油氣管道作業區智能管理平臺構建技術研究

李成志，周麗，凌志，柳建軍，劉麗君，譚東杰(昆侖數智科技有限責任公司，北京 100007)

0 引言

油氣管道作業區是對管道進行現場管理的基層組織[1]，主要負責輸油氣站場及管道的生產運行及管道日常管理工作，以及輔助系統設施的操作，具體劃分生產管理、管道管理、安全管理和綜合管理四大業務[2]。

根據油氣管道實行集中調控[3]、區域化管理，完成各分公司管理資產界面的劃轉，油氣并舉，從而促進區域化管理的進一步深化[4]。由原來的“以線路為主結合區域”的資產劃分原則改變為“以區域劃分”的資產劃分原則。按照“區域化管理、運檢維一體化、集中調控、集中監視、集中巡檢”的總體思路，穩步推進管道智能化建設，提升信息化智能化對管道安全運營的支撐力度，需要進行作業區智能管理平臺建設[5-6]，主要體現在如下五個方面。

(1)物聯全面感知

通過智能化監視[7]和監測技術相結合，融合智能管理平臺，對沿線管道、站場設備及周邊環境狀況智能感知監測，實現站場、線路異常事件自動分析、識別、報警和智能推送。

(2)運行智能控制

實現生產及其輔助系統高度自動化，運行控制與保護邏輯化、程序化和標準化。逐步實現站場遠程控制、無人操作，全面適應“集中監控、集中巡檢、集中維修”的區域化管理新模式[8-9]。

(3)業務高度協同

建立集中整合的工作平臺，支撐作業區全業務協同，以數據為基礎、以數據流為鏈接，打破時間、空間限制，實現企業員工在任何區域、任何時間通過統一的工作平臺完成日常業務管理工作，綜合提高提高辦公效率。

(4)作業標準規范

借助移動互聯、AR等技術，融合業務工作標準體系內容，對日常作業進行全過程記錄和監管，實現作業區日常作業的可視化、數據化及標準化。

(5)風險可視預控

綜合作業區全部業務數據、監檢數據，智能計算全線管道風險等級，自動生成管道風險分布、相對風險數值圖表，全面、直觀掌握管道風險分布，確保作業區風險可視預控[10]。

1 作業區智能管理需求分析

1.1 油氣管道管理現狀

油氣作業區智能管理需要根據 “先區域后集中，先試行后推廣，油氣同步試點”的區域化管理實施原則[11]，首先實行站場、管道的資產界面劃轉，明確作業區管轄范圍、人員，實現作業區為基本生產管理單元；再逐步探索集中巡檢、集中監視、運檢維一體化等作業區運行管理模式[12-13]。

根據作業區業務類型劃分和工作特點，將基礎工作相關管理流程歸納為生產管理、管道管理、安全管理、綜合管理四大類管理流程。目前各管道公司信息系統統建系統、機關自建系統、分公司自建系統、公司租用系統等，信息系統基本覆蓋生產、管道、安全等核心業務和人事、財務等職能業務的開展，各系統普遍存在以下問題：

(1)各業務領域信息系統基本支撐了主營業務發展，但統建系統很難開放數據接口，自建系統更多是各部門、各單位自行開發建設。系統集成有難度，數據重復錄入多發，信息系統之間各自運行，信息孤島現象嚴重；

(2)分公司自建系統間功能重復、相似的情況較多，覆蓋面較小，重復投資情況多發；

(3)自建系統的數字化、自動化、智能化水平較低，難提供必要的數據支撐。

因此在作業區智能化建設要對各信息系統功能、數據統一集成，形成標準規范，主要涉及站場業務管理標準、管網數據采集標準、標準化業務流程、系統集成標準以及自動化標準等。

1.2 作業區智能化管理需求

1.2.1 業務需求

管理模式固化需求迫切，作業區領導層的更替，可能會導致作業區管理模式不斷發生變化，作業區作為生產組織的基層單元，是企業一切工作的落腳點和出發點，也是企業管理的基石和企業全局效率的基礎和根本保證。固化作業區的管理模式和操作規程，不以人為的更替而發生變更是通過信息化手段解決的最迫切需求；基礎工作質量有待提升，作業區基礎工作質量提升、形成閉環工作管理是企業效益質量提升的根本[15]，目前分公司正在開展開發基礎工作標準化管理提升工作，但缺乏信息系統的有效支撐；生產受控管理需要強化，由于中油管道公司大力推行“無人站、集中監視”的全新管理模式[16]，作業區現有的信息系統主要是進行數據采集和報表上報，無法滿足基層生產安全受控的迫切要求；安全隱患管理面臨挑戰，管道業務社會依托資源少，管道管理難度大，安全環保風險高，隱患大量存在，缺少適用的信息系統來管理和跟蹤作業區安全隱患與治理，基層數據錄入交叉重復。目前很多專業領域的業務管理系統在基層分開運行，所需基礎數據需要手工錄入，存在大量交叉和重復工作量。

1.2.2 功能需求

油氣管道作業區智能管理平臺建設，應覆蓋作業區核心業務(生產、管道、安全、綜合，以及生產現場涉及的全部工作內容)，全面滿足作業區基礎工作管理應用功能， 建設面向作業區基礎工作管理為核心的工作管理流程[17]，強化操作(作業)過程指導，將數據采集融入工作過程。實現作業區基礎工作和業務管理的規范化操作、智能化管理和量化考核，提升作業區智能化管理水平[18-19]。

1.2.3 數據需求

在作業區智能管理平臺建設過程中需充分考慮油氣管道目前的數據標準研究成果，結合作業區的現狀和業務需求，形成滿足從油氣管道到作業區，覆蓋生產運行、管道管理、安全管理，綜合辦公管理的全業務數據標準。作業區智能管理平臺對基礎工作管理用戶群、一線站場操作用戶群、任務監督管理用戶群、工作考核管理用戶群等四大類用戶群體提供服務支持。根據這四大類用戶不同的業務及功能需求，本系統需要生產管理、管道管理、安全管理、綜合管理等四大類數據。

2 總體方案設計

按照油氣管道“標準規范”和“安全體系”的管理要求，基于共享服務平臺，構建作業區智能管理平臺，通過數據、業務、功能、界面及單點登錄等集成方式，與現有信息系統建設成果深度融合，采取新建、集成+新建、集成+增強的方式[20-21]，實現全業務貫通、融合、協同。

如圖1所示，總體架構以滿足作業區全面的智能化需求為目標，從業務上覆蓋生產管理、管道管理、安全管理、綜合管理四大領域，技術上遵從統一云平臺[22-23]，統一數據湖的架構模式，通過數據總線與相關信息系統實現數據集成。

圖1 總體架構圖

智能作業區建設總體架構從總體上可分為三個層次，即統一數據湖、統一技術平臺、平臺應用[24]。

統一數據湖：通過數據湖技術，構建油氣管道作業區業務“統一數據湖”，實現數據即服務(DaaS)的應用機制，支持跨專業、跨機構、跨地域的數據共享應用；本系統主要涉及的數據包括：作業區生產數據、管道業務數據、安全數據、綜合數據[25]。

統一技術平臺：構建統一技術平臺，為油氣管道作業區業務應用開發建設提供統一的支撐與治理平臺(PaaS)，為各專業業務用戶提供統一的應用入口，改變傳統“煙囪式”信息系統建設模式，實現對業務應用需求的敏捷支撐。

平臺應用：以統一平臺為支撐構建作業區生產管理、管道管理、安全管理、生產管理四大領域云化通用應用(SaaS)，完整支撐作業區業務應用[26]。

3 作業區智能管理平臺設計

3.1 應用功能設計

作業區智能管理平臺應用功能基于云環境和數據湖，構建作業區智能管理平臺，分為通用功能、專業功能、系統功能和移動應用四大功能模塊(圖2)。

圖2 作業區智能管理平臺功能圖

作業區智能管理平臺通用功能主要包括個人工作臺、任務管理、問題管理、報表管理、綜合展示、報警集中管理、文檔管理7個功能以及相應的移動應用。

3.2 數據流設計

數據流設計主要包括作業區智能管理平臺各業務模塊之間的數據流設計和作業區智能管理平臺與外部系統的數據流設計兩個方面。

作業區智能管理平臺各業務模塊之間的數據流設計[27]如圖3所示。

圖3 作業區智能管理平臺各模塊間數據流向

作業區智能管理平臺與外部系統之間的數據流設計如圖4所示。

圖4 與外部系統數據流向圖

3.3 數據治理

數據治理是通過從規章制度、組織、流程和技術等方面著手構建數據治理體系，包括從數據標準、質量、安全等維度提供系列數據治理工具，實現主數據管理、元數據管理、數據質量管理等，從而保證數據的標準統一、數據唯一、質量可靠、安全可控。 系統提供作業區生產主數據管理、元數據管理、數據質量管理等數據治理工具，輔助統一數據庫平穩運行及數據質量保證。

如圖5所示，基于作業區業務管理規則，既滿足結構化數據在云化存儲環境中按照數據質量規則進行質控掃描，又滿足關鍵非結構化數據的按照專業流程的質控管理，在云平臺中充實數據質控微服務。基于可定制的業務規則庫，數據集成過程對數據質量進行掃描，保障聯邦數據庫數據質量；同時，定期生成數據質量公報，輔助推進數據質量提升。針對結構化數據，基于業務規則或數據規范建立質量控制規則庫，以人工或自動觸發方式，對數據集成過程中的多源數據進行質量掃描分析，生成質量報告，為質量管理和審核提供支撐，保證集成后的數據的一致性。

圖5 數據質量管理應用

3.4 系統集成

系統集成通過數據應用集成實現作業區智能管理平臺與作業區正在使用的信息化系統集成(圖6)。

圖6 系統集成應用

數據集成：以統一數據湖為技術支撐，建立作業區智能管理平臺以及作業區業務相關統建/自建信息系統與數據湖間的數據接口，專業數據庫及實時數據庫等的數據依照數據湖的統一標準入湖管理，經清洗、轉換后形成標準化數據存儲于數據湖的數據存儲單元，為各系統的數據應用提供數據交互途徑。

應用集成：依托統一技術平臺開發系統間集成應用，采用“頂層設計+模塊化”思路構建相關功能微服務，從根本上達到“標準統一、數據唯一、業務協同、數據共享”的目標，建立通用模塊和專業模塊的相關應用由云平臺門戶統一發布和集成應用，避免功能重復建設，并實現應用復用和統一管理升級等。

4 作業區PID控制仿真與邏輯優化

油氣管道作業區可看做是一種復雜的生產控制系統，在正常的運行調節下，作業區進、出站壓力保持在允許的工作范圍內才能安全平穩運行，因此作業區控制方法的選擇十分重要。PID控制具有算法簡單、魯棒性好和可靠性高等特點，被廣泛應用于作業區壓力選擇性控制系統，提高了管道壓力控制精度，降低了作業區員工的工作強度，與傳統手動閥位控制相比具有明顯優勢。而PID控制器參數整定是否合適直接決定著PID控制應用效果。

PID控制是根據系統偏差，利用比例(P)、積分(I)、微分(D)計算出綜合控制量，并對被控制對象實施自動控制的過程，PID控制在時域中可表示如下：

式中：e(t)為誤差，即控制器的輸入；u(t)為控制器的輸出；Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

臨界比例法、衰減法和反應曲線法等工程整定法，雖然操作簡單，但是控制效果不太令人滿意。基于系統辨識原理，建立PID控制仿真數學模型，通過仿真計算得到控制器最優參數。系統辨識原理如圖7所示，PID控制仿真模型如圖8所示。

圖7 系統識別原理圖

圖8 PID控制仿真模型示意

以PID控制仿真模型為基礎，可以建立整個作業區工藝流程控制模型，對作業區工藝流程控制邏輯進行評測和優化，如：作業區正常運行控制邏輯優化、設備正常切換控制邏輯優化和閥門誤操作控制邏輯優化等。

5 配套工程升級改造

結合作業智能化管理生產需求，從工藝運行、站場管理、管道保衛、安全環保四個方面提出作業區信息化建設配套子項工程。

(1)工藝運行實現目標：全面感知、智能控制，具體子項包括：能耗自動采集、設備遠程診斷；

(2)站場管理實現目標：無人操作、區域管理，具體子項包括：站場自動化功能提升、中心站調度監控功能提升、站場智能巡檢；

(3)管道保衛實現目標：重點監視、智能巡護，具體子項包括：管道智能監測；

(4)安全環保實現目標：精準安防、預警預控，具體子項包括：站場智能監測。

5.1 工藝運行

(1)能耗自動采集：以物聯網、云計算等技術支撐，建設用能單位能耗在線監測系統，完善能源計量體系、提高能源管理精細化水平，促進生產智能化與節能工作深度融合，提高節能宏觀調控能力。一套集中統一的能源管理系統可以完成對能耗數據進行在線的采集、計算、分析及處理從而實現對能耗調度與優化、主要耗能設備運行與管理等方面發揮重要的作用。

(2)設備遠程診斷：根據現場設備運行狀態、實時數據情況，遠程診斷平臺基于云存儲、云計算、大數據等應用技術，通過分布式存儲、并行計算、容器技術、智能化分析、分布式數據庫、數據挖掘等算法對現場設備給出正確、合理、可靠的診斷結果及處置措施。通過智能化手段減少經營管理成本、增強企業管理水平。數據由生產智能管理系統統一采集，作業區智能管理平臺預留相應接口通過生產智能管理系統接入相關數據。

5.2 站場管理

(1)站場自動化功能提升：根據天然氣站場不同的用戶類型、用氣規律分別采用不均勻系數法、到量停輸法、恒壓控制法和剩余平均法等不同的自動分輸方法，實現調控中心對可控分輸口的日指定控制。對現有自動化功能進行了升級提高。但設備的故障切換、站控室ESD觸發聲光報警、一鍵啟停站邏輯在本項目中都未涉及。

(2)中心站調度監控功能提升：針對中心站站控室操作臺終端顯示器品牌、尺寸、不一、數量多、顯示大屏內容缺乏標準有效的規劃，相關報警不便于響應處置，造成集中監視效果低下，影響作業區的生產管理效率等問題。通過整合相同功能顯示終端、比對并削減與大屏重復顯示內容、更換相同規格顯示器等手段減少站控操作臺上顯示終端數量，合理有效規劃墻面大屏投放位置及顯示內容，達到提升集中監視效果，提高作業區生產管理效率的目的。

(3)站場智能巡檢：傳統的人工巡檢勞動強度大，巡檢時存在著一定的安全風險，通過機器人智能巡檢作業系統的建設，可輔助或替代現有人工巡檢，實現站場智能化巡檢，從根本上解決傳統巡檢業務中高成本、高風險、低效率等一系列問題。機器人自身載有紅外測溫探測儀，智能讀表，圖像識別，紅外夜視等功能，可對油氣田站場、數據中心等進行全天候巡檢，數據采集，視頻監控，溫濕度測量等，提高站內的設備安全運轉檢測水平，在最大限度地減輕基層員工的勞動強度的同時，降低人工巡檢的安全風險，實現有效、可靠巡檢，提升作業區的生產安全管理，為作業區進一步實現降本增效、深化智能化建設提供有力的支撐。

5.3 管道保衛

管道智能監測：油氣管道通常分布廣、沿線地質環境復雜，隨著科學技術的發展，新一代技術如智能傳感器、物聯網、無人機、人工智能、機器學習等快速發展，管道巡護管理可結合新的技術從傳統以人為主的管理轉變為以智能感知技術為主，人工為輔的方式進行管道的安全管理，通過智能傳感技術全面感知線路風險，實現風險由被動管控到主動管控的轉變。同時也能減少人工投入，降低人員在山地巡護的安全風險。從管道感知方面，可從無人機巡線、智能陰保監測、管道光纖預警、視頻監視幾個方面進行提升，實現管道及周邊環境遠程監測，全面提升面向本質安全的管道實時泛在感知能力。

5.4 安全環保

站場智能安防：油氣管道作業區各站場作為高危險場所，安防監管難度大，一旦發生意外事故，將會產生嚴重后果。隨著反恐、防盜、人為破壞等安全風險的不斷增加，安全防護面臨的挑戰也日益嚴峻，安全監管要求也越來越高。閥室為無人值守，如果安防監管不到位，將存在不可預估的安全風險，因此采用智能化的安防手段提升安防監管與處置能力意義重大。工業視頻周界安防系統安全防范管理需要從技術層面和管理層面分別考慮，技術手段安防保障有效，實現智能化、可視化無人值守，安全風險管控模式由被動轉向主動、事后轉向事前、告警轉向預警。

6 結語

油氣管道作業區智能化管理平臺通過與生產智能管理系統、管道巡檢管理系統、安防應急等系統融合，實現作業區關鍵信息可視化展示、主要業務集中管理、數據綜合查詢、風險實施監控、異常預控，全面提升作業區數字化、智能化管理水平。同時，在試點基礎上，按照信息規劃編制公司作業區智能管理平臺建設方案，初步設計將生產、管道主要業務系統的關鍵數據(設備運行關鍵參數、關鍵報警、現場高風險作業、高后果區監控等)進行應用集成，實現數據圖像圖形集中展示和查詢檢索。該平臺也將集成辦公、人事、財務、科技等職能類業務，提升智能業務信息系統覆蓋率；移動端將以業務需求為基礎，和電腦端相結合，基于現有的安全平臺開發應用系統對應APP，提高移動辦公水平。