數字孿生平臺在輸氣管網監控中的應用研究

孟凡華 陳勇智

摘要：煤層氣生產管網建設運行以來隨著清管作業時間頻繁、采氣線受到冬季影響、管線泄露等因素導致的產量下降情況屢屢發生，為了減少管網運行過程中的各種隱患和及時查找故障，采集礦權范圍內電子地圖信息，建立三維模型。在三維GIS平臺中集成管線泄露報警監測，實時掌控管線運行狀態，異常數據及時報警。實時數據監測可實現管線運行參數實時查詢、曲線分析、預警報警功能。保證生產運行的安全性和可靠性。

關鍵詞：采氣管線;三維模型;GIS平臺;實時數據監測

引言

煤層氣公司每年都有大批的地面建設工程項目實施，由此帶來的井、站和管網變化及地物、地貌的變化非常明顯，如不及時更新CIM中相應的空間數據，將導致系統數據的現勢性和應用可靠性迅速降低，甚至可能失去使用價值。因此，系統應建立完善的維護更新機制，實現動態（或定期）更新，使系統最大限度體現現勢性要求，保證數據一致性、完整性。在系統建設階段，建立一套完善的管理機制和流程，形成一支專職、高效的數據采集、數據更新的隊伍，建立相應的管理規劃和操作規范，形成標準化的業務流程，同時提供必要的技術保障手段，以保證煤層氣CIM系統的長期應用。

1數字孿生概念

Digital Twin數字孿生：是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生在石油行業應用將以CIM城市信息模型（City Information Modeling）為基礎，建立起三維空間模型和信息的有機綜合體，將大場景的GIS數據、小場景的BIM數據與物聯網進行有機結合

從根本上講，數字孿生是以數字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態呈現，有助于提升企業績效。將數字孿生應用于部署資產能夠提供深刻洞見， 而將數字孿生應用于生產流程則能夠產生功能強大的應用程序。

2 設計準則

以山西煤層氣分公司與臨汾項目部礦權范圍為主，采集礦權范圍內電子地圖信息，建立三維模型。在三維GIS平臺中集成管線泄露報警監測，實時掌控管線運行狀態，異常數據及時報警。實時數據監測可實現管線運行參數實時查詢、曲線分析、預警報警功能。開發建設一套符合勘探開發指揮部指揮調度、決策輔助、智慧管理需求的數字孿生信息模型系統，在一期三維地形、數據匯集基礎上，進行場站、管線的精細化管理，建立精細化數據庫，實現勘探開發指揮部的信息化、可視化、自動化、高精度數字化管理，為各級領導提供決策依據，為各單位的生產管理提供應用支持，提高生產管理效率，為管理與大數據、人工智能技術結合建立數字底板基礎，具體內容如下：

（1）以現有航空遙感（RS）資料、地形資料、建筑設備資料為基礎，建設一整套三維可視化系統來為煤層氣公司生產、管理提供更加方便、直觀、可行的可視化輔助手段;

（2）對現有基礎數據、圖紙資料等統一收集、整理和處理，以提高數據參照性和最終提高數據的準確性;

同時，系統的建設需要遵循以下原則：

① 實用性

最大可能地滿足山西煤層氣分公司的業務要求，這是系統建設的根本目標，也是系統設計的基本出發點。實用性要求做到：易于使用、便于系統管理、數據更新簡便和系統升級容易，具有優化的系統結構和完善的數據庫系統，以及友好的用戶界面。達到業務人員能夠操作，逐步形成全公司業務處理的計算機化，逐步提高生產管理水平。

② 標準化和開放性

信息系統的開放性可以說是系統生命力的表現，只有開放的系統才能夠兼容和不斷發展。我們將按照中石油數據庫標準進行研究開發，遵循統一平臺、統一權限、統一數據庫的原則進行開發。兼容行業標準3D格式，包括3DMAX/各類BIM標準格式。平臺提供了豐富的接口，可供二次開發，并可主動對接應用接口。

③ 先進性

信息技術發展一日千里，軟硬件更新換代速度非?？?。在“系統”的設計中要有超前性，必須充分考慮技術的發展趨勢。同時在硬件配置和系統設計中還充分考慮系統的發展和升級，使“系統”具有較強的擴展能力，在國內同類型軟件系統中始終處于技術領先地位。

④ 可靠性

應能保證系統能夠在大量用戶的使用中安全可靠的運行。支持一定數量的并發用戶數。同時保證系統安全。

⑤ 經濟性

系統建設既要保證技術領先、功能強大又要兼顧投入資金的限制，在實用的基礎上做到最經濟。工作周期不能太長，硬件和軟件配置、系統開發和數據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行管網運行狀態的監控。通過對接管網指標監測系統，將各監控指標與管網所在位置進行對應，以可視化的方式進行管網運行情況的展示和異常情況的報警。CIM總體框架見圖1

第一層監控：監控站場外輸管線的運行狀態，監測壓力、溫度、流量的瞬時數據、實時趨勢等數據，并進行異常情況報警。以各運行區間進行分段、分類。正常運行時，各站與處理中心的輸差值在正常范圍時，相應管線區域標記為綠色，壓力梯度是正常范圍，不超過警戒線。如有異常情況，則對相應區間管道進行紅色標記、并進行彈窗、廣播等通知。此項功能主要監控集氣管道是否有堵塞、泄露的危險。

第二層監控集氣站與各閥組之間管線的運行狀態，對集氣站與各閥組之間的管線進行監控，監測管線、閥組間的壓力、溫度、流量順勢數據、實時趨勢等數據，并進行相應可視化運行狀態標記和報警。;

第三層是單井與閥組之間管線的運行狀態，同時具備以下功能

（1）信息查詢：

通過查信息工具，可點擊軟件地圖上的井、站、管網等地面設施，信息查詢管道的管徑、材質、外徑、內徑、壁厚、設計流量、長度、投產日期等基本參數及關聯生產運行數據。通過對廠區環境、建筑的還原，建立廠區的時空可視化平臺，可在CIM平臺搭載各類設施設備，

實現各設施設備的運行情況、指標參數、儀器儀表的實時監測，可以快速直觀地了解到各設備的具體位置、運行狀態，及時地進行設備的維護和監測。

平臺將對接各類設備監控管理系統，基于統一的地理位置實現各類數據的打通，進行數據統一分析，以及數據聯動，通過指標分析，進行設備運行情況監控及設備報警。

（2） 查詢與定位：

按關鍵字名稱查詢井、站、管線，點擊查詢結果中的設施可實現對導航定位，觀察設施周圍的地形、道路、溝渠等。

（3）可實現對井、站、管線等專業數據的空間坐標和屬性數據進行查詢、添加、修改和刪除操作，可將數據導出成Excel表。

3 結束語

將數字孿生應用于生產流程則能夠產生功能強大的應用程序。與現有系統結合，關聯自動化系統的數據庫，在平臺上可以對接各類設備監控管理系統，基于統一的地理位置實現各類數據的打通，進行數據統一分析，以及數據聯動，通過指標分析，進行設備運行情況監控及設備報警。

參考文獻

[1]?李浩，陶飛，等. 基于數字孿生的復雜產品設計制造一體化開發框架與關鍵技術[J].計算機集成制造系統，2019，10（3）：196.

[2]?謝嘉成??王學文??等?.基于數字孿生的綜采工作面生產系統設計與運行模式[J].?計算機集成制造系統，2019，6（4）：143-145.

[3]?張俊??孫彬?. 數字孿生與機電一體化系統工程[J].電器時代，2019，（6）：111-113.