中国智慧燃气现状、挑战及展望

郑 贤 斌

中国石油天然气股份有限公司天然气销售分公司

0 引言

近年来，我国相继出台《全国安全生产专项整治三年行动计划》[1]、《经营者反垄断合规指南》[2]等政策文件，对高速发展下的城市燃气行业的市场监管和安全管控提出更高的质量要求。特别是随着2019年国家油气管网公司的挂牌成立，进一步重构了包括天然气定价体系、天然气销售模式、合同签署模式、管输定价规则、天然气交易规则等方面的天然气市场体系，对下游燃气行业格局带来颠覆性影响。从长期来看，大型燃气企业天然气采购议价能力得到提升，但总体上城镇燃气企业或将因部分大用户独立采购而受到冲击；燃气电厂、大型工商用户或将因直供机会的出现而受益。高顺利[3]认为，无论是内忧外患的竞争压力，还是信息技术发展的时代机遇，都让燃气行业内部逐渐意识到唯有通过智慧燃气，才能为产供储销全链条智能管控提供更优的解决方案，才能让燃气行业做大做强。在此形势下，持续数字化转型、智能化发展，已经成为燃气行业提质增效、转型发展的关键手段。受新冠肺炎疫情影响，国内各大燃气企业更加充分认识到智慧燃气建设的必要性与紧迫性，燃气企业经历了一个从被迫转型逐步向主动转型的思想转变，加之燃气行业已经基本具备进一步向智能化迈进的技术支撑等前提条件，燃气行业将很快进入一个以数智化为主导的智慧燃气发展新阶段，开启燃气管理新模式。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》[4]在加快数字化发展方面提到“在重点行业和区域建设若干国际水准的工业互联网平台和数字化转型促进中心，深化研发设计、生产制造、经营管理、市场服务等环节的数字化应用，培育发展个性定制、柔性制造等新模式，加快产业园区数字化改造”；在加快数字社会建设方面提到“分级分类推进新型智慧城市建设，将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造”。燃气产业作为我国能源体系的一部分和重要的城市公共基础设施，在“十四五”规划总体要求下，燃气企业通过建立“智慧燃气”，实现数智化转型发展、融入智慧城市建设已经势在必行。

1 智慧燃气发展现状

1.1 智慧燃气概述

对于智慧燃气的概念，燃气行业目前并未有统一的定义，基本上还处于各自阐述的阶段[5-8]。笔者认为，城乡智慧燃气系统（以下简称智慧燃气）是基于地理信息系统（GIS)，采用物联网技术，应用高端智能感知设备，感知城市燃气管网流量、压力、温度和泄漏等运行数据，基于可视化方式进行有机整合，形成“城市燃气物联网”，并应用大数据、人工智能技术将海量燃气信息进行实时分析、处理、挖掘和辅助决策的燃气系统综合管理系统。智慧燃气是燃气企业的智能化发展目标。以高效优质服务、安全平稳生产、企业提质增效为目标，将信息技术与天然气工业技术、市场策略深度融合，形成“数据+算法”的新生产力和新服务形态，对燃气企业的生产、销售、服务和经营管理等各个业务环节进行改造优化，实现数据自动流转、业务高效处理、资源配置效率优化，构建企业新型竞争优势。智慧燃气具有以下特征：

1）数据采集的高度自动化：业务数据直接从智能设备、自控系统和信息系统自动采集获取。

2）分析预测的高度模型化：通过仿真预测、数据挖掘技术进行定量分析计算。

3）业务处理的高度程序化：日常业务通过智能设备、机器人和信息系统中的程序规则自动处理。

4）决策制定的高度智能化：决策制定过程中充分利用机理模型和数据驱动，进行全局资源优化，对决策执行过程进行实时评估和反馈。

智慧燃气的实现需要信息化、网络化、自动化、数字化、智能化等技术作为支撑，包括云计算[9]、大数据[10]、物联网[11]、人工智能[12]、计算机仿真[13]、区块链[14]、信息安全[15]等，这些前沿技术需要与燃气业务运行紧密结合、融合创新，才能有效助力传统天然气公司转型成为智慧燃气企业。

1.2 智慧燃气国内外发展概述

油气行业的数字化转型智能化发展已成为世界各大石油天然气公司、大型燃气集团中远期发展重大战略。其中，欧美日韩等国在燃气信息化、智能化方面的研究应用起步较早，发展水平也较高。国外典型的智慧燃气体系一般融入在智慧能源的大体系中，能源互联网将电力、燃气、水务、热力、储能等资源作为整体，统筹规划，形成耦合系统，形成整个能源系统的智慧模式[16-17]。东京燃气集团[18-19]、法国燃气苏伊士集团[20]及意大利飞奥集团[21]均对智慧燃气进行了构架，以建立安全、可靠、高效、低碳的能源体系。在国内，北京燃气集团最早提出建设“智能燃气网”的燃气企业，在行业内率先提出“智慧燃气”的理念框架，主持编制了燃气智能化的行业标准，并在2014年启动亦庄地区智能管网示范建设，完成基础信息收集、监控及智能化设备安装改造、系统开发建设等工作，并将智能化技术广泛应用到全市管网的运营管理中，确保管网全生命周期各阶段的本质安全[22-23]。深圳燃气集团是国内燃气智能化建设领先的服务商，其生产运营信息化建设历经20余年的发展，逐步形成了以数据采集与监控系统SCADA、地理信息系统GIS、气量管理系统、管道完整性管理系统、管网仿真等为核心的信息系统，构建智慧型燃气服务运营模式[24-25]。另外，上海燃气依托北斗高精度定位、管网地理信息、信息感知等，初步实现燃气管网设施数字化全生命周期管理、量化管网安全评估、更新改造辅助决策、实时巡线测漏等智能应用[26]。目前，我国智慧燃气对应到智能化实现程度分析情况如（表1）所示，智能终端和智能生产的实现程度整体接近50%，但是智能运行、智能营销和智能决策的实现程度还较低，智慧燃气产业智能化未来存在较大开发潜力和提升空间。

表1 目前智慧燃气对应到智能化实现程度分析表

2 国内智慧燃气关键问题分析

国内智慧燃气建设应用过程中需要解决以下4个关键问题：

1）广泛生产单元的感知能力建设方面的问题。智慧燃气的核心特征是“智慧”，具备“三个实现”即实现智慧有赖于广泛覆盖的信息感知，具备深度互联的信息体系，实现对海量信息的智能处理，实现对业务工作的分析、预测、监控，为经营决策提供有力的信息支撑。针对燃气业务生产单元，生产经营相关设置的自动化信息采集、远程操作控制、状态监控与预警等方面需要移动应用、5G、数字孪生、智能终端、人工智能、模拟仿真等技术进行感知，包含运行状态、计量参数、业务运行情况、视频监视等工作实现感知。广泛的感知是一个过程，由重点到全面逐步建设，广泛感知还依赖业务系统的能力和企业大数据处理的能力。广泛的感知不是针对所有设备，而是针对关键的设备、业务、场所等进行感知，保证业务运行状态的全面透彻的了解，工作量大，难度大。

2）应用的充分集成和智能融合方面的问题。基于统建系统的建设应用，尤其是燃气零售系统、生产运行管理系统、客户关系管理系统、燃气销售运行管理系统、电子销售管理系统等系统对业务支持，采用云计算技术，形成燃气业务的技术中台，搭建统一的燃气业务云，做到资源、信息、业务的深度集成和融合。同时，应结合示范性工程，注重与生产单元设备设施的集成，形成标准便于推广建设应用。在这个过程中，存在两方面的问题：第一是由于各业务系统可能是不同的系统建设单位承建的，系统的数据格式、模式组态以及数据协议可能都不一样，数据集成需要统一数据标准；第二除了技术层面上统一数据标准、统一数据协议等问题外，可能还需要重塑业务功能，不同的系统关注的业务不同，这些业务之间存在关联关系，在系统集成后，需要考虑业务之间关联、依赖、并行等关系。

3）全面感知、协同运营和创新增值方面的问题。基于云计算平台，依托大数据分析技术，建设燃气数据湖和燃气业务分析管理平台。在全面透彻感知、燃气业务运行平台的深度融合和集成基础上，基于海量数据的信息处理技术，实现对燃气业务分析、预测、监控，对新业务、增值业务的决策与技术支持，以及对燃气销售业务数据的管理、治理和共享。同时，为燃气业务云提供数据基础，实现燃气业务的全面感知、业务的协同运营，推广燃气业务数智创新和可持续高质量发展。对新业务、增值业务的决策与技术支持需要大数据算法的支持，而目前的大数据算法主要采用监督式机器学习算法，监督式机器算法需要大量的机器学习样本的输入，这些样本的质量，包括样本的数量、均衡性以及样本的全面性决定了监督式机器学习算法是否准确，然而在目前的工业互联网中由于历史海量的工控系统数据受存储空间的限制，仅能保存少量的数据，少量的数据中能作为生产异常或者设备异常的样本更是少之又少，样本数量不足，大数据模型的算法的准确率会受到较大的损失。

4）智慧燃气建设应用技术迭代与试点推进方面的问题。随着大数据、人工智能、物联网等新兴前沿技术不断推进和产业化，以及国家工业和信息化部、住房和城乡建设部、国务院国资委等部委大力推进数字化智能化转型升级发展，特别是燃气行业的数智化融合发展不断深入推进实施。城市燃气行业必将在数字燃气、智能燃气、智慧燃气建设过程中，将燃气精益化管理、燃气数字技术、燃气智能管控、燃气知识工程的工具方法技术不断升级迭代稳步发展，大力促进城市燃气在天然气全产业链上实现赋能提质增效。城市燃气随着科技持续进步和工程实践不断发展面临许多挑战，包括燃气基础设施升级、燃气设备工艺、机械作业、自动控制、远程智能调控、资产管理系统和技术、燃气完整性技术等方面的发展，对数智化要求越来越高，面临国家行业监管越来越严，对人员素质要求越来越专业化、技术化、科学化和领导履职能力也是一个新的更大的挑战。燃气界深入扎实推进智慧燃气建设及应用，要“坚持世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位”将是一个非常大的挑战和机遇。此外，“燃气数据池”、“燃气资源湖”、“燃气知识库”的构建关系到未来智慧燃气和燃气知识工程的格局，此外要想突破传统的手段和方式，智慧燃气建设务必要在智慧+知识工程[27]的深入理论研究和应用实践领域基于业务场景进行探索、尝试和深耕。在解决基础设施升级、人员素质提高、知识工程建设等问题后，开展智慧燃气试点示范，智慧燃气建设大致可分为试点示范、推广扩展、数字运行、优化增值等4个阶段。试点示范开局决定了整个智慧燃气的布局和蓝图，但是其中也有战略机会风险，因此建议按照“整体部署、系统推进、分类施策、重点突破”的原则进行试点示范工程建设。此外这四个阶段存在严密的逻辑关系，每一个阶段都决定了下一个阶段的质量，前三个阶段的实现可以达成智慧燃气的目标，与第四个阶段相比，前三个阶段的推进需要更多人力、物力、财力资源的投入，需要稳步扎实推进，经过前三个阶段积累的过程资产，第四个阶段优化增值将呈现指数级的效益增长。

3 智慧燃气构架设计

3.1 智慧燃气平台应用架构

智慧燃气应该充分利用现有统建系统，建设统一平台、统一业务、统一管理的系统，并充分利用新技术在数据采集、操控自动化等方面提升业务效率和效果。

智慧燃气应用构架的纵向结构由感知层、网络层、数据层、支撑层、应用层及决策层搭建，其中感知层为整体构架的最底层，用来获取基础数据，基础数据通过网络层形成数据层，基础数据在支撑层中进行集成及处理形成信息系统，在应用层中起作用，决策层为整体构架的最顶层，在此层级上实现统筹决策。智慧燃气云应用架构如图1所示，智慧燃气构架内容如表2所示。基础层对应智慧燃气架构中感知层和网络层，资源层和平台层对应其数据层和支撑层，应用人员对应其决策层（图1）。

图1 智慧燃气云应用架构图

表2 智慧燃气建设内容表

3.2 智慧燃气实现主要功能

感知层是智慧燃气实现的基础，是基础数据的收集环节，涉及的范围最广，需要投入大量自动化设备，也是智慧燃气开展的第一步；支撑层是智慧燃气信息技术的集中体现，是形成智慧燃气的关键。智慧燃气功能在应用层实现，应用层中的五大板块覆盖燃气设施建设及运营、燃气的储运、燃气的销售及终端客服。智慧燃气的实现需要各个纵向层级无缝对接、各横向板块互联互通、各关键技术深度融合，形成智能终端、智能生产、智能运行、智能营销、智能决策的全过程智慧燃气管理系统。智慧燃气从实现的程度来看，包含智能终端、智能生产、智能运行、智能营销、智能决策五个层次（图2）。

图2 智慧燃气构架图

4 智慧燃气实施路径及应用场景

4.1 智慧燃气实施路径

坚持目标导向，以解决智慧燃气建设中面临的单元感知能力建设、应用充分集成和智能整合等四个关键问题为突破口，逐步推进智慧燃气试点建设。

1）针对感知能力建设，结合示范性项目建设和具体的业务应用场景制定统一的数据标准，在此基础上，一方面通过建立统一的数据接口规范集成已建设系统的数据，另一方面对于缺乏信息化基础的数据，要明确数据传输协议标准、数据字典项、数据治理要求，最终感知能力建设成果能够为不同业务之间数据互联互通和关联关系洞察提供基础支撑。

2）对于应用充分集成和智能融合问题，建议先取得高层决策者的支持，再在此基础之上开展业务数据重构、数据血缘关系分析等数据治理工作，从管理和技术两个角度出发，不断寻找和探索应用集成和整合的最佳实践。

3）在协同运营和创新增值方面，人工智能技术模型是核心，应树立样本资产意识，积累数据，创建丰富均衡的样本库，建立机理与数据融合的大数据分析方法和理论，逐步持续提升大数据算法模型的准确率，赋能协同运营和创新增值。

4）在智慧燃气建设应用技术迭代与试点推进方面，基于国内国际双循环相互促进的新发展格局，根据2020年国家住房和城乡建设部出台《关于加快推进新型城市基础设施建设的指导意见》，建构“云移物大智网”核心基础，进一步推进燃气行业的信息化、数字化、智慧化与经济社会发展深度融合和创新实践，统筹加快新型基础设施建设进度，遴选智慧燃气试点城市，优选燃气企业开展燃气智慧升级试点工作，提早布局的燃气智慧试点示范工程应具备一定的技术先进性和前瞻性，发挥行业领先示范作用，呈现标杆典范效应。

解决好感知能力建设、应用充分集成和智能融合以及协同运营和创新增值等智慧燃气面临的四个关键问题后，智慧燃气建设应当实现“5个演进”：

1）从独立系统向平台+应用演进。智慧燃气的建设应该充分利用集团公司统建系统的成果建设统一的云计算平台。通过统一的平台对业务进行支撑管理。

2）从业务分散管理到统一集中管理演进。进行统一的业务平台建设，将分散的业务在一个统一的平台下管理，有效地规范了业务工作，同时也可以真实地反应业务运营情况，为后续的数据分析和业务决策提供真实有效的数据。

3）从企业内网向互联网+5G演进。智慧燃气的数据依赖于对生产设施、工作操作等方面自动采集。这对网络环境提出了非常高的要求。例如城市燃气居民燃气表等，需要利用好新的网络技术在结合企业内部网络实现。

4）从人工处理向程序化处理演进。通过统一平台的建设，规范业务操作和流程，对程序化的工作由人工智能来进行处理，节约劳动力提升企业效率。

5）从报表分析向仿真预测模型演进。在进行大数据分析之后，结合经营状况以及采集的设备设施等生产作业单元的工作情况进行预测分析，为下一步生产上精耕细作、经营上精打细算、管理上精雕细刻、技术上精益求精“四精”提供全面指导。

4.2 智慧燃气应用场景

基于智慧燃气平台的整体业务需求分析，结合云计算、大数据、物联网、移动互联网[29]、人工智能、数字孪生[30]、数字仿真、区块链、信息安全等技术，梳理智慧燃气应用场景（表3）。

表3 智慧燃气采用的数智化技术及应用场景分析表

5 结论及展望

随着我国大力实施绿色低碳的发展战略，燃气行业的规模体量正处于高速上升期，与此同时，国民经济发展、人民生产生活需要及城乡统筹发展对燃气行业的安全性可靠性要求越来越高，智慧燃气的部署及应用已迫在眉睫。智慧燃气的实现需大量的顶层设计和落地实施等复杂工作，从基础设施的数字化建设到上层的智能决策，是一项庞大的系统工程。目前我国各燃气企业智慧化进程仍面临诸多难题，主要包括泛在感知技术市场不成熟、后端大数据算法不精准、数据维度不全面等多个方面，导致多系统的综合智能互联尚未取得实质性进展，燃气行业需要加快突破智慧燃气发展道路上的技术创新和关键技术瓶颈，实现合理的规划、可靠的技术支持、循序渐进的运行过程，以及持续优化改进。

1）物联网+大数据+人工智能+5G[31]+北斗[32]等新兴技术的应用，生产运营和工程建设的管理创新，燃气行业改革发展模式、商业运营模式、业务运行模式、组织机构模式等方面的革新，在客户管理、资产完整性管理、工程建设全生命周期管理、维抢修与应急管理、领导决策与战略管理等方面，由传统的信息化和网络化向产业的数智化发展的工作方式发生了巨大转变。随着智慧燃气建设发展和深化推进，将进一步加速与各行业各产业的融合，势必推动软件、硬件、平台、应用和服务横贯技术创新、商业模式创新、应用模式创新、建设模式创新到用户体验创新的各方面和各环节。

2）未来燃气企业将围绕国家打造互联网+智慧能源[33]（能源互联网[34]）、公平开放工业发展大平台、创新成长新业态、新模式的战略发展目标，从管理、技术、标准、人员等诸多方面超前谋划、主动作为，坚定不移加大智慧燃气综合运营体系构建力度，努力为燃气行业高质量发展提供更多有益探索。

3）解决好感知能力建设、应用集成和智能融合、协同运营和创新增值以及技术迭代与试点推进问题，智慧燃气建设将实现从独立系统向平台+应用演进、从业务分散管理到统一集中管理演进、从企业内网向互联网+5G演进、从人工处理向程序化处理演进以及从报表分析向仿真预测模型演进。