军队智慧油料管线建设发展的思考

沈伟伟 邵海永 田建忠 穆祥静 邓道明

1海军勤务学院

2中国石油大学（北京）

智慧管道是以管道运行及周边环境数据、巡检和操作人员数据以及储备物资等数据为基础，以管道本体为依托，综合运用物联网、大数据、云计算、人工智能等技术而形成的油料管道综合管理系统[1]，具有数据全面感知、运行实时监测、远程智能控制、系统决策支持、智能预测预警、管理交互可视和自我反馈学习的特点[2-6]，是继SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统、数字管道后的管道智能化技术发展的又一阶段[7]。中石油、中石化在管道建设方面起步较早，一些油气管道已实现数字化建设，正在向智慧化管道发展。军队油料管线在智慧化建设方面研究还不够，作为部队油料运输的最可靠方式，军用油料管线运输具有输油量大、隐蔽性强、受到打击后易于修复的特点，其建设水平直接影响到部队战斗力的生成，开展军队智慧油料管线建设对提高平战时油料保障能力具有重要意义。调研了智慧管道建设现状，结合部队实际，提出了军队智慧油料管线技术架构及研究方向，为军队油料管线智慧化建设提供参考。

1 管道智能化发展现状

伴随着信息技术的高速发展，智能化已成为国内外油气管道建设的热点。我国油气管道智能化发展具有明显的阶段性[7]，20世纪80年代，国内油气管道引入SCADA 系统，标志我国油气管道进入到信息化时代。SCADA 系统具有管道运行数据采集、设备远程操作、故障报警等功能，是油气管道信息化管理的核心。自我国第一条实现全线自动化技术的输油管道“东营—黄岛输油管道”建成以来，油气管道SCADA 系统不断发展，相继在兰成渝成品油管道、西气东输管道、兰郑长成品油等管道上应用。

2004 年，中石油提出数字化管道的建设目标，并在西气东输冀宁管道联络线建设中首次实现了数字化技术的局部应用[8]，标志我国油气管道智能化发展步入数字化阶段。2008 年，中石油在西气东输二线和中缅油气管道上采用卫星遥感等技术辅助管道敷设路径规划，并通过运行监控和采集实时数据等方法实现对管道全线管理。2012 年，中石油开展管道全生命周期数字化研究并将研究成果逐步在生产实际中应用。2014 年，中石化开展智能化管道管理系统建设，通过数据的全面采集和分析，为管道的运行管理提供支持[7]。2016年，中石油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，并在中俄原油二线等管道工程中深化应用，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[3]。

智慧管道是中国油气管道智能化发展的又一阶段。2017 年，中石油首次在中俄东线天然气管道上开展智慧管道试点建设，标志着我国油气管道步入智慧化建设阶段。2019 年，国家石油天然气管网集团有限公司成立以后，提出了打造智慧油气管网的战略发展目标，将继续开展智慧管道建设研究[7]。

2 军队智慧油料管线技术架构层级解析

为确保军队智慧油料管线建设科学有效，必须要对管线体系进行合理架构。针对军队油料管线建设现状，结合智慧管线建设相关技术，军队智慧油料管线建设技术架构可分为感知层、传输层、数据层、算法层以及应用层[6]，总体架构见图1。

图1 军队智慧管线技术架构Fig.1 Technical architecture of military smart oil pipeline

2.1 感知层

信息全面感知是军队智慧油料管线建设的重要基础，也是军队智慧油料管线智能分析和决策支持的前提。感知层实现管道及设备状态数据、管道周边环境数据、巡检和操作人员数据以及存储物资等数据的智能采集，需要具有信息全面感知、设备集成设计的特点。

（1）信息全面感知。信息全面感知包括信息感知范围广和感知信息精确两方面。信息感知范围广指的是军队智慧油料管线感知层不仅需要实时采集管道及设备状态数据，还需要利用其他手段对平战时管道周边环境数据、巡检和操作人员数据以及储备物资等数据进行采集。例如利用压力、流量、温度、应变、壁厚、位移、振动等传感器实现管道及设备状态数据感知；利用光纤传感技术实现油料管道泄漏监测；利用探头实现腐蚀阴极保护电位监测；利用无人机实现长距离巡护，排查施工、地质灾害、敌针对性打击的隐患；利用深部位移、降水传感器监测管道土壤位移和地下水位；利用具有GPS位置信息的智能终端，实现维修维护人员位置实时掌控；利用RFID 芯片、二维码实现储备物资数量实时掌控等[9]。感知信息精确要求感知仪器设备精度必须高，并且要尽可能地实现自诊断和自校准，确保采集数据准确。避免出现采集数据不准确或采集无效数据的情况，从而影响军队智慧油料管线决策分析结果。

（2）设备集成设计。军队油料管线覆盖区域广，出于战略因素或隐蔽性考虑，通常地处高寒、高温高湿或低日照等特殊环境中，且无完备的通信、供电措施。感知层构建过程中需要进行集成化设计，实现传感、采集、处理、传输及供电一体化，并且感知设备还要具有微功耗、长周期免维护的特性。

2.2 传输层

传输层主要作用是通过通信网络将感知层获取的信息传送到数据层，实现多种感知手段下不同通信方式的数据传输。军队智慧油料管线传输层的架构需要解决网络接入可靠、安全入侵防护问题。

（1）网络接入可靠。军队智慧油料管线的特殊性要求其传输层必须要采用多种通信方式混合组网，其传输层网络应包括骨干光纤通信网、野战无线通信网等。骨干光纤通信网是感知层采集信息平时传输的主要途径，也是野战时远距离传输的基础网络，而野战无线通信网包括微波通信网、卫星通信网和无线电台网等无线网络，可在广阔的野外战场和训练环境中为智慧油料管线各终端提供连续不间断的网络接入服务。不同的网络适用不同的应用环境，合力提供便捷可靠的网络接入，确保感知层获取的信息及时进行传输[10]。

（2）安全入侵防护。军队智慧油料管线传输层传输的数据涉及军队油库位置、军队油料管线敷设位置、作战任务、保障行动等核心机密，必须坚决做好安全防护，防止网络受到未授权用户和敌特的侵扰。因此在传输层设计中，必须参照军队相关安全保密标准要求进行网络部署，为各终端设备、服务器加装机要密码装备，确保数据信息不被泄漏。

2.3 数据层

数据层主要负责对感知数据进行处理和存储，为后续智能分析和决策支持提供数据基础。军队智慧油料管线数据层需要解决数据标准统一、数据结构存储的问题。数据层架构见图2。

图2 数据架构Fig.2 Data architecture

（1）数据标准统一。智慧油料管线从设计阶段到运行阶段信息全面感知的过程中，将会产生海量的数据。必须要构建统一的数据标准，对数据校准、分类、存储进行管理，提高军队智慧油料管线的决策效率。

军队智慧油料管线数据层需要具备对因传感器故障、战时或特殊情况下传输异常造成的重复或错误数据进行预处理的能力，并根据层次结构分类，将可使用的数据按照规范的格式和结构进行存储传输，以实现管线全生命周期数据标准统一，为军队油料各系统间的数据共享和应用集成提供支持。

（2）数据结构存储。智慧管道数据不仅包括压力、流量、温度等管道生产数据，还包括管道应变、壁厚、泄漏监测、腐蚀防护、地理环境、物资储备等信息，具有来源广、数量多的特点。军队智慧油料管线数据层需要依据数据逻辑关系建立数据库并对数据进行存储，将数据本身和时间、位置、类型之间进行关联，构成管线全生命周期的状态信息。避免数据管理出现混乱，为平战时紧急情况下进行快速数据分析决策提供条件。

2.4 算法层

算法层主要采用人工智能和大数据分析技术，实现智能识别和分析。军队智慧油料管线算法层需要具有数据分析挖掘、智能算法并举的能力，为应用层实现智能化提供算法内核。

（1）数据分析挖掘。智慧管道全生命周期会产生海量数据，简单的数据堆积难以支持其进行智慧决策。算法层必须按照一定维度进行分析，通过算法挖掘隐藏于数据中的有用信息。军队智慧油料管线算法层数据挖掘需要实现专业数据分析、区域维度分析和时间维度分析的功能。专业数据分析指的是算法层能够对某一类型的数据进行全面分析，例如对管道阴极保护电位、管道内压力、管道应变等数据进行分析，通过连续分析某个较长时间段内整条管道历史数据信息，及时掌握管线腐蚀、泄漏、受力情况；区域维度分析指的是算法层能够对某一特定范围内的数据进行全面分析，例如对沿线管道和设备的运行状态进行分析，判断范围内管线是否处于正常的运行状态；而时间维度分析需要算法层能够对一段时间内各种参数的变化进行分析，通过分析数据规律实现状态预测和故障诊断。专业数据分析、区域维度分析和时间维度分析往往需要同时进行，军队智慧油料管线算法层要能够实现不同分析的相互耦合。

（2）智能算法并举。智慧管道能否实现智慧决策，关键取决于算法。军队智慧油料管线建设需要设计多种智能算法，包括：可用于设备故障识别和状态趋势预测的机器学习算法；用于管道巡线、地质灾害判别、敌针对性打击隐患排查的图像识别算法；用于制定平战时不同情况下运行方案的智能预测及优化算法；用于实现人员、装备及物资的实时受控的资源智能调度算法；用于实现紧急情况下信息快速检索的智能检索算法等。

2.5 应用层

应用层是智慧管道系统的重点，军队智慧油料管线应用层根据算法层提供的结果，对管线运行事故、受敌打击风险等情况进行预测预警，并提供平战时紧急情况下辅助决策，实现管线智能化运行。军队智慧油料管线应用层的功能包括设备运行监测、事故预警预报、应急决策支持、资源智能调度、维修维护指导、可视化管理等。

（1）设备运行监测。对管道壁厚、流量、压力、等信息及关键设备的运行状态进行监测，利用多源异构数据分析并结合机器学习算法，完善自身故障诊断系统，对异常设备进行预警，保证管道及关键设备的正常运行，实现智慧管道的设备智能化诊断，提高油料保障能力。

（2）事故预警预报。通过无人机巡线、视频监控等感知手段对管道周边环境进行全面监测，根据监测数据并结合相应的算法对管道沿线第三方破坏、地质灾害、敌针对性打击等异常事件进行实时监测和预警预报，确保管线运行安全。

（3）应急处置支持。紧急情况下能够通过移动视频和检测设备实现应急抢险现场监控，并能通过分析管线运行历史数据、事故部位附近人员、装备、物资情况，向携带信息接收设备的抢修人员提供事故应急预案，给现场紧急情况处置人员提供全面、专业的支持，确保事故能够及时妥善处理，尽可能的减小各因素对管线运行的影响。

（4）资源智能调度。根据所提供的事故应急预案，在掌握各种资源的数量和实时位置的基础上，结合优化算法进行资源智能调度，确保所需人员、物资能够及时到位，避免事故升级，并能够根据管道历史运行情况，指导物资的采购，实现平战时物资储备优化。

（5）维修维护指导。可在指挥中心通过移动视频远程对现场操作人员进行设备维修和维护提供专业指导，实现资源整合，并可通过运行数据和视频监控，对管道及设备运行状态及维修维护效果进行评价，避免因操作人员技术水平的差异影响维修维护效果。

（6）可视化管理。对管道全生命周期基础数据和处理过程数据进行抽取、转换、映射后，以更符合操作人员信息感知与逻辑思维的可视化方式进行直观展示，提高智慧管道设备状态监测人员对信息数据的感知和分析能力，减少平战时紧急情况下情况处置的响应时间。

3 军队智慧油料管线建设研究方向

随着人工智能、大数据、云计算等技术的发展以及智能设备和智慧系统的推广与应用，军队油料管线智慧化建设有了现实的基础，做好智慧管线建设还需要着力于以下几个方面：

（1）规范数据标准。数据标准的统一是建设智慧管道的前提[3]。如何针对军队油料管线特点，制定相应的军用数据规范，并考虑与地方智慧油料管道数据的兼容性，是军队油料智慧管线的建设基础。

（2）加强信息传输安全。军队智慧油料管线智能分析和决策支持建立在海量数据信息的基础上，区别于地方智慧油气管道，这些数据信息往往关系到军队油料保障部署等涉密信息，一旦泄密将会对军队信息安全造成严重危害。军队智慧油料管线建设需要加强信息传输安全建设，着力解决数据安全、高效传输需要与传输网络限制之间的矛盾。

（3）增强系统响应能力和可靠性。军队智慧油料管线运行、决策效率和系统稳定性直接关系到军队战斗力能力的生成，必须要通过提高感知设备的感知精度、加强信息传输速度、优化相应的智能算法等措施增强系统响应能力和可靠性，为后勤油料保障提供坚实基础。

（4）完善体系建设。军队智慧油料管线建设需要完善的技术标准体系和管理体系支撑，在开展技术研究的同时必须要同步开展相关的体系建设研究，建立相应的规范和保障体系，确保建成后的使用和运维有章可循。

（5）开展野战智慧输油管线研究。常规输油管线在战时可能受到敌方的针对性打击，此时需要敷设临时的野战输油管线进行油料保障，如何针对野战输油管线敷设灵活机动的特点，开展野战智慧输油管线建设，是提高军队油料保障能力的重要方向。

4 结束语

油料管线作为军队油料保障的关键力量，其智慧化建设水平直接关系到油料是否能够安全、及时地加注到武器装备上，在信息化战争背景下开展军队智慧油料管线建设具有现实需求。做好军队智慧油料管线建设顶层设计，结合军队油料保障特点明确军队智慧油料管线研究方向，在此基础上解决技术上的难题并完善军队智慧油料管线建设体系，将有效提高我军在信息化战场上的油料保障能力。