天然氣場站智能化轉(zhuǎn)型的探究

朱 勇，王子瑞

（1.中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司華東區(qū)域中心，江蘇 南京 210023；2.大慶貝世康人力資源外包服務(wù)有限公司昆明分公司，云南 昆明 650214）

隨著國家能源局印發(fā)《2022年能源工作指導(dǎo)意見》［1］。2022年成為落實(shí)“十四五”規(guī)劃和碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵年［2，3］，《意見》指出要深入落實(shí)碳達(dá)峰行動方案，要加快能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化和智能化升級［4］，各大燃?xì)夤就七M(jìn)數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新，開拓智慧燃?xì)獾陌l(fā)展道路。

1 背景

燃?xì)馐歉呶Ｐ袠I(yè)，燃?xì)夤芫W(wǎng)、場站及設(shè)施是城市或者工業(yè)園區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，任何泄漏都將造成巨大損失。當(dāng)下，燃?xì)鈭稣驹谛畔⒒矫妫嬖诠芫W(wǎng)定位不準(zhǔn)確、資料不全等問題；而在設(shè)計和工程方面，同樣存在依賴人工、方式傳統(tǒng)和管理信息化手段不足等問題［5，6］。企業(yè)由于缺乏先進(jìn)的技術(shù)手段采集和更新數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在搶修決策時不能迅速判斷故障點(diǎn)和故障影響范圍。國家對能源行業(yè)提出高要求，建議其同其它領(lǐng)域高新技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在可視化狀態(tài)下進(jìn)行溝通、討論、決策，提高場站的安全與運(yùn)行效率。

連云港中新燃?xì)庥邢薰臼切燠仔聟^(qū)石化基地天然氣管道燃?xì)馓卦S經(jīng)營項目的投資運(yùn)營主體。公司立足連云港石化基地產(chǎn)業(yè)，通過建設(shè)徐圩新區(qū)LNG儲配站和天然氣管道等基礎(chǔ)設(shè)施，多方面組織氣源，加快石化基地天然氣供應(yīng)，保障基地內(nèi)部產(chǎn)業(yè)項目用氣需求，且為全市天然氣保供提供重要支撐［7］。

當(dāng)前中新燃?xì)庖研纬捎晒芫W(wǎng)SCADA、GIS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、呼叫中心、營收系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成的信息技術(shù)應(yīng)用體系，隨著信息化系統(tǒng)越來越多，管理水平提升遇到了瓶頸，甚至因各種系統(tǒng)孤立分散導(dǎo)致管理成本越來越高的新問題［8，9］。

中機(jī)國際工程設(shè)計研究院與中新燃?xì)鈪f(xié)商為降低安全隱患、降低運(yùn)營維護(hù)支出、增強(qiáng)生產(chǎn)穩(wěn)定性；通過建立全面的場站、管網(wǎng)管理系統(tǒng)，計劃將設(shè)計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確直觀地以3D模型的形式交付，且統(tǒng)一平臺，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的智能關(guān)聯(lián)。

2 方案介紹

設(shè)計研究院建議采用AVEVA系列的數(shù)字化工廠解決方案，先制定總體方案，根據(jù)建設(shè)期和運(yùn)營期分階段實(shí)施，方案分2步實(shí)施。

（1）工廠建設(shè)期—數(shù)字化交付。先實(shí)施工程建設(shè)階段的數(shù)字化交付（集成工程設(shè)計階段、采購階段、施工階段所產(chǎn)生的所有工程建設(shè)數(shù)據(jù)）。

（2）工廠運(yùn)維期—智能化運(yùn)維。在后期工廠運(yùn)維階段，建設(shè)統(tǒng)一的集成平臺和數(shù)字化管理系統(tǒng)（集成DCS、PLC、SIS、視頻監(jiān)控、人員定位、安全信息化平臺、智能設(shè)備管理、預(yù)測性維護(hù)等等）。

2.1 技術(shù)路線概述

智慧化轉(zhuǎn)型貫穿了項目的全生命周期，技術(shù)路線通過軟件、平臺將各類數(shù)據(jù)、系統(tǒng)以云服務(wù)的方式集成展示。

2.2 數(shù)字化交付方案

項目應(yīng)用AVEVA公司的設(shè)計軟件完成建模，以三維模型形式，提供大量的數(shù)據(jù)支撐，覆蓋從設(shè)計—采購—施工—調(diào)試整個全生命周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以系統(tǒng)平臺的格式統(tǒng)一移交給運(yùn)營團(tuán)隊，服務(wù)于生產(chǎn)運(yùn)行管理。數(shù)字化交付平臺概覽見圖1。

圖1 數(shù)字化交付平臺概覽

2.2.1 方案架構(gòu)數(shù)字化交付解決方案，能夠滿足業(yè)主方數(shù)字化移交、工程信息管理、運(yùn)維信息集成及內(nèi)容管理和建立數(shù)字化管理系統(tǒng)的需要。數(shù)字化移交架構(gòu)見圖2。

圖2 數(shù)字化移交架構(gòu)

2.2.2 平臺主要功能接收來自不同系統(tǒng)的信息，實(shí)現(xiàn)脫離專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)的實(shí)時瀏覽及導(dǎo)出；提供多種信息查詢方式，快速查詢所需的工程信息，實(shí)現(xiàn)基于二維、三維模型的信息導(dǎo)航。

在項目實(shí)施過程中，獲得來自不同專業(yè)的成果信息，為項目實(shí)施決策提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成包含工程項目全部設(shè)計成果信息的數(shù)字化工程信息資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)向業(yè)主可控的數(shù)字化工程設(shè)計信息移交管理。

2.2.3 平臺集成內(nèi)容（1）三維模型。包括各承包商的PDMS、E3D模型；（2）智能P&ID圖紙。智能P&ID圖紙通常包括圖紙本身和關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，包括AVEVA Diagrams；（3）智能儀表設(shè)計軟件。包括AVEVA Instrumentation等；（4）普通文檔類型。常見的包括Office類型，如doc/docx、xlsx/xls、pptx/ppt、PDF、TXT、RTF等；（5）識別、抽取。在發(fā)布進(jìn)入平臺后，會自動和文檔建立關(guān)聯(lián)。文檔能夠直接在Web頁面顯示，位號在文檔中能夠高亮顯示、自動定位等；（6）普通圖紙類型。常見的如AutoCAD的DWG，DXF格式，Bentley的DGN格式，都可以發(fā)布進(jìn)入平臺系統(tǒng)。和普通的文字檢索引擎不同，GCT支持圖形文件中的全文檢索，能夠?qū)⑺械奈惶枺═ag）信息進(jìn)行檢索、識別、抽取，在發(fā)布進(jìn)入平臺后，會自動和圖紙建立關(guān)聯(lián)。圖紙能夠直接在Web頁面顯示，位號在圖紙中能夠高亮顯示、自動定位等；（7）其它格式類型。常見的視頻格式Avi、wma、rmvb、rm、flash、mp4、mid、3gp等，圖片格式JPEG、TIFF、BMP、GIF、PNG等均可進(jìn)入系統(tǒng)。

所有數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)后，都以位號為核心關(guān)聯(lián)在一起，示例數(shù)據(jù)模型見圖3。

圖3 示例數(shù)據(jù)模型

2.2.4 信息管理方案平臺采用流文件技術(shù)實(shí)現(xiàn)異地分布式流暢瀏覽三維模型及二維圖紙，可通過互聯(lián)網(wǎng)完全在桌面實(shí)現(xiàn)對三維模型的旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切、隔離、測量、標(biāo)注、協(xié)同等操作，支持可視化設(shè)計評審［10～12］，實(shí)現(xiàn)可控的數(shù)字化工程設(shè)計信息的移交管理。

2.2.5 數(shù)字化交付涉及的軟件清單各軟件的名稱及其主要功能見表1。

表1 數(shù)字化交付軟件清單

續(xù)表1

2.3 智能化運(yùn)維技術(shù)方案

在工廠建成投產(chǎn)轉(zhuǎn)入運(yùn)營期后，可將數(shù)字化交付平臺數(shù)據(jù)及工廠運(yùn)維中使用的實(shí)時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一集成，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠與物理工廠的孿生［13～15］。包含但不限于以下9個運(yùn)維系統(tǒng)。

2.3.1 基于GIS地圖的綜合安防系統(tǒng)基于GIS地圖的安防指揮中心實(shí)現(xiàn)對集團(tuán)廠區(qū)各品牌車閘、人閘、監(jiān)控視頻的統(tǒng)一管控、并做到可視化展現(xiàn)，實(shí)時監(jiān)控報警分析，及時處理生產(chǎn)運(yùn)營過程中遇到的安防問題，降低企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營風(fēng)險。

2.3.2 安全信息化管理平臺安全企業(yè)信息化管理平臺主要是圍繞風(fēng)險分級管控和隱患排查治理，主要包括重大危險源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、企業(yè)安全風(fēng)險分區(qū)管理系統(tǒng)和安全生產(chǎn)全流程管理系統(tǒng)［16，17］。（1）重大危險源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。利用視頻和預(yù)測預(yù)警模型對構(gòu)成重大危險源的生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測，同時獲取運(yùn)行參數(shù)并預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對其動態(tài)安全監(jiān)管，遏制事故的發(fā)生；（2）安全風(fēng)險分區(qū)管理系統(tǒng)。辨識生產(chǎn)過程危險和有害因素，確定其風(fēng)險程度，并用“4色圖”來標(biāo)繪廠平圖，形成“2單3卡”，包括危險因素排查辨識清單、風(fēng)險等級管控清單、安全生產(chǎn)責(zé)任承諾卡和物品危險危害特性應(yīng)知卡、應(yīng)急處置卡等；（3）安全生產(chǎn)流程管理系統(tǒng)。融合了企業(yè)過程安全管理和安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要素，包括安全制度和生產(chǎn)目標(biāo)責(zé)任管理、作業(yè)變更管理、安全風(fēng)險分級管控及隱患排查治理、事故應(yīng)急管理等［17］。

2.3.3 人員實(shí)時定位系統(tǒng)確保人員人身安全，并按要求在廠區(qū)內(nèi)活動與作業(yè)。（1）通過藍(lán)牙或UWB技術(shù)，對廠區(qū)內(nèi)人員實(shí)時定位，并通過光纖或網(wǎng)絡(luò)上傳至企業(yè)本地服務(wù)器，對位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、存儲、顯示、分析；（2）門禁系統(tǒng)增加人臉識別，避免人卡不符；（3）統(tǒng)計廠區(qū)內(nèi)的人員數(shù)量與分布，實(shí)時匯報至安全部門；（4）結(jié)合電子圍欄，限制未授權(quán)人員進(jìn)入；（5）結(jié)合智能視頻監(jiān)控，確保人員在廠區(qū)內(nèi)按要求穿戴PPE；（6）結(jié)合智能視頻監(jiān)控分析人員行為；（7）結(jié)合智能巡檢系統(tǒng)，確保巡檢人員完成正確完整的巡檢步驟；（8）記錄承包商員工的軌跡與停留時間，供承包商管理使用。

2.3.4 綜合設(shè)備管理系統(tǒng)綜合設(shè)備管理系統(tǒng)涵蓋設(shè)備的全生命周期管理，確保設(shè)備的可靠性和完整性，主要包括設(shè)備的管理變更、設(shè)備的保養(yǎng)報廢、倉庫管理、數(shù)據(jù)采集、作業(yè)票管理第3方相關(guān)單位管理等模塊。

2.3.5 設(shè)備點(diǎn)巡檢系統(tǒng)（1）設(shè)備狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測。結(jié)合設(shè)備三維模型，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時刷新顯示；對超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的設(shè)備異常狀態(tài)實(shí)時報警，彈出報警彈窗；對設(shè)備臺賬管理；對所有設(shè)備信息進(jìn)行匯總統(tǒng)計，生成臺賬面板，顯示設(shè)備相關(guān)信息；對所有設(shè)備的檢修情況進(jìn)行記錄查詢等。（2）1鍵智能巡檢。以第3人稱視角按照原先制定的巡檢路線進(jìn)行相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)1鍵開啟智能巡檢。

2.3.6 設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)能夠提早預(yù)測到關(guān)鍵設(shè)備在正常操作周期內(nèi)的故障，提前采取措施，從而將設(shè)備故障對生產(chǎn)的影響降至最低。其在設(shè)備表面或內(nèi)部設(shè)置傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過搭建物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，利用系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理分析，當(dāng)結(jié)果偏離正常值時自動報警，提醒工作人員對設(shè)備數(shù)據(jù)追蹤回溯，判斷設(shè)備是否異常并確定原因及損傷程度，為運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3.7 智能監(jiān)控AI行為分析系統(tǒng)智能AI行為識別分析監(jiān)控系統(tǒng)是人臉識別、行為識別和物體識別技術(shù)的整合，其能實(shí)現(xiàn)全方位全天候無死角式監(jiān)控。一旦捕捉到事先預(yù)設(shè)的違規(guī)信號就立即實(shí)現(xiàn)同步預(yù)警功能，防止事態(tài)惡化。

2.3.8 操作員培訓(xùn)系統(tǒng)及仿真培訓(xùn)系統(tǒng)主要是利用仿真模擬技術(shù)在計算機(jī)上仿真出各工段的真實(shí)生產(chǎn)過程，包含運(yùn)行方式和控制邏輯［18，19］。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相對應(yīng)的模擬、調(diào)整和培訓(xùn)。此外，對受訓(xùn)學(xué)員的成績進(jìn)行評價，保證經(jīng)驗(yàn)與知識的積累。

臨境式仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是采用工業(yè)領(lǐng)先的專利3D宣染技術(shù)創(chuàng)建真實(shí)的工作場景，集成真實(shí)物體的交互性和動態(tài)性。同時利用高真實(shí)感的立體VR環(huán)境讓培訓(xùn)者如同在真實(shí)工廠中一樣在工廠和單個設(shè)備之間漫游，觀察細(xì)節(jié)并進(jìn)行交互操作，給培訓(xùn)者親手實(shí)踐的機(jī)會，讓其不僅了解工作的環(huán)境，還能掌握相關(guān)操作技能。

2.3.9 先進(jìn)控制和實(shí)時優(yōu)化先進(jìn)過程控制是趨向于復(fù)雜控制的可操作性較強(qiáng)的控制方式［20］，主要利用最優(yōu)化模塊通過最優(yōu)化技術(shù)（帶約束的線性規(guī)劃或者是非線性規(guī)劃）將裝置穩(wěn)定在最優(yōu)點(diǎn)運(yùn)行，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益最大化；實(shí)時優(yōu)化是基于穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型或反饋信息結(jié)合工藝大數(shù)據(jù)、機(jī)理知識把最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于過程控制，將企業(yè)運(yùn)營的各個環(huán)節(jié)整體貫通，徹底完成從上到下的優(yōu)化目標(biāo)。

3 結(jié)束語

當(dāng)下整個燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型仍處于摸索階段，相關(guān)系統(tǒng)集成的應(yīng)用還不夠完善。數(shù)字化交付和智能化運(yùn)維的核心技術(shù)理念結(jié)合了數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，對比傳統(tǒng)場站設(shè)計和運(yùn)營方式，為場站轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐，優(yōu)化了運(yùn)行效率，保障了城市燃?xì)馄髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會效益。企業(yè)應(yīng)把握發(fā)展契機(jī)，推動公司向能源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)商轉(zhuǎn)型。