劉天堯　閻濤　王雪莉　張騰

摘要：數(shù)字管道作為未來油氣管道的重要發(fā)展方向，在國家管網(wǎng)規(guī)劃建設中被越來越多的提及，但提及的方式更多是圍繞某個具體技術方向或工程實踐進行，少有理論研究。通過提出并回答數(shù)字管道是什么樣子、為什么是這樣以及如何實現(xiàn)3個基本問題的方式，探尋數(shù)字管道架構(gòu)設計的可能形式，并給出理論支撐。提出一種“基于全生命周期模型的軟硬件平臺”的數(shù)字管道架構(gòu)設計形式，并以需求驅(qū)動、抽象模型、歷史溯源等思維方式為理論支撐，以期指導數(shù)字管道系統(tǒng)的開發(fā)與建設。

關鍵詞：數(shù)字管道；架構(gòu)設計；智慧管道；智能管道

一、前言

伴隨著信息技術的爆發(fā)式發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)不僅深刻改變了我們的生活方式，也同時改變了我們的思想方式，管道從業(yè)者愈發(fā)認識到人工管理方式已經(jīng)無力管理如此龐大復雜的管道系統(tǒng)，進而不斷地將信息技術引入管道行業(yè)。國家管網(wǎng)公司成立后，更是明確提出建設智慧互聯(lián)大管網(wǎng)，實施科技數(shù)字化戰(zhàn)略，打造數(shù)字化體系。

北航劉強教授曾經(jīng)關于工業(yè)4.0提出“三要三不要”理論，受到廣泛認同[1]。其中有一點“不要在不具備數(shù)字化網(wǎng)絡化基礎時搞智能化”正適合剛起步的智慧管道進行借鑒。無論打造“智慧管道”還是“智能管道”，基礎都是“數(shù)字管道”。關于“數(shù)字管道”的技術與實踐層面的討論已經(jīng)很多，但理論層面的論述相對較少。為了更好地促進理論與實踐相結(jié)合，借用2W1H思維模型，從數(shù)字管道是什么樣子（What）、為什么是這個樣子（Why）、該如何實現(xiàn)（How）3個基本問題入手，從理論上探尋數(shù)字管道架構(gòu)設計的可能形式。

二、What-Why

“數(shù)字管道”是否是一套軟硬件系統(tǒng)，如果是的話，它可能是什么樣子，為什么？

（一）數(shù)字與推論

理解“數(shù)字管道”的關鍵是理解“數(shù)字”。這里的“數(shù)字”是相對“模擬”而言，它們都是記錄信息的一種方式?！澳M”的方式是將原始信息通過模仿的方式進行記錄，記錄信息跟隨原始信息的變化而變化，是連續(xù)的，例如，錄音磁帶是通過磁場的變化對聲音進行模擬?！皵?shù)字”的方式則是對信息進行抽樣、量化和編碼，將信息數(shù)字化，是離散的，例如計算機所處理的所有信息都是0和1的組合?！皵?shù)字”相比“模擬”最大的特點是容易編輯和修改，因為數(shù)字記錄是離散的，所以可以任意截斷和組合，可以運用數(shù)學運算進行變換和計算，這從根本上改變了信息的使用方式。以照片處理為例，傳統(tǒng)的膠卷照片很難二次加工，但現(xiàn)在的數(shù)字照片則可以實時“美顏”。

數(shù)字化在ToC領域已經(jīng)深刻的改變了人們的生活方式，現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向ToB領域改變傳統(tǒng)工業(yè)。數(shù)字管道絕不是傳統(tǒng)管道的數(shù)字復刻，而是基于數(shù)字思維的重新設計。另外，由于當前時代的數(shù)字化體現(xiàn)形式為以軟硬件為代表的信息技術，所以“數(shù)字管道”應該體現(xiàn)為一套軟硬件系統(tǒng)。

（二）需求與設計

為了探索“數(shù)字管道”可能的樣子，直觀的方式是給出一個合理的產(chǎn)品設計。產(chǎn)品設計的核心是需求驅(qū)動，以滿足需求的設計為最佳設計。根據(jù)推論，“數(shù)字管道”的設計可以很大程度跳出傳統(tǒng)業(yè)務的束縛，由此，提出一個設計需求：記錄與獲取任何時間、任何地點的任何管道相關信息。

“模型”是人類認識世界的工具，是對世界某些規(guī)律的抽象與總結(jié)，針對上述需求，認為工程領域的“全生命周期模型”最為合適，主要原因是：① 針對有時間維度且求大求全的需求，該模型可以適用；② 針對軟件系統(tǒng)架構(gòu)設計，該模型擁有豐富的理論支撐和實踐應用，在操作系統(tǒng)[2]、游戲引擎[3]、B/S框架[4]等架構(gòu)設計方面廣泛采用；③針對管道行業(yè)的業(yè)務眾多、歸口管理、持續(xù)革新的特點，該模型在軟件系統(tǒng)架構(gòu)上的實際應用具有良好匹配和設計參考。

類比軟件系統(tǒng)的設計思想，提出“數(shù)字管道”全生命周期設計模型（圖1），分為規(guī)劃、設計、施工、運行、報廢5個階段。參照軟件設計的Hook思想，在每個階段掛載需要的業(yè)務功能。該設計方便軟件系統(tǒng)架構(gòu)的設計和現(xiàn)實，并通過動態(tài)擴展的方式在未來業(yè)務革新中增減所需功能。

三、How

“數(shù)字管道”需要哪些技術支撐，怎樣規(guī)劃實現(xiàn)路徑，以及在此過程中如何有效進行項目管理都是需要解決的問題。

（一）所需技術支撐

縱觀歷史的發(fā)展，技術的進步是累進和疊加的，所有的技術都依靠其他技術或科學理論做支撐。借鑒分層的思想對“數(shù)字管道”所需技術進行分析（圖2）。

清晰把握各層技術現(xiàn)狀，理解技術之間的依賴關系是構(gòu)建良好系統(tǒng)的前提條件。從底向上，每層技術的能力邊界都由其下層決定。

（1）硬件架構(gòu)層。硬件設施是一切功能的載體，即硬件架構(gòu)設計是系統(tǒng)設計首要考慮的事項。硬件架構(gòu)按照算力分布形式，可大致分為主流的中心化架構(gòu)和以區(qū)塊鏈為代表的去中心化架構(gòu)。鑒于管網(wǎng)的天然輻射狀分布，以及公司管理的金字塔形式，中心化架構(gòu)最為合適，以云服務或服務器集群為核心，承載主體軟件系統(tǒng)，匯總并處理通過網(wǎng)絡連接分布在管道沿線的各類硬件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，未來越來越多的管道傳統(tǒng)硬件會加入聯(lián)網(wǎng)的能力。逐漸增多的數(shù)據(jù)會增加網(wǎng)絡的傳輸壓力，可通過邊緣計算的方式，將部分計算需求前移，保持管網(wǎng)現(xiàn)實、架構(gòu)設計、技術發(fā)展的動態(tài)匹配。

（2）軟件架構(gòu)層。如果說硬件是系統(tǒng)的軀體，那么軟件則是系統(tǒng)的靈魂，指揮著硬件按照設想的方式工作。管道行業(yè)等工業(yè)領域的軟件往往需要定制化研發(fā)，但其底層的軟件架構(gòu)與硬件架構(gòu)相似，可看作是成熟商業(yè)產(chǎn)品的拼裝與組合。與硬件架構(gòu)不同的是，軟件的關注焦點集中于業(yè)務實現(xiàn)等問題，導致軟件架構(gòu)的設計一直不受重視。軟件架構(gòu)設計主要針對的是軟件的使用形式（C/S、B/S等）、所需基礎軟件（Web服務軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等）、各軟件之間所采用的通信協(xié)議（Http、WebSocket等）以及軟件之間的組織架構(gòu)方式（SOA、微服務等）等方面的綜合設計。軟件架構(gòu)設計相比硬件有一個顯著特點，即軟件架構(gòu)變更成本很低，可根據(jù)業(yè)務功能的需要在基礎硬件不變的情況下大幅度調(diào)整。

（3）領域基礎層。實用的專業(yè)系統(tǒng)并非軟硬件技術的堆疊，而是針對業(yè)務需求的領域?qū)I(yè)設計，實現(xiàn)現(xiàn)實場景對計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和邏輯算法的抽樣映射。就管道領域而言，可簡單分為外部的管道實體（管道本體及附屬設施）和內(nèi)部的輸送介質(zhì)。對這兩部分的抽象映射前人早有研究，即“管道數(shù)據(jù)模型”[5]和“油氣管道仿真”[6]。

管道數(shù)據(jù)模型已有很多國際標準，包括ESRI公司早期舊版的APDM模型以及當前新版的UPDM模型，還包括管道開放數(shù)據(jù)標準協(xié)會的PODS模型[7]。APDM模型因其功能局限性，不符合全生命周期管道的需求；UPDM模型本質(zhì)上屬于ESRI公司的商業(yè)產(chǎn)品，具有一定的封閉性，需要配合ESRI的ArcGIS軟件平臺和技術體系才能使用，限制較多；PODS模型屬于開放標準模型，但需要會員資格才能獲得全部技術細節(jié)。引入和學習PODS常年積累的經(jīng)驗與成果，結(jié)合中國管道特點進行改進，是加速構(gòu)建數(shù)字管道的有效途徑。

油氣管道仿真一般指的是對管道內(nèi)介質(zhì)的流體力學仿真模擬，核算管道設計或者編排調(diào)度方案等。國外已有很多成熟的商業(yè)軟件，包括SPS、TGNET、PIPENET等，中國發(fā)展相對落后，早年中石油的商用級RealPipe軟件已經(jīng)停止研發(fā)，而高校的科研成果還未滿足商業(yè)級應用。國外的商用仿真軟件因為相對封閉，很難作為數(shù)字管道基礎支撐平臺使用。自主研發(fā)仿真軟件，是數(shù)字管道建設的必經(jīng)之路。

（4）分項專業(yè)層。分項專業(yè)技術指的是除領兩大領域基礎技術外的其他管道領域技術，比如風險評價、檢測評價、內(nèi)外腐蝕防護等。這些技術在科研上可以獨立于領域基礎技術而存在，但在工程應用中，至少需要管道數(shù)據(jù)模型提供基礎的管道基礎信息。分項專業(yè)技術向領域基礎地定向適配，是決定數(shù)字管道領域技術支撐能力的關鍵。

（5）用戶界面層。數(shù)字管道系統(tǒng)最終面向的是人，這不僅需要專業(yè)的技術支撐，還需要對人類行為和心理的考量。業(yè)務功能的設計本質(zhì)上是把復雜專業(yè)的領域技術，用盡量簡單通用的方式進行表達，固化業(yè)務流程，減少人為干預和判斷，將一線工作人員的思考復雜性轉(zhuǎn)移為功能設計人員的思考復雜性。功能設計應盡量獨立，并以Hook的形式進行設計，滿足全生命周期平臺的整體設計。

（二）實現(xiàn)路徑

系統(tǒng)的實現(xiàn)不是一蹴而就的，需要一個具體可執(zhí)行的實施路徑，但人們往往想通過新技術的引入，實現(xiàn)系統(tǒng)能力的跨越式發(fā)展，硬件架構(gòu)設計采用最新的設備設施似乎是可行的，但對于軟件架構(gòu)而言，經(jīng)驗表明新技術的引入有可能適得其反。信息系統(tǒng)領域有一個著名的理論——諾蘭模型，通過總結(jié)眾多公司和部門信息系統(tǒng)建設的經(jīng)驗，認為計算機系統(tǒng)的建設不能跨越階段發(fā)展。由于軟件工程師與管道領域?qū)＜掖嬖谥R壁壘，所以專業(yè)軟件的研發(fā)必然是不斷互相學習、不斷修正設計的過程?？v觀軟件架構(gòu)發(fā)展史，新架構(gòu)的提出主要是為了解決系統(tǒng)的龐大與復雜性問題，但新技術本身自帶一定的技術復雜度，過早的引入新技術不僅無益于解決領域關鍵問題，反而增加軟件技術復雜度。

（三）項目管理

成功的項目實現(xiàn)離不開有效的項目管理，協(xié)調(diào)一致的目標和相對穩(wěn)定的團隊資源是實現(xiàn)數(shù)字管道的必要前提。項目失敗的原因數(shù)不勝數(shù)，但成功的原因往往只有一個——將人力、時間、資產(chǎn)等資源的價值有效地發(fā)揮。

項目管理的理論方法很多，針對宏觀與局部、通用與專業(yè)都有特定范圍的適用方法，如項目生命周期理論、SWOT分析模型等。不同規(guī)模的團隊規(guī)模需要匹配不同的管理方法，根據(jù)“鄧巴數(shù)字”理論[8]，人類能自發(fā)維持的團隊規(guī)模是有限的，當規(guī)模進一步擴大時，溝通成本會急速提高，需要其他外部規(guī)則進行維系。不同級別體量（復雜度）的項目也需要匹配不同的管理方法，以軟件開發(fā)管理方式的演化歷程為例，隨著系統(tǒng)復雜度的升高，逐漸發(fā)展出與之匹配的開發(fā)方式。同時，項目規(guī)模與團規(guī)模也需要匹配，否則會影響項目進展或?qū)е沦Y源浪費。

數(shù)字管道的發(fā)展需要經(jīng)歷必要的成長過程，引入和實踐科學的管理方法，識別所處階段，動態(tài)調(diào)整管理策略，保證生產(chǎn)力與生產(chǎn)關系的協(xié)調(diào)促進，是高性價比實現(xiàn)目標的有效措施。

四、結(jié)語

數(shù)字管道的設計不一定有標準答案，但通過提問的方式可以不斷尋找答案?？茖W的進步建立在質(zhì)疑的基礎之上，技術的進步離不開對需求的挖掘和滿足。從“數(shù)字”的定義出發(fā)，提出數(shù)字化具有顛覆性的推論，進而解放設計思路，運用需求驅(qū)動的方式，提出并回答了數(shù)字管道的3個基本問題。

（1）是什么（What）：軟硬件系統(tǒng)、數(shù)字化全新設計、可動態(tài)擴展功能的全生命周期平臺。

（2）為什么（Why）：當前數(shù)字化的可用形式、數(shù)字的顛覆性、需求驅(qū)動與模型選擇分析。

（3）怎么做（How）：技術需求分析的分層分析、實現(xiàn)路徑的規(guī)律把握、科學項目管理方法的引入與實踐。H

參考文獻

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基金項目：國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司項目“油氣管網(wǎng)在線仿真平臺研發(fā)及應用（一期）”，課題編號SSCC202104