數(shù)字孿生平臺在輸氣管網(wǎng)監(jiān)控中的應(yīng)用研究

孟凡華 陳勇智

摘要：煤層氣生產(chǎn)管網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行以來隨著清管作業(yè)時間頻繁、采氣線受到冬季影響、管線泄露等因素導(dǎo)致的產(chǎn)量下降情況屢屢發(fā)生，為了減少管網(wǎng)運(yùn)行過程中的各種隱患和及時查找故障，采集礦權(quán)范圍內(nèi)電子地圖信息，建立三維模型。在三維GIS平臺中集成管線泄露報警監(jiān)測，實(shí)時掌控管線運(yùn)行狀態(tài)，異常數(shù)據(jù)及時報警。實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)管線運(yùn)行參數(shù)實(shí)時查詢、曲線分析、預(yù)警報警功能。保證生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：采氣管線;三維模型;GIS平臺;實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測

引言

煤層氣公司每年都有大批的地面建設(shè)工程項(xiàng)目實(shí)施，由此帶來的井、站和管網(wǎng)變化及地物、地貌的變化非常明顯，如不及時更新CIM中相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和應(yīng)用可靠性迅速降低，甚至可能失去使用價值。因此，系統(tǒng)應(yīng)建立完善的維護(hù)更新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)動態(tài)（或定期）更新，使系統(tǒng)最大限度體現(xiàn)現(xiàn)勢性要求，保證數(shù)據(jù)一致性、完整性。在系統(tǒng)建設(shè)階段，建立一套完善的管理機(jī)制和流程，形成一支專職、高效的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)更新的隊伍，建立相應(yīng)的管理規(guī)劃和操作規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)流程，同時提供必要的技術(shù)保障手段，以保證煤層氣CIM系統(tǒng)的長期應(yīng)用。

1數(shù)字孿生概念

Digital Twin數(shù)字孿生：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生在石油行業(yè)應(yīng)用將以CIM城市信息模型（City Information Modeling）為基礎(chǔ)，建立起三維空間模型和信息的有機(jī)綜合體，將大場景的GIS數(shù)據(jù)、小場景的BIM數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合

從根本上講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實(shí)體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動態(tài)呈現(xiàn)，有助于提升企業(yè)績效。將數(shù)字孿生應(yīng)用于部署資產(chǎn)能夠提供深刻洞見， 而將數(shù)字孿生應(yīng)用于生產(chǎn)流程則能夠產(chǎn)生功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。

2 設(shè)計準(zhǔn)則

以山西煤層氣分公司與臨汾項(xiàng)目部礦權(quán)范圍為主，采集礦權(quán)范圍內(nèi)電子地圖信息，建立三維模型。在三維GIS平臺中集成管線泄露報警監(jiān)測，實(shí)時掌控管線運(yùn)行狀態(tài)，異常數(shù)據(jù)及時報警。實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)管線運(yùn)行參數(shù)實(shí)時查詢、曲線分析、預(yù)警報警功能。開發(fā)建設(shè)一套符合勘探開發(fā)指揮部指揮調(diào)度、決策輔助、智慧管理需求的數(shù)字孿生信息模型系統(tǒng)，在一期三維地形、數(shù)據(jù)匯集基礎(chǔ)上，進(jìn)行場站、管線的精細(xì)化管理，建立精細(xì)化數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)勘探開發(fā)指揮部的信息化、可視化、自動化、高精度數(shù)字化管理，為各級領(lǐng)導(dǎo)提供決策依據(jù)，為各單位的生產(chǎn)管理提供應(yīng)用支持，提高生產(chǎn)管理效率，為管理與大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)結(jié)合建立數(shù)字底板基礎(chǔ)，具體內(nèi)容如下：

（1）以現(xiàn)有航空遙感（RS）資料、地形資料、建筑設(shè)備資料為基礎(chǔ)，建設(shè)一整套三維可視化系統(tǒng)來為煤層氣公司生產(chǎn)、管理提供更加方便、直觀、可行的可視化輔助手段;

（2）對現(xiàn)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖紙資料等統(tǒng)一收集、整理和處理，以提高數(shù)據(jù)參照性和最終提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;

同時，系統(tǒng)的建設(shè)需要遵循以下原則：

① 實(shí)用性

最大可能地滿足山西煤層氣分公司的業(yè)務(wù)要求，這是系統(tǒng)建設(shè)的根本目標(biāo)，也是系統(tǒng)設(shè)計的基本出發(fā)點(diǎn)。實(shí)用性要求做到：易于使用、便于系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)更新簡便和系統(tǒng)升級容易，具有優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以及友好的用戶界面。達(dá)到業(yè)務(wù)人員能夠操作，逐步形成全公司業(yè)務(wù)處理的計算機(jī)化，逐步提高生產(chǎn)管理水平。

② 標(biāo)準(zhǔn)化和開放性

信息系統(tǒng)的開放性可以說是系統(tǒng)生命力的表現(xiàn)，只有開放的系統(tǒng)才能夠兼容和不斷發(fā)展。我們將按照中石油數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究開發(fā)，遵循統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一權(quán)限、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的原則進(jìn)行開發(fā)。兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3D格式，包括3DMAX/各類BIM標(biāo)準(zhǔn)格式。平臺提供了豐富的接口，可供二次開發(fā)，并可主動對接應(yīng)用接口。

③ 先進(jìn)性

信息技術(shù)發(fā)展一日千里，軟硬件更新?lián)Q代速度非?？?。在“系統(tǒng)”的設(shè)計中要有超前性，必須充分考慮技術(shù)的發(fā)展趨勢。同時在硬件配置和系統(tǒng)設(shè)計中還充分考慮系統(tǒng)的發(fā)展和升級，使“系統(tǒng)”具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，在國內(nèi)同類型軟件系統(tǒng)中始終處于技術(shù)領(lǐng)先地位。

④ 可靠性

應(yīng)能保證系統(tǒng)能夠在大量用戶的使用中安全可靠的運(yùn)行。支持一定數(shù)量的并發(fā)用戶數(shù)。同時保證系統(tǒng)安全。

⑤ 經(jīng)濟(jì)性

系統(tǒng)建設(shè)既要保證技術(shù)領(lǐng)先、功能強(qiáng)大又要兼顧投入資金的限制，在實(shí)用的基礎(chǔ)上做到最經(jīng)濟(jì)。工作周期不能太長，硬件和軟件配置、系統(tǒng)開發(fā)和數(shù)據(jù)庫建立等方面都要充分考慮投入的問題。

通過CIM平臺，可以三維可視化的方式進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。通過對接管網(wǎng)指標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)，將各監(jiān)控指標(biāo)與管網(wǎng)所在位置進(jìn)行對應(yīng)，以可視化的方式進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行情況的展示和異常情況的報警。CIM總體框架見圖1

第一層監(jiān)控：監(jiān)控站場外輸管線的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測壓力、溫度、流量的瞬時數(shù)據(jù)、實(shí)時趨勢等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行異常情況報警。以各運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行分段、分類。正常運(yùn)行時，各站與處理中心的輸差值在正常范圍時，相應(yīng)管線區(qū)域標(biāo)記為綠色，壓力梯度是正常范圍，不超過警戒線。如有異常情況，則對相應(yīng)區(qū)間管道進(jìn)行紅色標(biāo)記、并進(jìn)行彈窗、廣播等通知。此項(xiàng)功能主要監(jiān)控集氣管道是否有堵塞、泄露的危險。

第二層監(jiān)控集氣站與各閥組之間管線的運(yùn)行狀態(tài)，對集氣站與各閥組之間的管線進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測管線、閥組間的壓力、溫度、流量順勢數(shù)據(jù)、實(shí)時趨勢等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)可視化運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)記和報警。;

第三層是單井與閥組之間管線的運(yùn)行狀態(tài)，同時具備以下功能

（1）信息查詢：

通過查信息工具，可點(diǎn)擊軟件地圖上的井、站、管網(wǎng)等地面設(shè)施，信息查詢管道的管徑、材質(zhì)、外徑、內(nèi)徑、壁厚、設(shè)計流量、長度、投產(chǎn)日期等基本參數(shù)及關(guān)聯(lián)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過對廠區(qū)環(huán)境、建筑的還原，建立廠區(qū)的時空可視化平臺，可在CIM平臺搭載各類設(shè)施設(shè)備，

實(shí)現(xiàn)各設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行情況、指標(biāo)參數(shù)、儀器儀表的實(shí)時監(jiān)測，可以快速直觀地了解到各設(shè)備的具體位置、運(yùn)行狀態(tài)，及時地進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)測。

平臺將對接各類設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，基于統(tǒng)一的地理位置實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的打通，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，以及數(shù)據(jù)聯(lián)動，通過指標(biāo)分析，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控及設(shè)備報警。

（2） 查詢與定位：

按關(guān)鍵字名稱查詢井、站、管線，點(diǎn)擊查詢結(jié)果中的設(shè)施可實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航定位，觀察設(shè)施周圍的地形、道路、溝渠等。

（3）可實(shí)現(xiàn)對井、站、管線等專業(yè)數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、添加、修改和刪除操作，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel表。

3 結(jié)束語

將數(shù)字孿生應(yīng)用于生產(chǎn)流程則能夠產(chǎn)生功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。與現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)合，關(guān)聯(lián)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，在平臺上可以對接各類設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，基于統(tǒng)一的地理位置實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的打通，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，以及數(shù)據(jù)聯(lián)動，通過指標(biāo)分析，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控及設(shè)備報警。

參考文獻(xiàn)

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