高原凍土區(qū)管道建設(shè)智能化模式及發(fā)展趨勢

姜東方

中國石油天然氣管道工程有限公司

近年來，隨著我國西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和國防需求，高原凍土區(qū)管道建設(shè)進入了發(fā)展快車道[1-2]，但我國對高原凍土區(qū)長輸管道建設(shè)的研究起步較晚，相關(guān)經(jīng)驗較少，可提供經(jīng)驗借鑒的只有服役40 年以上的格拉管道和服役15 年以上的花格管道[3-5]，對高原凍土區(qū)智能管道建設(shè)的研究尤其缺乏。目前正在興建的青藏地區(qū)某管道是我國現(xiàn)階段為數(shù)不多的高原凍土區(qū)管道建設(shè)工程，該管道沿線以高原山地為主，地勢落差大，永久性凍土和季節(jié)性凍土區(qū)廣泛分布，氣候條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，傳統(tǒng)的管道建設(shè)模式難以滿足信息化時代下的社會經(jīng)濟發(fā)展要求，需要采取新的理念和技術(shù)手段提升高原凍土區(qū)管道建設(shè)的智能化水平。

1 必要性及難點

某在建管道地處我國青藏地區(qū)，該地區(qū)有近4 000 km 的邊境線，是我國西南地區(qū)的重要門戶，戰(zhàn)略地位尤為重要。同時，我國深入實施“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略及國家政策大力傾斜，促進了該地區(qū)經(jīng)濟的高速發(fā)展，該地區(qū)對能源的需求日益突出。管道建成后將成為我國西南某高原地區(qū)最重要的能源保障性通道。

管道沿線地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，高差起伏大，活動斷裂帶分布較多，地震、山體滑坡及土體融凍等災(zāi)害頻發(fā)[6-7]；管道通過地區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，河源地、自然保護區(qū)多，環(huán)保要求極高；管道沿線高寒缺氧、社會依托差，建設(shè)及運營人員身體存在較嚴重不適，施工、運營期間綜合保障難度大。為克服諸多不利條件，完成西南某高原地區(qū)能源通道建設(shè)，同時，為提高建設(shè)效率、降低工程投資及運營成本，高原凍土區(qū)管道智能化建設(shè)勢在必行。

2 智能管道建設(shè)模式

目前，國內(nèi)高原凍土區(qū)智能管道建設(shè)是以管道數(shù)字化為基礎(chǔ)，各階段、多部門數(shù)據(jù)協(xié)同，信息共享，最終實現(xiàn)管道全生命周期管理的建設(shè)模式[8-9]。

管道數(shù)字化是利用信息化手段實現(xiàn)管道建設(shè)過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲、共享、協(xié)同使用和流轉(zhuǎn)，保證數(shù)據(jù)的完整性、準確性和可追溯性，使抽象的工程建設(shè)得到可視化、數(shù)字化的直觀體現(xiàn)。

管道全生命周期管理是指在管道規(guī)劃、建設(shè)、運維到報廢的整個生命周期內(nèi)，整合信息與業(yè)務(wù)，實現(xiàn)管道資產(chǎn)全業(yè)務(wù)、全過程信息化管理，以及管道智能化運營[10-11]（圖1）。

圖1 管道全生命周期管理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pipeline whole life cycle management

由于高原凍土區(qū)特殊的環(huán)境所致，該區(qū)域智能管道的建設(shè)相比于其他地區(qū)具有獨特的要求及特點，在數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)采集方式及智能化應(yīng)用等方面的要求更高、更全面。數(shù)據(jù)內(nèi)容方面，設(shè)計、采辦、施工等建設(shè)各階段均需重點關(guān)注土體融凍、河流、活動斷裂帶、山體滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)地段的工程數(shù)據(jù)記錄及上傳；管道保溫段應(yīng)重點體現(xiàn)管道及設(shè)備的保溫設(shè)計、材料、施工等數(shù)據(jù)；需時時監(jiān)測、收集、上傳地溫數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式方面，由于自然環(huán)境惡劣，交通不便，數(shù)據(jù)采集宜使用線上和線下相結(jié)合、線上采集為主的方式。智能化應(yīng)用方面，根據(jù)高原凍土區(qū)管道智能化、無人化的建設(shè)要求，高原凍土區(qū)智能管道建設(shè)不同于其他管道以人機結(jié)合為主的管理，將實現(xiàn)以設(shè)備為主的管理轉(zhuǎn)型；為保證工程質(zhì)量及后期運營維護便利，在項目建設(shè)期充分利用數(shù)據(jù)信息化平臺真正實現(xiàn)管道建設(shè)全周期智能化管理，全面實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計、采辦、施工及施工監(jiān)理，保證數(shù)據(jù)收集、上傳的準確性、真實性和時效性，并將各類數(shù)據(jù)完整地移交運營方，從而為實現(xiàn)智能化的生產(chǎn)方式和管理模式打下堅實基礎(chǔ)。

2.1 全生命周期管理系統(tǒng)建設(shè)

在全生命周期管理系統(tǒng)建設(shè)過程中，各參建方需按統(tǒng)一要求，構(gòu)建以各自業(yè)務(wù)為主體的數(shù)據(jù)信息平臺，同時各參建方在滿足自身業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，還需滿足上、下游相關(guān)業(yè)務(wù)的信息協(xié)同共享[12-13]。數(shù)據(jù)信息平臺的建設(shè)主要涉及五個方面。

2.1.1 全生命周期數(shù)據(jù)中心和運維信息化平臺

全生命周期數(shù)據(jù)交付中心和運營維護數(shù)據(jù)信息平臺是全生命周期管理系統(tǒng)建設(shè)過程中的頂層設(shè)計，以建設(shè)方或業(yè)主為主體同步建設(shè)，建成后可實現(xiàn)采集、交付和共享各階段（設(shè)計、采辦、施工）的工程成果數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)及運維管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全周期的數(shù)據(jù)傳遞和交互。全生命周期管理流程如圖2所示。

圖2 全生命周期管理流程Fig.2 Whole life cycle management process

2.1.2 數(shù)字化設(shè)計

在智能管道建設(shè)過程中，設(shè)計數(shù)字化、智能化是整個工程的核心，是智能管道建設(shè)能否成功的關(guān)鍵因素，其中主要包括以下四點：①項目管理數(shù)字化，主要是實現(xiàn)項目管理計劃、相關(guān)方管理計劃、溝通管理計劃、風險管理計劃、文件管理及其計劃等的數(shù)字化編制以及儲存和共享；②線路工程設(shè)計數(shù)字化，主要是實現(xiàn)三維智能選線、數(shù)字化勘察及測量、穿跨越設(shè)計數(shù)字化、通信工程設(shè)計數(shù)字化、陰保設(shè)計數(shù)字化等；③場站工程設(shè)計數(shù)字化，主要是實現(xiàn)工藝、配管、機械、自控儀表、通信、供配電、總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、消防、給排水、暖通、熱工、防腐和陰極保護等多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)傳遞；④經(jīng)濟造價數(shù)字化，主要是依靠數(shù)字化定額庫，實現(xiàn)預(yù)算、概算、估算數(shù)據(jù)協(xié)同傳遞。

數(shù)字化設(shè)計的主要成果如圖3 所示。

圖3 數(shù)字化設(shè)計成果Fig.3 Achievements of digital design

2.1.3 采辦數(shù)據(jù)信息平臺

管道工程采辦數(shù)據(jù)信息平臺以采辦方為主體建設(shè)，建成后可實現(xiàn)設(shè)計、采辦、廠商及物流倉儲等各方的過程數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)同步錄入至數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、共享、交互和可追溯。智能化采辦流程如圖4 所示。

圖4 采辦數(shù)據(jù)采集流程Fig.4 Acquisition process of procurement data

2.1.4 施工數(shù)據(jù)信息平臺

管道工程施工數(shù)據(jù)信息平臺以施工方為主體建設(shè)，通過全生命周期系統(tǒng)實現(xiàn)一般工程、隱蔽工程、控制性工程、施工工序、施工環(huán)節(jié)等數(shù)據(jù)的采集、上傳及復檢等，可實現(xiàn)電子版設(shè)計文件的查詢和使用，施工現(xiàn)場可使用移動終端進行以上操作。智能化施工流程如圖5 所示。

圖5 施工數(shù)據(jù)采集流程Fig.5 Acquisition process of construction data

利用全生命周期管理系統(tǒng)，管道工程可在各階段不斷積累成果數(shù)據(jù)及過程數(shù)據(jù)，可達到隨時隨地查看、上傳和反饋相關(guān)數(shù)據(jù)的智能化程度。

2.1.5 高原凍土區(qū)管道建設(shè)典型應(yīng)用場景

利用數(shù)字化設(shè)計平臺進行線路工程及場站工程設(shè)計并交付數(shù)字化設(shè)計成果（圖6）。

圖6 數(shù)字化設(shè)計效果Fig.6 Effect of digital design

采辦及施工通過移動終端或PC 端登錄數(shù)據(jù)信息平臺查看設(shè)計交付成果、上傳采辦數(shù)據(jù)及施工數(shù)據(jù)，建設(shè)方及監(jiān)理方亦可查看各類成果及數(shù)據(jù)（圖7），平臺支持3D、Word、Excel、PDF、圖片、多媒體等各類文件格式。

圖7 數(shù)據(jù)上傳及查看效果Fig.7 Data uploading and viewing etfect

利用信息化平臺為應(yīng)急管理提供管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及周邊高后果區(qū)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)事故報警，查看應(yīng)急預(yù)案并指導事故處理，如管線爆炸影響范圍（圖8）。

圖8 爆炸影響范圍示意圖Fig.8 Schematic diagram of explosion impact scope

2.2 建設(shè)目標

通過對全生命周期管理系統(tǒng)的建設(shè)及運行，使管道工程各階段數(shù)據(jù)得以集中保存、管理和協(xié)同交互，解決了各參建方數(shù)據(jù)集成度不高、工程管控分散等問題，可有效提高智能管道建設(shè)效率，降低建設(shè)難度和工程投資。

智能管道建成后可向運營方移交可追溯的、完整準確的智能管道數(shù)據(jù)信息[14-15]，運維管理過程中的運行數(shù)據(jù)、維檢修數(shù)據(jù)、應(yīng)急響應(yīng)數(shù)據(jù)、各類預(yù)警數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)等也可及時地反饋回流，從而實現(xiàn)管道的動態(tài)全面感知、運行綜合預(yù)判、變化趨勢自動預(yù)測、運行過程自動控制、輔助科學決策的管道智能化運營模式。

3 發(fā)展趨勢

（1）建立數(shù)據(jù)體系與標準規(guī)范。目前，由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和管理方法，對高原凍土區(qū)智能管道的建設(shè)尚未形成統(tǒng)一認識。因此，建立統(tǒng)一的管道數(shù)據(jù)體系、制定通用的標準規(guī)范、解決數(shù)據(jù)孤島和系統(tǒng)兼容的問題是未來高原凍土區(qū)智能管道建設(shè)的主線。

（2）實現(xiàn)場站集成橇裝化與地上化。為減少對凍土的擾動，降低土體凍融對場站運行的危害，降低建設(shè)和運維管理難度，便于數(shù)據(jù)傳導和信息集成，實現(xiàn)無人值守、遠程運維的目標，站場和閥室集成化、橇裝化、地上化將是高原凍土區(qū)智能管道建設(shè)的發(fā)展方向。

（3）引入新興信息技術(shù)提升智能管道建設(shè)。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)的不斷成熟，在全生命周期數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，未來可將新興信息技術(shù)引入智能管道建設(shè)（圖9），借助新興信息技術(shù)不斷提升管道智能化程度，實現(xiàn)跨地域、跨領(lǐng)域、多工程協(xié)同管理的愿景，未來新興信息技術(shù)為升級智能管道建設(shè)可提供技術(shù)支撐。

圖9 新興信息技術(shù)與智能管道建設(shè)融合情況Fig.9 Integration of emerging information technology and intelligent pipeline construction

（4）注重自然環(huán)境監(jiān)測。受當前科技水平的限制，對于地震、土體凍融、山體滑坡等威脅管道安全運行的自然因素尚無法實現(xiàn)時時監(jiān)測和準確預(yù)警。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，未來對不可抗因素的提前預(yù)警、預(yù)判及減小管道破壞引起的二次危害將是高原凍土區(qū)智能管道建設(shè)的研究方向。

4 結(jié)束語

隨著“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的提出及持續(xù)推進，管道行業(yè)也進入了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，高原凍土區(qū)管道智能化建設(shè)是大勢所趨。智能管道是數(shù)字信息化與管道本體高度結(jié)合的產(chǎn)物，本文結(jié)合某管道工程的建設(shè)實踐，分析了當前高原凍土區(qū)管道建設(shè)的必要性及難點，并展望了未來的發(fā)展趨勢，為帶動我國高原凍土區(qū)智能管道的建設(shè)提供了技術(shù)路線，對同區(qū)域工程的建設(shè)具有借鑒意義。