數(shù)字孿生技術(shù)在油氣管道管理中的應(yīng)用

趙國深，趙嘉玲，劉思妤，王星，夏榮蓓，代炳濤

(1.河北省智慧管道技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065000；2.廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

油氣資源關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。自進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國油氣管道擴(kuò)建速度逐年加快，截至目前，全國油氣管道總長已經(jīng)超過15萬千米，大大促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但是由于地理環(huán)境和人為因素的原因，在施工建設(shè)以及運(yùn)行過程中時(shí)有事故發(fā)生。

通過對20余家企業(yè)進(jìn)行梳理和分析發(fā)現(xiàn)，油氣管道建設(shè)安全管理形勢嚴(yán)峻。近13年間油氣管道管理引發(fā)的事故有18起，其中重大事故1起、較大事故4起、一般事故13起。根據(jù)事故原因分析，因“三違”導(dǎo)致的安全事故共15起，占比88%以上，如：2013年11月22日山東省青島市中石化輸油儲運(yùn)公司濰坊分公司輸油管線破裂造成的爆燃，給人民群眾造成了巨大的生命及財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重危害油氣管道及其周圍環(huán)境和社會的安全；2010年7·16大連輸油管道爆炸事故造成消防戰(zhàn)士一人犧牲、一人重傷、大片海域被污染，直接損失達(dá)到2 000多萬元。油氣管道的施工以及安全管理的重要性日益凸顯，圍繞著管道的安全管理，油氣生產(chǎn)企業(yè)做了大量的探索。隨著中國油氣骨干管網(wǎng)建設(shè)步伐的加快以及新技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)等在油氣管道管理中也獲得了大量的應(yīng)用。

特別是近年來油氣管道建設(shè)過程中結(jié)合無人機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)獲得了推廣與應(yīng)用。基于數(shù)字孿生技術(shù)，傳統(tǒng)油氣管道建設(shè)逐步向智慧管道建設(shè)轉(zhuǎn)變。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在油氣管道中研究應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字孿生也被稱為數(shù)字雙胞胎和數(shù)字化映射，它是指充分利用物理模型、傳感器、以往歷史數(shù)據(jù)，集合多學(xué)科、多專業(yè)，在虛擬空間對實(shí)體進(jìn)行模擬仿真的技術(shù)[1]。數(shù)字孿生的概念最早是由美國國防部提出利用，主要用在航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障上[2]，通過利用數(shù)字技術(shù)建立實(shí)體與三維模型的關(guān)系，利用虛擬技術(shù)再現(xiàn)真實(shí)設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)傳感技術(shù)檢測現(xiàn)有運(yùn)行情況和過往載荷，及時(shí)分析評估實(shí)體的工作狀態(tài)。油氣管道數(shù)字孿生技術(shù)可將管道數(shù)據(jù)以3D形式呈現(xiàn)，用戶可以通過檢測到的數(shù)據(jù)將實(shí)體管道與三維虛擬管道相連接，通過人工智能、大數(shù)據(jù)等對實(shí)體管道的安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

通過全息透視眼鏡，用戶可對管道的虛擬圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大和擴(kuò)展。管道數(shù)字孿生技術(shù)節(jié)省了管道數(shù)據(jù)的研究時(shí)間，有助于用戶更好地監(jiān)控管道運(yùn)行狀況，快速準(zhǔn)確地評估管道完整性[3]。

國內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)以及高校對管道數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了研究，國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司結(jié)合智慧管網(wǎng)的相關(guān)概念以及油氣管道行業(yè)企業(yè)的現(xiàn)狀，基于數(shù)字孿生技術(shù)提出了智慧管網(wǎng)建設(shè)的理論，圍繞著實(shí)體管道建設(shè)、虛擬管道模型開發(fā)、管道服務(wù)系統(tǒng)、管道數(shù)字化模型以及管道孿生數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)，獲得了實(shí)體管道與虛擬管道兩者之間的交互與融合技術(shù)[4]。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所針對油氣輸送管道業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，結(jié)合新一代信息技術(shù)，提出了智能管道發(fā)展的系統(tǒng)架構(gòu)與主要內(nèi)容[5]。中國石油管道公司智慧管道建設(shè)項(xiàng)目中心從管道設(shè)計(jì)、管道設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、調(diào)度優(yōu)化、全生命周期管理等幾個(gè)方面分析數(shù)字孿生體在油氣管道中的應(yīng)用前景，指出在油氣管道中實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬管道的仿真優(yōu)化，有利于促進(jìn)國家智慧管網(wǎng)的建設(shè)[6]。中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司以中緬油氣管道為研究重點(diǎn)，通過綜合應(yīng)用管道探測、航空攝影、傾斜攝影、數(shù)字化三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了管道建設(shè)初期的設(shè)計(jì)、構(gòu)建了中緬油氣管道的三維模型，形成了管道線路數(shù)據(jù)資產(chǎn)以及施工戰(zhàn)場的資產(chǎn)庫。同時(shí)，通過研究構(gòu)建了中緬油氣管道的數(shù)字孿生體，其構(gòu)建的管道數(shù)字化孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油氣管道的可視化運(yùn)行、可以實(shí)現(xiàn)人員的培訓(xùn)以及用來指導(dǎo)搶險(xiǎn)作業(yè)[7]。

綜上，國內(nèi)以中石油為主的公司已經(jīng)在管道數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用上開展了初步的研究，而且已經(jīng)有部分油氣管道管線進(jìn)行了初步的應(yīng)用。但是，目前該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天行業(yè)和智能制造行業(yè)，在管道中的應(yīng)用還不成熟。管道數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)表的論文也主要集中在近兩年，管道數(shù)字孿生技術(shù)仍處于研究的初期。

2 數(shù)字孿生體管道應(yīng)用技術(shù)研究

數(shù)字孿生體賦予了管道三維模型新的活力，是其從簡單的幾何模型轉(zhuǎn)變?yōu)榕c現(xiàn)實(shí)對應(yīng)的可運(yùn)行的孿生體。通過建立高保真的三維模型，在虛擬空間制造實(shí)體的孿生體，需要關(guān)聯(lián)各種屬性和定義，如加入材料屬性、感知屬性以及有限元仿真的模型。通過高保真模擬，將現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行反饋，面對可能出現(xiàn)的問題提前制定處理方案。數(shù)字孿生體可以貫穿油氣管道建設(shè)的各個(gè)階段，通過記錄整個(gè)周期的數(shù)據(jù)來反映管道各個(gè)階段的特征[7]。對管道管理提出合理化建議。關(guān)于管道數(shù)字孿生技術(shù)的研究，主要集中在管道的建模仿真技術(shù)、管道的數(shù)據(jù)傳感融合技術(shù)、管道孿生數(shù)據(jù)構(gòu)建及管理技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等方面。

2.1 數(shù)字管道建模、仿真技術(shù)

數(shù)字管道建模技術(shù)是將管道產(chǎn)品中的相關(guān)設(shè)計(jì)、工藝描述、屬性及管理等信息附著在產(chǎn)品三維模型中，為油氣管道在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、報(bào)廢全生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)定義和傳遞的數(shù)字化表達(dá)提供統(tǒng)一的模型，管道的數(shù)字化建模通常包括管道模型的幾何信息以及如應(yīng)力、應(yīng)變模型、流體力學(xué)、熱力學(xué)模型、管道材料等非幾何信息。在建模過程中常用的軟件包括 SynerGEE、GREEG、TGNET/TLNET 等國際仿真軟件，在國內(nèi)使用最廣泛的是國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司研制了RealPipe軟件。近年來，隨著我國管道運(yùn)行公里數(shù)的增加，圍繞著管線施工環(huán)境等，通過BIM和GIS集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了管道以及管道外圍環(huán)境建立起三維管道模型和管網(wǎng)信息的有機(jī)綜合體。目前已經(jīng)有大量的公司開展了管道建模及仿真技術(shù)的研究。

2.2 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)體管道與虛擬管道通過數(shù)據(jù)相融合，實(shí)體管道具有點(diǎn)多、線長、面廣的特點(diǎn)[8]。實(shí)體管道在運(yùn)行中會受到如泥石流、管道腐蝕、管道周圍塌方、管道泄漏等多種因素的影響，圍繞著管道完整性以及安全管理等方面，油氣公司已經(jīng)建立了大量的管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過傳感器物連網(wǎng)技術(shù)采集相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對油氣管道的感知，這包括紅外、光纖、遙感等方面的技術(shù)。管道感知技術(shù)難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)，同時(shí)由于傳感檢測涉及的傳感器種類多、傳輸方式多數(shù)據(jù)的融合性還不是很強(qiáng)。鑒于傳感器的種類多，給管理及數(shù)據(jù)融合帶來了困難，圍繞著管道數(shù)據(jù)采集，采用多源異構(gòu)傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和集成，將傳感轉(zhuǎn)換器、傳感無線網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等方面的技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及與數(shù)字管道建模軟件相連接是當(dāng)今管道數(shù)字孿生技術(shù)研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)。

2.3 油氣管道孿生數(shù)據(jù)構(gòu)建管理及應(yīng)用技術(shù)

隨著管道完整性技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)管理是管道安全管理的重要組成部分，管道數(shù)據(jù)管理是完整性技術(shù)的重要支撐。通過對油氣管道孿生數(shù)據(jù)的構(gòu)建以及管理實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)交互，以虛控實(shí)”。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互技術(shù)以及虛實(shí)交互技術(shù)提升實(shí)體油氣管道與虛擬管道之間的交互，通過傳感檢測網(wǎng)絡(luò)獲得實(shí)體管道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融入到虛擬管道中進(jìn)行顯示、通過虛擬管道端建立的人工智能預(yù)測技術(shù)、計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)體管道腐蝕、管道防護(hù)、管道周圍環(huán)境維護(hù)提示，管道維護(hù)預(yù)警等方面的應(yīng)用，通過數(shù)字孿生技術(shù)保障管道的安全運(yùn)行。

3 數(shù)字孿生體在管道中應(yīng)用的可行性

3.1 管道設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的管道設(shè)計(jì)大多采用三維靜態(tài)設(shè)計(jì)模型，其弊端很明顯，對設(shè)計(jì)人員依賴性高、利用率低、對于全局性的考慮不夠完善。利用數(shù)字孿生體進(jìn)行油氣管道設(shè)計(jì)包含管道線路、站場、建筑三個(gè)方面：管道線路包括場地勘察、三維測量以及選線三者協(xié)同設(shè)計(jì)；管道站場包括控制、設(shè)備、工藝、電氣管路多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)；建筑方面包括建筑輔助設(shè)施和鋼結(jié)構(gòu)協(xié)同配合。在完成多專業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完成后將進(jìn)行設(shè)計(jì)集成驗(yàn)證，它包括工藝、控制、環(huán)境、影響施工等方面的驗(yàn)證。兩者相互配合完成迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)管道設(shè)計(jì)。其過程如圖1所示。

圖1基于數(shù)字孿生的管道設(shè)計(jì)流程圖

3.2 調(diào)度優(yōu)化

基于數(shù)字孿生體的管網(wǎng)的調(diào)度模式，通過實(shí)體管線系統(tǒng)和數(shù)字孿生體虛擬系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)互換，實(shí)現(xiàn)信息共享。數(shù)字孿生體通過高度集成的虛擬模型將管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，對經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行評估完成管網(wǎng)的調(diào)度控制。形成虛擬模型和實(shí)體模型的協(xié)同工作機(jī)制，達(dá)到二者的優(yōu)化匹配和高效運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)迭代和持續(xù)優(yōu)化。其流程如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生管道調(diào)度優(yōu)化流程圖

3.3 設(shè)備維護(hù)

管道設(shè)備包括電氣設(shè)備、測量設(shè)備、減震設(shè)備等。管道設(shè)備的安全關(guān)乎整條管道線路運(yùn)行的安全?；跀?shù)字孿生的管道設(shè)備維護(hù)可以通過實(shí)體設(shè)備的檢測系統(tǒng)和歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)對數(shù)字孿生體加以更新實(shí)現(xiàn)多功能集成仿真，對設(shè)備健康壽命進(jìn)行評估。并制定維護(hù)作業(yè)計(jì)劃。

4 管道數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展建議

目前我國智慧管網(wǎng)建設(shè)處于起步階段，在數(shù)字孿生體構(gòu)建精準(zhǔn)檢測和評價(jià)、傳感技術(shù)、模型構(gòu)建、決策支持、油氣管道大數(shù)據(jù)深度挖掘等方面還存在著欠缺。圍繞開展管道數(shù)字孿生技術(shù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的智能化預(yù)警、巡護(hù)，以及管道的應(yīng)急防范，構(gòu)建管道安全智能化平臺，建立油氣管道全周期的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建油氣管道全周期數(shù)據(jù)庫，包括數(shù)字管道的建模研究、孿生管道數(shù)據(jù)融合技術(shù)、孿生數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)等方面內(nèi)容，管道數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)著力在以下幾個(gè)方面開展研究：

一是重點(diǎn)研究油氣管道數(shù)字孿生體的構(gòu)建技術(shù)，重視數(shù)字孿生體建模方法研究。

二是開展數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)技術(shù)研究，圍繞管道數(shù)字孿生技術(shù)涉及的感知、預(yù)判、自適應(yīng)、自反饋、自學(xué)習(xí)等特征開展相關(guān)計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、傳感器等應(yīng)用技術(shù)的研究，發(fā)揮數(shù)據(jù)在管道安全預(yù)警中的作用。

三是開展管道孿生技術(shù)應(yīng)用研究，通過應(yīng)用管道數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)體管道、虛擬管道以及管道服務(wù)系統(tǒng)三者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管道安全運(yùn)行、故障預(yù)警、管道巡檢巡視提示等，進(jìn)一步提升我國管道的安全性。通過數(shù)字孿生體直觀觀察管道設(shè)備結(jié)構(gòu)，通過智能遠(yuǎn)程、在線診斷技術(shù)提升設(shè)備維修效率。

5 結(jié)語

管道、管道相關(guān)設(shè)備設(shè)施以及周邊環(huán)境構(gòu)成了復(fù)雜的管道系統(tǒng)。通過管道數(shù)字孿生體模型的建立，以虛擬管道將油氣管道相關(guān)數(shù)據(jù)展示出來，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合、物理性能模擬、實(shí)時(shí)感知、分析、虛實(shí)融合，提升油氣管道的安全系數(shù)，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營以及管道企業(yè)管理的相關(guān)數(shù)據(jù)管理，保證油氣管道的安全運(yùn)行成為管道行業(yè)的發(fā)展趨勢。

為了進(jìn)一步推進(jìn)管道管理和管道安全生產(chǎn)現(xiàn)代化，業(yè)界科技工作者應(yīng)圍繞油氣管道數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用開展研究，包括管道數(shù)字孿生體系建模理論、數(shù)字孿生技術(shù)在管道中的具體技術(shù)、管道數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用、管道數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、管道數(shù)字孿生技術(shù)培訓(xùn)、預(yù)測以及檢修等方面內(nèi)容，進(jìn)而提升管道數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用深度與廣度。