浙能省级管网智慧管理平台架构与设计

2021-03-18刘承松韩士英杨旭东王天宇蒋文明

科技和产业 2021年2期

刘承松，韩士英，杨旭东，王天宇，蒋文明，刘杨

(1..浙江浙能天然气运行有限公司，杭州 310000； 2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东青岛 266580)

在天然气发展“十三五”[1]规划及《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》[2]中，中国对天然气发展建设提出新要求，旨在加快推进天然气在新型城镇化建设中的规模化应用，实现信息与燃气的深度融合和管网的信息化与智能化建设。现阶段，油气管网的智能化管理是未来的主流发展方向[3-4]，数字管道正向智能管道升级，发展空间巨大[5]。中石油管道公司、长庆油田、航天云网等企业针对管道面临的挑战和需求，纷纷提出了智慧管网解决方案，中石油管道公司为提供智能管网一体化解决方案已经开发出管道控制系统(PCS)。为响应国家号召并实现未来竞争优势[6]，建设智慧管网成为现阶段成为浙能公司发展的重点目标。目前随着管网的不断扩大和完善，亟须全省管网的智慧化建设，实现全省管网的管理水平与经济效益的进一步提升，实现浙能集团的转型升级。

相对于原油市场的价格不稳定性，天然气价格一直处于稳定状态，随着中俄管线与西气东输的加大供给和清洁能源地位的提升，天然气在能源消费领域占比越来越大，发展前景良好。但燃气行业存在的一些问题给公司运营带来影响，按照传统企业的发展模式，燃气行业已经到达新的瓶颈，主要集中在以下几点：①管理效率相对较低。企业部门人员冗余，部门繁多，管理方式往往采取垂直体系，横向业务交流不足，在复杂问题处理时，各部门的有效联动性不强，导致人员配置不合理，效率不高。②综合运行监管难度大。以浙能管网为例，2018年管网输气量已经突破100亿m3，下辖超过1 700 km的燃气管网，生产面积涵盖整个浙江省，日常维护与检修通常需要大量人力，尤其是部分野外的管道所在地形较差，导致监管难度系数高。③信息利用率低下。尽管近年来，许多燃气企业引进信息管理技术，但尚未实现管网全覆盖，在生产过程中，大量管道信息数据在部门间不能及时共享，信息之间缺少服务型智慧管理平台进行合理调用，导致信息利用不足。总体来说，燃气企业需要一种综合智能化管理平台，对人力资源、信息资源、管道资源进行高效整合、合理分配，解决传统能源企业固有的管理效率低下、监管难度大、信息利用率不高的问题。

本文的主要工作：进行智慧管理平台架构设计，利用结合“互联网+”，通过构建智能化管道数据标准，在管道全生命周期内，使各类业务产生、传递、共享、应用数据信息形成完整的数据信息链，突出智能管道的决策支持功能，为智慧管网打造智能化平台。

1 省级管网平台架构

智慧管网平台设计思路：利用标准规范化平台，结合“互联网+”与物联网[7]，将管道与站场运行数据进行全面统一，对数据格式进行标准化处理上传至平台，通过科学系统分析，将企业各部门进行有效联动，筛选并互通有效数据，采取AI智能化管理，在大数据的基础上进行深度学习，构建适应不同需求的管道系统。综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，实现实时感知、数据分析、信息服务、集中调控[8]功能，具备人机友好界面，方面管理人员进行操作。

1.1 总体架构设计

在结合历史数据与现行智能化管道运营数据的基础上，构建“客户端+云端+大数据分析”架构，形成以智能管线管理系统、智能站场管理系统、智能交易管理系统三大平台为核心，将接口层、服务层、数据层、设施层与感知层相统一的设计，利用软件层将各操作界面呈现于员工，实现管网的统一运维、全生命周期智能化管理(图1)。

图1 智慧管网总体架构示意图

平台层：以智能管道、智能站场、智能交易为核心的平台层，彼此之间相互配合，形成平台层的框架结构，既可以独立进行操作，也可以调取其他两数据进行联动，以此来保证整个系统的安全、平稳、智能化运行。

应用层：这层应是整个系统建设的重点，是连接人员与虚拟数据之间的桥梁，可以直观地将数据呈现给决策者，提高数据利用率。应用层可分为3个方面：移动端(手机、平板等)APP，桌面Windows和Web应用，三者信息互通，实现行业有关的数据融合。应用建设可分为高级应用与基础应用两类专业应用，高级应用下辖基础应用，可重点建设应急管理系统、运行调度系统、完整性管理系统等。基础应用则是公司日常运行的基本软件，同时具有开放性、预留性、扩展性等特点，可为后来新功能升级提供支持。

接口层：统一接口对于数据的安全访问有莫大帮助，通过API网关对接口的管理，实现统一接口服务，上层应用使用统一接口服务实现数据和服务的访问，达到业务目标。

数据层：通过把不同类型的信息来源进行归类、整合，从业务角度对各类专业数据库进行有效规范与衔接[9]，类似管道的基础数据、环境的实时数据与运营商各类数据信息综合汇总，形成有效信息。需要建立统一的数据标准[10]，现阶段已经有可应用的数据标准与模型如PODS、APDM、PIDM和CPDM，故而可以基于上述模型进行开发，实现数据的互联互通、集成共享。

感知层：这部分为现阶段企业已经或正在建设的内容，通常基于底层传感器对生产过程的监控与实时网络通信对自动控制技术形成规范管理，实现各类信息的采集、传输等功能，是整个架构最基本的功能，其采集信息的准确性直接关系到后台监控判断的合理性，可以说是智慧管网系统的“眼睛”。

1.2 架构主要功能

图2展示了智慧管网建设所依赖的相关基础应用软件，各应用相互关联，涵盖了企业正常运行的主要功能，现对管网架构主要功能进行阐述。

图2 智慧管网建设相关基础应用软件

1.2.1 管道生产运行管理

对于浙能天然气公司，其最重要的任务便是保证天然气的生产供应，预防天然气供应中断的风险。通过监测管道中天然气的压力、温度、流量等对管网及站场进行实时数据监测；汇总运行数据和管道数据，通过压差变化率(ROC)监测和警报压力峰值和波动进行泄漏检测；建立水力仿真模型，实现管网的动态或静态数据仿真；操作方面，可以根据需要选择手动或自动模式，防止自动系统失效情况下安全问题出现；采取无人机定期管线巡检、机器人定期站场巡检、卫星定点巡检、人工重点巡检相结合的方式进行巡线，建设自动监控系统对上游交接、管网分配、下游用户交接实线全覆盖。对于运行安全，使用标准组件，确保最高组件可用性操作，实现一体化管控，节约管理维护成本[11]。

1.2.2 应急管理

应急管理系统应以高效率、精细化、智能化为目标，集成应急预备管理、应急控制、事故分析、事故抢险、应急指挥与事故报告功能于一体为手段，建成浙能集团统一的监测预警中心。事故发生前，对人员不遵守法规严重性、管道发生事故的可能性以及挽救措施的有效性进行评估是非常必要的[12]，需根据各企业所发生的不同事故进行制定应急抢险方案。在事故发生时，按照不同的类型与优先级，系统通过数据库比对给出相应的评级与初始方案，对平台的不同管理角色给予不同权限，结合地理信息系统(GIS)[13]、GPS定位系统，并同当地政府有效沟通，最优化抢救人员配置，并以电话、短信等方式通知相应负责人，为救援指挥提供一体化的信息平台以便实现快速联动。在依托实景与虚拟三维场景基础上，实现平站结合、决策指挥的目标，加快事故处理速度，提升企业信息化水平。事后需要分析在站场设计方面，需要做到一键停机、一键停站、一键放空、一键越站等操作。事后需要根据事故起因、抢修过程等方面信息形成分析报告及并给出建议，并将报告纳入数据库以减少类似事故的发生，并从而减少财产损失与社会不良影响。应急管理流程如图3所示。

图3 应急管理流程

1.2.3 灾害提前预警

对于浙江地区，山地和丘陵占比超过70%，油气管道面对的地质结构复杂，在夏季降水量较大，尤其是强降水容易引起滑坡的地质灾害与洪水灾害。需要结合三维地图，对易发生灾害区进行实景三维建模，对容易引起的管道事故提前进行预测，建立预警用户信息资料库，管道风险评价，对易发生灾害区进行实景三维建模预警。主要集成3个基础应用的信息：地质灾害模块、管道洪水灾害模块与气象灾害模块，构建管道安全管理可视化系统[14]，并将3个模块的信息集合成一条信息统一推送，可对浙能集团所辖的各个站场人员与工业或居民用户等发布防汛、气象、水文、海洋等各类预测预警多媒体信息。

1.2.4 站场与管道完整性管理

现如今某些老管道运行时间已经接近40年，并呈现管道腐蚀疲劳泄漏事故增多的趋势，同时新型大口径、高压力、薄管壁的管道带来以往未有过的管理难点。如何推广完整性管理及技术应用是保障管道本质安全的根本，是解决管道业务发展瓶颈的关键[15]。其主要分为管道和站场两部分，通常将识别高后果区管道部分、对可能产生的危险进行辨别(腐蚀、第三方破坏、管道开裂、焊缝缺陷、人员误操作等)进行风险评估、制定并实施风险减缓方案、评论与更新这检查和维护结果这些方面结合起来组成完整性评价，从内检测管理、缺陷评价、风险评价、管道适用性评价管理等方面进行综合分析，采用“鹰眼”“光纤通信”“SCADA”系统等技术，为管道进行定期智能体检。

1.2.5 电子商务交易

结合“互联网+”与能源互联网政策，实现类似易派客和上海天然气交易中心的交易模式，为大宗天然气、LNG交易创造条件，建立数据集成管理机制交易以计量智能化、过程透明化、管理流程化为目标实现采购，建立区位、市场、资源、运营及时机等优势[16]，推动天然气市场化，逐步实现平台全国化、国际化。

1.2.6 辅助决策

以科学定量化分析方法为主，追求结果的最优化为目标，根据管理人员的不同需求，结合大数据的历史数据进行展现和挖掘，发现隐藏在信息内部的特征和规律，构建模型库包括数据处理模型、图形模型等模型库支持向量机模型在管道预警中的应用，实现多维数据分析与动态分析，“一键式”生成辅助决策方案，为管理人员提供科学决策依据。具体包括及时查询系统、动态分析、数据库模型、决策支持系统几方面的建设。由于管道本身与运行时产生的数据量巨大，需要精简决策指标以提高数据的挖掘、存储、获取的效率[17-18],供分析、判断、预防、决策参考。

2 架构实际具体应用

1)积极开展泄漏检测，降低事故发生率。基于物联网组网监测预警开发管道泄漏监测系统，采用压力波技术、光纤技术等技术监测管网实时运行状态，构建泄漏失效概率分布模型，经过数据分析程序判断是否发生泄漏并进行定位，一旦监测到泄漏事故，自动分析泄漏风险等级，监控系统实时发出警报，并预报泄漏点位置，给出不同泄漏等级的应急处理建议，结合SCADA系统对事故影响区域、经济损失给出估算，为管道综合分析提供基础数据。

2)提升腐蚀监测水平。将腐蚀风险管理的先进理念融合到日常管道阴保工作中，通过ECDA法定检验、站内阴保等方法打造智能阴保软件系统，对管道进行外防腐检测、内腐蚀检测，对设备设施实行精细化管理，根据现场检测人员的电位数据采集和录入，重点检测管道信息与记录各类缺陷信息(地理坐标、缺陷类型、缺陷统计分布等)，对金属损失、温度、腐蚀率等数据参数变化来分析腐蚀深度、剩余壁厚等管道性能状况，保证数据的准确性和实时性；对管道各类缺陷数据信息构建防腐系统评价系统，通过对土壤腐蚀性、杂散电流和排流的管理与管道力学性能退化研究，进行配套相应的腐蚀评估方法，建成优势互补，构建多方位、多手段的天然气腐蚀监测系统，对腐蚀趋势进行预測。

3)安全巡检综合一体化。重点突出无人机智能化设备在巡检过程中发挥的作用，将站场机器人巡检系统融合到智慧管网中，并与卫星定点巡检、人工巡检相结合形成“四位一体”综合巡检体系，解决日常巡检出现巡线盲区问题。结合地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)，配合有矢量化电子地图的终端数据采集软件和后台处理软件,对巡线仪、关键点进行管理，对人工巡检及无人智能化设备进行规划，以提高寻线效率和管道数字化、可视化水平。当发现管网及站场存在安全隐患、生产故障或第三方非法施工时，由调度中心及时通知和指挥有关人员实施应急处置等决定，实现巡线计划管理、事件管理、人员考核、终端管理、统计分析等功能，降低人工劳动强度、减少作业风险；巡检可与下文三维虚拟数字系统相结合，对于管网及站场数据实时监测的异常数据，在虚拟管网及虚拟站场系统开展虚拟巡检，探寻异常原因，提高巡检效率。安全巡检系统架构如图4所示。

图4 安全巡检系统架构

4)知识挖掘。结合管道日志数据、感知数据、位置数据等相应的业务模型构建专家知识库，在海量数据中分析管道应用场景，通过数据库中的经验数据与历史数据进行大数据分析，由于管道数据集合会导致过拟合的问题，需要按照属性值进行人工智能与决策支持系统相结合优化，得出设备健康状态及故障预测等分析结果，进一步给出劣化运行建议、故障维修建议等行动推荐，达到参数优化、系统动态模拟、数据挖掘、知识决策的目的。由于管道数据集合空间的特性会导致过拟合的问题，借助大数据技术实现智能化应用，诸如神经网络之类的机器学习方法使得与大数据有关的复杂性学习成为可能[19]。

5)发展三维虚拟数字系统，提高员工生产效率。在GIS、CAD等技术基础上,使用3D MAX等三维建模软件对管道场景构件进行高仿真三维建模,与二维地理信息系统的相结合并对实际设备进行映射，实现地理信息、管道本体、附属工程设施的虚拟三维场景显示，同时构建可视化的管道完整性基础数据库；在虚拟管网的基础上，构建站场设备三维模型与数据库，整合实时生产数据与三维实景实现联动，可显示设备参数、状态信息，并随时了解站场的全生命周期过程数据。建立三维管网与站场评估系统，实现数字化场景中得风险分析(高后果区的位置、里程、时间等)与事故灾情推演；开发虚拟培训系统，尽管浙能天然气管道长度不断增加，公司规模不断扩大，但招入新员工可能缺乏设施的操作技能，国家层面上并没有相应的培训与考核。通过在虚拟管网、站场的设备培训、流程培训考核(事故模拟演练、人员培训)，可提高站场人员的操作水平，提高新员工技术培训效率、降低培训成本。

6)完善施工作业管理。结合浙能发展实际情况，经大数据显示，第三方破坏已经成为燃气管道泄漏事故的主要因素之一，需要对其进行完善管理，提高其管线建设与运营管理的水平。对设计图、施工图、人员分工、财务预算等方面进行评估后，根据《燃气管道设施保护方案》，落实安全监护到位原则，并标准固化施工流程：录入基础工程数据(钢管信息、防腐层信息、光缆信息、套管信息、桩信息等)，设置不同的层级进行审核与批准，同时对相应法规审批文件进行录入和管理；施工与设备数据可与投产试运行数据一起构成建设阶段的管道完整性数据库。同时结合人工监控，利用卫星监控、无人机监控、视频监控、红外监控等手段对违章占压进行管理，并对各类作业车辆及现场重点作业人员的开展定位实行作业跟踪，为综合调度指挥服务。

7)加强高后果区识别，完善完整性管理。构建量化评估模型，从不同方面(地理位置、周围环境、管道参数等)对高后果区进行评估，对管廊、潜在影响等区域分析，结合天然气事故影响半径，将管道本体风险、动态风险和高风险区域综合覆盖；结合数学模型预测管道失效极限状态，研究高后果区的可靠性，对风险程度划分不同等级并进行排序分级，实施应急处置、加强防控和一体化监控等措施进行提前预防。对于村庄、学校等人口密集区域，要以保证人员安全、以人为本，减少伤害为原则，对于站场等设备重点区，要以减少二次破坏可能性为重点，构建高后果区评估模型，得出最不利条件下的应急方案。浙能集团应每年不少于一次更新地区风险等级、重要设施场所和埋地管道所等数据，经系统研究准确有效的评价结论，完善完整性管理。图5为高后果区处理体系流程。

图5 高后果区处理体系流程

8)完善效能评价系统，获取最大管理效益。制定相应效能评价规程，规定评价内容和工作流程，综合性评价企业的投入(人力，财力和物力)以及产出(各工作的完成质量、数量及事故的降低率等)的情况,采取过程与结果、成本与效益相结合的模式，选取适当的指标体系规模，对各单元的工作效率和效果进行评估，制定效能测试定性与半定量指标，并针对重点单位的专项效能和完整性管理的整体效能设定评价指标，平衡各指标的权重，并且多层次评价。通过大数据分析比对修正，对效能进行周期性评估。单个项目评价需符合审核准则，明确审核计划、形式、频次及次数、资源等，分析现场评价记录和审核证据并开具报告。

9)加强客户资源管理，打造电子交易商务平台，提高交易质量与营销策略。针对大型客户与居民用户分类管理，收集核实用户基础信息(名称、地址、联系方式、用气规模等)建立分析用户以模型掌握用户信息及变化。结合智能天然气表，基于客户用气量计划、历史用气记录对用气量进行预测，深入分析不同用户的天然气与煤、电、油等能源需求耦合状态，探索用户用气规律与近期、远期气源的供气能力，从经济指标、规划的经济效率和社会效率等方面制定配气不均匀调节方案，及时调整上游购气量、分配管网供气量，调节市场供需平衡，制定有效营销策略和调控方案。企业需严格执行供气安全检查专项管理，并与用户进行需求互动与需求提升品牌形象，建立户用私人定制等业务改善服务模式，，提供更快速和周到的优质服务吸引和保持更多的客户发展锁定新客户保证客户的满意度，拓展增进市场份额。