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1 文章编号：1000-8241（2017）××-0×××-0×基于大数据的全生命周期智能管网解决方案董绍华张河苇中国石油大学（北京）摘要：智能管网可以解决当前系统繁多以及数据采集与应用脱节的问题，实现油气管道安全、高效、可持续发展。全面阐述了国内外数字化管道、智能管网的实施进展，分析了智能管网发展的特点、难点以及存在的问题，研究建立了管道全生命周期数据标准，构建了管道全生命周期数据库。提出了全生命周期智能管网的设计架构，包括管道全生命周期资产设施管控、运行管理控制、决策支持3个方面。提出了基于GIS的智能化管理平台方案，搭建了管道建设与运维一体化智能管理平台，一是用于建设期施工数据采集、数字化数据库移交、施工质量可视化管理；二是用于运营期腐蚀防护电位控制、在线完整性评估、高后果区、地区等级升级地区的风险评估以及无人机巡线等完整性管理循环；三是用于管网的决策支持，包括大数据建模、应急决策支持、焊缝大数据风险识别、基于物联网的灾害监测预警、管道泄漏实时监测、远程设备维护培训、远程故障隐患可视化巡检、移动应用等。智能管网的推广应用，有利于管道管理水平的提升，为决策者提供足够的信息，保障管道企业安全、高效运营。关键词：大数据；全生命周期；智能管网；一体化平台；决策支持中图分类号：TE89文献标识码：Adoi：网络出版时间：网络出版地址：从国内外管道管理的发展历程来看，伴随信息技术和完整性管理技术的进步发展，建设数字化管道已经成为国内外管道运营者的主要目标，管道企业均建立了GIS系统和完整性管理系统，并取得重要成果。但近年来，随着大数据、物联网、云计算、人工智能的发展，管道运营管理模式发生转变，数字化管道逐步向智能化管道发展，以大数据分析、数据挖掘、决策支持、移动应用等方式进行管道管理，从而补充传统管理方式的不足[1-2]。智能管网系统是实现智能管网管理的手段和载体，其集成管道和站场的所有信息，采用大数据建模的分析理念，提供成熟可靠的智能管网一体化解决方案，包括：通过物联网平台实现对生产安全风险点的全面监控，以及所有管理环节所需信息的全面共享；通过大数据建模，实现设备设施数据的实时分析处理，保障生产活动安全有序。智能管网进一步突出管网经济高效的目标，全面自动采集数据，贯通上下管理环节，实现管网运行事前优化预测、事中实时监测，事后全面分析的闭环管理，降低油气管网运营成本。1智能管网发展概况1.1国内研究进展数字化管道是中国石油天然气集团公司最早提出的，并陆续将数字化技术应用于油气管道行业的勘察设计和施工阶段，2004年首先应用于西气东输冀宁管道联络线，2008年在西气东输二线、中缅油气管道等工程建设中，利用卫星遥感技术、全球定位技术、GIS成图技术在勘察设计和施工阶段帮助优化路由，利用实时数据采集和管网运行监控等技术实现集中监控和运行调度，在管道数字化方面缩小了与欧美发达国家的差距[3-7]。中国石油天然气集团公司将数字管道建设确定为技术发展的重点，对已建或拟建工程中的互联网技术、GIS、GPS的应用进行统一规划部署，并与SCADA等自动化管理技术有机结合，开发了PIS完整性管理系统、GIS地理信息系统，为所辖油气田和管道的在线检漏、优化运行、完整性管理提供数据平台。目前，建立了以SCADA、气象与地质灾害预警等平台、天然气与管道ERP、管道生产管理、管道工程建设管理（PCM）、管道完整性管理（PIS）、天然气销售等信息系统为支撑的总体信息化系统，全面支持资产和物流两条主线的业务工作。中国石油天然气集团公司所辖管道企业2001年开始引进完整性管理理念，建立完整性管理体系，2007年开始推广应用，2009年建设PIS完整性管理系统，完整性管理覆盖率达到48%，2012年覆盖全部长输管道。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级提高至2009年的6~7级，打孔发案率下降35%。中石油北京天然气管道有限2016-09-0918:33:08 公司在智能化管道方面，搭建了管道建设期、运行期数据一体化平台，建立了管道全生命周期数据库，建设了国内首个基于全生命周期的GIS应急决策支持系统，实现了管道安全评价、风险评估及完整性评价，以及生产运行过程和设备状态数字化、可视化的动态安全监测和管理。其GIS应急决策支持平台与生产实践结合紧密，包括管道基础地理数据全入库，自动维护平台、地理信息系统平台、应急决策支持一键式输出，实现桩加载的全部管道数据提取[8-9]。中海油气电集团有限责任公司完成了生产调度及应急指挥中心、贸易平台、LNG汽车加气运营管理平台、资金平台、槽车远程监控系统、应急指挥系统等的构建及深化应用，构成了信息化的主体框架，形成了集团级生产运营系统的全息化“基础平台”，同时生产数据采集与展示平台融合各项目公司的GIS数据、数字化管道数据、DCS/SCADA等生产经营数据，成为统一的“数据仓库”。建成了综合办公信息系统、视频会议系统扩容及互联网应用项目、手机移动平台功能扩展项目、外网门户网站、内部门户网站、Sap财务系统与用友财务系统双线融合、装备管理综合信息平台等。目前正在构建智慧气电，建设全面覆盖、高度集成的先进信息网，用以快速、全面、正确地获取、理解、判断集团全产业链业务运营状态，并作出智能化决策。中国石油化工股份有限公司榆济管道工程在施工阶段同步进行数据采集，20072008年开展的数字化管道建设，以二维GIS系统为基础平台，包括管道走向、埋深图，采集了较多的施工数据，叠加了影像图，其运营期的系统建设按照总部智能化管道系统的标准正在整理基础数据。川气东送管道的数字化建设亦逐步推进中，投产后建设了3D管道GIS系统，补充了施工数据，实现了大口径、高压力、长距离天然气输气管道全程全景真三维、地下地表地上一体化、站线一体化、二三维一体化的管道专业地理信息系统。数据覆盖全线逾2200km管道本体及附属设施[10-12]。2014年中国石油化工股份有限公司启动了“中国石化智能化管道管理系统”项目，完成了项目顶层设计和管道数字化管理、管道完整性管理、管道运行、应急响应管理、综合管理五大类功能的研发，以及7家试点企业39条1939km管道系统的实施和27座站场的数字化、可视化管理。同时，重视数据标准化和业务流程模板化，形成5类21项标准规范。中国石油化工股份有限公司智能化管道目标是：建设集成数据中心和共享服务平台，建设上下贯通的6大应用模块，即管道数字化管理、管道完整性管理、管道运行管理、应急辅助管理、隐患治理管理、综合管理，形成安全可靠的工作平台，满足管道安全运行管理要求。1.2国外研究进展国外管道的建设运行逐渐向智能管网方向发展，已经取得重要成果，与信息技术保持同步发展，管道建设和运行的各个阶段应用了云计算移动存储、物联网数据精准采集、大数据决策分析[13-17]。美国休斯敦的控制中心控制着全美近1/2的天然气业务，石油管道业务则由设在Tulsa的控制中心监控管理，实现实时模拟（RTM）、预测（前瞻性）模拟（PM）、压缩机站优化（CSO）、压缩机性能自动优化（RTCT）、气体负荷预测（LF）、历史数据存储。美国建立国家统一的地理信息系统（GIS），将管道物理数据和地理数据整合，覆盖4×104英里（1英里=1.609千米）天然气管道，与其他信息系统（如风险管理系统、设备管理系统、管网模型系统）相接，实现全美管道动、静态数据的统一管理。挪威Statoil公司开发了管道完整性管理系统，集成了SAP、Maximo、STAR、Intergraph、Inspection等系统的数据，管理者可以在同一界面查看管道的完整信息，如管道设计、运行情况、维护历史等，大幅降低了管理难度，提高了管理效率。美国雪佛龙公司开发了VMACS（VolumetricManagementandCustomerService），通过对相关管道数据进行采集、分析和共享，实现降低成本、优化资源并最大限度地利用管道的生产能力。英国BP公司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，包括现场操作工人操作规程指引，现场工单提示与任务分配，以及现场工作状态、进展、规程与位置跟踪；通过使用带有高清晰度摄像头及热力传感器等的无人机（UAV）技术，对复杂自然环境中的管道进行泄漏检测与安全监控。英国BP公司CherryPoint炼油厂开发了基于大数据分析的物联网腐蚀管理系统，将腐蚀无线传3 感器安装在管道重点部位，形成物联网组网监测，获得大量实时数据并上传到系统中。某些恶劣环境会影响电气系统对腐蚀传感器数据的读取，形成错误数据，但数据生成的数量弥补了跳动影响，可以随时监测到管道重点部位的承压，使管理人员实时了解到某些种类的原油比其他种类原油更具腐蚀性。加拿大Enbridge公司利用物联网技术，通过智能移动终端，实时收集、汇总、传输仪表与资产数据，站队现场维修维护数据与工单处理，管道巡线数据处理，环境、健康、火灾、安全等HSE检查，以及合规性检查等资料。美国CDP管道公司，提出了物联网技术在智能管道领域的全面应用方案，建立了智能人员生命安全装备系统（ALSS），在Wifi环境下持续监测有害气体、追踪人员位置状态；通过地质灾害监测系统监测管道变形和泄漏等异常情况，通过移动终端进行站队现场维修维护数据与工单处理及视频通话，实现无人机管道路由监测与预警。1.3智能管网的特点及建设难点智能化管网系统是一个庞大的应用工程系统，其将众多相对独立的管道数字化，集成化和产品化，整合为以海量数据库为基础的系统，实现数据共享，具有智能化、数字化、可视化、标准化、自动化、一体化特征，并具有专业性、兼容性、共享性、开放性、安全性特点，最大限度地消除信息孤岛。智能化，即实现管道的运行优化、管道安全风险的预测预警、应急抢险的交互联动响应；数字化，即通过文档资料及图片资料的结构化、索引化，加强知识共享，更为设备更新改造提供便捷；可视化，即实现管道相关数据的图形、图像、视频、图表分析信息的多维度查询及可视化展示；标准化，即生命周期的业务标准、技术标准、数据标准，以及设计、建设期成果的数字化移交标准；自动化，即完善管道的自控仪器仪表、检测设备及监控系统，实现管道运行状态的自动检测；一体化，即全面整合生产运行的实时数据和管理应用的业务数据，通过大数据建模分析实现决策支持。智能管网的建设难点和制约因素主要包括以下几个方面：（1）数据准确性的难点，智能管网平台是确保建设期数据与运行期数据一体化的平台，涵盖管道全生命周期的各个阶段，数据的准确性直接影响管道的智能化水平。（2）数据统一的难点，建设期与运行期要采用同样的数据框架、数据字典，系统建设才能落地，数据才能自由调用。（3）智能化应用的难点，体现在如何建模才能与管道实际运行情况相吻合，重点在于决策支持分析，即如何为管道企业决策提供支持服务。（4）系统运行速度及自维护的难点，系统的运行速度，直接决定只能管网建设的成败，需要采用GIS调用和存储的新技术，同时，需要解决如何使数据变成活数据，增加更新速度，提高自维护性能的问题。（5）体系建设与平台同步的难点，体系建设必须与平台同步，否则未来应用和运维等均难以落实。2智能管网解决方案2.1建立管道全生命周期数据标准为了形成与管道实体相对应的数据资产，确保数据的完整性及可重复应用，需要构建数据标准和规范，在整个生命周期内执行同样的数据标准，各业务数据通过数据模型进行整合。通过构建智能化管道数据标准，在管道全生命周期内，各类业务产生、传递、共享、应用、形成完整的数据信息链。2.2构建管道全生命周期数据库管道全生命周期管理（PipelineLifecycleManagement，PLM）可定义为：在管道规划、可行性研究、初步设计、施工图设计、工程