智能化技術發展對油氣管道行業的啟示*

徐蔥蔥 劉冰 張妮 譚笑 張巍 馬江濤 李云杰

1中國石油管道科技研究中心

2中國石油管道公司

截至2015 年，全球石油和天然氣管道總里程超過200×104km，年增長率約為1%～2%，管道里程大，并且大部分管道已經運行超過20 年，管道運行維護成本高，全球每年花費約400×108美元用于管道維護，并且這個數字在持續增長[1]。另外，油氣行業數據利用比例非常低。經調查，目前平均每4.8×104km 管線就可以產生15 000 Gbit 的數據，如何在這么龐大的數據中獲取有效數據，用于保障人員安全、便于設備維護以及提高效率將是油氣管道行業發展的目標。未來，隨著智能化技術的發展和應用，智能管道建設將是提升管道運行維護效率、降低維護成本、保障人員安全的重要措施，是國內外油氣行業研究的重點方向[2]。根據世界經濟論壇在2017 年提供的《石油天然氣行業智能化轉型倡議》白皮書，2016—2025 年期間，油氣行業通過智能化轉型將在潛在經濟、降低事故率、提升工作效率、安全環保等方面取得重要進展，油氣上、中、下游產業鏈統計數據如表1 所示。至2016年，我國油氣管道總里程已達到12.6×104km，油氣管道已初具規模，并且未來仍將處于一個高速發展的階段，根據《中長期油氣管網規劃》，2025 年我國管道總里程將達到24×104km[3]。運用智能化技術是促進國內油氣管道高質量建設和運行管理的一個重要手段。

表1 2016—2025 年智能化轉型帶來的價值Tab.1 Value of intelligent transition from 2016 to 2025

1 智能化技術現狀

智能化技術包括大數據分析、物聯網、移動通信、云計算、機器人與無人駕駛、可穿戴技術、人工智能（包括機器學習、深度學習、圖像識別、聲音識別技術等）以及其他技術（如3D 模擬技術/打印、數字孿生技術、虛擬現實等）[4]。圖1 為智能化技術在油氣行業的投資趨勢，柱狀圖的百分比表示目前投資占比。大數據分析、物聯網和移動通信是目前全球油氣行業普遍關注的智能技術點；而機器人與無人駕駛、人工智能和可穿戴技術則是2018—2022 年期間快速增長的智能化技術。

圖1 智能化技術在油氣行業的發展趨勢Fig.1 Development trend of intelligent technology in oil&gas industry

表2 智能化技術分析Tab.2 Analysis of intelligent technology

圍繞油氣管道，對各智能化技術特點及應用前景進行分析，結果見表2。

2 行業外智能化技術應用

2.1 GE 公司

GE（通用電氣）公司積極推動工業領域的智能化轉型，開發了包括Predix 平臺、APM、OPM 和ServiceMax 等軟件產品，滿足不同企業的數字化服務需求，涵蓋了航天、交通、石化、電力等各個行業。例如，Qantas Airways 航空公司為提升飛機的燃油效率，節省運營成本，采用了GE 公司基于Predix 平臺開發的Flight Analytics 軟件，通過獲取詳細的飛行數據并進行分析，制定出更科學合理的燃油使用決策，實現了燃油成本的顯著降低。在鐵路行業，墨西哥鐵路（Ferromex）公司為實現列車的全天候實時監測，采用了GE 基于Predix 平臺開發的Smart Shopping 軟件，實現了列車運行狀態的實時監控和分析，從而預先制定列車的維修計劃，降低列車維修的時間和成本。在石油煉化領域，英國石油公司（BP）采用了GE 基于Predix 平臺開發的POA（Plant Operation Advisor）服務，實現了油田煉廠效率的提升，同時有利于提高生產的可靠性和安全性。

2.2 微軟公司

微軟公司作為全球軟件業的巨頭，積極致力于數字化的技術服務，探索不同領域的智能化服務方案，開發了微軟智能云Azure、Azure IoT Edge 物聯網服務等，已為全球50 多個地區提供云服務。如在無人機領域，大疆創新（DJI）通過采用微軟的Azure IoT Edge 和Azure 服務，實現農業、公共安全、城市建設等不同領域的人工智能解決方案，通過無人機實現數據的收集，并進行信息分析和展示，從而快速和智能化地進行響應及反饋。

2.3 美空軍和波音公司

美空軍與波音公司合作，采用數字孿生技術構建了F-15C 機體數字孿生模型，實現了多尺度仿真和結構完整性診斷；能夠對單個機體結構進行跟蹤，可預測結構組件壽命，調整結構檢查、維修和替換的時間，對獲取到的各類信息（如飛行數據和評價數據等）進行綜合分析，使用概率分析方法量化風險，實現對殘余應力、材料狀態、結構變形等的預測與管理。

3 行業內智能化技術應用

通過與傳統管道對比，目前國內外油氣管道行業普遍認為智能管道應具備表3 所列的各項特征。

表3 智能管道與傳統管道對比分析Tab.3 Contrastive analysis of intelligent and traditional pipeline

3.1 國外油氣管道智能化技術應用

國外智能管道建設圍繞“傳統管道數字化轉型”展開，并初見成效，已將GIS、物聯網、大數據分析、智能設施等技術應用到管道設計、施工、運營全生命周期中。BP 通過使用智能技術來提升油氣管道業務，如為實現人員及物資的狀態監控，BP 采用了基于RFID（無線射頻識別）技術的位置識別安全系統（LASS），實時了解物資及人員狀態，可更好地做出決策；為了實現管道周圍第三方施工和管道泄漏的實時監控、智能判斷和預警，BP 采用了基于ZigBee/Mesh 的無線傳感及網絡技術，保障管道的安全可靠；基于人工智能技術，研究其在自主修復機器人和應急響應系統中的應用；基于數據挖掘技術以識別管道損傷模式及缺陷與環境因素的相關性；利用物聯網技術與無線智能終端應用實現管道的平穩運行，并保障員工安全；針對深水管道采用緊急修復機器人，特別適用于封堵深水原油泄漏管線；基于Web EOC 軟件合作開發應急決策軟件等。最終，通過應用智能化技術消除人為主觀因素造成的失誤，用自動化取代效率較低的人工勞動，收集和使用“大數據”（運營歷史記錄）以預測未來的模式和趨勢，在不中斷作業的情況下了解管道內所有狀況，更好地運營和服務管道。

哥倫比亞管道集團（CPG）聯合通用電氣和埃森哲公司通過將智能技術應用于油氣管道，充分挖掘與利用數據價值，使得管道企業從其生產經營活動所產生的海量數據中受益，幫助管道運營商在管道安全和完整性管理方面做出明智的決策。通過將多源數據集成，實現了對其超過24 140 km 的州際管道近乎實時的監測，包括管道風險監測、風險管控和環境感知；可以快速定位高風險區域并評估風險，提供響應措施，以幫助減少潛在的突發事件；也可幫助管道運營商全面了解管道的安全性和資產完整性狀況，從而做出更為科學的決策。同時，CPG 采用Rockwell PlantPAx 系統實現將所有自動化操作都集成到互聯平臺中，提高生產效率并降低成本，確保當前管道滿負載輸送時達到99%的可靠性。另外，CPG 與IBM 聯合將管道業務操作轉移到云服務，IBM 還提供網絡服務、智能安全平臺、移動設備管理和業務分析等功能。IBM 的QRadar 安全智能平臺可將CPG 所儲存的事件、操作、日志、管理等數據與異常檢測、應急響應處置相結合進行分析。另外，CPG 通過在天然氣管線壓縮機上運用GE-預測分析軟件，實現設備的早期預警與調度系統連接，提高壓縮機智能化程度和設備性能，在該軟件使用的前4 個月，CPG 節省了260×104美元的維護成本。

3.2 國內油氣管道智能化技術探索

國內中石油是第一個引入GIS 技術、數字技術來建設和運營維護管道的企業，采用整體規劃和分布建設模式，已形成多個成熟的應用系統，包括工程建設期施工數據采集系統、地理信息系統和管道完整性管理系統等[14-15]。目前正積極開展中國石油智慧管網建設研究，逐步實現新建管道和在役管道的全面智能化提升，集成管道全生命周期數據，提供智能分析和決策支持，滿足管道可視化、網絡化、智能化管理，最終實現“全過程管控、全信息化管理、全數字化移交”。

隨著國內外油氣管道信息化和數字化技術的發展，國內外管道運營商基本建立了基于GIS 系統和完整性管理系統的數字化管道，并取得了重要成果。近年來，隨著新型技術的快速發展，未來油氣管道的建設、運行和管理模式也將發生重大轉變，以大數據分析、物聯網、人工智能等技術為主的綜合解決方案將成為油氣管道行業智能化發展的必由之路，是管道信息技術領域的重要發展方向。

4 結束語

智能管道的建設是在綜合運用物聯網、云計算等新興信息技術的基礎上構建的，涵蓋管道的規劃、設計、施工、運營、維護等全生命周期。狹義的智能管道包括管道所有狀態、功能及周圍區域信息的數據化、網絡化、可視化到智能化的過程；而廣義的智能管道包括管道、社會、上下游資源市場等各類要素資源的優化配置，實現管道企業內外部信息的實時獲取、整理、傳遞和反饋，從而做出最優化決策。目前智能化技術在油氣管道行業仍處于探索和發展階段，通過國內外智能化技術分析，智能管道建設在以下技術領域具有較大的發展前景：

（1）采用機器人與無人駕駛技術，實現智能自動化，取代效率較低的人工勞動，提升整體工作效率。

（2）采用物聯網、移動通信、數字孿生和虛擬仿真等實現對管道實時的監測，即時訪問和處理功能，為現場操作、風險監控、快速維搶修、完整性管理和決策提供全方位的信息支撐，最終實現管控一體化，決策智能化。

（3）基于云計算、大數據分析技術進行模擬仿真，預測管道未來的模式和趨勢，實現設備預測性維護，提高設備管理維護的能力，降低設備故障發生的概率，確保資產和人員的安全。

（4）采用智能感知、可穿戴技術提供可視化信息、資產細節和三維圖像等，實時監測管道運行狀況，實現與場外專家無縫協作，提升管道管理的效率和安全性，減少對環境的污染等。