智能化技术发展对油气管道行业的启示*

徐葱葱 刘冰 张妮 谭笑 张巍 马江涛 李云杰

1中国石油管道科技研究中心

2中国石油管道公司

截至2015 年，全球石油和天然气管道总里程超过200×104km，年增长率约为1%～2%，管道里程大，并且大部分管道已经运行超过20 年，管道运行维护成本高，全球每年花费约400×108美元用于管道维护，并且这个数字在持续增长[1]。另外，油气行业数据利用比例非常低。经调查，目前平均每4.8×104km 管线就可以产生15 000 Gbit 的数据，如何在这么庞大的数据中获取有效数据，用于保障人员安全、便于设备维护以及提高效率将是油气管道行业发展的目标。未来，随着智能化技术的发展和应用，智能管道建设将是提升管道运行维护效率、降低维护成本、保障人员安全的重要措施，是国内外油气行业研究的重点方向[2]。根据世界经济论坛在2017 年提供的《石油天然气行业智能化转型倡议》白皮书，2016—2025 年期间，油气行业通过智能化转型将在潜在经济、降低事故率、提升工作效率、安全环保等方面取得重要进展，油气上、中、下游产业链统计数据如表1 所示。至2016年，我国油气管道总里程已达到12.6×104km，油气管道已初具规模，并且未来仍将处于一个高速发展的阶段，根据《中长期油气管网规划》，2025 年我国管道总里程将达到24×104km[3]。运用智能化技术是促进国内油气管道高质量建设和运行管理的一个重要手段。

表1 2016—2025 年智能化转型带来的价值Tab.1 Value of intelligent transition from 2016 to 2025

1 智能化技术现状

智能化技术包括大数据分析、物联网、移动通信、云计算、机器人与无人驾驶、可穿戴技术、人工智能（包括机器学习、深度学习、图像识别、声音识别技术等）以及其他技术（如3D 模拟技术/打印、数字孪生技术、虚拟现实等）[4]。图1 为智能化技术在油气行业的投资趋势，柱状图的百分比表示目前投资占比。大数据分析、物联网和移动通信是目前全球油气行业普遍关注的智能技术点；而机器人与无人驾驶、人工智能和可穿戴技术则是2018—2022 年期间快速增长的智能化技术。

图1 智能化技术在油气行业的发展趋势Fig.1 Development trend of intelligent technology in oil&gas industry

表2 智能化技术分析Tab.2 Analysis of intelligent technology

围绕油气管道，对各智能化技术特点及应用前景进行分析，结果见表2。

2 行业外智能化技术应用

2.1 GE 公司

GE（通用电气）公司积极推动工业领域的智能化转型，开发了包括Predix 平台、APM、OPM 和ServiceMax 等软件产品，满足不同企业的数字化服务需求，涵盖了航天、交通、石化、电力等各个行业。例如，Qantas Airways 航空公司为提升飞机的燃油效率，节省运营成本，采用了GE 公司基于Predix 平台开发的Flight Analytics 软件，通过获取详细的飞行数据并进行分析，制定出更科学合理的燃油使用决策，实现了燃油成本的显著降低。在铁路行业，墨西哥铁路（Ferromex）公司为实现列车的全天候实时监测，采用了GE 基于Predix 平台开发的Smart Shopping 软件，实现了列车运行状态的实时监控和分析，从而预先制定列车的维修计划，降低列车维修的时间和成本。在石油炼化领域，英国石油公司（BP）采用了GE 基于Predix 平台开发的POA（Plant Operation Advisor）服务，实现了油田炼厂效率的提升，同时有利于提高生产的可靠性和安全性。

2.2 微软公司

微软公司作为全球软件业的巨头，积极致力于数字化的技术服务，探索不同领域的智能化服务方案，开发了微软智能云Azure、Azure IoT Edge 物联网服务等，已为全球50 多个地区提供云服务。如在无人机领域，大疆创新（DJI）通过采用微软的Azure IoT Edge 和Azure 服务，实现农业、公共安全、城市建设等不同领域的人工智能解决方案，通过无人机实现数据的收集，并进行信息分析和展示，从而快速和智能化地进行响应及反馈。

2.3 美空军和波音公司

美空军与波音公司合作，采用数字孪生技术构建了F-15C 机体数字孪生模型，实现了多尺度仿真和结构完整性诊断；能够对单个机体结构进行跟踪，可预测结构组件寿命，调整结构检查、维修和替换的时间，对获取到的各类信息（如飞行数据和评价数据等）进行综合分析，使用概率分析方法量化风险，实现对残余应力、材料状态、结构变形等的预测与管理。

3 行业内智能化技术应用

通过与传统管道对比，目前国内外油气管道行业普遍认为智能管道应具备表3 所列的各项特征。

表3 智能管道与传统管道对比分析Tab.3 Contrastive analysis of intelligent and traditional pipeline

3.1 国外油气管道智能化技术应用

国外智能管道建设围绕“传统管道数字化转型”展开，并初见成效，已将GIS、物联网、大数据分析、智能设施等技术应用到管道设计、施工、运营全生命周期中。BP 通过使用智能技术来提升油气管道业务，如为实现人员及物资的状态监控，BP 采用了基于RFID（无线射频识别）技术的位置识别安全系统（LASS），实时了解物资及人员状态，可更好地做出决策；为了实现管道周围第三方施工和管道泄漏的实时监控、智能判断和预警，BP 采用了基于ZigBee/Mesh 的无线传感及网络技术，保障管道的安全可靠；基于人工智能技术，研究其在自主修复机器人和应急响应系统中的应用；基于数据挖掘技术以识别管道损伤模式及缺陷与环境因素的相关性；利用物联网技术与无线智能终端应用实现管道的平稳运行，并保障员工安全；针对深水管道采用紧急修复机器人，特别适用于封堵深水原油泄漏管线；基于Web EOC 软件合作开发应急决策软件等。最终，通过应用智能化技术消除人为主观因素造成的失误，用自动化取代效率较低的人工劳动，收集和使用“大数据”（运营历史记录）以预测未来的模式和趋势，在不中断作业的情况下了解管道内所有状况，更好地运营和服务管道。

哥伦比亚管道集团（CPG）联合通用电气和埃森哲公司通过将智能技术应用于油气管道，充分挖掘与利用数据价值，使得管道企业从其生产经营活动所产生的海量数据中受益，帮助管道运营商在管道安全和完整性管理方面做出明智的决策。通过将多源数据集成，实现了对其超过24 140 km 的州际管道近乎实时的监测，包括管道风险监测、风险管控和环境感知；可以快速定位高风险区域并评估风险，提供响应措施，以帮助减少潜在的突发事件；也可帮助管道运营商全面了解管道的安全性和资产完整性状况，从而做出更为科学的决策。同时，CPG 采用Rockwell PlantPAx 系统实现将所有自动化操作都集成到互联平台中，提高生产效率并降低成本，确保当前管道满负载输送时达到99%的可靠性。另外，CPG 与IBM 联合将管道业务操作转移到云服务，IBM 还提供网络服务、智能安全平台、移动设备管理和业务分析等功能。IBM 的QRadar 安全智能平台可将CPG 所储存的事件、操作、日志、管理等数据与异常检测、应急响应处置相结合进行分析。另外，CPG 通过在天然气管线压缩机上运用GE-预测分析软件，实现设备的早期预警与调度系统连接，提高压缩机智能化程度和设备性能，在该软件使用的前4 个月，CPG 节省了260×104美元的维护成本。

3.2 国内油气管道智能化技术探索

国内中石油是第一个引入GIS 技术、数字技术来建设和运营维护管道的企业，采用整体规划和分布建设模式，已形成多个成熟的应用系统，包括工程建设期施工数据采集系统、地理信息系统和管道完整性管理系统等[14-15]。目前正积极开展中国石油智慧管网建设研究，逐步实现新建管道和在役管道的全面智能化提升，集成管道全生命周期数据，提供智能分析和决策支持，满足管道可视化、网络化、智能化管理，最终实现“全过程管控、全信息化管理、全数字化移交”。

随着国内外油气管道信息化和数字化技术的发展，国内外管道运营商基本建立了基于GIS 系统和完整性管理系统的数字化管道，并取得了重要成果。近年来，随着新型技术的快速发展，未来油气管道的建设、运行和管理模式也将发生重大转变，以大数据分析、物联网、人工智能等技术为主的综合解决方案将成为油气管道行业智能化发展的必由之路，是管道信息技术领域的重要发展方向。

4 结束语

智能管道的建设是在综合运用物联网、云计算等新兴信息技术的基础上构建的，涵盖管道的规划、设计、施工、运营、维护等全生命周期。狭义的智能管道包括管道所有状态、功能及周围区域信息的数据化、网络化、可视化到智能化的过程；而广义的智能管道包括管道、社会、上下游资源市场等各类要素资源的优化配置，实现管道企业内外部信息的实时获取、整理、传递和反馈，从而做出最优化决策。目前智能化技术在油气管道行业仍处于探索和发展阶段，通过国内外智能化技术分析，智能管道建设在以下技术领域具有较大的发展前景：

（1）采用机器人与无人驾驶技术，实现智能自动化，取代效率较低的人工劳动，提升整体工作效率。

（2）采用物联网、移动通信、数字孪生和虚拟仿真等实现对管道实时的监测，即时访问和处理功能，为现场操作、风险监控、快速维抢修、完整性管理和决策提供全方位的信息支撑，最终实现管控一体化，决策智能化。

（3）基于云计算、大数据分析技术进行模拟仿真，预测管道未来的模式和趋势，实现设备预测性维护，提高设备管理维护的能力，降低设备故障发生的概率，确保资产和人员的安全。

（4）采用智能感知、可穿戴技术提供可视化信息、资产细节和三维图像等，实时监测管道运行状况，实现与场外专家无缝协作，提升管道管理的效率和安全性，减少对环境的污染等。