喻 斌,馮 騁,叢 瑞,榮海倫

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,河北廊坊 065000

2.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司油氣調(diào)控中心,北京 100013

2016年2月，國(guó)家發(fā)改委、能源局及工信部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1]，該文件提出，油氣行業(yè)應(yīng)積極推進(jìn)與“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”國(guó)家戰(zhàn)略的融合創(chuàng)新，探索智能化發(fā)展道路。2017年5月，國(guó)家發(fā)改委、能源局又聯(lián)合印發(fā)了《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》[2]，該文件提出，建立智慧能源管網(wǎng)，推進(jìn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)與智慧管網(wǎng)建設(shè)相融合。可見，加強(qiáng)油氣管網(wǎng)智能化建設(shè)，促進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)發(fā)展[3]，推動(dòng)油氣管網(wǎng)信息化、互聯(lián)互通、統(tǒng)籌調(diào)度，已成大勢(shì)所趨。智能化管道建設(shè)即是運(yùn)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)手段，通過實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)中心處理分析、實(shí)時(shí)反饋和智能決策，實(shí)現(xiàn)油氣管網(wǎng)全生命周期的高效生產(chǎn)目標(biāo)[4]。通過管道智能化建設(shè)，可以促進(jìn)智慧管網(wǎng)的發(fā)展與完善。

中緬原油管道地處中國(guó)西南，途經(jīng)橫斷山脈及云貴高原，最大高差達(dá)1 500 m，是典型的大落差管道及山地管道[5-7]。目前，中緬原油管道的智能化建設(shè)尚未完全成熟[8]。在智能控制方面主要以人為干預(yù)為主，未形成智能化管道的閉環(huán)智能控制。在數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸方面也未能實(shí)現(xiàn)多傳輸方式融合和大數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)分析。受制于地形地質(zhì)的復(fù)雜性，中緬原油管道智能化建設(shè)到了瓶頸期。引入數(shù)字孿生體技術(shù)可以將中緬原油管道本身的數(shù)據(jù)數(shù)字化[9-10]，建立管道的虛擬仿真模型，以輔助的方式指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行決策，這種方式有別于過去只依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，可顯著降低人為因素導(dǎo)致的管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[11]。

基于以上現(xiàn)狀，本文從中緬原油管道智能化建設(shè)現(xiàn)狀出發(fā)，回顧了智能化建設(shè)現(xiàn)狀及存在的問題，介紹了數(shù)字孿生體技術(shù)的內(nèi)涵和作用，并分析了數(shù)字孿生體技術(shù)在原油管道建設(shè)中的應(yīng)用和可行性，旨在為未來(lái)管道建設(shè)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)方案。

1 中緬原油管道智能化建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 中緬原油管道概況

中緬原油管道2018年投產(chǎn)，包括一條主干線和一條支線[12]。干線起點(diǎn)瑞麗泵站，終點(diǎn)祿豐分輸泵站，全長(zhǎng)599.7 km，所轄工藝站場(chǎng)6座、閥室34座。支線的起點(diǎn)祿豐分輸泵站，終點(diǎn)安寧末站，全長(zhǎng)42.78 km，所轄工藝站場(chǎng)1座、閥室1座，管道線路走向見圖1。設(shè)計(jì)壓力4.9～15 MPa，管徑D610～813 mm，輸量 （1 300～2 300） × 104t/a。管道途徑地區(qū)80%以上為山區(qū)，落差超過1 000 m的管段10處，最大落差1 500 m。管道穿越大中型河流11處、山體隧道12處、地震活動(dòng)斷裂帶3處。其智能化運(yùn)行需求迫切，但有相當(dāng)大的智能化運(yùn)行難點(diǎn)[8,13]，主要在于以下幾點(diǎn)。

圖1 中緬原油管道線路走向

（1）管道跨越山脈眾多，為典型的山地管道，地形起伏較大，有水擊危害。

（2）管道沿線多穿越地震頻繁帶，穿越斷裂帶5條。

（3）大量采用山體隧道穿越方式，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜。

（4）跨越國(guó)際河流多，安全環(huán)保任務(wù)重。

可見，地形地質(zhì)等多方面因素使得中緬原油管道的生產(chǎn)運(yùn)行處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。人工操作不能兼顧管道運(yùn)行的各個(gè)細(xì)節(jié)，無(wú)法及時(shí)感知風(fēng)險(xiǎn)的醞釀和發(fā)生。因此，引入數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)中緬原油管道智能化建設(shè)進(jìn)行補(bǔ)充，提升其運(yùn)行的安全性，是智慧管網(wǎng)建設(shè)的必然要求。

1.2 中緬原油管道智能化建設(shè)概況

中緬原油管道智能化現(xiàn)狀與國(guó)外智能管道建設(shè)現(xiàn)狀如圖2所示。差距主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

圖2 智能管道建設(shè)現(xiàn)狀

（1）數(shù)據(jù)感知方面：已開展工業(yè)物聯(lián)共享系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)SCADA系統(tǒng)、非SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全面采集與傳輸，但是數(shù)據(jù)采集的種類與數(shù)量尚不滿足大數(shù)據(jù)分析的要求。

（2）數(shù)據(jù)傳輸方面：已開展感知數(shù)據(jù)的衛(wèi)星傳輸、光纖傳輸、部分?jǐn)?shù)據(jù)的手機(jī)基站傳輸、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等，但尚未實(shí)現(xiàn)多種傳輸方式的融合。

（3）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方面：已開展云數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)資產(chǎn)圖譜分析等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作，目前尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)融合統(tǒng)一。

（4）決策優(yōu)化方面：以中緬原油管道7座站場(chǎng)為試點(diǎn)建立工業(yè)物聯(lián)共享系統(tǒng)，建立了生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)的全生命周期管理。系統(tǒng)仍在升級(jí)完善中，尚不具備設(shè)備故障的大數(shù)據(jù)分析功能，以生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)為載體的設(shè)備完整性管理體系有待完善。建立了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)，并在不斷升級(jí)完善中，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)地段地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。仍需加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)、高后果區(qū)、管道穿跨越區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋建設(shè)。

（5）智能控制方面：目前主要以人為干預(yù)控制管道運(yùn)行為主，尚未形成智能化管道閉環(huán)智能控制。

通過上述分析可知，中緬原油管道在智能化建設(shè)上還有很長(zhǎng)一段路要走，在管道智能化建設(shè)方面可以借鑒意大利SNAM公司和哥倫比亞管道集團(tuán)公司的智能化管道架構(gòu)[14]。如圖3所示，引入管道數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行管網(wǎng)的智能化建設(shè)，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、管道完整性、工況分析預(yù)測(cè)、管道管理優(yōu)化、動(dòng)態(tài)資產(chǎn)評(píng)估、設(shè)備信息數(shù)據(jù)可視化等功能，將管道實(shí)時(shí)信息、決策計(jì)劃、優(yōu)化信息等上傳至調(diào)控中心，由調(diào)控中心控制優(yōu)化管道運(yùn)行狀態(tài)，形成閉環(huán)智能控制。

圖3 中緬原油管道智能化建設(shè)架構(gòu)

1.3 數(shù)字孿生體的內(nèi)涵和作用

數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實(shí)體或過程的數(shù)字化表達(dá)，而數(shù)字孿生體指與這個(gè)物理實(shí)體或過程相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型的實(shí)例[15]。即數(shù)字孿生體是一個(gè)對(duì)應(yīng)實(shí)際情況的模型，該模型是真實(shí)空間中的實(shí)體映射，結(jié)構(gòu)、參數(shù)與真實(shí)空間中的物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)，是實(shí)際環(huán)境中物理實(shí)體的映射[16-17]。

在原油管網(wǎng)智能化建設(shè)中，數(shù)字孿生體技術(shù)可應(yīng)用于多個(gè)方面，基于實(shí)體管道本身展開的管道數(shù)字孿生體是一種建設(shè)模式。如圖4所示，虛擬管道與實(shí)體管道之間通過建立的管道孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行交互作用。不斷反饋并通過建立的虛擬模型進(jìn)行仿真、模擬、分析，從而感知實(shí)體管道運(yùn)行狀態(tài)[18]。

圖4 管道數(shù)字孿生體油氣調(diào)運(yùn)過程的運(yùn)行原理[19]

2 數(shù)字孿生體在中緬管道智能化建設(shè)中的應(yīng)用

2.1 管道內(nèi)檢測(cè)

定期對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)是保障管道安全運(yùn)行的重要一環(huán)，將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和清管設(shè)備結(jié)合在一起，使清管設(shè)備具有數(shù)據(jù)感知、傳輸、處理的功能。以往部分管網(wǎng)將全線管道分成不同站間段進(jìn)行分段檢測(cè)，將兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的管道體作為一個(gè)單元，通過監(jiān)測(cè)兩個(gè)點(diǎn)流量和壓力的變化，利用負(fù)壓波法和（或）音波法來(lái)判斷管道是否發(fā)生泄漏并進(jìn)行定位。引入數(shù)字孿生技術(shù)后，中緬原油管道的在線內(nèi)檢測(cè)可以不再采用傳統(tǒng)的分段檢測(cè)法。如圖5所示，利用數(shù)字孿生體技術(shù)將管道實(shí)際信息數(shù)據(jù)化并導(dǎo)入電腦，形成網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)、計(jì)算及預(yù)警，及時(shí)感知異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析計(jì)算，報(bào)告給監(jiān)測(cè)人員，進(jìn)而進(jìn)行快速反應(yīng)、調(diào)整。

圖5 利用數(shù)字孿生體技術(shù)進(jìn)行管道檢測(cè)

2.2 調(diào)度優(yōu)化

對(duì)原油管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度有助于管道安全運(yùn)行和高效生產(chǎn)。近年來(lái)我國(guó)油氣管網(wǎng)發(fā)展較為迅速，但新建的眾多管網(wǎng)運(yùn)行情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致原油管網(wǎng)的調(diào)度優(yōu)化難度日益陡增。

引入數(shù)字孿生體的原油管網(wǎng)調(diào)度模式有助于改善中緬原油管道運(yùn)行復(fù)雜、安全調(diào)控難度高等情況。如圖6所示，將現(xiàn)場(chǎng)的管道實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化，利用大數(shù)據(jù)計(jì)算技術(shù)建立貼合實(shí)際的虛擬管道，實(shí)現(xiàn)實(shí)際管道與計(jì)算機(jī)集成的虛擬管道的交互反饋。現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)感知運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳輸至電腦端虛擬模型，該虛擬模型運(yùn)行狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)的一樣，通過大數(shù)據(jù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法實(shí)現(xiàn)虛擬管道的參數(shù)優(yōu)化控制，進(jìn)而反饋到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。基于數(shù)字孿生體的管網(wǎng)調(diào)度模式有別于傳統(tǒng)的原油調(diào)度方法。傳統(tǒng)的人工調(diào)度模式無(wú)法實(shí)時(shí)感知工藝參數(shù)、控制參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，基于人工的排產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度無(wú)法窮盡所有的最優(yōu)排產(chǎn)方案；而引入數(shù)字孿生體的調(diào)度優(yōu)化模式后，可通過優(yōu)化算法進(jìn)行系統(tǒng)的協(xié)同仿真，全面、準(zhǔn)確地感知管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并通過排產(chǎn)需求計(jì)算最佳的排產(chǎn)方案。

圖6 管網(wǎng)智能調(diào)度優(yōu)化流程

2.3 設(shè)備運(yùn)行維護(hù)

原油管道在運(yùn)行過程中需對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，提升管道運(yùn)行壽命、可靠性及經(jīng)濟(jì)安全性，但管道設(shè)備種類眾多、數(shù)量大，包括機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、儀表設(shè)備、計(jì)量設(shè)備等，呈現(xiàn)點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)，高效運(yùn)維難度較大。如圖7所示，李柏松等人[20]報(bào)道的一種智能化管道設(shè)備維修維護(hù)模型有很好的借鑒作用。

圖7 基于數(shù)字孿生體的管道設(shè)備維護(hù)流程[20]

基于數(shù)字孿生體的設(shè)備維修維護(hù)，在管道設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行了數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)。在中緬原油管道運(yùn)行維護(hù)過程中，也可以將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用到數(shù)字孿生體當(dāng)中。通過SCADA系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)感知，并將該部分?jǐn)?shù)據(jù)反饋到數(shù)字孿生體更新模塊。在該模塊內(nèi)，基于多場(chǎng)耦合的仿真模擬方法將感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)。并通過RCM、RBI、SIL的可靠性安全評(píng)估及基于故障案例庫(kù)的診斷，對(duì)設(shè)備的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，預(yù)測(cè)設(shè)備故障原因及剩余壽命，進(jìn)而給出維修維護(hù)策略。

2.4 高后果區(qū)監(jiān)測(cè)與預(yù)警

管道高后果區(qū)可分為人口密集區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害區(qū)。中緬原油管道地質(zhì)地形極其復(fù)雜，管道多穿越崩塌、滑坡地段，對(duì)該條管道進(jìn)行高后果區(qū)監(jiān)測(cè)與預(yù)警有助于提升管道運(yùn)行的安全性，保障管道沿線相關(guān)的人身及財(cái)產(chǎn)安全。引入數(shù)字孿生體的高后果區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)見圖8。

圖8 引入數(shù)字孿生體的高后果區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

如圖8所示，在災(zāi)害隱患點(diǎn)處布置好地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)儀器，這些儀器包括水壓力計(jì)、應(yīng)力傳感器等。然后建立與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的災(zāi)害體數(shù)字孿生體模型，在數(shù)據(jù)中心處理模塊內(nèi)，內(nèi)嵌的算法來(lái)源于基于ABAQUS的大數(shù)據(jù)建模技術(shù)，通過有限元建模分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的安全系數(shù)，并將不同災(zāi)害體的預(yù)警模型導(dǎo)入系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)應(yīng)用層，系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。

2.5 全生命周期管理

智慧管網(wǎng)的發(fā)展依賴于管道智能化建設(shè)，而智能化建設(shè)依賴于數(shù)字化、信息化管道的發(fā)展，數(shù)字化管道已成為未來(lái)管道信息技術(shù)領(lǐng)域的上甘嶺。數(shù)字孿生體可以貫穿中緬原油管道生產(chǎn)運(yùn)行的各個(gè)階段。當(dāng)建立起基于數(shù)字孿生體的智能化運(yùn)行模式后，在該模式下的運(yùn)行系統(tǒng)可以記錄整個(gè)生命周期的全部對(duì)象、模型及數(shù)據(jù)，是管道各個(gè)生產(chǎn)模塊的數(shù)字化檔案庫(kù)。未來(lái)的智能化管網(wǎng)建設(shè)，可以將先進(jìn)的管理理念與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)相融合，形成一套全生命周期管道完整性管理解決方案，實(shí)現(xiàn)管道業(yè)務(wù)與信息可視化的統(tǒng)一管理。

3 結(jié)論與展望

（1）中緬原油管道的智能化建設(shè)任重道遠(yuǎn)，亟需引入數(shù)字孿生體技術(shù)改善其生產(chǎn)管理系統(tǒng)，保障管道高效生產(chǎn)、安全運(yùn)行。

（2）本文討論了數(shù)字孿生體在中緬原油管道智能化建設(shè)中的應(yīng)用，包括管道內(nèi)檢測(cè)、調(diào)度優(yōu)化、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、高后果區(qū)監(jiān)測(cè)與預(yù)警和全生命周期管理五個(gè)方面。引入數(shù)字孿生體技術(shù)后可提升管道系統(tǒng)的科學(xué)性和快速反應(yīng)性。

（3）數(shù)字孿生體技術(shù)在原油管道中的應(yīng)用前景廣闊，還需要進(jìn)一步開展原油管道數(shù)字孿生及智能化管理研究。