油气管网智能化建设进展与思考

朱汪友 侯磊 杜宇

1中国石油大学（北京）

2国家石油天然气管网集团有限公司北方管道公司

3廊坊中油龙慧科技有限公司

2006 年，美国政府提出《美国竞争力计划》，CPS（Cyber Physics System）概念正式提出。2008年，IBM 提出“智慧地球”概念，包含“3I”：物联化、互联化、智能化(Instrumentation、Interconnectedness、Intelligence)，旨在把新一代互联网技术充分运用到各行各业。2013 年，德国正式推出“工业4.0 战略”，并上升为国家级战略，其技术核心是CPS。同年，通用电气（GE）提出了工业互联网概念，与德国“工业4.0 战略”有异曲同工之处，被称为美国版工业4.0。2016 年，日本智能制造参考框架（IVRA，Industrial Value Chain Reference Architecture）正式发布，编织了日本制造优势的智能工厂互联互通基本模式[1]。随着第四次工业革命（工业4.0）席卷全球，以及大数据、物联网、云计算、人工智能等技术的不断发展与成熟，物理系统逐步向着数字化、网络化和智能化方向发展，智能时代拉开序幕[2-4]。

我国在泛在传感、可靠通信、高性能数据处理及智能控制等方面拥有诸多领先世界的科技成果，已成为第四次工业革命的领跑者[5-7]。2016 年，国务院印发《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》提出：构建CPS参考模型和综合技术标准体系，支持开展兼容适配、互联互通和互操作测试验证。2017 年，国务院发布《新一代人工智能战略规划》，人工智能发展已上升至国家战略层面。根据国家发改委发布的《中长期油气管网规划》，2025 年我国油气管道总里程将达到24 万千米，同时将“提升标准化、智能化水平”作为未来发展的重点方向。2020 年，工信部、应急管理部联合发布了《“工业互联网+安全生产”行动计划（2021—2023 年）》，要求重点行业充分利用工业互联网等信息技术提高安全生产水平。

虽然我国油气管道安全总体局势持续向好，但管道资产本体隐患及运营期地质灾害突发、第三方损伤、违法占压等新老风险隐患交织叠加，增大了事故发生风险，严重危害人民生命财产安全，影响了我国社会经济发展[8-10]。安全生产是实现工业高质量发展的重要保障，工业互联网是信息通信技术与工业经济深度融合的基础设施，通过对人、机、物、系统等的深度互联，打通全生命周期信息流，加速安全生产的业务数据由零散分布向统一共享转变、信息系统由孤立分散向融合互联转变、风险管控模式由被动向主动转变、资源调配由局部优化向整体优化转变、运行管理由人为主导向系统智能转变[11]，提升工业生产本质安全水平。本文聚焦油气管道智能化技术发展现状，阐述了智能化管道建设的主要内容、方案及关键问题，并对其发展方向进行展望。

1 国内外发展现状

1.1 国外现状

国外先进油气生产与管道运营企业均在管道智能化建设方面做出大量有益尝试。美国Columbia管道公司基于通用电气和埃森哲公司联合推出全球首个“智能管道解决方案”：利用GE公司的Predix工业数据平台，通过地理信息系统对管道属性数据、感知数据、环境数据、运行数据等进行整合，依托PVI（Pipe View Integrity）软件的风险模型对管道风险开展实时动态管理。意大利SNAM公司实现了管网生产动态数据的实时收集与分析（图1），通过人工智能神经网络计算，实现天然气用量的精准预测[12]。

图1 意大利SNAM公司管网数字化解决方案——调控中心Fig.1 Pipeline network digital solution of Italian SNAM Company：control center

在数字化转型方面，英国BP 公司和英荷Shell公司均将数字化转型列为战略项目之一，并与人工智能公司开展深度合作，利用物联网技术提高管道资产与人员的安全性；通过先进的无线智能终端应用，实现设备、仪表的位置标记与识别，资产周期、历史数据与关联性查询等。挪威石油公司也加入数字化转型行列，于2017 年启动数字化建设中心[13-14]项目。

1.2 国内现状

原中石油管道公司于2004 年开始建设管道完整性管理系统（PIS），初步实现业务信息化，使企业内各层级人员清楚地了解“业务现在是什么情况”“流程进展到哪里”等动态业务信息，在管道安全运行保障方面发挥了积极作用。原中石化储运公司于2014 年探索性建设了智能化管线管理系统（IPMS），部分核心资产实现了三维可视化，助力决策机制模型化。2017 年，中国石油提出依托中俄东线天然气管道建设智能管道、智慧管网工作目标，并开展相关顶层设计和研究（图2）；通过试点建设，形成了一批可复制、可应用、可推广的管道智能化技术，由此开启了从数字管道向“智能管道/智慧管网”的新跨越[15-16]。

图2 智慧管网建设理念Fig.2 Construction idea of intelligent pipeline network

西南管道公司结合山地管道实际业务情况，提出了以“五纵两横、两大体系”为核心的数字化转型思路；新粤浙管道作为中石化建设的大型煤制气外输管道，在项目启动初期即按照全生命周期智能化管道的建设要求制定技术路线；浙江浙能天然气运行公司以阴极保护管理、高后果区管理、风险评价、巡线管理等十余个业务模块为基础，促进天然气管网调度运行的技术升级和管理创新；油气田企业也积极通过综合管理一体化平台建设，全面推动业务重构和流程优化[17-20]。

2 智能化管道建设内容

智能化管道建设需要数字化支撑，通过对流程、数据、标准和IT 系统的高度融合，在信息化系统基础上将企业管理经验模型化，分散独立的物理实体，逐步互联互通，并与自身状态数据、运动执行过程数据相融合，自动分析系统记录的各项数据，通过不断学习调整，从而提高工作效率。其本质是从新的融合空间视角实现对基础客观世界的可观和能控，提升人类认识世界、控制世界和改造世界的能力。智能化管道建设目标是提供全生命周期风险预控和优化决策，工作内容包括以下几方面：

（1）可研与设计。通过建设和运营期数据标准化，应用云技术支持设计全过程，全面记录设计数据，并向管道施工、运维部门提供设计数据共享和集成，最终实现管道数字化资产移交。

（2）物资供应链。从标准化、共享、互联、智能的维度对物资计划、采购、物流、仓储、实物、数据采集及移交等环节进行需求分析和方案设计，打造前后贯通、上下一体、内外互联的智慧物资供应链。

（3）施工管理。以加强施工现场过程精细化管理和提升施工阶段数据采集自动化水平为目标，满足后续运营阶段数据应用和向设计阶段进行数据回流的需求。

（4）运行管理及优化。以实现管道智能化维护为目标，综合各类监测系统实现线路的智能感知；结合各类业务数据，采用大数据分析技术实现线路管理的智能决策支持；以SCADA 国产化为基础，优化控制系统，实现关键设备远程一键启停，同时不断提升能耗分析、计量交接管理水平，研发大型管网优化平台，实现管网运行能耗最低、收益最优目标。

（5）安全环保与应急。以提高管道应急抢险响应效率为目标，通过应急资源智能调配，提高应急反应效率；实现应急抢险智能处理，提高应急决策支持水平。

通过不断深化信息化与工业化深度融合，运用大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术，构建数字孪生体管网系统以及具有知识应用和决策支持能力的人工智能大脑，形成管网“全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化”能力，实现业务对象数字化、业务规则数字化和生产过程数字化，承载油气长输管道数字化转型与实践，最终形成具有自适配和自决策的智慧管网。

3 总体设计方案

3.1 总体架构

从感知、认知、决策三方面对油气管网建设进行智能化提升，形成感知、数据、知识、应用、决策五个层次的总体架构，支撑、支持各专业领域应用和综合决策（图3）。

图3 智慧管网总体架构Fig.3 Overall structure of intelligent pipeline network

通过智慧管网数字孪生体的构建及应用，固化数据标准，形成数据模型，同时支撑大数据分析和机理模型应用，并在此基础上逐步完善知识网络，形成数据层和知识层，作为智慧管网技术方案的内核。向下集成以物联网系统和工业控制系统为主的感知层，向上集成以各专业领域应用组件群为主的应用层，并与管理决策和专业决策模型融合形成决策层，最终完成智慧管网总体架构的构建。

3.2 技术路线

基于工业领域智能化发展实践、结合管道行业业务特点，智能管道建设应从基础感知层、数据管理层、认知深化层、优化决策层这四个层面进行智能化提升。

（1）基础感知层。全面采集实体管道运行数据，覆盖管道本体、周边环境、设备工况、安全环保等领域。

（2）数据管理层。通过数据预处理，数据融合及大数据分析挖掘等技术，将数据转变为可用于支持及辅助决策的信息，提供一体化、智能化分析手段，搭建多学科协同研究工作环境，实现对管线生产动态实时监控、故障预警及物联设备基础数据管理等功能。

（3）认知深化层。以数字孪生体为载体，将各业务系统、数据中心、物联网与数字孪生体一体化融合，构建知识图谱，实现对运行状况精确映射和准确预测。知识图谱构建（图4）包括知识获取、知识表示、知识建模、知识存储、知识计算、知识融合、知识应用和维护等阶段。

图4 知识图谱构建示意图Fig.4 Schematic diagram of knowledge map construction

（4）优化决策层。不断充实各领域并实现知识融合，构建完善知识图谱，在此基础上不断梳理优化管理体系，依托优化算法和决策模型（图5）[21]，全面支持科学高效的专业决策和综合决策。

图5 优化算法和决策模型Fig.5 Optimization algorithm and decision model

以超声波流量计为例，自1998 年丹尼尔就建立在线诊断平台，知识库相对完善，规则逐渐丰富，具备和知识图谱技术深度融合的能力。该系统同样具备智能管道技术框架的四个层次：①基础数据感知层：通过中间数据库或OPC 等通信协议，获取工艺数据、计量数据、诊断数据及其他相关异构数据（如视频数据、诊断经验、知识文献等）；②数据管理层：对实时数据进行预处理，如点表数据由分钟级变为小时平均数据，以减少系统随机误差，文献等数据通过自学习算法、排序算法、专家决策成为新的诊断规则等；③认知深化层：以知识规则、案例匹配为核心，对预处理后的数据进行基于推理机制、解释机理的判断，对用户提出分级报警；④优化决策层：主要以计算机后台提出决策建议，人工辅助判断并决策。

近几年，中俄东线在管道智能化建设方面进行了有益探索[22-23]，基于业务信息化，建立资产全生命周期管理系统；通过提升光纤安全监测、视频智能识别、阴保远程监控、关键设备远程诊断等应用效果，建设监控预警管理体系；基于SCADA 实时采集运行数据，提供调度运行决策的核心、关键信息，实现以全管线为对象的整体运营优化，指导管道科学化运行。

4 若干关键问题

以CPS 技术为核心的工业4.0 方兴未艾，世界各国油气管道智能化建设正处于起步阶段。油气管道具有点多、线长、面广特点，在智能化/智慧化建设过程中，必然面临若干需解决的关键性问题。

4.1 感知层

（1）全方位感知的内涵，即感知的广度和深度、感知设备的最优配置方案等。管道全方位感知应包括管道输送业务的所有关键环节，即上游交接点、运输各节点、下游交接点的信息全面采集。感知设备的最优配置方案是典型的有约束优化问题，即以现有的法律、标准为约束，实现投资、损失及收益曲线的最优化。感知设备的配置数量越多，投资及维护成本越高，但发生损失的概率也越小，损失成本也随之降低。

（2）数据传输安全性。站场和管道线路上不同类型的数据将通过专用光纤、物联网、其他专用网络（如设备专网）、第三方提供的通信系统（卫星通信、wireless 等）等进行传递，涉及外网、内网和工控网之间的数据交换。数据类型不同、通信协议不同、现场条件不同，对数据传输的要求必然是不一致的，数据传输的安全性将是一个严峻挑战。

4.2 数据层

（1）数据融合互联。众多的感知系统和各统建系统所采用的技术路线、数据架构和数据标准不尽相同，导致各系统间没有完全达到互融互通，影响数据传输及共享。

（2）数据存储管理。种类繁多的感知数据、挖掘分析产生的数据存储和管理涉及数据中心、分数据中心、灾备中心的建设，需要考虑边缘计算、区块存储、分布使用和数据挖掘、集中存储、整合使用的关系，做到既满足数据安全，又能够提供快速、灵活的共享服务，是非常复杂的系统性问题。

4.3 应用层

（1）管网全局全时段优化运行。在满足安全约束的前提下寻求管输效益最大化是关键技术挑战之一，其技术难度在于以下三个方面：①管网本身的拓扑复杂程度；②大型混合整数非线性规划难题的可解性和求解效率；③如何将工程、管理技术要求转换为适宜的优化方程。优化方案在技术上是有必要条件的，如管输收益、管输成本、特别是能耗成本，其计算模型与真实数值之间的误差，必须显著低于优化模型本身的准确度。解决上述技术问题的可行思路之一是分层，通过分层，可将大型管网分解成若干区域性管网，直接解决管网拓扑、可解性和效率的问题，其核心是如何将分层中的各关键点数值（或约束）求解出来。

（2）人工智能、大数据等技术合力和协同作用。电力、物流、电商等相关行业人工智能、大数据技术应用已达到较深程度，油气管道目前也有很多监测和诊断技术，但各技术发挥合力和协同作用的能力较低。应以业务需求为导向，将相关技术整合，通过人工智能、大数据挖掘分析、数字孪生技术等，实现智能管道建设目标。

5 智能管道/智慧管网发展方向

我国长输油气管道行业经过半个世纪的发展历程，经历了自动化、信息化、数字化阶段，正在进入智能时代，智能管道建设正在全面兴起，并稳固推进典型场景落地实施，助力产业转型升级。

随着国家管网公司的成立与运营，需持续加强管道“数字基建”，拓展数据管理，探索建立集团级数据中心，形成区块式分布、松散式耦合、集中式管理的大数据体系，管道全生命周期信息的融合互联、综合挖掘和对业务的全面支撑能力将得以充分释放；多技术融合将是管道智能化管理的新思路，各种新技术融合使用，取长补短，取得“1+1＞2”的效果；通过遗传算法、人工神经网络、粒子群算法等智能算法，应用于解决风险排序、预测或最优化等问题，打造管网的“智慧大脑”，管网的运营及管理水平将得到极大提升。

我国油气管网智能化建设仍处于初级阶段，要实现全面智能化升级还有相当长的路要走。管道智能时代的大幕已经开启，应把握、利用好智能管道与智慧管网建设的重要窗口期，助力管道行业的技术进步与转型升级。