面向城鎮燃氣企業需求的數字孿生管道建設分析

文｜濰坊港華燃氣有限公司 劉鵬

1.數字孿生應用現狀及條件

數字孿生（digital twin）是數據、智能交叉發展至嶄新階段的產物，在航空航天等領域已經實現了初步應用。數字管道建設的信息獲取上，既可以利用光學影像，又可以捕獲聲學振動信息[1]；數字管道的呈現效果，可以按照實際需要實現3D 模型與現實參數的不同程度的匹配[2]。市政燃氣行業在新信息技術的應用普遍較為落后，以數據采集技術為例，管道竣工建設仍缺乏必要的數據錄入，后續運行維護缺少必要的參考信息，不得不為再次摸清過去的信息投入成本。

自燃氣管道建設的開始階段起，以管道為線索，把發生在管道系統的各項工作聯系起來，打通業務，融合數據，建設形象精確的數字孿生管道，是每個燃氣企業終究要邁出的一步。從員工執行基礎工作來看，業務中信息共享必將節省調查拜訪時間；從燃氣企業經營來看，工作效率的規模提升也將長遠地節省相關成本；從地區城市管理部門來看，科學及時的精準決策可以防范化解安全風險。

受限于當前的技術與經濟因素，數字孿生燃氣管道的建設必將經歷由簡至繁，由被動到智能的發展過程。建設進程的推動力，來源于建設成果給燃氣經營企業帶來業務效率的提升。既有賴于燃氣經營企業的投入，則應從具體的燃氣企業業務考慮，本文以下探究初始階段的數據孿生管道構建思路。為便于研究，每項業務抽象為管道系統的一個相對獨立的圖層，以起到保留關鍵因素，忽略無關因素的目的。

2.數字孿生管道與現階段智慧燃氣之間的關系

近幾年，燃氣管道信息化建設已經在覆蓋面、滲透率和存儲量上有了明顯的進步，這為燃氣數字孿生管道的建設提供了豐富的數據來源。其關系如圖1所示。

圖1 數字孿生管道與現階段應用的智慧燃氣系統關系圖

（1）從“數字孿生”的字面意義上理解，數字就好比生物體的細胞，數字就是基本組成單元?，F有的可以獲得的數據，是數字孿生管道基礎數據的重要組成部分，構建較為完整的管道，達到仿真的效果，仍需要更復雜的數據建設。

（2）數字管道的虛擬鏡像建成之后，才能實現對預演未來和智能決策，此項內容，正是當前應用的各項軟件無法實現的。

（3）資源管理系統上已實現的工作流，也將融合成為數字孿生管道的本身。

3.數字孿生管道的各圖層應用

如前面第1 節所述，數字孿生管道可以看成是多種圖層疊加而成，同時，為研究某項問題或者業務，應從整體管道中抽離關鍵數據，成為簡化模型。本文中將各個模型表示為某種特征的虛擬燃氣管道。

3.1 反映空間存在狀態的燃氣管道圖層

(1)應用目的：為了隨時獲取管道及設備的具體位置和空間占用信息，燃氣運營單位需要建設能反映空間存在狀態的燃氣管道圖層。

(2)基礎數據類別：包含管道自身的幾何尺寸，管道的走向，架空的高度（或埋地深度），與樓棟墻面的水平距離。由于GIS 已在燃氣企業應用多年，因而原有舊管道的數據可從該系統中直接獲取，新建設的管道可同時維護。地上道路、建筑物等場景信息，效率最高的方法為從規劃部門中獲取。

(3)數據詳細程度：對于民用戶，樓前庭院管的信息應當明確。經過調查，多個燃氣經營企業，在竣工圖上僅對庭院管的位置有詳細記錄。庭院管之后連接各廳引入管，則無對應的具體記錄，僅記錄相關個數。從實際業務場景上看，庭院管公稱通徑多數在50 至150mm 之間，體積較大，且往往采用埋地敷設，開挖定位明顯困難，因而需要準確的位置信息。

(4)數據更新周期：可隨新建工程進度進行更新。對位置定位，常常是管道投入運行1年或者幾年之后，因而通常對定位結果的緊迫性要求不高。

3.2 反映終端用戶狀態的燃氣管道圖層

（1）應用目的：管道末端連接的是燃氣用戶的設備，無論產權歸屬何方，供氣、用氣合同如何約定，燃氣供應企業都承擔著一定管理責任，燃氣供應企業入戶安全檢查是履行法定義務[3]。而實際入戶工作中，面臨入戶率低，現場環境復雜的困難。做好前置規劃與現場輔助是提升入戶檢查工作的重要途徑。作為當前社會中，為數不多能夠且需要入戶的業務，此類工作獲得的數據遠遠不止對燃氣公司有重要意義（圖2）。

圖2 數字孿生管道包含的客戶信息處理，提供指引與預測可極大提高一線入戶人員的效率

(2)基礎數據類別：研究此類問題，不需要把終端用戶與分支管道建立對應關系，需要的是按照樓棟分布與地理位置建立對應關系，實現網格化區域管理。簡單地說，用戶不必“畫”在管道上，但要“畫”在樓棟上。除了錄入具體位置信息、入戶時間以及隱患跟進記錄以外，還需要更新管道設施、計量表具、用氣設備信息。以上基本信息已經在部分燃氣企業的移動入戶工作系統中或者客戶檔案管理系統成功運行，以取代紙質記錄。

而作為智能決策信息，需要預判片區內工作除了要將上述系統數據整合，能夠分類匯總網格特征，以對人員、施工設備、材料準備、方法與經驗儲備進行優化部署。例如城市橡膠軟管更新為不銹鋼波紋管，需要在對用戶集中更換時既照顧不常在家用戶又能節約總體時間。這就需要用近期用量是否頻繁來估計常住用戶數，用某用戶中午是否有氣量判斷用戶在家時長，用某用戶的年齡結構確定入戶的時段。此外，某總體廚房結構，以及物聯網表傳輸狀況也是指導業務開展的有效信息。

(3)數據詳細程度：燃氣表、不銹鋼波紋管的使用年限為8年，相關的信息精確到月即可。而保險有效期等延伸業務因利益責任劃分界限明確，需要精確到日?？紤]到非采暖季97%的中國城市戶均日燃氣用量低于0.5 方，而燃氣表系統上傳數據僅保持小數點后一位，因此用量數據僅保留到0.1 方。

(4)數據更新周期：因為燃氣企業通常在點火通氣時，要求用戶準備燃氣灶，此階段入戶工作要確保連接至用氣設備的整個戶內管段無漏氣。在此已將表具等戶內設施的基礎信息錄入完畢，后續只在更換時進行更新；特別的異常用戶，不明原因進行了更換，則在定期入戶工作發現時進行數據更新。用量信息，數據上傳情況，目前都是每日上報，可接入相關燃氣表廠家提供的數據。入戶維修、辦理延伸業務、過戶信息在業務完成時每日與現有的檔案系統同步即可。

3.3 反映氣流壓力的燃氣管道圖層

(1)應用目的：管道內部燃氣壓力是直接反映燃氣運行狀態的指標：一是反映管道本身及下游用戶壓力承壓范圍是否正常，二是反映管道內燃氣有無泄漏。對下游用戶，若運行壓力過高，則易導致設備密封失效，燃氣逸出的事故；若運行壓力過低，會造成燃燒火焰熄滅，繼續供應未點燃的燃氣，有可能造成燃氣聚集引發的事故。

目前，對于調查的19 家燃氣企業，近十年內沒有利用SCADA 系統壓力異常發現泄漏的記錄。從定性分析，壓力傳感器設置絕對數量較少，距離潛在泄漏點的位置過遠，就難以表征泄漏。某行政區域由于第三方施工誤截斷燃氣管道，而造成附近小區600 余戶居民停氣，該位置最近的壓力傳感器波動仍在日常范圍之內。即使在最靠近用戶的位置，流量計上的壓力傳感器，對于類似小孔滲漏引起的壓力變化，也是不能引起壓力的異常減小。這些都說明僅靠單一壓力因素，現實中難以識別燃氣泄漏現象。

（2）基礎數據類別：顯然基礎數據是各壓力傳感器監測到的壓力。壓力傳感器主要分布在接氣門站，儲氣場站，主干管道的變壓站（中壓以上站），以及工商用戶的流量計上。相較于壓力傳感器的數量，調壓柜內的機械式壓力表則龐大得多，每個大型的管徑Dn90 以上的工業戶，或者是居民小區都設置調壓柜，此類壓力表數據對反應管道運行狀況的參考意義甚微。流量計內包含壓力傳感器和溫度傳感器，在同一位置獲得壓力數據的同時還可同時感知溫度和流量。但是此類獲取十分局限，目前燃氣企業僅在對接上游氣源和下游用戶的必要交割計量的位置設置流量計。

（3）數據詳細程度：應包含所有帶能自動上傳的壓力數據。精度要求，參考行業內應用的壓力傳感器，一般為0.01MPa。經調查100 個終端用戶壓力每日變化幅度，小于3.0Mpa 的有98%，說明該精度等級可足夠分辨壓力變化。

（4）數據更新周期：終端用戶有三種情況：a.用量大用戶已安裝scads 測點；b.安裝物聯網流量計；c.安裝數據采集器。前者可以按照每1 或者3 分鐘采集并傳輸一次，后者按小時采集，日傳輸一次。

機械式壓力表一般在定期維護調壓柜時讀數，周期長達一月及以上，僅在每日工單錄入時更新即可。注意，實際應用時，因為此數據明顯之后，應與其余壓力表示方法體現差異化，可以用顏色的不同予以區分。

（5）管道泄漏的壓力研究理論[4]：驗證管道某節點的壓力是否正常的理論方法已經取得一定成果，但是實際應用中也難以察覺泄露引起的壓力變化。目前方法為，選取首、末兩端和其中一點測量壓力p，并計算壓力降：

△p=p2-p1

而管段正常壓降為：

ATp=△p

A 表示管網的連接矩陣。

△p=S'qv,pipe

qv,pipe為管段流量，對角陣S'可根據氣流靜態參數計算。

計算壓力p'實際壓力p 相比較。若存在明顯差別則說明有壓力異常。此研究目前在實際中仍不能用來直接判斷某點是否出現了泄漏現象。

3.4 反映外層防腐的埋地燃氣管道圖層

由于管道防腐技術適用于鋼制管道，聚乙烯管道并不需要防腐處理與維護，而聚乙烯管道在城市燃氣管道的應用中呈增多趨勢，特別是道路下埋地主干管使用聚乙烯管道，而地上管采用架空鋼管，這就造成了呈現同一材質的管道的不連續的現象。為此，在簡化模型研究時：一是用等同種規格的效管線代替不同規格的聚乙烯，使之作為線索串連鋼質管道；二是用記錄在鋼質管道末端，記錄與關鍵建筑物的位置。架空管道與埋地管道維護方式有很大不同，一般分別研究，故建立圖層時不必同時呈現，如（圖3）。

圖3 輸送燃氣的管道在各級區域通常使用的材質類型

埋地管道的防護分為兩部分：一是外加防腐層（使用成品3 層聚乙烯防腐管，并且管道連接的裸露焊口，在管道施工時對進行“打補丁”似的聚乙烯防腐處理），適用于所有埋地管道；二是額外施加陰極保護，適用于主路干網的跨區中壓管道。

（1）應用目的：對于陰極保護，運行工作較為單一，僅僅需要檢查電位是否符合要求，若不合要求則需要重新布置防護措施。調查的9 家燃氣經營企業，近5年來檢查數據的結果，很明顯，在運行的陰極保護測試樁全部符合要求。從相關的規范也對檢查頻率提出了寬泛的要求，即六個月檢查一次。曾經有人研究將固定測試樁上的電位數據遠傳至服務器，實際上從效果上看是沒有必要的。從燃氣企業的需求性、數據的價值性、人工操作的便利性、結果的長期穩定性、時間要求的寬泛性上來看，完全沒有必要對城鎮燃氣經營的陰極保護結果優先納入數字孿生系統。

對于埋地管道，監測管道防腐層效果的慣常做法為使用多頻管中電流法[5]，該方法可判斷防腐層是否破損并定位破損點位置。由于此種方法測量原理主要關注電流衰減情況，測量結果而受地形、土壤等影響，不同人員操作和解讀分析存在較大差異[6]，應當對現場綜合考慮或者復核，由此可見，數字孿生管道的作用是明顯的。

（2）基礎數據類別：需結合管段的位置，此外跨越道路、溝壑、工廠應在該鏡像中得到體現。按照分類對處理后的數據——管道防護等級記錄，并在防護等級非“優良”和特殊要求劃定的區域記錄電流衰減的原始數據。此外，還應記錄時間，季節，濕度等對測量結果有明顯影響的數據。

（3）數據詳細程度：將能進行防腐監測的埋地管道，應結合防護等級標出已完工管段的位置。溝渠等特殊位置與就進管道的相對距離也應標示，現有儀器可定位精度到十米。此類已經探明的有影響干擾因素，應在管段上標示出數量。

（4）數據更新周期：隨管道檢測完工時日更新。雖然目前此類非開挖的檢測受限于設備和人員因素，進行得周期跨數月，但是此類業務有可能與日常巡線結合，而巡線的頻率數日完成一輪，若工作融合，管道檢測頻次很有可能提高。

3.5 反映外層防腐的架空燃氣管道圖層

（1）應用目的：管道防腐是常態化的過程，盡管工作允許的響應時間較長。除了基本的檔案完工記錄以外，當前防腐工藝和產品更新較快，可結合防腐效果與進行橫向與歷史縱向的對比，進一步通過篩選出適合當地環境條件下，經濟性最優的方案。

（2）基礎數據類別：a.管道建成類的包括管段長度、管段規格，施工隊伍。b.架空管道防腐維護類的包括防腐油漆種類、施工隊伍、施工工藝，以及完工抽查狀況。

（3）數據詳細程度：考慮到防腐年限，時間應記錄到年月?？紤]到防腐施工隊伍的完成進度及抽查檢驗條件，應按照整棟樓為單位記錄完工信息。此外，在考察防腐衰落演變和進行工程預估時，需要測算需處理的防腐層個數，因此應按照樓棟為單位，記錄需處理的防腐補口個數。

（4）數據更新周期：完工數據隨施工完成進度，或者按照月更新。新發現數據可隨現場巡查時日更新。

3.6 各管道圖層構成的數字孿生燃氣管道基本框架

上述各圖層疊加之后，虛擬管道系統描述的一段管網的基本參數得以確立，輔助現實業務的功能得以實現。則數字孿生燃氣管道管道的基本框架也就形成了。

4.結語

市政燃氣數字孿生管道的實現必然有多重使命，而其應用的主要對象是燃氣經營企業。面對著數字化對燃氣經營資質評價的形式要求[7]，依托燃氣經營企業在現有的數據資源，建設能優先為燃氣經營企業帶來業務帶來實際好處的初步數字孿生管道，是本文的建設初衷。隨著實現的單一業務融合成復雜業務，數字孿生管道將更加無限接近現實狀態。