油氣管道數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用*

叢瑞 馮騁 沈晨 王秀宇 黃申 劉恩斌

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

2中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司

3西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

隨著工業(yè)4.0 的提出和大數(shù)據(jù)時(shí)代的出現(xiàn)，各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都在經(jīng)歷一場(chǎng)翻天覆地的變化。智慧管網(wǎng)是在信息化、智能化時(shí)代背景下提出的基于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等技術(shù)的概念。數(shù)字孿生體是實(shí)現(xiàn)智慧管網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，其在醫(yī)療、航空、能源、農(nóng)業(yè)、汽車制造、城市建設(shè)等方面的應(yīng)用為管道數(shù)字孿生體的構(gòu)建打下了良好的基礎(chǔ)。結(jié)合國(guó)內(nèi)的管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀，數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)油氣管道行業(yè)有重大而深遠(yuǎn)的意義。

1 數(shù)字孿生概況

1.1 數(shù)字孿生的發(fā)展

孿生的概念最早出現(xiàn)于美國(guó)航空航天局（NASA），其構(gòu)造了兩個(gè)飛行器，分別用于試飛和工作中飛行器的狀態(tài)模擬[1]，此時(shí)的孿生體還處于實(shí)體階段。美國(guó)密歇根大學(xué)教授Michael Grieves 在2003 年提出了數(shù)字孿生體的思想，其中產(chǎn)品的虛擬模型被應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期管理，并且已經(jīng)具備了數(shù)字孿生體的基本要素：虛擬模型、物理實(shí)體、虛擬和實(shí)體的連接[2]（圖1）。

圖1 數(shù)字孿生基礎(chǔ)模型Fig.1 Basic model of digital twin

在2003 年到2005 年期間，數(shù)字孿生技術(shù)被稱之為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），直到2011 年，Michael Grieves 教授正式提出了數(shù)字孿生體的概念。2012 年，由于其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，NASA 給出了數(shù)字孿生體的具體定義[3]。2015 年，RIOS 提出了適用于各類產(chǎn)品的數(shù)字孿生通用概念[4]。此后，數(shù)字孿生開始被應(yīng)用于生產(chǎn)及軟件工具，并引起了各界的廣泛關(guān)注。

目前數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。例如，在船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維方面，通過(guò)數(shù)字孿生解決了船舶能耗優(yōu)化、航線優(yōu)化、設(shè)備維護(hù)優(yōu)化等問(wèn)題[5]；在飛機(jī)裝配工藝方面，可以通過(guò)數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)和裝配的互動(dòng)，進(jìn)行裝配優(yōu)化分析，減少損失[6]。

1.2 數(shù)字孿生對(duì)智慧管網(wǎng)建設(shè)的作用

“智慧管網(wǎng)”是中國(guó)在近幾年以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的新一輪信息技術(shù)的發(fā)展之下提出的管道行業(yè)的建設(shè)目標(biāo)，目的是在數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化管道的建設(shè)基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一共享、系統(tǒng)互聯(lián)、智能運(yùn)行、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)等功能；通過(guò)云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)，構(gòu)建管道全生命周期數(shù)據(jù)管理，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并提供智能決策。

數(shù)字孿生技術(shù)是智慧管網(wǎng)建設(shè)的核心技術(shù)，而要構(gòu)建的管道數(shù)字孿生體是管道系統(tǒng)全生命周期數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)復(fù)制體，借助其基本的模型、豐富的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行智能化運(yùn)行決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制（圖2）。同時(shí)，利用先進(jìn)的算法模型可以對(duì)管道系統(tǒng)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行高度相似的數(shù)字化表征預(yù)測(cè)。相比于數(shù)字管道，管道數(shù)字孿生體支持對(duì)管道的狀態(tài)評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)警、調(diào)運(yùn)優(yōu)化、決策支持等功能，而不僅僅只作為一個(gè)可視化工具使用。

圖2 管網(wǎng)智能化運(yùn)行內(nèi)涵Fig.2 Connotation of intelligent operation of pipeline network

2 數(shù)字孿生在油氣管道中的應(yīng)用

2.1 智慧管道建設(shè)方案

目前，在油氣管道行業(yè)中構(gòu)建的管道數(shù)字孿生體模型包括管道實(shí)體、管道虛擬模型、控制中心以及管道數(shù)據(jù)庫(kù)[7-8]（圖3）。具體如下：

圖3 管道數(shù)字孿生體系統(tǒng)模型Fig.3 Pipeline digital twin system model

（1）管道數(shù)字孿生體中的管道實(shí)體除了管道本體以外，還應(yīng)該包括具有數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換功能的儀器，能夠?qū)崟r(shí)將管道系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給管道虛擬模型和控制中心，如壓力、流量、溫度等。

（2）管道虛擬模型是對(duì)實(shí)體管道、設(shè)備以及管周環(huán)境的全方位構(gòu)建，不僅是外形方面，還必須符合物理規(guī)律和行為約束。通過(guò)仿真技術(shù)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬模型和管道實(shí)體在全生命周期的同步。

（3）控制中心是管道運(yùn)行的控制樞紐，為整個(gè)管道系統(tǒng)提供技術(shù)支持和服務(wù)。控制中心的建立基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，只需要少量人員就可以實(shí)現(xiàn)管道的運(yùn)行優(yōu)化、自動(dòng)化以及信息化。

（4）管道數(shù)據(jù)庫(kù)則是由管道實(shí)體、管道虛擬模型和管道控制中心之間的交互信息組成，并且在時(shí)間上覆蓋了管道的全生命周期。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型，如管道公開數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型[9]和地理信息管道數(shù)據(jù)模型[10]是在地理信息管道數(shù)據(jù)模型（APDM）的基礎(chǔ)上，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理；而國(guó)內(nèi)最為成熟的是管道完整性數(shù)據(jù)模型[11]，盡管也是在APDM 基礎(chǔ)之上建立的，但更為符合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況。

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

2.2.1 管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化

管網(wǎng)系統(tǒng)引入數(shù)字孿生技術(shù)，有助于管道安全運(yùn)行和高效生產(chǎn)?；跀?shù)字孿生的管網(wǎng)優(yōu)化，利用SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）以及GIS 建立完善的數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和傳輸并以此建立管道數(shù)字孿生體與管道實(shí)體完成信息交互。通過(guò)這種實(shí)時(shí)的信息傳遞結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化算法，可以進(jìn)行貼合實(shí)際情況的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的迭代優(yōu)化并根據(jù)調(diào)度需求計(jì)算最佳方案（圖4）。同時(shí)由于管道數(shù)字孿生體是管道全生命周期數(shù)據(jù)的承載體，集成了從設(shè)計(jì)期到運(yùn)行期的所有數(shù)據(jù)，不僅可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸完成管網(wǎng)資源調(diào)配優(yōu)化，還可以結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，解決運(yùn)行工藝參數(shù)設(shè)定等問(wèn)題。

圖4 管道數(shù)字孿生體管網(wǎng)調(diào)度原理Fig.4 Principle of pipeline digital twin pipeline network scheduling

2.2.2 管道泄漏預(yù)測(cè)與分析

油氣管道泄漏是管體最常發(fā)生的安全事故，因此必須考慮如何提高管體可靠性，防止發(fā)生泄漏。如圖5 所示，基于數(shù)字孿生的管道泄漏分析首先需要精準(zhǔn)的管道本體數(shù)據(jù)、環(huán)境變化數(shù)據(jù)以及維搶修資源數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)采用ETL（抽取、轉(zhuǎn)換、加載）進(jìn)行了預(yù)處理，通過(guò)把各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換和集成，減輕設(shè)備運(yùn)行負(fù)擔(dān)，從而提高對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和傳輸效率。結(jié)合泄漏過(guò)程仿真、擴(kuò)散模型和火災(zāi)模型，模擬在不同條件下的泄漏量及泄漏過(guò)程中全線壓力和流量的變化規(guī)律，并且得出泄漏發(fā)生后石油在土壤中隨時(shí)間的擴(kuò)散情況及其在土壤中的分布，或者天然氣在管道附近的濃度分布以及火災(zāi)后熱輻射范圍及強(qiáng)度。仿真模型通過(guò)讀取實(shí)體端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不斷修正數(shù)據(jù)參數(shù)，即在管道運(yùn)行過(guò)程中對(duì)管道本身參數(shù)（如摩阻）進(jìn)行辨識(shí)，由此可以不斷完善管道泄漏后應(yīng)急搶修相關(guān)資料，更新仿真模型。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)合，可以進(jìn)行泄漏的預(yù)測(cè)分析，從而對(duì)管道加強(qiáng)防護(hù)。

圖5 管道泄漏預(yù)測(cè)與分析數(shù)字孿生體框架Fig.5 Digital twin framework for prediction and analysis of pipeline leakage

2.2.3 地質(zhì)災(zāi)害中管道環(huán)焊縫裂紋生長(zhǎng)預(yù)測(cè)

對(duì)于山地管道，地質(zhì)災(zāi)害對(duì)管道影響巨大，因此需要對(duì)地質(zhì)災(zāi)害位移載荷作用下管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)及環(huán)焊縫裂紋開裂進(jìn)行預(yù)測(cè)。如圖6 所示，通過(guò)管道全生命周期數(shù)據(jù)庫(kù)分析管道設(shè)計(jì)參數(shù)、材料參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)，建立地質(zhì)災(zāi)害作用下管道應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型與管道環(huán)焊縫裂紋擴(kuò)展數(shù)值仿真模型，較為準(zhǔn)確地模擬油氣管道在地質(zhì)災(zāi)害作用下的管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)與管道環(huán)焊縫裂紋在軸向載荷作用下的開裂形態(tài)。融合工程實(shí)際工況與模型影響參數(shù)，組成參數(shù)分析矩陣，開展并行計(jì)算生成管道應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)與環(huán)焊縫裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)，建立管道應(yīng)力應(yīng)變及環(huán)焊縫開裂預(yù)測(cè)模型并且根據(jù)管道運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與調(diào)用。基于數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害作用下管道應(yīng)力應(yīng)變分布與環(huán)焊縫裂紋尺寸，為泄漏場(chǎng)景提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖6 管道環(huán)焊縫裂紋生長(zhǎng)預(yù)測(cè)數(shù)字孿生體框架Fig.6 Digital twin framework for prediction of crack growth in pipeline girth weld

2.2.4 管道資產(chǎn)管理

目前，我國(guó)的油氣管道資產(chǎn)管理方法主要是基于美國(guó)石油學(xué)會(huì)和美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)發(fā)布的《危險(xiǎn)液體管道完整性管理系統(tǒng)》和《氣體管道完整性管理系統(tǒng)》并結(jié)合國(guó)內(nèi)情況制定的一套管道完整性管理規(guī)范，但是傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)由于時(shí)代和技術(shù)的局限，存在許多問(wèn)題[12-13]。

如圖7 所示，基于數(shù)字孿生的管道資產(chǎn)管理是對(duì)管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)以及內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知，以感知數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高后果區(qū)識(shí)別、管道失效后果預(yù)測(cè)、管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、完整性評(píng)價(jià)和效能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算等機(jī)理模型，再根據(jù)機(jī)理模型，開發(fā)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高后果區(qū)識(shí)別、事故后果評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)報(bào)告、完整性評(píng)價(jià)和效能指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算等功能模塊，最后實(shí)現(xiàn)減少管道事故、減輕事故后果、識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域、優(yōu)化管道維護(hù)方案、減少資產(chǎn)損壞、增長(zhǎng)資產(chǎn)壽命、提升管道預(yù)知性維修維護(hù)能力和提高一體化管輸效率等目標(biāo)。

圖7 基于數(shù)字孿生的管道資產(chǎn)管理Fig.7 Pipeline asset management based on digital twin

2.2.5 設(shè)備資產(chǎn)管理

管道系統(tǒng)設(shè)備包括機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、儀表設(shè)備、計(jì)量設(shè)備等，由于類型的繁多導(dǎo)致管理人員不能及時(shí)全面地管理這些設(shè)備。如圖8 所示，基于數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全生命周期管理，以數(shù)字化的方式建設(shè)虛擬設(shè)備，通過(guò)仿真模擬設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，并整合設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行階段的所有數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備和安全儀表系統(tǒng)，分別采用基于量化風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)、以可靠性為中心的維護(hù)評(píng)價(jià)技術(shù)模型以及安全等級(jí)劃分模型對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)、失效概率計(jì)算、失效后果評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)防性維修周期優(yōu)化以及完整性定級(jí)并據(jù)此給出設(shè)備維護(hù)方案，維護(hù)完成后將實(shí)時(shí)信息與管道數(shù)字孿生體進(jìn)行交互，進(jìn)行方案的不斷優(yōu)化?；跀?shù)字孿生體的設(shè)備資產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備過(guò)去問(wèn)題的總結(jié)、實(shí)時(shí)狀態(tài)的檢測(cè)和未來(lái)發(fā)展的預(yù)判，防患于未然，降低了人力和財(cái)力的消耗[14-16]。

圖8 基于數(shù)字孿生的設(shè)備資產(chǎn)管理Fig.8 Device asset management based on digital twin

3 結(jié)論

數(shù)字孿生雖然起源于航空航天領(lǐng)域，但是在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展下已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在油氣管道行業(yè)，數(shù)字孿生的應(yīng)用主要集中在全生命周期管理、資產(chǎn)完整性管理和項(xiàng)目規(guī)劃，提高了該行業(yè)的數(shù)字化和智能化，但是這些應(yīng)用大部分都還在建設(shè)之中，數(shù)字孿生應(yīng)用依然在初級(jí)階段，需要對(duì)人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)更進(jìn)一步的研究，真正實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)的智能化。