可以追溯实体管道生命周期中的历史数据,从而为分析管道事故与故障原因、评价与预测实体管道安全状况、制定事故与故障防范措施及事故应急方案提供数据支持。油气管道延伸的地理范围广,为了准确地按空间位置确定实体管道的状态,数字管道通常建立在地理信息系统(GIS)平台上,并借助 GPS 或其他全球定位系统提供某些事件、状态或作业(如事故、故障、缺陷、检查、测试等)对应的空间位置。目前,中国石油已经建立了较完善的数字管道建设平台和管道完整性管理体系。

为了提高油气管道的经营管理水平,在提出数字管道概念的同时,中国石油于 2003 年着手开发管道生产管理系统(PPS)。该系统的业务功能主要包括管道调度、运销管理、计量管理、能耗管理等几大类,基本涵盖了管道运行阶段的主要管理业务,为中国石油实现其所辖油气管网集中调控提供了有力支撑。PPS 1.0版、PPS 2.0 版分别于 2005 年、2013 年上线运行,应用效果显著,大大提高了中国石油所辖油气管网运营管理效率和质量。与 PPS 1.0 版本相比,PPS 2.0 版本的覆盖范围扩大至中国石油的海外管道、LNG 接收站及城市燃气系统,系统体系结构以及功能、性能也得到明显改进,特别是增加了移动端应用,大大提高了系统应用的便利程度。除 PPS 外,中国石油下属各管道公司开发的 ERP 系统也可为各自公司的智慧管道建设提供支持。

在中国石油冀宁联络线数字管道建设及 PPS 1.0版开发的同期,中国石化针对其下属管道储运分公司的业务需求,于 2004—2005 年开发了原油管理信息系统。该系统的功能与中国石油 PPS 系统的功能类似,但应用范围仅限于原油管道及相关设施。自 2005 年上线运行后,该系统大大提高了中国石化原油管道及相关设施(油港、油库等)调度管理工作的水平。在原油管理信息系统成功应用的基础上,中国石化于2014年启动智能管道(全称为中国石化智能化管线管理系统)建设及相关技术开发工作,年底在管道储运公司、天然气分公司、燕山石化等7家单位完成了试点应用。2015年1月,中国石化在全公司范围内全面推广智能管道,同年5月正式投用;2017年11月又正式发布了智能管道 2.0 版。该管理系统具有标准统一、关系清晰、数据一致、互联互通的特点,实现了油气流、信息流一体化融合及油气管道运营管理的标准化、数字化、可视化。除日常业务管理功能外,该系统还具有泄漏自动报警、地质灾害预警、专家系统管道维护、可视应急救援等安全保障方面的功能,自投用以来,为中国石化油气管道安全、平稳、可靠、绿色运行提供了有力支持。

2017 年,中国石油在中国率先提出“智能管道、智慧管网”的概念,并决定将中俄东线天然气管道工程作为智慧管道建设示范工程,预定目标是全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理。在工程建设阶段,针对该管道的智慧管道建设内容与数字管道类似,目标是实现全数字化移交,但实现方式比以往的数字管道有显著改进,主要改进之处是基于云计算及时采集、更新、集成设计数据与施工数据,并自动生成竣工图依托互联网、物联网、数字化、云计算、移动通信等现代信息技术,中俄东线天然气管道工程实现了智能工地和远程可视化工地,相关人员可在管道工程建设管理系统随时了解施工过程历史资料和实况。管道线路焊接全部采用携带数据采集系统的自动焊机,焊接过程的关键信息、自动超声波检测(AUT)数据以及管道焊接、焊缝检测、防腐、返修、连头、下沟等主要施工环节的监控视频均可实时上传至管道工程建设管理系统。此外,工地的人、机、料都配置了二维码,通过扫码可即时查询工地的人员、材料、设备等对象信息。目前,中俄东线智慧管道建设仍在继续推进,其有望成为当前世界上最接近智慧管道内涵、智慧功能最多的智慧管道。

当前,智慧管道的概念在国外油气管道界的热度总体上低于中国,国外多数油气管道公司也尚未系统性地开展智慧管道方面的工作。但从智慧管道的内涵和外延看,美国、加拿大及欧洲某些油气管道公司在智慧管道相关技术方面实际上已经达到较高水平,主要体现在 SCADA 及其配套系统应用等方面。国外一些大学曾开展智慧管道相关研究,如加拿大 Regina 大学的一个研究小组开展了人工智能、专家系统在油气管道运营管理中的应用研究,伊朗几所大学的研究人员应用智能技术开展了管道系统性能评价与优化研究。国外一些油气管道行业的技术咨询公司是智慧管道的积极倡导者和推动者,主要包括 GE、埃森哲(Accenture)、西门子(Siemens)等。尽管这些公司热衷于智慧管道主要是出于商业利益驱动,但其通过与管道公司合作进行智慧管道建设,客观上起到了推动智慧管道技术发展与应用、提高管道公司运营管理水平与经济效益的目的。

美国 GE 公司与埃森哲公司于 2013 年形成、2014年对外联合发布了智能管道解决方案(Intelligent Pipeline Solution),这是两家公司建立全球战略联盟以来推出的首个行业解决方案。该解决方案是一个支撑智慧管道的软件平台,其核心是一个基于Predix平台的工业互联网解决方案——GE公司的管道管理软件,此外还融入了埃森哲公司扎实的行业知识、数字化能力和经验。该平台的主要目的是使管道公司实现资源最佳配置,从而降低安全、经济等方面的风险。美国约 60%的油气管道都是 1970 年代以前建设的,管道公司最关注的问题是如何实时、远距离监控管道的安全状况,目前,该平台的功能主要涉及油气管网的政府监管、安全隐患、维护、完整性管理等方面。

2016 年 1 月,美国哥伦比亚管道集团(Columbia Pipeline Group)成为首家应用该智能管道解决方案的公司,在其全公司范围内实现了基于地理空间信息实时综合展示超过2.4×104 km 州际输气管道的状况,进而监测潜在危险,改进安全风险管理并掌握整体安全态势。GE 与埃森哲宣称其智慧管道解决方案在提高哥伦比亚管道集团输气管网安全性和经济性方面的作用是史无前例的。为了使智能管道解决方案发挥更大作用,哥伦比亚管道集团期待未来推出的新版本功能更全面、更实用。

加拿大智能管道技术公司(Intelligent Pipeline Technologies,简称 IPLTEC 或 IPL Technologies)声称专注于为油气管道公司提供智能管道技术和解决方案,其经营理念是以更完善的数据做出更合理的决策。该公司的核心业务是为在役管道开挖腐蚀检测提供一种高分辨率诊断装置——三维激光扫描仪LaserScan3D及配套数据处理软件 VirtualPIPE。开挖检测是对管道完整性管理常用的内检测方式的补充,可以验证内检测结果,并在此基础上对内检测的技术细节进行改进。与传统手工方法相比,三维激光扫描可大大提高检测的效率、检测结果的准确性与完整性。

国外另一套与智慧管道相关的解决方案是西门子公司开发的 Pipelines 4.0,其是一套适用于管道资产建设、运行管理及全生命周期优化的综合配套工具,对应电机、燃气轮机、泵与压缩机等管道设备的所有组件都是按北美管道公司的需要配置的,从而可以提供更多的决策支持,使管道运行更简便、更经济、更可靠、可视性更强。Pipelines 4.0 中与智慧管道直接相关的组件是 SmartPumping 软件,其可以降低管道能耗费用,且具有消减瞬变压力、改进流量稳定性、提高开泵方案系统效率及优化泵机组维修保养策略等功能。管道公司通过应用 Smart Pumping 软件提供的高级数据分析、人工智能及机器学习等工具,可以统筹考虑各泵站的运行方案,从而改进和优化所辖管道的负荷管理、运行能耗及批次计划。Smart Pumping 软件安装于西门子的物联网云操作系统 MindSphere 中,可为用户提供软件即服务(Software-as-a service,简称 SaaS)、即用即付款(Pay-as-you-go)模式的订购服务。Smart Pumping 软件可以用智慧的方式为成品油管道批次计划优化提供实时决策支持,例如:根据管道沿线泵站的电价差异合理分配各泵站的用电负荷;根据高峰电价与低谷电价的差别合理安排批次计划;基于预测条件动态调整管道压力以消除或减小水击影响,从而减少管道设备的机械损伤;减少泵站的碳排放等。由于采用了人工智能驱动的机器学习技术,Smart Pumping软件中的批次计划优化算法在具体应用过程中会实时地自动改进,而改进的依据则是从各泵站采集的实际运行数据。

在中国油气管道界,数字孪生体几乎是与“智能管道、智慧管网”同时出现的概念,近年来也随之成为行业热词。国外某些智慧管道解决方案也引入了该概念,因此有必要简要介绍数字孪生体的概念及其在油气管道行业的应用情况。

21世纪初,当时在密歇根大学工学院工作、目前任佛罗里达理工学院执行董事的Michael Grieves 提出了数字孪生体(Digital Twin,也叫数字孪生)的概念,而他却将其归功于曾在 NASA 与他合作过的同事、技术专家 John Vickers。百度百科目前对数字孪生的解释是:充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程,其是一种超越现实的概念,可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。虽然这种解释被广泛引用,但对刚接触数字孪生这个术语的人来说是难以理解的,甚至可以说是不确切、不完整的。

其实,按顾名思义的方式直白地解读,数字孪生体即是用数字化方式表达的真实系统的复制体或孪生兄弟,其是一个虚拟系统,与真实系统是一对双胞胎。用数学语言解读,数字孪生体是真实系统(原型)的一种数字化形式的影射(imagine map)、镜像(mirror)或模型。数字孪生体的功能通常包括但不限于:描述和展示真实系统的结构,对真实系统的状态和过程进行记录、展示、分析、评价、诊断、预测、仿真、优化等。从功能角度看,数字孪生体相当于可模仿真实系统状态和行为的实体模型或形象模型。而从表达形式看,数字孪生体是由数学模型和数字仿真模型这样的抽象模型构成的。

作为数字孪生体的重要组成部分,用于描述或记录真实系统结构和状态的数据是一种特殊形式的数学模型,而数字仿真模型本质上也是一种数学模型。数字孪生体对应真实系统的全生命周期,其记录的真实系统的历史数据是随时间延续不断积累的。基于数字孪生体,可以根据需要,随时从时间和空间维度全面了解真实系统的信息并获得决策支持,可以在覆盖全生命周期的过去、现在及未来的时间隧道上自由穿越。而要在真实系统上实现这些则可能需要付出较大的代价,承受较大的风险,甚至是完全不可能的。

迄今,数字孪生体的主要应用领域是航空航天和智能制造业,其可以在产品设计、制造、使用及维护过程中取代传统的实体模型(大多为形象模型),从而降低采用实体模型的成本。石油行业近几年才开始引入数字孪生体的概念,而且其主要应用领域是海洋石油开采装备。国际上涉足数字孪生体在石油行业应用的公司主要有西门子、BHGE(GE旗下的贝克休斯公司)、McDermott、DNV、BP 等。对石油行业而言,尽管数字孪生体是一个较新的名词,但其涵盖的内容和采用的方法却并无独到之处,只是现有多项技术的集成或综合应用,其本身并没有一套特有的内容、理论与方法。正因为如此,在将该技术引入国外石油行业时曾遭到不少石油业界人士的质疑,其认为不要采用数字孪生体这个说法,以免造成混淆,而应该关注其功能和内容。

西门子公司将数字孪生体分为工厂孪生体和过程孪生体。工厂孪生体的基本功能是以三维形象模型的形式展示实际系统结构形态,而过程孪生体的基本功能是对实际系统的特性进行仿真。该公司在其智慧管道解决方案 Pipelines 4.0 中引入了数字孪生技术。通过将管道实时运行数据代入管道运行过程的数学模型则可创建一个过程孪生体,应用该孪生体可以监测管道运行状态,还可用于建立预测性仿真模型,以便改进运行状态,并提供决策支持。

中国21世纪初倡导的数字管道与数字孪生体概念很接近,当时中国石油规划的数字管道内容几乎与当前“智能管道,智慧管网”建设中的数字孪生体相同。尽管字管道建设初期的重点是建立基于 GIS 的管道完整性管理信息平台,但其规划框架中也包含了计划、调度、仿真、优化等与管道运行管理核心业务相关的内容。可以设想,若该规划得以实施并持续改进,即使不引入数字孪生体的概念,也不会影响中国智慧管道的发展。

中俄东线天然气管道仅仅是中国系统地开展智慧管道建设的开端,随着这条管道的建设和投产运行,智慧管道建设将不断完善和扩展。继该管道以后,预计中国未来新建或改扩建的许多油气管道也将采用智慧管道模式。为了使中国的智慧管道建设可持续健康发展,一方面要认真总结和吸取中俄东线天然气管道的经验和教训,另一方面要结合油气管道自身特点、中国油气管道行业具体情况以及世界油气管道发展趋势,系统地思考中国智慧管道建设的目的和基本原则。

智慧管道是在现代信息技术和人工智能技术迅速发展的大环境下应运而生的,但油气管道行业建设智慧管道的初衷并不是迎合这两方面的技术发展,而是要使油气管道在其全生命周期内更安全、更可靠、更高效、更灵活、更经济、更节能、更环保。无论智慧管道建设采用多么先进高深的技术,这些技术也只是手段,而不是智慧管道的目的。开展智慧管道建设和相关研究应始终明确并坚持这些目的,而不可将目的与手段混为一谈甚至本末倒置,以免导致智慧管道的发展迷失方向。中国的智慧管道建设,建议遵循以下基本原则:

(1)需求驱动,问题导向。生产需求是新技术研发和应用的源动力。在建设智慧管道之初,应围绕其目的对各种需求的必要性、合理性及满足这些需求的可行性和经济性进行全面、深入、系统的分析论证,以便具体确定对智慧管道的功能需求和性能要求。油气管道是生命周期较长、点多线长、投资和运行成本体量大、涉及专业面广、社会联系较多、HSE 要求较高的大型工程系统,尽管建设智慧管道的目的明确,但要完整、准确、合理地确定对智慧管道的具体需求尚需进行大量深入细致的调研与分析。智慧管道的某些需求可能具有一定的隐蔽性,管道建设或运行管理人员不一定能直接发现这些需求。

例如,为了使线路截断阀能按管道运行规程自动关闭,需要记录截断阀处管内流体压力变化的数据,并分析降压速率与阀门动作情况的相互关系,在此基础上改进线路截断阀的控制逻辑和降压速率阈值;为了给输气管道运行方案优化提供可靠的基础数据,需要记录压缩机组的运行数据,并对其进行深度分析以校正压缩机及其原动机的特性曲线。这两个需求分别与智慧管道的两个目的——安全、高效运行密切相关,但只有对油气管道运行技术深度了解才能提出并准确描述。

为深度发掘对智慧管道的功能需求,一方面应坚持问题导向理念,另一方面可以从现代信息技术和决策技术自身的功能出发进行反向发掘。所谓问题导向是针对管道全生命周期内面临的问题确定智慧管道的功能,这些问题可能需要解决但尚未解决或尚未彻底解决的,也可能需要改进原有的解决方案。所谓反向发掘是技术提供方基于有可能应用于智慧管道的技术,主动启发和引导技术应用方去发掘可能采用这些技术解决的潜在问题或满足的潜在需求,甚至创造全新的需求。

为使问题导向和反向发掘在需求分析中真正发挥作用,技术提供方与应用方的密切配合和深度交流十分重要。交流可以使技术提供方了解应用方期望使用的功能或解决的问题,并初步评价满足这些功能需求的可行性;同时,也可以使应用方了解有可能应用于智慧管道的新技术、新方法,并启发和引导应用方反向发掘一些隐性的、潜在的需求。为了使交流达到更好的效果,可采用头脑风暴方式使交流者充分地自由畅想。这不仅有利于发掘出应用方的隐性需求,还有可能创造出全新的需求。某些全新需求可能会导致管道生命周期内某些业务流程的改变,而这种改变有利于达到智慧管道的目的。尽管反向挖掘有利于发现潜在需求,但作为技术应用方的油气管道企业一定要清醒地认识发掘出来的潜在需求是否一定是必要的需求。

与智慧管道相关的技术提供方往往是信息技术咨询商,油气管道企业在接受其咨询和服务时,应该清醒地认识能为其创造价值的真实需求,而不能被咨询商牵着鼻子走。对油气管道而言,数字孪生体的外延是针对实际管道系统的所有模型的集合,包括各种数据模型、仿真模型、预测模型、评价模型、优化模型等,其中有些模型已经获得成功应用,有些模型尚待进一步研发。在智慧管道建设过程中,应根据需求驱动、实事求是的原则对待数字孪生体。首先,不要贪求数字孪生体大而全,应根据管道企业的生产经营需求合理确定数字孪生体的功能和内容,而不是将虽符合数字孪生体定义、但不符合需求的内容纳入数字孪生体,这意味着数字孪生体并不需要复制实际管道系统的全部信息,只需复制与生产经营相关的信息;其次,不应过多关注和渲染数字孪生体的概念,应该扎扎实实地开展内容建设及相关研究;最后,应合理利用现有的成熟模型,并根据智慧管道建设的要求对其进行改进。

(2)突出重点,体现特色。从信息技术和决策技术角度看,智慧管道与其他领域的智慧系统具有某些共性,但必然也有其特色或个性。油气管道的基本功能是输送原油、成品油、天然气等流体介质,涉及的基本物理过程是流体在管道中流动,因此,智慧管道的最大特色是对油气介质在管道和管网中的流动过程进行监控、计划及优化。

在实体管道全生命周期内,智慧管道的重点功能因阶段而异:建设阶段的重点功能应围绕项目管理和建设过程信息采集、传输、处理、存储、展示而设置,投产试运阶段的重点功能应围绕投产方案编制及投产过程组织、监控、数据管理而设置,运营阶段的重点功能应围绕油气介质流动过程监控、计划及优化而设置。油气管道的基本功能是输送油气介质,而该功能主要是基于管道工艺系统实现的,因此,智慧管道的特色首先体现在工艺系统的智慧运行、智慧管理及智慧调控,其在很大程度上反映了智慧管道的总体水平,应作为智慧管道建设的重点内容。除流体流动外,油气管道的另一个重要特点是输送介质易燃易爆,且由于油气管道点多线长,一方面其火灾爆炸事故的社会影响面较大,另一方面第三方破坏引发火灾爆炸事故的概率较高。因此,以防止管道泄漏、断裂、火灾爆炸为核心的安全管理始终是管道投产试运和运营阶段的重中之重,与之相关的功能也应该是智慧管道建设的重点。

(3)开放融合,数据共享。智慧管道的融合有多重含义,其主要包括:实体管道全生命周期不同阶段的融合,传统工作流程与新流程的融合,实体管道各组成部分之间的融合,实体管道系统与环境的融合,信息技术、决策技术与管道技术的融合,理论方法与实践经验的融合,基于机理的方法与基于数据分析(包括大数据技术)的方法的融合,管道技术相关专业之间的融合,智慧管道系统与其应用人员的融合等。管道全生命周期不同阶段的融合是指:每个阶段均可方便地调用以前各阶段保存的数据,如在管道运营维护阶段,可以根据需要随时调用设计、施工、投产试运阶段的数据。

传统工作流程与新流程的融合是指:针对工作流程发生变化的业务,智慧管道中对应于新流程的功能应该与对应于传统流程的功能兼容,以便查找和利用传统业务流程的历史数据,且可以使智慧管道应用人员有一个逐渐适应新流程的过渡阶段。实体管道各组成部分之间的融合是指:智慧管道应考虑各部分之间的相互联系,包括数据联系和功能联系。

实体管道系统与环境的融合是指:应建立管道本身数据与环境数据的联系,并能处理系统与环境的相互关系。这里所说的环境是系统工程意义上的环境,实体管道系统的环境是指与该系统相关但又不属于该系统的所有对象的集合,包括管道周围的自然环境、社会环境、气象预报以及与管道全生命周期内各种活动有关联的技术环境、商务环境等。

信息技术、决策技术及管道技术的融合是指:信息技术为决策技术以及与管道设计、施工、投产试运、运营维护相关的管道技术提供所需的历史或现状数据;决策技术为与管道技术相关的决策提供方法、手段或工具;由管道技术、决策技术产生的某些数据可通过信息技术存储和传输。

理论方法与实践经验的融合是指:智慧管道某些功能的实现既采用理论方法,又引入适当的实践经验或经验规则。基于机理的方法通常是指从问题涉及的物理机理或事物的内在逻辑出发解决问题的方法,由于管道全生命周期内可能会遇到利用基于机理的方法难以解决或难以圆满解决的问题,而通过智慧管道可以获得与这些问题相关的大量历史或现状数据,因此,可以考虑采用或结合基于数据分析的方法解决这些问题。

基于机理的方法与基于数据分析的方法融合是指:可以利用基于机理的方法、基于数据分析的方法或二者相结合的方法实现智慧管道的功能。管道技术相关专业的融合是指:智慧管道中对应实体管道各相关专业的功能应根据需要建立联系,而且某些功能自身可能同时涉及多个专业。虽然智慧管道具有较强的自动处理能力,但无论其功能和性能如何完善,通常都离不开与其应用人员发生联系。

智慧管道与其应用人员的融合意味着应用人员并非被动地使用智慧管道的功能,而是在某些方面要发挥主观能动性:一方面,应用人员可以借助智慧管道提高工作效率和工作质量,甚至解决单纯靠人的能力无法解决的问题;另一方面,应用人员在某些方面的能力可能强于智慧管道,在应用智慧管道解决某些问题时可以采用人机协同方式,从而实现智慧管道与其应用人员优势互补。

人机协同的具体形式多样,可以是应用人员只利用智慧管道提供的信息独立做出判断或决策,也可以是通过人机交互过程完成某项工作,到底采用何种形式取决于具体情况。此外,智慧管道的某些功能可以具有学习能力,在智慧管道使用过程中,其既可以自动吸收和积累应用人员的经验,也允许应用人员以适当方式向其直接输入经验知识或规则。开放是与融合密切相关的概念,既可以是系统对环境的开放,也可以是系统中各部分之间的相互开放。

智慧管道的开放主要有两重含义:第一层含义是指在建设智慧管道时应合理应用或借鉴其他类似系统采用的成熟技术或先进技术,以达到建设速度、质量、成本、效益的最佳平衡;第二层含义是指智慧管道的软件应具有较强的兼容性、可扩展性、可移植性以及数据可交换性。

兼容性主要是指智慧管道软件各版本间的兼容性、智慧管道软件对硬件的适应性以及智慧管道与其他相关系统(如数字管道、SCADA 系统)的互联互通;可扩展性是指在不改变智慧管道基本软件架构的前提下,可随时嵌入新功能或改进原有功能;可移植性是指同一套智慧管道软件对不同实体管道的适应性或通用性;数据可交换性是指智慧管道与其他相关系统间可按需实现数据交换,其目的一方面是为智慧管道或相关系统实现其各自功能提供数据,另一方面是实现智慧管道与相关系统的数据共享。对智慧管道而言,数据交换和数据共享不限于其与相关系统之间,还包括其自身各部分间的数据共享。

(4)滚动发展,持续改进。从覆盖油气管道全生命周期的角度看,智慧管道在时间、空间、技术、经营等维度均涉及较广泛的范围,且同一条管道在其运行阶段可能会发生空间、技术、经营等方面条件的变化,因此,智慧管道建设很难一劳永逸,而需要基于滚动发展、持续改进的理念不断增加或完善功能、提升性能。所谓滚动发展一方面是指按实体管道全生命周期的阶段顺序,依次开发各阶段所需的智慧管道功能;另一方面是指按轻重缓急、难易程度、工作量大小等因素安排开发各项功能的顺序。

对一个具体的智慧管道项目,在确定开发其各项功能的时间顺序时,通常需要从上述两方面综合考虑。实体管道空间维度的范围是指构成管道或管网系统的各个组成部分,包括管段、站场、阀室及各种设备等,运行阶段管道或管网空间维度的条件变化通常是由管道改、扩建或技术改造引起的。技术维度的范围是指全生命周期内实体管道涉及的所有技术,运行阶段的技术条件变化可能是由技术进步或管道公司运营体制变化引起的,也可能是输送介质显著变化、输量大幅度变化或流向变化导致输送工艺变化引起的。

除了实体管道在设计、施工、投产试运、运行维护阶段可能发生的技术变化外,智慧管道自身涉及的信息技术和决策技术的发展也是推动智慧管道建设滚动发展和持续改进的促进因素。信息技术和决策技术的进步一方面可能引发对智慧管道功能创新的需求,另一方面为改进原有功能提供了技术手段。经营维度的范围包括实体管道全生命周期内各阶段的人员、财产、物流、商务、信息等方面的管理工作。

鉴于目前中国已成立公共运输商性质的国家油气管网公司,原隶属于石油石化企业的油气管道将对社会公平开放,智慧管道建设必将适应重大体制变化的要求。这种体制变化不但要求从经营维度对智慧管道的功能进行调整,而且有可能要求在技术维度做必要的调整。例如,油气管道向社会公平开放后,其油气物流管理模式将发生重大变化,相应地需要对智慧管道系统中与油气管道(网)流向、流量配置优化相关的功能进行调整与扩充。对天然气长输管道(网)而言,向社会公平开放后将对供气保障模式和机制产生重大影响,相应地需要对智慧管道中与供气可靠性相关的功能进行调整。值得一提的是,滚动发展还可以有更广泛的含义,即从智慧管道技术发展历程的高度布局其未来的发展,保持智慧管道的历史、现在及未来血脉相连,从而有利于避免相关研究开发工作的低水平重复,促进智慧管道在中国的可持续发展。

(1)智慧管道是高度自动化、智能化、数字化、网络化的信息管理和决策支持系统,具有自动感知、分析、诊断、评价、预测、展示、控制、调节实体管道或管网及其各组成部分状态的功能,并可对实体管道系统全生命周期内的各种作业、工程项目管理及管道运营业务进行自动决策或提供决策支持。

(2)智慧管道是 SCADA 系统、电子管道、数字管道、智能管道在物联网、云计算及人工智能时代的延续和发展。SCADA 系统是智慧管道的起源,电子管道、数字管道及智能管道是智慧管道、智慧管网的前奏。延续智慧管道技术发展的历史脉络、合理继承既有成果有利于避免相关研究开发工作的低水平重复,促进智慧管道在中国的可持续发展。

(3)智慧运行、智慧管理及智慧调控是智慧管道的主要标志,其在很大程度上反映了智慧管道的总体水平,应作为智慧管道建设的重点内容。

(4)数字孪生体是真实系统的一系列模型的集合,其内容并无新意,也无独特的理论与方法体系。在中国的“智能管道、智慧管网”的发展过程中,应着眼于油气管道企业的生产经营需求,扎扎实实地进行油气管道数字孪生体的内容建设。

(5)中国油气管道行业的智慧管道建设宜坚持需求驱动、问题导向、突出重点、体现特色、开放融合、数据共享、滚动发展、持续改进的原则。

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