油气管道作业区智能管理平台构建技术研究

李成志，周丽，凌志，柳建军，刘丽君，谭东杰(昆仑数智科技有限责任公司，北京 100007)

0 引言

油气管道作业区是对管道进行现场管理的基层组织[1]，主要负责输油气站场及管道的生产运行及管道日常管理工作，以及辅助系统设施的操作，具体划分生产管理、管道管理、安全管理和综合管理四大业务[2]。

根据油气管道实行集中调控[3]、区域化管理，完成各分公司管理资产界面的划转，油气并举，从而促进区域化管理的进一步深化[4]。由原来的“以线路为主结合区域”的资产划分原则改变为“以区域划分”的资产划分原则。按照“区域化管理、运检维一体化、集中调控、集中监视、集中巡检”的总体思路，稳步推进管道智能化建设，提升信息化智能化对管道安全运营的支撑力度，需要进行作业区智能管理平台建设[5-6]，主要体现在如下五个方面。

(1)物联全面感知

通过智能化监视[7]和监测技术相结合，融合智能管理平台，对沿线管道、站场设备及周边环境状况智能感知监测，实现站场、线路异常事件自动分析、识别、报警和智能推送。

(2)运行智能控制

实现生产及其辅助系统高度自动化，运行控制与保护逻辑化、程序化和标准化。逐步实现站场远程控制、无人操作，全面适应“集中监控、集中巡检、集中维修”的区域化管理新模式[8-9]。

(3)业务高度协同

建立集中整合的工作平台，支撑作业区全业务协同，以数据为基础、以数据流为链接，打破时间、空间限制，实现企业员工在任何区域、任何时间通过统一的工作平台完成日常业务管理工作，综合提高提高办公效率。

(4)作业标准规范

借助移动互联、AR等技术，融合业务工作标准体系内容，对日常作业进行全过程记录和监管，实现作业区日常作业的可视化、数据化及标准化。

(5)风险可视预控

综合作业区全部业务数据、监检数据，智能计算全线管道风险等级，自动生成管道风险分布、相对风险数值图表，全面、直观掌握管道风险分布，确保作业区风险可视预控[10]。

1 作业区智能管理需求分析

1.1 油气管道管理现状

油气作业区智能管理需要根据 “先区域后集中，先试行后推广，油气同步试点”的区域化管理实施原则[11]，首先实行站场、管道的资产界面划转，明确作业区管辖范围、人员，实现作业区为基本生产管理单元；再逐步探索集中巡检、集中监视、运检维一体化等作业区运行管理模式[12-13]。

根据作业区业务类型划分和工作特点，将基础工作相关管理流程归纳为生产管理、管道管理、安全管理、综合管理四大类管理流程。目前各管道公司信息系统统建系统、机关自建系统、分公司自建系统、公司租用系统等，信息系统基本覆盖生产、管道、安全等核心业务和人事、财务等职能业务的开展，各系统普遍存在以下问题：

(1)各业务领域信息系统基本支撑了主营业务发展，但统建系统很难开放数据接口，自建系统更多是各部门、各单位自行开发建设。系统集成有难度，数据重复录入多发，信息系统之间各自运行，信息孤岛现象严重；

(2)分公司自建系统间功能重复、相似的情况较多，覆盖面较小，重复投资情况多发；

(3)自建系统的数字化、自动化、智能化水平较低，难提供必要的数据支撑。

因此在作业区智能化建设要对各信息系统功能、数据统一集成，形成标准规范，主要涉及站场业务管理标准、管网数据采集标准、标准化业务流程、系统集成标准以及自动化标准等。

1.2 作业区智能化管理需求

1.2.1 业务需求

管理模式固化需求迫切，作业区领导层的更替，可能会导致作业区管理模式不断发生变化，作业区作为生产组织的基层单元，是企业一切工作的落脚点和出发点，也是企业管理的基石和企业全局效率的基础和根本保证。固化作业区的管理模式和操作规程，不以人为的更替而发生变更是通过信息化手段解决的最迫切需求；基础工作质量有待提升，作业区基础工作质量提升、形成闭环工作管理是企业效益质量提升的根本[15]，目前分公司正在开展开发基础工作标准化管理提升工作，但缺乏信息系统的有效支撑；生产受控管理需要强化，由于中油管道公司大力推行“无人站、集中监视”的全新管理模式[16]，作业区现有的信息系统主要是进行数据采集和报表上报，无法满足基层生产安全受控的迫切要求；安全隐患管理面临挑战，管道业务社会依托资源少，管道管理难度大，安全环保风险高，隐患大量存在，缺少适用的信息系统来管理和跟踪作业区安全隐患与治理，基层数据录入交叉重复。目前很多专业领域的业务管理系统在基层分开运行，所需基础数据需要手工录入，存在大量交叉和重复工作量。

1.2.2 功能需求

油气管道作业区智能管理平台建设，应覆盖作业区核心业务(生产、管道、安全、综合，以及生产现场涉及的全部工作内容)，全面满足作业区基础工作管理应用功能， 建设面向作业区基础工作管理为核心的工作管理流程[17]，强化操作(作业)过程指导，将数据采集融入工作过程。实现作业区基础工作和业务管理的规范化操作、智能化管理和量化考核，提升作业区智能化管理水平[18-19]。

1.2.3 数据需求

在作业区智能管理平台建设过程中需充分考虑油气管道目前的数据标准研究成果，结合作业区的现状和业务需求，形成满足从油气管道到作业区，覆盖生产运行、管道管理、安全管理，综合办公管理的全业务数据标准。作业区智能管理平台对基础工作管理用户群、一线站场操作用户群、任务监督管理用户群、工作考核管理用户群等四大类用户群体提供服务支持。根据这四大类用户不同的业务及功能需求，本系统需要生产管理、管道管理、安全管理、综合管理等四大类数据。

2 总体方案设计

按照油气管道“标准规范”和“安全体系”的管理要求，基于共享服务平台，构建作业区智能管理平台，通过数据、业务、功能、界面及单点登录等集成方式，与现有信息系统建设成果深度融合，采取新建、集成+新建、集成+增强的方式[20-21]，实现全业务贯通、融合、协同。

如图1所示，总体架构以满足作业区全面的智能化需求为目标，从业务上覆盖生产管理、管道管理、安全管理、综合管理四大领域，技术上遵从统一云平台[22-23]，统一数据湖的架构模式，通过数据总线与相关信息系统实现数据集成。

图1 总体架构图

智能作业区建设总体架构从总体上可分为三个层次，即统一数据湖、统一技术平台、平台应用[24]。

统一数据湖：通过数据湖技术，构建油气管道作业区业务“统一数据湖”，实现数据即服务(DaaS)的应用机制，支持跨专业、跨机构、跨地域的数据共享应用；本系统主要涉及的数据包括：作业区生产数据、管道业务数据、安全数据、综合数据[25]。

统一技术平台：构建统一技术平台，为油气管道作业区业务应用开发建设提供统一的支撑与治理平台(PaaS)，为各专业业务用户提供统一的应用入口，改变传统“烟囱式”信息系统建设模式，实现对业务应用需求的敏捷支撑。

平台应用：以统一平台为支撑构建作业区生产管理、管道管理、安全管理、生产管理四大领域云化通用应用(SaaS)，完整支撑作业区业务应用[26]。

3 作业区智能管理平台设计

3.1 应用功能设计

作业区智能管理平台应用功能基于云环境和数据湖，构建作业区智能管理平台，分为通用功能、专业功能、系统功能和移动应用四大功能模块(图2)。

图2 作业区智能管理平台功能图

作业区智能管理平台通用功能主要包括个人工作台、任务管理、问题管理、报表管理、综合展示、报警集中管理、文档管理7个功能以及相应的移动应用。

3.2 数据流设计

数据流设计主要包括作业区智能管理平台各业务模块之间的数据流设计和作业区智能管理平台与外部系统的数据流设计两个方面。

作业区智能管理平台各业务模块之间的数据流设计[27]如图3所示。

图3 作业区智能管理平台各模块间数据流向

作业区智能管理平台与外部系统之间的数据流设计如图4所示。

图4 与外部系统数据流向图

3.3 数据治理

数据治理是通过从规章制度、组织、流程和技术等方面着手构建数据治理体系，包括从数据标准、质量、安全等维度提供系列数据治理工具，实现主数据管理、元数据管理、数据质量管理等，从而保证数据的标准统一、数据唯一、质量可靠、安全可控。 系统提供作业区生产主数据管理、元数据管理、数据质量管理等数据治理工具，辅助统一数据库平稳运行及数据质量保证。

如图5所示，基于作业区业务管理规则，既满足结构化数据在云化存储环境中按照数据质量规则进行质控扫描，又满足关键非结构化数据的按照专业流程的质控管理，在云平台中充实数据质控微服务。基于可定制的业务规则库，数据集成过程对数据质量进行扫描，保障联邦数据库数据质量；同时，定期生成数据质量公报，辅助推进数据质量提升。针对结构化数据，基于业务规则或数据规范建立质量控制规则库，以人工或自动触发方式，对数据集成过程中的多源数据进行质量扫描分析，生成质量报告，为质量管理和审核提供支撑，保证集成后的数据的一致性。

图5 数据质量管理应用

3.4 系统集成

系统集成通过数据应用集成实现作业区智能管理平台与作业区正在使用的信息化系统集成(图6)。

图6 系统集成应用

数据集成：以统一数据湖为技术支撑，建立作业区智能管理平台以及作业区业务相关统建/自建信息系统与数据湖间的数据接口，专业数据库及实时数据库等的数据依照数据湖的统一标准入湖管理，经清洗、转换后形成标准化数据存储于数据湖的数据存储单元，为各系统的数据应用提供数据交互途径。

应用集成：依托统一技术平台开发系统间集成应用，采用“顶层设计+模块化”思路构建相关功能微服务，从根本上达到“标准统一、数据唯一、业务协同、数据共享”的目标，建立通用模块和专业模块的相关应用由云平台门户统一发布和集成应用，避免功能重复建设，并实现应用复用和统一管理升级等。

4 作业区PID控制仿真与逻辑优化

油气管道作业区可看做是一种复杂的生产控制系统，在正常的运行调节下，作业区进、出站压力保持在允许的工作范围内才能安全平稳运行，因此作业区控制方法的选择十分重要。PID控制具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等特点，被广泛应用于作业区压力选择性控制系统，提高了管道压力控制精度，降低了作业区员工的工作强度，与传统手动阀位控制相比具有明显优势。而PID控制器参数整定是否合适直接决定着PID控制应用效果。

PID控制是根据系统偏差，利用比例(P)、积分(I)、微分(D)计算出综合控制量，并对被控制对象实施自动控制的过程，PID控制在时域中可表示如下：

式中：e(t)为误差，即控制器的输入；u(t)为控制器的输出；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

临界比例法、衰减法和反应曲线法等工程整定法，虽然操作简单，但是控制效果不太令人满意。基于系统辨识原理，建立PID控制仿真数学模型，通过仿真计算得到控制器最优参数。系统辨识原理如图7所示，PID控制仿真模型如图8所示。

图7 系统识别原理图

图8 PID控制仿真模型示意

以PID控制仿真模型为基础，可以建立整个作业区工艺流程控制模型，对作业区工艺流程控制逻辑进行评测和优化，如：作业区正常运行控制逻辑优化、设备正常切换控制逻辑优化和阀门误操作控制逻辑优化等。

5 配套工程升级改造

结合作业智能化管理生产需求，从工艺运行、站场管理、管道保卫、安全环保四个方面提出作业区信息化建设配套子项工程。

(1)工艺运行实现目标：全面感知、智能控制，具体子项包括：能耗自动采集、设备远程诊断；

(2)站场管理实现目标：无人操作、区域管理，具体子项包括：站场自动化功能提升、中心站调度监控功能提升、站场智能巡检；

(3)管道保卫实现目标：重点监视、智能巡护，具体子项包括：管道智能监测；

(4)安全环保实现目标：精准安防、预警预控，具体子项包括：站场智能监测。

5.1 工艺运行

(1)能耗自动采集：以物联网、云计算等技术支撑，建设用能单位能耗在线监测系统，完善能源计量体系、提高能源管理精细化水平，促进生产智能化与节能工作深度融合，提高节能宏观调控能力。一套集中统一的能源管理系统可以完成对能耗数据进行在线的采集、计算、分析及处理从而实现对能耗调度与优化、主要耗能设备运行与管理等方面发挥重要的作用。

(2)设备远程诊断：根据现场设备运行状态、实时数据情况，远程诊断平台基于云存储、云计算、大数据等应用技术，通过分布式存储、并行计算、容器技术、智能化分析、分布式数据库、数据挖掘等算法对现场设备给出正确、合理、可靠的诊断结果及处置措施。通过智能化手段减少经营管理成本、增强企业管理水平。数据由生产智能管理系统统一采集，作业区智能管理平台预留相应接口通过生产智能管理系统接入相关数据。

5.2 站场管理

(1)站场自动化功能提升：根据天然气站场不同的用户类型、用气规律分别采用不均匀系数法、到量停输法、恒压控制法和剩余平均法等不同的自动分输方法，实现调控中心对可控分输口的日指定控制。对现有自动化功能进行了升级提高。但设备的故障切换、站控室ESD触发声光报警、一键启停站逻辑在本项目中都未涉及。

(2)中心站调度监控功能提升：针对中心站站控室操作台终端显示器品牌、尺寸、不一、数量多、显示大屏内容缺乏标准有效的规划，相关报警不便于响应处置，造成集中监视效果低下，影响作业区的生产管理效率等问题。通过整合相同功能显示终端、比对并削减与大屏重复显示内容、更换相同规格显示器等手段减少站控操作台上显示终端数量，合理有效规划墙面大屏投放位置及显示内容，达到提升集中监视效果，提高作业区生产管理效率的目的。

(3)站场智能巡检：传统的人工巡检劳动强度大，巡检时存在着一定的安全风险，通过机器人智能巡检作业系统的建设，可辅助或替代现有人工巡检，实现站场智能化巡检，从根本上解决传统巡检业务中高成本、高风险、低效率等一系列问题。机器人自身载有红外测温探测仪，智能读表，图像识别，红外夜视等功能，可对油气田站场、数据中心等进行全天候巡检，数据采集，视频监控，温湿度测量等，提高站内的设备安全运转检测水平，在最大限度地减轻基层员工的劳动强度的同时，降低人工巡检的安全风险，实现有效、可靠巡检，提升作业区的生产安全管理，为作业区进一步实现降本增效、深化智能化建设提供有力的支撑。

5.3 管道保卫

管道智能监测：油气管道通常分布广、沿线地质环境复杂，随着科学技术的发展，新一代技术如智能传感器、物联网、无人机、人工智能、机器学习等快速发展，管道巡护管理可结合新的技术从传统以人为主的管理转变为以智能感知技术为主，人工为辅的方式进行管道的安全管理，通过智能传感技术全面感知线路风险，实现风险由被动管控到主动管控的转变。同时也能减少人工投入，降低人员在山地巡护的安全风险。从管道感知方面，可从无人机巡线、智能阴保监测、管道光纤预警、视频监视几个方面进行提升，实现管道及周边环境远程监测，全面提升面向本质安全的管道实时泛在感知能力。

5.4 安全环保

站场智能安防：油气管道作业区各站场作为高危险场所，安防监管难度大，一旦发生意外事故，将会产生严重后果。随着反恐、防盗、人为破坏等安全风险的不断增加，安全防护面临的挑战也日益严峻，安全监管要求也越来越高。阀室为无人值守，如果安防监管不到位，将存在不可预估的安全风险，因此采用智能化的安防手段提升安防监管与处置能力意义重大。工业视频周界安防系统安全防范管理需要从技术层面和管理层面分别考虑，技术手段安防保障有效，实现智能化、可视化无人值守，安全风险管控模式由被动转向主动、事后转向事前、告警转向预警。

6 结语

油气管道作业区智能化管理平台通过与生产智能管理系统、管道巡检管理系统、安防应急等系统融合，实现作业区关键信息可视化展示、主要业务集中管理、数据综合查询、风险实施监控、异常预控，全面提升作业区数字化、智能化管理水平。同时，在试点基础上，按照信息规划编制公司作业区智能管理平台建设方案，初步设计将生产、管道主要业务系统的关键数据(设备运行关键参数、关键报警、现场高风险作业、高后果区监控等)进行应用集成，实现数据图像图形集中展示和查询检索。该平台也将集成办公、人事、财务、科技等职能类业务，提升智能业务信息系统覆盖率；移动端将以业务需求为基础，和电脑端相结合，基于现有的安全平台开发应用系统对应APP，提高移动办公水平。