軍隊智慧油料管線建設發展的思考

沈偉偉 邵海永 田建忠 穆祥靜 鄧道明

1海軍勤務學院

2中國石油大學（北京）

智慧管道是以管道運行及周邊環境數據、巡檢和操作人員數據以及儲備物資等數據為基礎，以管道本體為依托，綜合運用物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術而形成的油料管道綜合管理系統[1]，具有數據全面感知、運行實時監測、遠程智能控制、系統決策支持、智能預測預警、管理交互可視和自我反饋學習的特點[2-6]，是繼SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統、數字管道后的管道智能化技術發展的又一階段[7]。中石油、中石化在管道建設方面起步較早，一些油氣管道已實現數字化建設，正在向智慧化管道發展。軍隊油料管線在智慧化建設方面研究還不夠，作為部隊油料運輸的最可靠方式，軍用油料管線運輸具有輸油量大、隱蔽性強、受到打擊后易于修復的特點，其建設水平直接影響到部隊戰斗力的生成，開展軍隊智慧油料管線建設對提高平戰時油料保障能力具有重要意義。調研了智慧管道建設現狀，結合部隊實際，提出了軍隊智慧油料管線技術架構及研究方向，為軍隊油料管線智慧化建設提供參考。

1 管道智能化發展現狀

伴隨著信息技術的高速發展，智能化已成為國內外油氣管道建設的熱點。我國油氣管道智能化發展具有明顯的階段性[7]，20世紀80年代，國內油氣管道引入SCADA 系統，標志我國油氣管道進入到信息化時代。SCADA 系統具有管道運行數據采集、設備遠程操作、故障報警等功能，是油氣管道信息化管理的核心。自我國第一條實現全線自動化技術的輸油管道“東營—黃島輸油管道”建成以來，油氣管道SCADA 系統不斷發展，相繼在蘭成渝成品油管道、西氣東輸管道、蘭鄭長成品油等管道上應用。

2004 年，中石油提出數字化管道的建設目標，并在西氣東輸冀寧管道聯絡線建設中首次實現了數字化技術的局部應用[8]，標志我國油氣管道智能化發展步入數字化階段。2008 年，中石油在西氣東輸二線和中緬油氣管道上采用衛星遙感等技術輔助管道敷設路徑規劃，并通過運行監控和采集實時數據等方法實現對管道全線管理。2012 年，中石油開展管道全生命周期數字化研究并將研究成果逐步在生產實際中應用。2014 年，中石化開展智能化管道管理系統建設，通過數據的全面采集和分析，為管道的運行管理提供支持[7]。2016年，中石油完成了數字化設計體系、數字化移交標準和全生命周期數據庫的配套建設，并在中俄原油二線等管道工程中深化應用，管道業務的標準化、模塊化、信息化水平不斷提高，已完成從傳統管道向數字管道的轉變[3]。

智慧管道是中國油氣管道智能化發展的又一階段。2017 年，中石油首次在中俄東線天然氣管道上開展智慧管道試點建設，標志著我國油氣管道步入智慧化建設階段。2019 年，國家石油天然氣管網集團有限公司成立以后，提出了打造智慧油氣管網的戰略發展目標，將繼續開展智慧管道建設研究[7]。

2 軍隊智慧油料管線技術架構層級解析

為確保軍隊智慧油料管線建設科學有效，必須要對管線體系進行合理架構。針對軍隊油料管線建設現狀，結合智慧管線建設相關技術，軍隊智慧油料管線建設技術架構可分為感知層、傳輸層、數據層、算法層以及應用層[6]，總體架構見圖1。

圖1 軍隊智慧管線技術架構Fig.1 Technical architecture of military smart oil pipeline

2.1 感知層

信息全面感知是軍隊智慧油料管線建設的重要基礎，也是軍隊智慧油料管線智能分析和決策支持的前提。感知層實現管道及設備狀態數據、管道周邊環境數據、巡檢和操作人員數據以及存儲物資等數據的智能采集，需要具有信息全面感知、設備集成設計的特點。

（1）信息全面感知。信息全面感知包括信息感知范圍廣和感知信息精確兩方面。信息感知范圍廣指的是軍隊智慧油料管線感知層不僅需要實時采集管道及設備狀態數據，還需要利用其他手段對平戰時管道周邊環境數據、巡檢和操作人員數據以及儲備物資等數據進行采集。例如利用壓力、流量、溫度、應變、壁厚、位移、振動等傳感器實現管道及設備狀態數據感知；利用光纖傳感技術實現油料管道泄漏監測；利用探頭實現腐蝕陰極保護電位監測；利用無人機實現長距離巡護，排查施工、地質災害、敵針對性打擊的隱患；利用深部位移、降水傳感器監測管道土壤位移和地下水位；利用具有GPS位置信息的智能終端，實現維修維護人員位置實時掌控；利用RFID 芯片、二維碼實現儲備物資數量實時掌控等[9]。感知信息精確要求感知儀器設備精度必須高，并且要盡可能地實現自診斷和自校準，確保采集數據準確。避免出現采集數據不準確或采集無效數據的情況，從而影響軍隊智慧油料管線決策分析結果。

（2）設備集成設計。軍隊油料管線覆蓋區域廣，出于戰略因素或隱蔽性考慮，通常地處高寒、高溫高濕或低日照等特殊環境中，且無完備的通信、供電措施。感知層構建過程中需要進行集成化設計，實現傳感、采集、處理、傳輸及供電一體化，并且感知設備還要具有微功耗、長周期免維護的特性。

2.2 傳輸層

傳輸層主要作用是通過通信網絡將感知層獲取的信息傳送到數據層，實現多種感知手段下不同通信方式的數據傳輸。軍隊智慧油料管線傳輸層的架構需要解決網絡接入可靠、安全入侵防護問題。

（1）網絡接入可靠。軍隊智慧油料管線的特殊性要求其傳輸層必須要采用多種通信方式混合組網，其傳輸層網絡應包括骨干光纖通信網、野戰無線通信網等。骨干光纖通信網是感知層采集信息平時傳輸的主要途徑，也是野戰時遠距離傳輸的基礎網絡，而野戰無線通信網包括微波通信網、衛星通信網和無線電臺網等無線網絡，可在廣闊的野外戰場和訓練環境中為智慧油料管線各終端提供連續不間斷的網絡接入服務。不同的網絡適用不同的應用環境，合力提供便捷可靠的網絡接入，確保感知層獲取的信息及時進行傳輸[10]。

（2）安全入侵防護。軍隊智慧油料管線傳輸層傳輸的數據涉及軍隊油庫位置、軍隊油料管線敷設位置、作戰任務、保障行動等核心機密，必須堅決做好安全防護，防止網絡受到未授權用戶和敵特的侵擾。因此在傳輸層設計中，必須參照軍隊相關安全保密標準要求進行網絡部署，為各終端設備、服務器加裝機要密碼裝備，確保數據信息不被泄漏。

2.3 數據層

數據層主要負責對感知數據進行處理和存儲，為后續智能分析和決策支持提供數據基礎。軍隊智慧油料管線數據層需要解決數據標準統一、數據結構存儲的問題。數據層架構見圖2。

圖2 數據架構Fig.2 Data architecture

（1）數據標準統一。智慧油料管線從設計階段到運行階段信息全面感知的過程中，將會產生海量的數據。必須要構建統一的數據標準，對數據校準、分類、存儲進行管理，提高軍隊智慧油料管線的決策效率。

軍隊智慧油料管線數據層需要具備對因傳感器故障、戰時或特殊情況下傳輸異常造成的重復或錯誤數據進行預處理的能力，并根據層次結構分類，將可使用的數據按照規范的格式和結構進行存儲傳輸，以實現管線全生命周期數據標準統一，為軍隊油料各系統間的數據共享和應用集成提供支持。

（2）數據結構存儲。智慧管道數據不僅包括壓力、流量、溫度等管道生產數據，還包括管道應變、壁厚、泄漏監測、腐蝕防護、地理環境、物資儲備等信息，具有來源廣、數量多的特點。軍隊智慧油料管線數據層需要依據數據邏輯關系建立數據庫并對數據進行存儲，將數據本身和時間、位置、類型之間進行關聯，構成管線全生命周期的狀態信息。避免數據管理出現混亂，為平戰時緊急情況下進行快速數據分析決策提供條件。

2.4 算法層

算法層主要采用人工智能和大數據分析技術，實現智能識別和分析。軍隊智慧油料管線算法層需要具有數據分析挖掘、智能算法并舉的能力，為應用層實現智能化提供算法內核。

（1）數據分析挖掘。智慧管道全生命周期會產生海量數據，簡單的數據堆積難以支持其進行智慧決策。算法層必須按照一定維度進行分析，通過算法挖掘隱藏于數據中的有用信息。軍隊智慧油料管線算法層數據挖掘需要實現專業數據分析、區域維度分析和時間維度分析的功能。專業數據分析指的是算法層能夠對某一類型的數據進行全面分析，例如對管道陰極保護電位、管道內壓力、管道應變等數據進行分析，通過連續分析某個較長時間段內整條管道歷史數據信息，及時掌握管線腐蝕、泄漏、受力情況；區域維度分析指的是算法層能夠對某一特定范圍內的數據進行全面分析，例如對沿線管道和設備的運行狀態進行分析，判斷范圍內管線是否處于正常的運行狀態；而時間維度分析需要算法層能夠對一段時間內各種參數的變化進行分析，通過分析數據規律實現狀態預測和故障診斷。專業數據分析、區域維度分析和時間維度分析往往需要同時進行，軍隊智慧油料管線算法層要能夠實現不同分析的相互耦合。

（2）智能算法并舉。智慧管道能否實現智慧決策，關鍵取決于算法。軍隊智慧油料管線建設需要設計多種智能算法，包括：可用于設備故障識別和狀態趨勢預測的機器學習算法；用于管道巡線、地質災害判別、敵針對性打擊隱患排查的圖像識別算法；用于制定平戰時不同情況下運行方案的智能預測及優化算法；用于實現人員、裝備及物資的實時受控的資源智能調度算法；用于實現緊急情況下信息快速檢索的智能檢索算法等。

2.5 應用層

應用層是智慧管道系統的重點，軍隊智慧油料管線應用層根據算法層提供的結果，對管線運行事故、受敵打擊風險等情況進行預測預警，并提供平戰時緊急情況下輔助決策，實現管線智能化運行。軍隊智慧油料管線應用層的功能包括設備運行監測、事故預警預報、應急決策支持、資源智能調度、維修維護指導、可視化管理等。

（1）設備運行監測。對管道壁厚、流量、壓力、等信息及關鍵設備的運行狀態進行監測，利用多源異構數據分析并結合機器學習算法，完善自身故障診斷系統，對異常設備進行預警，保證管道及關鍵設備的正常運行，實現智慧管道的設備智能化診斷，提高油料保障能力。

（2）事故預警預報。通過無人機巡線、視頻監控等感知手段對管道周邊環境進行全面監測，根據監測數據并結合相應的算法對管道沿線第三方破壞、地質災害、敵針對性打擊等異常事件進行實時監測和預警預報，確保管線運行安全。

（3）應急處置支持。緊急情況下能夠通過移動視頻和檢測設備實現應急搶險現場監控，并能通過分析管線運行歷史數據、事故部位附近人員、裝備、物資情況，向攜帶信息接收設備的搶修人員提供事故應急預案，給現場緊急情況處置人員提供全面、專業的支持，確保事故能夠及時妥善處理，盡可能的減小各因素對管線運行的影響。

（4）資源智能調度。根據所提供的事故應急預案，在掌握各種資源的數量和實時位置的基礎上，結合優化算法進行資源智能調度，確保所需人員、物資能夠及時到位，避免事故升級，并能夠根據管道歷史運行情況，指導物資的采購，實現平戰時物資儲備優化。

（5）維修維護指導?？稍谥笓]中心通過移動視頻遠程對現場操作人員進行設備維修和維護提供專業指導，實現資源整合，并可通過運行數據和視頻監控，對管道及設備運行狀態及維修維護效果進行評價，避免因操作人員技術水平的差異影響維修維護效果。

（6）可視化管理。對管道全生命周期基礎數據和處理過程數據進行抽取、轉換、映射后，以更符合操作人員信息感知與邏輯思維的可視化方式進行直觀展示，提高智慧管道設備狀態監測人員對信息數據的感知和分析能力，減少平戰時緊急情況下情況處置的響應時間。

3 軍隊智慧油料管線建設研究方向

隨著人工智能、大數據、云計算等技術的發展以及智能設備和智慧系統的推廣與應用，軍隊油料管線智慧化建設有了現實的基礎，做好智慧管線建設還需要著力于以下幾個方面：

（1）規范數據標準。數據標準的統一是建設智慧管道的前提[3]。如何針對軍隊油料管線特點，制定相應的軍用數據規范，并考慮與地方智慧油料管道數據的兼容性，是軍隊油料智慧管線的建設基礎。

（2）加強信息傳輸安全。軍隊智慧油料管線智能分析和決策支持建立在海量數據信息的基礎上，區別于地方智慧油氣管道，這些數據信息往往關系到軍隊油料保障部署等涉密信息，一旦泄密將會對軍隊信息安全造成嚴重危害。軍隊智慧油料管線建設需要加強信息傳輸安全建設，著力解決數據安全、高效傳輸需要與傳輸網絡限制之間的矛盾。

（3）增強系統響應能力和可靠性。軍隊智慧油料管線運行、決策效率和系統穩定性直接關系到軍隊戰斗力能力的生成，必須要通過提高感知設備的感知精度、加強信息傳輸速度、優化相應的智能算法等措施增強系統響應能力和可靠性，為后勤油料保障提供堅實基礎。

（4）完善體系建設。軍隊智慧油料管線建設需要完善的技術標準體系和管理體系支撐，在開展技術研究的同時必須要同步開展相關的體系建設研究，建立相應的規范和保障體系，確保建成后的使用和運維有章可循。

（5）開展野戰智慧輸油管線研究。常規輸油管線在戰時可能受到敵方的針對性打擊，此時需要敷設臨時的野戰輸油管線進行油料保障，如何針對野戰輸油管線敷設靈活機動的特點，開展野戰智慧輸油管線建設，是提高軍隊油料保障能力的重要方向。

4 結束語

油料管線作為軍隊油料保障的關鍵力量，其智慧化建設水平直接關系到油料是否能夠安全、及時地加注到武器裝備上，在信息化戰爭背景下開展軍隊智慧油料管線建設具有現實需求。做好軍隊智慧油料管線建設頂層設計，結合軍隊油料保障特點明確軍隊智慧油料管線研究方向，在此基礎上解決技術上的難題并完善軍隊智慧油料管線建設體系，將有效提高我軍在信息化戰場上的油料保障能力。