關于數字管道架構設計三個基本問題的探討

劉天堯　閻濤　王雪莉　張騰

摘要：數字管道作為未來油氣管道的重要發展方向，在國家管網規劃建設中被越來越多的提及，但提及的方式更多是圍繞某個具體技術方向或工程實踐進行，少有理論研究。通過提出并回答數字管道是什么樣子、為什么是這樣以及如何實現3個基本問題的方式，探尋數字管道架構設計的可能形式，并給出理論支撐。提出一種“基于全生命周期模型的軟硬件平臺”的數字管道架構設計形式，并以需求驅動、抽象模型、歷史溯源等思維方式為理論支撐，以期指導數字管道系統的開發與建設。

關鍵詞：數字管道；架構設計；智慧管道；智能管道

一、前言

伴隨著信息技術的爆發式發展，互聯網不僅深刻改變了我們的生活方式，也同時改變了我們的思想方式，管道從業者愈發認識到人工管理方式已經無力管理如此龐大復雜的管道系統，進而不斷地將信息技術引入管道行業。國家管網公司成立后，更是明確提出建設智慧互聯大管網，實施科技數字化戰略，打造數字化體系。

北航劉強教授曾經關于工業4.0提出“三要三不要”理論，受到廣泛認同[1]。其中有一點“不要在不具備數字化網絡化基礎時搞智能化”正適合剛起步的智慧管道進行借鑒。無論打造“智慧管道”還是“智能管道”，基礎都是“數字管道”。關于“數字管道”的技術與實踐層面的討論已經很多，但理論層面的論述相對較少。為了更好地促進理論與實踐相結合，借用2W1H思維模型，從數字管道是什么樣子（What）、為什么是這個樣子（Why）、該如何實現（How）3個基本問題入手，從理論上探尋數字管道架構設計的可能形式。

二、What-Why

“數字管道”是否是一套軟硬件系統，如果是的話，它可能是什么樣子，為什么？

（一）數字與推論

理解“數字管道”的關鍵是理解“數字”。這里的“數字”是相對“模擬”而言，它們都是記錄信息的一種方式。“模擬”的方式是將原始信息通過模仿的方式進行記錄，記錄信息跟隨原始信息的變化而變化，是連續的，例如，錄音磁帶是通過磁場的變化對聲音進行模擬。“數字”的方式則是對信息進行抽樣、量化和編碼，將信息數字化，是離散的，例如計算機所處理的所有信息都是0和1的組合。“數字”相比“模擬”最大的特點是容易編輯和修改，因為數字記錄是離散的，所以可以任意截斷和組合，可以運用數學運算進行變換和計算，這從根本上改變了信息的使用方式。以照片處理為例，傳統的膠卷照片很難二次加工，但現在的數字照片則可以實時“美顏”。

數字化在ToC領域已經深刻的改變了人們的生活方式，現在正在轉向ToB領域改變傳統工業。數字管道絕不是傳統管道的數字復刻，而是基于數字思維的重新設計。另外，由于當前時代的數字化體現形式為以軟硬件為代表的信息技術，所以“數字管道”應該體現為一套軟硬件系統。

（二）需求與設計

為了探索“數字管道”可能的樣子，直觀的方式是給出一個合理的產品設計。產品設計的核心是需求驅動，以滿足需求的設計為最佳設計。根據推論，“數字管道”的設計可以很大程度跳出傳統業務的束縛，由此，提出一個設計需求：記錄與獲取任何時間、任何地點的任何管道相關信息。

“模型”是人類認識世界的工具，是對世界某些規律的抽象與總結，針對上述需求，認為工程領域的“全生命周期模型”最為合適，主要原因是：① 針對有時間維度且求大求全的需求，該模型可以適用；② 針對軟件系統架構設計，該模型擁有豐富的理論支撐和實踐應用，在操作系統[2]、游戲引擎[3]、B/S框架[4]等架構設計方面廣泛采用；③針對管道行業的業務眾多、歸口管理、持續革新的特點，該模型在軟件系統架構上的實際應用具有良好匹配和設計參考。

類比軟件系統的設計思想，提出“數字管道”全生命周期設計模型（圖1），分為規劃、設計、施工、運行、報廢5個階段。參照軟件設計的Hook思想，在每個階段掛載需要的業務功能。該設計方便軟件系統架構的設計和現實，并通過動態擴展的方式在未來業務革新中增減所需功能。

三、How

“數字管道”需要哪些技術支撐，怎樣規劃實現路徑，以及在此過程中如何有效進行項目管理都是需要解決的問題。

（一）所需技術支撐

縱觀歷史的發展，技術的進步是累進和疊加的，所有的技術都依靠其他技術或科學理論做支撐。借鑒分層的思想對“數字管道”所需技術進行分析（圖2）。

清晰把握各層技術現狀，理解技術之間的依賴關系是構建良好系統的前提條件。從底向上，每層技術的能力邊界都由其下層決定。

（1）硬件架構層。硬件設施是一切功能的載體，即硬件架構設計是系統設計首要考慮的事項。硬件架構按照算力分布形式，可大致分為主流的中心化架構和以區塊鏈為代表的去中心化架構。鑒于管網的天然輻射狀分布，以及公司管理的金字塔形式，中心化架構最為合適，以云服務或服務器集群為核心，承載主體軟件系統，匯總并處理通過網絡連接分布在管道沿線的各類硬件產生的數據。隨著工業物聯網技術的發展，未來越來越多的管道傳統硬件會加入聯網的能力。逐漸增多的數據會增加網絡的傳輸壓力，可通過邊緣計算的方式，將部分計算需求前移，保持管網現實、架構設計、技術發展的動態匹配。

（2）軟件架構層。如果說硬件是系統的軀體，那么軟件則是系統的靈魂，指揮著硬件按照設想的方式工作。管道行業等工業領域的軟件往往需要定制化研發，但其底層的軟件架構與硬件架構相似，可看作是成熟商業產品的拼裝與組合。與硬件架構不同的是，軟件的關注焦點集中于業務實現等問題，導致軟件架構的設計一直不受重視。軟件架構設計主要針對的是軟件的使用形式（C/S、B/S等）、所需基礎軟件（Web服務軟件、數據庫軟件等）、各軟件之間所采用的通信協議（Http、WebSocket等）以及軟件之間的組織架構方式（SOA、微服務等）等方面的綜合設計。軟件架構設計相比硬件有一個顯著特點，即軟件架構變更成本很低，可根據業務功能的需要在基礎硬件不變的情況下大幅度調整。

（3）領域基礎層。實用的專業系統并非軟硬件技術的堆疊，而是針對業務需求的領域專業設計，實現現實場景對計算機數據結構和邏輯算法的抽樣映射。就管道領域而言，可簡單分為外部的管道實體（管道本體及附屬設施）和內部的輸送介質。對這兩部分的抽象映射前人早有研究，即“管道數據模型”[5]和“油氣管道仿真”[6]。

管道數據模型已有很多國際標準，包括ESRI公司早期舊版的APDM模型以及當前新版的UPDM模型，還包括管道開放數據標準協會的PODS模型[7]。APDM模型因其功能局限性，不符合全生命周期管道的需求；UPDM模型本質上屬于ESRI公司的商業產品，具有一定的封閉性，需要配合ESRI的ArcGIS軟件平臺和技術體系才能使用，限制較多；PODS模型屬于開放標準模型，但需要會員資格才能獲得全部技術細節。引入和學習PODS常年積累的經驗與成果，結合中國管道特點進行改進，是加速構建數字管道的有效途徑。

油氣管道仿真一般指的是對管道內介質的流體力學仿真模擬，核算管道設計或者編排調度方案等。國外已有很多成熟的商業軟件，包括SPS、TGNET、PIPENET等，中國發展相對落后，早年中石油的商用級RealPipe軟件已經停止研發，而高校的科研成果還未滿足商業級應用。國外的商用仿真軟件因為相對封閉，很難作為數字管道基礎支撐平臺使用。自主研發仿真軟件，是數字管道建設的必經之路。

（4）分項專業層。分項專業技術指的是除領兩大領域基礎技術外的其他管道領域技術，比如風險評價、檢測評價、內外腐蝕防護等。這些技術在科研上可以獨立于領域基礎技術而存在，但在工程應用中，至少需要管道數據模型提供基礎的管道基礎信息。分項專業技術向領域基礎地定向適配，是決定數字管道領域技術支撐能力的關鍵。

（5）用戶界面層。數字管道系統最終面向的是人，這不僅需要專業的技術支撐，還需要對人類行為和心理的考量。業務功能的設計本質上是把復雜專業的領域技術，用盡量簡單通用的方式進行表達，固化業務流程，減少人為干預和判斷，將一線工作人員的思考復雜性轉移為功能設計人員的思考復雜性。功能設計應盡量獨立，并以Hook的形式進行設計，滿足全生命周期平臺的整體設計。

（二）實現路徑

系統的實現不是一蹴而就的，需要一個具體可執行的實施路徑，但人們往往想通過新技術的引入，實現系統能力的跨越式發展，硬件架構設計采用最新的設備設施似乎是可行的，但對于軟件架構而言，經驗表明新技術的引入有可能適得其反。信息系統領域有一個著名的理論——諾蘭模型，通過總結眾多公司和部門信息系統建設的經驗，認為計算機系統的建設不能跨越階段發展。由于軟件工程師與管道領域專家存在知識壁壘，所以專業軟件的研發必然是不斷互相學習、不斷修正設計的過程。縱觀軟件架構發展史，新架構的提出主要是為了解決系統的龐大與復雜性問題，但新技術本身自帶一定的技術復雜度，過早的引入新技術不僅無益于解決領域關鍵問題，反而增加軟件技術復雜度。

（三）項目管理

成功的項目實現離不開有效的項目管理，協調一致的目標和相對穩定的團隊資源是實現數字管道的必要前提。項目失敗的原因數不勝數，但成功的原因往往只有一個——將人力、時間、資產等資源的價值有效地發揮。

項目管理的理論方法很多，針對宏觀與局部、通用與專業都有特定范圍的適用方法，如項目生命周期理論、SWOT分析模型等。不同規模的團隊規模需要匹配不同的管理方法，根據“鄧巴數字”理論[8]，人類能自發維持的團隊規模是有限的，當規模進一步擴大時，溝通成本會急速提高，需要其他外部規則進行維系。不同級別體量（復雜度）的項目也需要匹配不同的管理方法，以軟件開發管理方式的演化歷程為例，隨著系統復雜度的升高，逐漸發展出與之匹配的開發方式。同時，項目規模與團規模也需要匹配，否則會影響項目進展或導致資源浪費。

數字管道的發展需要經歷必要的成長過程，引入和實踐科學的管理方法，識別所處階段，動態調整管理策略，保證生產力與生產關系的協調促進，是高性價比實現目標的有效措施。

四、結語

數字管道的設計不一定有標準答案，但通過提問的方式可以不斷尋找答案。科學的進步建立在質疑的基礎之上，技術的進步離不開對需求的挖掘和滿足。從“數字”的定義出發，提出數字化具有顛覆性的推論，進而解放設計思路，運用需求驅動的方式，提出并回答了數字管道的3個基本問題。

（1）是什么（What）：軟硬件系統、數字化全新設計、可動態擴展功能的全生命周期平臺。

（2）為什么（Why）：當前數字化的可用形式、數字的顛覆性、需求驅動與模型選擇分析。

（3）怎么做（How）：技術需求分析的分層分析、實現路徑的規律把握、科學項目管理方法的引入與實踐。H

參考文獻

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[8]杜修平，酆愛文.150N時代探析[J].技術與創新管理，2011，32（04）：435-438.

基金項目：國家石油天然氣管網集團有限公司項目“油氣管網在線仿真平臺研發及應用（一期）”，課題編號SSCC202104