董紹華　張河葦

中國石油大學(xué)（北京）

摘要：智能管網(wǎng)可以解決當前系統繁多以及數據采集與應用脫節的問(wèn)題，實(shí)現油氣管道安全、高效、可持續發(fā)展。全面闡述了國內外數字化管道、智能管網(wǎng)的實(shí)施進(jìn)展，分析了智能管網(wǎng)發(fā)展的特點(diǎn)、難點(diǎn)以及存在的問(wèn)題，研究建立了管道全生命周期數據標準，構建了管道全生命周期數據庫。提出了全生命周期智能管網(wǎng)的設計架構，包括管道全生命周期資產(chǎn)設施管控、運行管理控制、決策支持3個(gè)方面。提出了基于GIS的智能化管理平臺方案，搭建了管道建設與運維一體化智能管理平臺，一是用于建設期施工數據采集、數字化數據庫移交、施工質(zhì)量可視化管理；二是用于運營(yíng)期腐蝕防護電位控制、在線(xiàn)完整性評估、高后果區、地區等級升級地區的風(fēng)險評估以及無(wú)人機巡線(xiàn)等完整性管理循環(huán)；三是用于管網(wǎng)的決策支持，包括大數據建模、應急決策支持、焊縫大數據風(fēng)險識別、基于物聯(lián)網(wǎng)的災害監測預警、管道泄漏實(shí)時(shí)監測、遠程設備維護培訓、遠程故障隱患可視化巡檢、移動(dòng)應用等。智能管網(wǎng)的推廣應用，有利于管道管理水平的提升，為決策者提供足夠的信息，保障管道企業(yè)安全、高效運營(yíng)。

關(guān)鍵詞：大數據；全生命周期；智能管網(wǎng)；一體化平臺；決策支持 

    從國內外管道管理的發(fā)展歷程來(lái)看，伴隨信息技術(shù)和完整性管理技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，建設數字化管道已經(jīng)成為國內外管道運營(yíng)者的主要目標，管道企業(yè)均建立了GIS系統和完整性管理系統，并取得重要成果。但近年來(lái)，隨著(zhù)大數據、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能的發(fā)展，管道運營(yíng)管理模式發(fā)生轉變，數字化管道逐步向智能化管道發(fā)展，以大數據分析、數據挖掘、決策支持、移動(dòng)應用等方式進(jìn)行管道管理，從而補充傳統管理方式的不足^[1-2]。

智能管網(wǎng)系統是實(shí)現智能管網(wǎng)管理的手段和載體，其集成管道和站場(chǎng)的所有信息，采用大數據建模的分析理念，提供成熟可靠的智能管網(wǎng)一體化解決方案，包括：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現對生產(chǎn)安全風(fēng)險點(diǎn)的全面監控，以及所有管理環(huán)節所需信息的全面共享；通過(guò)大數據建模，實(shí)現設備設施數據的實(shí)時(shí)分析處理，保障生產(chǎn)活動(dòng)安全有序。智能管網(wǎng)進(jìn)一步突出管網(wǎng)經(jīng)濟高效的目標，全面自動(dòng)采集數據，貫通上下管理環(huán)節，實(shí)現管網(wǎng)運行事前優(yōu)化預測、事中實(shí)時(shí)監測，事后全面分析的閉環(huán)管理，降低油氣管網(wǎng)運營(yíng)成本。

1　智能管網(wǎng)發(fā)展概況

1.1　國內研究進(jìn)展

    數字化管道是中國石油天然氣集團公司最早提出的，并陸續將數字化技術(shù)應用于油氣管道行業(yè)的勘察設計和施工階段，2004年首先應用于西氣東輸冀寧管道聯(lián)絡(luò )線(xiàn)，2008年在西氣東輸二線(xiàn)、中緬油氣管道等工程建設中，利用衛星遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)、GIS成圖技術(shù)在勘察設計和施工階段幫助優(yōu)化路由，利用實(shí)時(shí)數據采集和管網(wǎng)運行監控等技術(shù)實(shí)現集中監控和運行調度，在管道數字化方面縮小了與歐美發(fā)達國家的差距^[3-7]。

    中國石油天然氣集團公司將數字管道建設確定為技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，對已建或擬建工程中的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS、GPS的應用進(jìn)行統一規劃部署，并與SCADA等自動(dòng)化管理技術(shù)有機結合，開(kāi)發(fā)了PIS完整性管理系統、GIS地理信息系統，為所轄油氣田和管道的在線(xiàn)檢漏、優(yōu)化運行、完整性管理提供數據平臺。目前，建立了以SCADA、氣象與地質(zhì)災害預警等平臺、天然氣與管道ERP、管道生產(chǎn)管理、管道工程建設管理（PCM）、管道完整性管理（PIS）、天然氣銷(xiāo)售等信息系統為支撐的總體信息化系統，全面支持資產(chǎn)和物流兩條主線(xiàn)的業(yè)務(wù)工作。    

     中國石油天然氣集團公司所轄管道企業(yè)2001年開(kāi)始引進(jìn)完整性管理理念，建立完整性管理體系，2007年開(kāi)始推廣應用，2009年建設PIS完整性管理系統，完整性管理覆蓋率達到48%，2012年覆蓋全部長(cháng)輸管道。管道事故率由2006年的1.67次/千公里降至2009年的0.48次/千公里，管道完整性管理水平由2007年的4級提高至2009年的6~7級，打孔發(fā)案率下降35%。中石油北京天然氣管道有限公司在智能化管道方面，搭建了管道建設期、運行期數據一體化平臺，建立了管道全生命周期數據庫，建設了國內首個(gè)基于全生命周期的GIS應急決策支持系統，實(shí)現了管道安全評價(jià)、風(fēng)險評估及完整性評價(jià)，以及生產(chǎn)運行過(guò)程和設備狀態(tài)數字化、可視化的動(dòng)態(tài)安全監測和管理。其GIS應急決策支持平臺與生產(chǎn)實(shí)踐結合緊密，包括管道基礎地理數據全入庫，自動(dòng)維護平臺、地理信息系統平臺、應急決策支持一鍵式輸出，實(shí)現樁加載的全部管道數據提取^[8-9]。

    中海油氣電集團有限責任公司完成了生產(chǎn)調度及應急指揮中心、貿易平臺、LNG汽車(chē)加氣運營(yíng)管理平臺、資金平臺、槽車(chē)遠程監控系統、應急指揮系統等的構建及深化應用，構成了信息化的主體框架，形成了集團級生產(chǎn)運營(yíng)系統的全息化“基礎平臺”，同時(shí)生產(chǎn)數據采集與展示平臺融合各項目公司的GIS數據、數字化管道數據、DCS/SCADA等生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數據，成為統一的“數據倉庫”。建成了綜合辦公信息系統、視頻會(huì )議系統擴容及互聯(lián)網(wǎng)應用項目、手機移動(dòng)平臺功能擴展項目、外網(wǎng)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、內部門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、Sap財務(wù)系統與用友財務(wù)系統雙線(xiàn)融合、裝備管理綜合信息平臺等。目前正在構建智慧氣電，建設全面覆蓋、高度集成的先進(jìn)信息網(wǎng)，用以快速、全面、正確地獲取、理解、判斷集團全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)運營(yíng)狀態(tài)，并作出智能化決策。

中國石油化工股份有限公司榆濟管道工程在施工階段同步進(jìn)行數據采集，2007-2008年開(kāi)展的數字化管道建設，以二維GIS系統為基礎平臺，包括管道走向、埋深圖，采集了較多的施工數據，疊加了影像圖，其運營(yíng)期的系統建設按照總部智能化管道系統的標準正在整理基礎數據。川氣東送管道的數字化建設亦逐步推進(jìn)中，投產(chǎn)后建設了3D管道GIS系統，補充了施工數據，實(shí)現了大口徑、高壓力、長(cháng)距離天然氣輸氣管道全程全景真三維、地下地表地上一體化、站線(xiàn)一體化、二三維一體化的管道專(zhuān)業(yè)地理信息系統。數據覆蓋全線(xiàn)逾2 200 km管道本體及附屬設施^[10-12]。2014年中國石油化工股份有限公司啟動(dòng)了“中國石化智能化管道管理系統”項目，完成了項目頂層設計和管道數字化管理、管道完整性管理、管道運行、應急響應管理、綜合管理五大類(lèi)功能的研發(fā)，以及7家試點(diǎn)企業(yè)39條1 939 km管道系統的實(shí)施和27座站場(chǎng)的數字化、可視化管理。同時(shí)，重視數據標準化和業(yè)務(wù)流程模板化，形成5類(lèi)21項標準規范。中國石油化工股份有限公司智能化管道目標是：建設集成數據中心和共享服務(wù)平臺，建設上下貫通的6大應用模塊，即管道數字化管理、管道完整性管理、管道運行管理、應急輔助管理、隱患治理管理、綜合管理，形成安全可靠的工作平臺，滿(mǎn)足管道安全運行管理要求。

1.2　國外研究進(jìn)展

國外管道的建設運行逐漸向智能管網(wǎng)方向發(fā)展，已經(jīng)取得重要成果，與信息技術(shù)保持同步發(fā)展，管道建設和運行的各個(gè)階段應用了云計算移動(dòng)存儲、物聯(lián)網(wǎng)數據精準采集、大數據決策分析^[13-17]。

美國休斯敦的控制中心控制著(zhù)公司的天然氣業(yè)務(wù)，石油管道業(yè)務(wù)則由設在Tulsa的控制中心監控管理，實(shí)現實(shí)時(shí)模擬（RTM）、預測（前瞻性）模擬（PM）、壓縮機站優(yōu)化（CSO）、壓縮機性能自動(dòng)優(yōu)化（RTCT）、氣體負荷預測（LF）、歷史數據存儲。美國建立公司統一的地理信息系統（GIS），將管道物理數據和地理數據整合，覆蓋4×10⁴英里（1英里=1.609千米）天然氣管道，與其他信息系統（如風(fēng)險管理系統、設備管理系統、管網(wǎng)模型系統）相接，實(shí)現公司對管道動(dòng)、靜態(tài)數據的統一管理。

    挪威Statoil公司開(kāi)發(fā)了管道完整性管理系統，集成了SAP、Maximo、STAR、Intergraph、Inspection等系統的數據，管理者可以在同一界面查看管道的完整信息，如管道設計、運行情況、維護歷史等，大幅降低了管理難度，提高了管理效率。美國雪佛龍公司開(kāi)發(fā)了VMACS（Volumetric Management and Customer Service），通過(guò)對相關(guān)管道數據進(jìn)行采集、分析和共享，實(shí)現降低成本、優(yōu)化資源并最大限度地利用管道的生產(chǎn)能力。

英國BP公司利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高管道資產(chǎn)與人員的安全性，通過(guò)先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)智能終端應用，實(shí)現設備、儀表的位置標記與識別，資產(chǎn)周期、歷史數據與關(guān)聯(lián)性查詢(xún)，包括現場(chǎng)操作工人操作規程指引，現場(chǎng)工單提示與任務(wù)分配，以及現場(chǎng)工作狀態(tài)、進(jìn)展、規程與位置跟蹤；通過(guò)使用帶有高清晰度攝像頭及熱力傳感器等的無(wú)人機（UAV）技術(shù)，對復雜自然環(huán)境中的管道進(jìn)行泄漏檢測與安全監控。

英國BP公司Cherry Point煉油廠(chǎng)開(kāi)發(fā)了基于大數據分析的物聯(lián)網(wǎng)腐蝕管理系統，將腐蝕無(wú)線(xiàn)傳感器安裝在管道重點(diǎn)部位，形成物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)監測，獲得大量實(shí)時(shí)數據并上傳到系統中。某些惡劣環(huán)境會(huì )影響電氣系統對腐蝕傳感器數據的讀取，形成錯誤數據，但數據生成的數量彌補了跳動(dòng)影響，可以隨時(shí)監測到管道重點(diǎn)部位的承壓，使管理人員實(shí)時(shí)了解到某些種類(lèi)的原油比其他種類(lèi)原油更具腐蝕性。

加拿大Enbridge公司利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)智能移動(dòng)終端，實(shí)時(shí)收集、匯總、傳輸儀表與資產(chǎn)數據，站隊現場(chǎng)維修維護數據與工單處理，管道巡線(xiàn)數據處理，環(huán)境、健康、火災、安全等HSE檢查，以及合規性檢查等資料。

美國CDP管道公司，提出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能管道領(lǐng)域的全面應用方案，建立了智能人員生命安全裝備系統（ALSS），在Wifi環(huán)境下持續監測有害氣體、追蹤人員位置狀態(tài)；通過(guò)地質(zhì)災害監測系統監測管道變形和泄漏等異常情況，通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行站隊現場(chǎng)維修維護數據與工單處理及視頻通話(huà)，實(shí)現無(wú)人機管道路由監測與預警。

1.3　智能管網(wǎng)的特點(diǎn)及建設難點(diǎn)

    智能化管網(wǎng)系統是一個(gè)龐大的應用工程系統，其將眾多相對獨立的管道數字化，集成化和產(chǎn)品化，整合為以海量數據庫為基礎的系統，實(shí)現數據共享，具有智能化、數字化、可視化、標準化、自動(dòng)化、一體化特征，并具有專(zhuān)業(yè)性、兼容性、共享性、開(kāi)放性、安全性特點(diǎn)，最大限度地消除信息孤島。智能化，即實(shí)現管道的運行優(yōu)化、管道安全風(fēng)險的預測預警、應急搶險的交互聯(lián)動(dòng)響應；數字化，即通過(guò)文檔資料及圖片資料的結構化、索引化，加強知識共享，更為設備更新改造提供便捷；可視化，即實(shí)現管道相關(guān)數據的圖形、圖像、視頻、圖表分析信息的多維度查詢(xún)及可視化展示；標準化，即生命周期的業(yè)務(wù)標準、技術(shù)標準、數據標準，以及設計、建設期成果的數字化移交標準；自動(dòng)化，即完善管道的自控儀器儀表、檢測設備及監控系統，實(shí)現管道運行狀態(tài)的自動(dòng)檢測；一體化 ，即全面整合生產(chǎn)運行的實(shí)時(shí)數據和管理應用的業(yè)務(wù)數據，通過(guò)大數據建模分析實(shí)現決策支持。

   智能管網(wǎng)的建設難點(diǎn)和制約因素主要包括以下幾個(gè)方面：

    （1）數據準確性的難點(diǎn)，智能管網(wǎng)平臺是確保建設期數據與運行期數據一體化的平臺，涵蓋管道全生命周期的各個(gè)階段，數據的準確性直接影響管道的智能化水平。 

    （2）數據統一的難點(diǎn)，建設期與運行期要采用同樣的數據框架、數據字典，系統建設才能落地，數據才能自由調用。 

    （3）智能化應用的難點(diǎn)，體現在如何建模才能與管道實(shí)際運行情況相吻合，重點(diǎn)在于決策支持分析，即如何為管道企業(yè)決策提供支持服務(wù)。

    （4）系統運行速度及自維護的難點(diǎn)，系統的運行速度，直接決定只能管網(wǎng)建設的成敗，需要采用GIS調用和存儲的新技術(shù)，同時(shí)，需要解決如何使數據變成活數據，增加更新速度，提高自維護性能的問(wèn)題。 

    （5）體系建設與平臺同步的難點(diǎn)，體系建設必須與平臺同步，否則未來(lái)應用和運維等均難以落實(shí)。 

2　智能管網(wǎng)解決方案

2.1　建立管道全生命周期數據標準 

    為了形成與管道實(shí)體相對應的數據資產(chǎn)，確保數據的完整性及可重復應用，需要構建數據標準和規范，在整個(gè)生命周期內執行同樣的數據標準，各業(yè)務(wù)數據通過(guò)數據模型進(jìn)行整合。通過(guò)構建智能化管道數據標準，在管道全生命周期內，各類(lèi)業(yè)務(wù)產(chǎn)生、傳遞、共享、應用、形成完整的數據信息鏈。

2.2　構建管道全生命周期數據庫

    管道全生命周期管理（Pipeline Lifecycle Management，PLM）可定義為：在管道規劃、可行性研究、初步設計、施工圖設計、工程施工、投產(chǎn)、竣工驗收、運維、變更、報廢等整個(gè)生命周期內，整合各階段業(yè)務(wù)與數據信息，建立統一的管道數據模型，實(shí)現管道從規劃到報廢的全業(yè)務(wù)、全過(guò)程信息化管理。

    構建全生命周期管道數據模型，以設計和運行為主，創(chuàng )建APDM數據模型，將各階段全業(yè)務(wù)數據按中心線(xiàn)入庫和對齊，通過(guò)將全部數據加載到管道數據模型上，對管道本體及周邊環(huán)境數據、管道地理信息數據、業(yè)務(wù)活動(dòng)數據和生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據等數據資源進(jìn)行集中存儲和開(kāi)發(fā)利用，實(shí)現物理管道和數字管道模型的融合（圖1）。

圖1　管道全生命周期數據庫構成示意圖

2.3　全生命周期智能管網(wǎng)設計

    全生命周期包括管道建設、運營(yíng)兩個(gè)階段，同時(shí)將決策支持作為重要組成部分，突出智能管道的決策支持功能（圖2、圖3）。

 圖2　全生命周期智能管網(wǎng)結構設計圖

圖3　大數據分析決策支持分析流程圖

2.4　搭建基于GIS的全生命周期智能管網(wǎng)平臺

    按照“統一系統、統一平臺、統一安全、統一運維”的思路，基于云架構建設數據中心、應用平臺和共享服務(wù)系統，形成統一的建營(yíng)一體化平臺，構建管道建設與運營(yíng)業(yè)務(wù)應用功能，滿(mǎn)足工程建設和運營(yíng)管理的業(yè)務(wù)需求。

圖4　管道生命周期GIS 數據平臺及數據庫搭建流程圖

2.5　施工管理

2.5.1 施工數據采集錄入管理

施工數據入庫包含施工全過(guò)程的數據采集、整理、轉換、傳輸和加載等內容，既要滿(mǎn)足數據完整性、合規性、可靠性、外延擴展性和邏輯一致性等要求，又要滿(mǎn)足空間數據和屬性數據的關(guān)聯(lián)關(guān)系的正確性及與其他數據的融合精度要求，如遙感數據、航測數據、設計數據、地形數據、工程數據等，對于數據入庫的邏輯結構，包括字段、數據類(lèi)型、字段長(cháng)度、單位等必須滿(mǎn)足智能化管道標準的要求。

2.5.2　工程建設過(guò)程可視化管理

    工程建設過(guò)程可視化質(zhì)量管理，是以督導施工過(guò)程規范化為目標，以空間圖像、照片為手段，實(shí)現反映問(wèn)題有圖有真相，是施工過(guò)程可視化質(zhì)量管理的有效手段。系統通過(guò)智能手持終端快速拍照，有效記錄施工過(guò)程，根據照片的坐標信息，定位承包商。

2.5.3　工程數據數字化移交

    以全生命周期數據庫的方式進(jìn)行移交，移交成果為管道建設數據庫，便于未來(lái)管道運行管理過(guò)程中查詢(xún)和調用技術(shù)參數、設備屬性，數據可用性強，可為后續應用系統直接提供基礎數據。

2.6　管道運維管理

    開(kāi)發(fā)基于GIS的運維管理模塊，實(shí)現運維期管道全生命周期的閉環(huán)管理，滿(mǎn)足完整性管理6步循環(huán)的要求，實(shí)現數據采集、高后果區識別、風(fēng)險評價(jià)、完整性評價(jià)、修復與減緩、效能評價(jià)的全過(guò)程管理（圖5）。

圖5　管道運維管理流程示意圖

2.6.1　腐蝕控制斷電電位管理

    陰極保護工程實(shí)施斷電電位管理，采用電位遠傳的方式，實(shí)現日常陰極保護數據如保護電位、自然電位、恒電位儀、保護電流密度等的上傳和自動(dòng)上報，并對防腐層檢測與修復情況進(jìn)行科學(xué)管理。

2.6.2　高后果區、地區等級升級地段風(fēng)險評估

    針對高后果區、地區等級升級地段，采用基于歷史失效數據和基于可靠性理論的計算模型，考慮天然氣管道失效模式對后果的影響，建立管道失效概率計算方法；分析管道事故災害類(lèi)型，并考慮財產(chǎn)損失、人員傷亡、管道破壞、服務(wù)中斷和介質(zhì)損失等管道失效后果情景，建立天然氣管道失效后果的定量估算模型^[18]。

圖6　天然氣管道失效后果定量風(fēng)險評估流程圖

2.6.3　智能無(wú)人機巡線(xiàn)

    傳統的人工巡線(xiàn)方法，不僅工作量大，而且條件艱苦，特別是山區、河流、沼澤及無(wú)人區等地的管道巡檢，抑或冰災、水災、地震、滑坡、夜間的巡線(xiàn)檢查，所花時(shí)間長(cháng)、人力成本高、困難大。而管道線(xiàn)路危險區域巡檢采用無(wú)人機全數字化巡檢，在特殊地段、風(fēng)險較大的地段，進(jìn)行第三方防范巡護、泄漏巡檢巡護，可以克服傳統人工巡線(xiàn)方法的不足。泄漏巡檢搭載高精度紅外熱像儀或紅外光譜儀，可以對危險區域進(jìn)行泄漏識別，及時(shí)預警和報警。

2.6.4　管道在線(xiàn)完整性評估

    針對內外檢測缺陷、幾何變形、重車(chē)碾壓、洪水沖擊、礦場(chǎng)堆料、管道懸空、閥室沉降、管道屈曲、山體滑坡、管道落差坑溝填埋、并行管道、爆破等建立有限元仿真評估模型。 目前，重點(diǎn)針對不同鋼級管道適用性評估開(kāi)展研究，建立了管道氫致開(kāi)裂、焊縫、平面型缺陷、體積型缺陷、幾何缺陷的理論評估方法，建立了有限元、邊界元的數學(xué)仿真模型，開(kāi)發(fā)了系列評估軟件；提出了氫致開(kāi)裂斷裂判據，研究了氫濃度對管道斷裂的影響，建立了新的管道失效評定關(guān)系，并給出了失效評定圖；確定了一定輸送壓力和H₂S含量下，含裂紋缺陷管道的安全度和安全范圍，給出了相應的安全系數；建立了管道ICDA直接評估、管道ECDA直接評估、應力腐蝕開(kāi)裂SCCDA直接評估方法，實(shí)現了管道實(shí)時(shí)在線(xiàn)完整性評估。已經(jīng)開(kāi)發(fā)的模塊、模型^[19]有：管道適用性評價(jià)標準 API579、管道國際缺陷評價(jià)標準DNV-RP-F101\ASMEB31.G\Rstreng\Modified B31.G、管道焊縫評估系統、管道BS7910 評估系統、管道氫致開(kāi)裂完整性評價(jià)與壽命預測系統。

3　管道數據挖掘與決策支持

3.1　應急決策支持

   發(fā)揮智能管網(wǎng)系統應急指揮和應急決策支持的作用，滿(mǎn)足應急指揮決策的需求，主要是實(shí)現應急情況下對管道基礎數據和管道周邊環(huán)境數據的及時(shí)調取，并自動(dòng)計算疏散范圍、安全半徑，自動(dòng)輸出應急預案、應急處置方案等，通過(guò)搶修物資與搶修隊伍的路由優(yōu)化，實(shí)現一鍵式應急處置方案文檔輸出，輸出數據包括：管道基本信息、事故影響范圍、應急設施、人口分布、最佳路由、應急處置方案等。 

3.2　大數據決策支持

基于大數據的相關(guān)性、非因果性分析理論，管道系統大數據的來(lái)源包括實(shí)時(shí)數據、歷史數據、系統數據、網(wǎng)絡(luò )數據等，類(lèi)別包括管道腐蝕數據、管道建設數據、管道地理數據、資產(chǎn)設備數據、檢測監測數據、運營(yíng)數據、市場(chǎng)數據等。未來(lái)管網(wǎng)系統大數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現信息系統集成，將各類(lèi)數據統一整合，通過(guò)建立大數據分析模型，解決管道當前的泄漏、腐蝕、自然與地質(zhì)災害影響、第三方破壞等數據的有效應用問(wèn)題，獲得腐蝕控制、能耗控制、效能管理、災害管理、市場(chǎng)發(fā)展、運營(yíng)控制等綜合性、全局性的分析結論（圖7），指導管道企業(yè)的可持續發(fā)展^[20]。

圖7　管道大數據決策支持系統示意圖

3.3　焊縫大數據風(fēng)險分析

     焊縫是管道的重要特征之一，其質(zhì)量直接影響管道的本質(zhì)安全，2010年以來(lái)，國內發(fā)生了10余起管道焊縫失效事故。焊縫缺陷主要表現為：管道碰死口，焊縫射線(xiàn)片不合格，隱藏缺陷，焊縫射線(xiàn)底片與焊口對應不上。通過(guò)大數據分析能夠發(fā)現焊縫缺陷或隱含的問(wèn)題，獲取碰死口位置的全部底片^[21]。

     基于X 射線(xiàn)的焊縫圖像，可以對缺陷的特征進(jìn)行提取和自動(dòng)識別：對焊縫圖像采用均值濾波和中值濾波相結合的方法進(jìn)行預處理，對比兩類(lèi)圖像增強算法，選擇直方圖均衡方法進(jìn)行圖像增強，采用迭代閾值圖像分割算法對焊縫區域進(jìn)行分割，并對焊縫缺陷進(jìn)行特征提取和特征選擇，進(jìn)而采用基于二叉樹(shù)的SVM 分類(lèi)器方法對焊縫缺陷進(jìn)行分類(lèi)識別，篩選可能的缺陷特征，如裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、球狀夾渣及條狀夾渣等。

圖8　焊片氣孔Roberts 算子分析結果

3.4　基于物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)監測的災害預警

    開(kāi)發(fā)了管道地質(zhì)災害監測系統，由傳感器、采集儀、傳輸模塊、評價(jià)系統組成，其克服了極端天氣、系統供電等困難，實(shí)現了7×24 h時(shí)時(shí)監測及自動(dòng)報警管理。該系統能夠實(shí)時(shí)監測地質(zhì)災害區、高后果區管道的應力、應變狀態(tài)，包括應變監測、溫度監測、位移監測、土壓監測，及時(shí)進(jìn)行應變報警、應力報警、位移報警，已經(jīng)形成管道監測網(wǎng)。

3.5　管道泄漏實(shí)時(shí)監測

   管道泄漏監測系統以SCADA系統或負壓波、次生波、光纖等監測傳感器的實(shí)時(shí)數據作為基礎，數據出現異常時(shí)系統將詳細檢查這些異常數據，并分析是否為泄漏。 管道泄漏監測系統發(fā)現泄漏點(diǎn)后，將立刻發(fā)出警報并顯示泄漏地點(diǎn)、泄漏時(shí)間、泄漏速度和泄漏總量等數據^[22]。 

3.6　遠程設備維護及故障隱患可視化巡檢培訓

   拆裝維護實(shí)訓，通過(guò)對設備零部件、組件按正確順序地拆解和組裝，可以直觀(guān)地查看設備整體展開(kāi)或剖面結構，單獨查看設備各個(gè)零部件和組件的外觀(guān)，掌握設備的組成、結構及運行原理，以及正確的拆裝工具、拆裝流程、注意事項，為設備的維護維修奠定基礎。

    通過(guò)積累長(cháng)輸管道場(chǎng)站典型故障與隱患案例，建立故障隱患數據庫，利用三維可視化技術(shù)對場(chǎng)站進(jìn)行三維重建，學(xué)員在虛擬環(huán)境中巡查摸排系統設定的故障隱患，熟悉典型故障點(diǎn)及處理方法。同時(shí)，系統在員工訓練結束后可以給出分析評價(jià)，使領(lǐng)導能夠定期掌握員工對風(fēng)險故障隱患的掌握情況。

3.7　移動(dòng)應用

    隨著(zhù)4G、5G網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的形成，移動(dòng)應用成為管道管理發(fā)展的重要組成部分。移動(dòng)應用（圖9）使管理者與系統緊密結合，保證第一時(shí)間內開(kāi)展突發(fā)事件處置、文件處理、在線(xiàn)管理，及時(shí)了解管道運行動(dòng)態(tài)，最大限度地保障管道安全運營(yíng)。

圖 9　管道移動(dòng)應用設計框圖

4　結論和建議

    （1）智能管網(wǎng)已經(jīng)成為管道信息技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，是現代通信與信息技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、智能控制技術(shù)及行業(yè)相關(guān)先進(jìn)技術(shù)匯集而成的針對油氣管道應用的智能集合，最終實(shí)現遠程和實(shí)時(shí)控制及基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數據采集，未來(lái)將與大數據建模分析、人工智能緊密結合在一起，為油氣管道安全可靠、優(yōu)化高效、環(huán)境友好運營(yíng)服務(wù)。

    （2）智能化管網(wǎng)的建設與發(fā)展，管網(wǎng)建設期數字化水平、運營(yíng)期完整性管理的實(shí)施深度是基礎，數據和分析模型的精準性是決定性因素，自適應控制與反饋是實(shí)現途徑。

    （3）智能管網(wǎng)系統的移動(dòng)應用領(lǐng)域，是管道企業(yè)發(fā)展的主流方向，但要克服運行速度、數據保密、預警報警機制設置等難題，移動(dòng)應用的個(gè)性化設置、維護機制均需重點(diǎn)考慮。

    （4）全生命周期的智能管網(wǎng)建設，最重要的是解決數據采集到數據應用的難題。管道行業(yè)大數據模型和應用，未來(lái)一定向云計算領(lǐng)域發(fā)展，最終將智能管網(wǎng)實(shí)踐應用遷移到云上，使所有用戶(hù)共享數據和模型。

    （5）建議未來(lái)新建管道，考慮智能管網(wǎng)一體化平臺建設，減少數據重復錄入，避免應用系統的重復建設，加大數據的應用范圍。

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