我国智慧管道建设现状及关键技术探讨

程万洲 王巨洪 王学力 王 新

中国石油管道公司

油气管道点多线长，处于开放的社会环境中，沿线自然环境、人为因素时刻影响着管道安全，部分因素的发生偶然性很强、运行风险高、管理难度大，管道事故时有发生。青岛“11·22”事故的警醒及新安全生产法、新环境保护法和特种设备安全法的相继出台，国家对油气管道安全重视程度日益提升，行业监管更趋严格。由于油气管道输送行业自身特点，其传统发展模式存在管理效率低、人工成本高、技术决策风险大等瓶颈，在安全环保监管越来越严格、提质增效压力越来越大的情况下，迫切需要转变生产管理方式，降低运营成本，提升发展质量[1]。随着全球物联网、新一代移动宽带网络、云计算、大数据分析等新一轮信息技术的迅速发展和深入应用，信息化正酝酿着重大变革，工业制造向更高阶段的智能化发展成为必然趋势。管道行业作为传统行业也开始了积极探索，努力向智能化方向发展。

1 智慧管道提出的背景

20世纪末，时任美国副总统的戈尔在一次演讲中第一次提出了“数字地球”的概念，由此掀起了全球数字化的浪潮。带来的地理信息技术、数据库技术和网络技术的深刻革命，使油气管道建设和运行过程中充分应用数字技术成为可能。通过海量地理信息和建设运行数据，我们可以在计算机屏幕上了解管道、分析管道和虚拟未来的管道[2]。2008年11月，IBM提出“智慧地球”的理念，2009年8月，IBM发布《智慧地球赢在中国》计划书，在全球掀起了“智慧”系统的建设浪潮。

在此背景之下，2011年4月工业和信息化部、科学技术部、财政部、商务部、国有资产监督管理委员会联合印发《关于加快推进信息化与工业化深度融合的若干意见》，提出把智能发展作为信息化与工业化融合长期努力的方向，推动云计算、物联网等新一代信息技术应用，促进工业产品、基础设施、关键装备、流程管理的智能化和制造资源与能力协同共享，推动产业链向高端跃升。国内工业企业积极探索智能化建设，先后涌现出中国石化九江石化分公司等一系列全国两化融合管理体系贯标示范企业和国家智能制造试点示范单位。2015年3月，李克强总理政府工作报告首次提出“互联网+”概念，标志着“互联网+”上升为国家战略，同时也宣告了中国正式开启“互联网+”时代[3]。2015年7月，国务院印发《关于积极推进互联网+行动的指导意见》，提出充分发挥互联网在促进产业升级以及信息化和工业化深度融合中的平台作用，推动生产方式和发展模式变革，确定了互联网+智慧能源在内的11项重点行动。随后，国家发改委、能源局及工业和信息化部联合下发《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，提出以“互联网+”为手段，以智能化为基础，促进能源和信息深度融合，推动能源互联网新技术、新模式和新业态发展。针对油气管道，智能管道是未来主要发展方向，也是智慧能源的重要组成部分[4]。

以物联网、云计算、下一代互联网技术为代表的新一轮信息技术革命，为信息技术向智能化、集成化方向发展，信息网络向宽带、融合方向发展，信息技术与其他产业技术高度融合提供了重要的技术基础。“智慧管道”是新一轮信息技术变革和知识经济进一步发展的产物，是工业化与信息化深度融合并向更高阶段迈进的表现（图1）。

2 智慧管道发展现状

通用电气和埃森哲公司2014年联合推出全球首个“智能管道解决方案”，2015年被美国最大的管道运营商之一的哥伦比亚管道公司应用。智能管道解决方案整合了地理信息系统、生产系统、风险管理系统、设备状态监测系统，并与外部数据结合，如天气、地震和第三方活动信息等，整合以后的数据具有开放的数据结构，可为管道提供实时的数字化参考。通过该解决方案，用户可以整合预测功能，为未来管道决策提供支持[5]。

我国智能管道建设目前还处于发展初期。2014年11月，中国石油化工集团公司（简称中国石化）正式启动智能管线建设项目工作，完成了数字化管理、完整性管理、管线运行、隐患治理、应急响应、综合管理六大类功能的研发。项目重视数据标准化和业务流程模板化，通过新建、采标、扩标，形成了一套涵盖数据、技术、业务、培训四大类的智能化管线标准体系框架。智能管线具备管线缺陷和隐患报警功能，能及时了解事故现场状况，实时监控事故管线的生产运营情况，实时掌握事故处置动态，最大限度控制事故的影响和损失。

伴随信息技术和完整性管理技术的进步发展，建设数字化管道已经成为国内外管道运营者的主要目标[6]，中国石油天然气集团公司（简称中国石油）近年来在管道建设的标准化和数字化方面持续探索，取得丰硕成果，为建设智慧管道奠定了基础。2003年起，西气东输冀宁联络线、西部原油成品油管道、港枣成品油管道、兰银输气管道等开始尝试“数字化管道”建设，自施工阶段开始应用数字化管道系统，实现了数字化技术的局部应用；2015年9月投产的哈沈天然气管道是中国石油首条采用全生命周期数字化设计技术的长输管道；2016年完成了数字化设计体系、数字化移交标准和全生命周期数据库的配套建设，并在中俄原油二线、陕京四线、中靖联络线等管道工程深化应用。在油气管网规模建设过程中，管道业务的“标准化、模块化、信息化”水平不断提高，已完成从传统管道向数字管道的转变。2017年6月，中国石油提出“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”智慧管道建设理念，将以中俄东线天然气管道为起点，步入智慧管道建设阶段。

智慧管道建设以保障安全、提升经济效益为目标，围绕工程建设、生产运行及管道管理3条主线，利用先进的感知技术，将采集到的海量数据纳入云存储，结合大数据技术创新应用，优化系统资源，进行智能分析决策。智慧管网目前还是一个全新概念，中国石油对智慧管网定义为：在标准统一和数字化管道的基础上，以数据全面统一、感知交互可视、系统融合互联、供应精准匹配、运行智能高效、预测预警可控为特征，通过“端+云+大数据”体系架构集成管道全生命周期数据（图2），提供智能分析和决策支持，用信息化手段实现管道的可视化、网络化、智能化管理，具有全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化的能力。

3 智慧管道建设关键技术、面临问题与 解决方案

3.1 全面统一数据标准，实现系统互联互通

经过多年的统一规划与建设，中国石油信息化已经形成规模应用，建设了多个核心应用系统（图3）。（1）管道ERP系统覆盖并优化了设备、物资、项目、财务等核心业务流程，加强了管控力度，实现企业物流、资金流及信息流的统一；（2）管道工程建设管理系统（PCM）业务覆盖从核准立项、勘察设计、工程施工、投产试运到竣工验收的各阶段，对工程建设业务统一管理，规范了工程项目管理流程，促进了业主与承包商的协同工作，初步实现建设和运营期数据共享，对工程建设项目起到重要支持作用；（3）管道生产管理系统（PPS）实现了油气管道生产运行计划、调度、运销计量、能源管理等业务统一管理，推动了油气管道由分散调控向集中调控的重要转变；（4）管道完整性管理系统（PIS）实现了从管道日常管理、高后果区识别、风险识别与分析、完整性评价、缺陷修复到效能评估等环节的闭环管理，确保管道安全、可靠、受控，为管道管理提供有力支撑。核心应用系统基本涵盖了工程建设、生产运行及管道管理等管道核心业务领域，满足了企业的经营管理需求，促进了业务规范和管理水平提升。

图2 “端+云+大数据”体系架构

由于各应用系统均是针对固定的业务模式进行开发，业务管理侧重点不同、报表格式不统一，导致重复录入、多头上报，准确性无法保证。大量关键数据存在形式多样，形成“信息孤岛”，缺乏有效共享，数据更新缺乏快速、有效、先进的方法。

数据标准的统一是建设“智能管道、智慧管网”的前提。“十二五”期间，中国石油已在管道全生命周期各阶段建立了管道全生命周期系列数据移交规定（CDP）、PIS数据规范、ERP数据规范等数据规范。这些标准在各自业务领域发挥着重要作用的同时，其差异和问题也在显现。这些数据规范在分类结构、数据结构方面存在差异，使在此基础上建立起来的信息系统间数据共享存在障碍。

因此，需要对基础层面的数据标准进行统一与融合，实现层次结构的统一分类、互融以及数据定义的一致，理顺建设期和运维期的数据联系，实现从管道的概念、定义、实施、验收、运维到最终报废各阶段的数据标准全面统一，规范数据移交的格式、编码、结构，形成统一、覆盖全生命周期的数据标准，为相关系统间的数据共享和应用集成提供支持，满足全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理的基础数据需要。

图3 管道业务核心应用系统

3.2 搭建管道物联网，健全数据采集端，实现管 道全面智能感知

智能感知是智能管道建设的重要基础和密不可分的组成部分，是开展智能化系列应用的前提条件和重要保障。随着管道信息化的发展，物联网技术的独有特点恰好满足了该需求[7]。通过应用物联网采集传输技术，全面采集站场各类自控系统和管道专用传感器采集的数据，实现管道及站场运行数据的实时泛在感知，支持其他信息系统的设备运行监测诊断、泄漏监测、第三方损坏预警、地质灾害预警等数据分析应用。

物联网在技术架构上可分为感知层、网络层和应用层：

（1）感知层作为物联网的核心，是工业领域和信息技术领域发展的重点。其由各种传感器和传感器网关构成，作用相当于人的感觉神经末梢，用于识别物体和过程，并采集所需信息。例如将管道监测系统（如光纤预警系统、泄漏监测系统、地质灾害监测系统）应用于管道线路状态监测中。

（2）网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。可应用无线、有线两种通信技术：①无线通信技术，近距离的无线通信技术是物联网最活跃的部分，目前常用技术包括蓝牙、ZigBee、RFID、NFC、UWB、WI-FI等[8]；②有线通信技术，利用金属导线光纤等有形媒质传送信息。光纤通信和卫星通信是智慧长输管道的重要通信手段[9]。如无人机可通过搭载的高清相机、高清摄像机、红外探测器等感知设备进行高清拍照和数据采集，并通过互联网或有线网络与地面控制站和数据接收设备、实时影像接收设备连线，实现管道沿线监控影像的传输，完成管道巡检作业。

（3）应用层是物联网与用户（包括人、组织和其他系统）的接口，可与行业具体需求结合，利用生产数据开展业务应用与分析，为管理决策层提供依据[10]。应用层包括数据存储和应用，通过云计算、大数据等技术对感知层采集的管道数据进行存储、计算、处理和挖掘分析，进而实现对长输管道的实时控制、完整性管理和科学决策。例如管道巡检系统，通过分析大量巡线数据和第三方施工记录，研究管道第三方损坏风险规律，合理安排巡线计划，实现基于风险的管道巡护。

在长输管道的一些业务领域，利用物联网技术开展了泄漏监测、阴极保护数据采集、移动巡检等应用，但依然停留在某些单项业务领域[11]。全面、准确的数据是实现物联网应用的重要基础，为有效整合分散的数据，有必要建立一个物联网平台对各类感知层数据进行统一管理，以全面感知管道。智能感知技术是智能管道、智慧管网建设的数据来源和基础，应学习国内外先进智能感知技术，吸收行业内外的新思想、新技术，大胆创新利用大数据、云计算、物联网、移动互联等技术，构建面向应用的数据集成平台和智能应用服务系统（包括管理系统、视频监视、智能阴极保护测试桩、射频识别技术、光纤传感、无人机技术等），实现多个系统的高度集成共享。

3.3 建设管道数据中心，借助大数据分析技术， 实现智能化应用

在互联网时代，数据存储、计算和应用的集中化已是大势所趋，应运而生的数据中心正以前所未有的速度发展[12]。管道各信息系统、物联网系统等的数据抽取至管道数据中心，经过数据清洗、转换和加载，实现业务数据统一管理、综合利用和可视化展示，通过统一接口为各业务系统的数据分析挖掘应用提供数据共享服务和全方位支持，避免了多个数据源汇总数据带来的延迟性、数据交叉矛盾、系统不兼容、跨平台开发等多种问题。数据中心向下实现了数据的统一集成管理，向上统一分发数据提供个性化应用，集成各种类型的数据分析挖掘工具，为业务管理提供全方位的决策支持。同时，基于数据中心可以建设管道安全监测预警中心，实现管道风险的集中、动态、可视化管理，极大增加了数据的使用效率。

大数据是近年继物联网、云计算之后最炙手可热的技术。管道信息系统所产生、存储和使用的数据总量正在逐年递增，数据所承载的业务内涵、数据管理的复杂性也在不断攀升，其所蕴含的价值成为企业重要的资产。采用何种手段，可以更有效地使用数据、分析数据、挖掘数据价值、提高数据使用效率、缩短数据分析周期、更快地为管理提供支持，是业内亟需解决的“数据海量、信息缺乏”的问题。

目前，大数据分析在管道系统的应用案例较少，仅限于在管道风险分析、内检测等方面进行了初步探索，尚未实质性应用。管道物联网作为数据管理的新模式，开启了管道企业数据管理的新篇章，是形成管道系统大数据的基础，两者的结合将成为数据管控的新模式[13]。面对管道生产运行过程中快速增长的管道数据，需要选择特定的模型计算框架，开发部署大数据分析模型，自动适应数据量的成倍增长，在满足模型计算可靠性和准确性的前提下，确保模型运算的速度。如何将这些数据快速存储并应用于大数据分析，是大数据分析模型服务于实际生产的关键。

利用管道数据中心，从原来分散的海量数据库中抽取形成各类专题数据，满足各专业的数据检索和应用。利用大数据分析工具，对工程建设、生产运行、维修维护、应急响应、日常监控等业务中产生的大量数据开展挖掘分析，找出隐藏在现象背后的规律、预测变化趋势，指导设备预检预修，优化生产作业方案，减少非计划停输，实现安全高效运营。大数据分析将是管道企业未来发展的重要趋势之一，是实现管道智能化决策的重要手段。

4 结束语

智能化已经成为世界科技发展的大趋势，同样是未来管道行业发展的大趋势，是提高管道本质安全水平和运营效益的有效途径。当前，我国智能管道建设总体还处于起步阶段，智能管道建设工作应循序渐进，做好短板分析，稳步推进，逐步实现智能应用。应加强人员队伍建设，打破固有思维定式，完善现有管理模式，适应未来智能管道、智慧管网发展需求。