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对话宫敬教授:关于油气管道数字化和智能化的几个问题

来源:《管道保护》杂志 作者: 时间:2020-5-15 阅读:

 

宫敬教授


《管道保护》编辑部:宫教授您好,当前我国智能管道和智慧管网建设进入起步阶段,您新近发表的“中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考”引起了广大读者的关注。有一些读者通过学习思考,向您请教几个问题。

宫敬教授:非常欢迎。我的文章对油气管道数字化、智能化建设和发展虽然有一些研究和认识,但总体认知还比较粗浅、存在不足。读者朋友所提出的问题都比较深刻、实践性很强,愿借此机会与大家交流学习、抛砖引玉,期待学术界和管道业界研究者给出更好的解答,共同推动油气管道的数字化和智能化建设。

 

问: 数字孪生体建设是智能管道的基础工作,如何有效搭建建设期数字孪生体,并使其在管道全生命周期得到有效应用?

答: 作为第四次工业革命的关键技术,数字孪生体受到学术界和工业界的极大关注。目前,多个国际组织的技术委员会成立了数字孪生体相关的工作组。这从一个侧面证明了数字孪生体技术在第四次工业革命中的地位和作用。目前,国际上还没有建立相关标准。我本人比较认同《三体智能革命》一书关于智能化模型的相关描述:物理实体、意识人体、数字虚体。数字虚体在没有加载意识体之前就是我们现在讨论的数字孪生体,是存在于计算机和网络设备之中的所有数字代码集合体,可仿真真实系统状态和已确定行为的实体模型。未来将实体的物联数据和意识人体的知识、推理建模引入,实现从物理实体→意识人体→数字虚体(数字孪生体)→物理实体的循环,最终能够形成智能系统。其中知识建模、知识积累和知识驱动是未来的难点。正在开展的知识图谱建设是智能决策系统建设的开始,而数字孪生体技术是智能系统搭建的基础。

可以说,数字孪生体不同于以往任何类型模型构建和可视化,其建设本身就是与管道全生命周期高度同步和关联的系统性工程,在管道规划、设计、建设、运营、维护直至退役的整个生命周期都有其对应的工作和应用的场景。

管道全生命周期从“纸上谈兵”到“真枪实弹”是进入建设期的显著特征,标志着管道前期规划、设计资料的完整移交和施工应用。这些资料涉及设备、材料、工艺、地质、环境等大量数据,而这些数据正是有效构建数字孪生体雏形的原料。此时的数字孪生体已能够实现管道静态的全部特征,可以为管道建设施工过程提供多角度多信息的综合利用,如:辅助工程进度管理、辅助资产采购配置、施工质量把控、工艺移交与校核等。

建设期是更新与完善数字孪生体的一个重要时间窗口,对此后数字孪生体的有效应用至关重要。如果数字孪生体在此阶段没有得到实质性更新,那么可能出现与实际不符的问题,直接影响其在施工移交、试压投产、试运行等阶段所能发挥的综合作用,并对此后的有效应用带来影响。

生产运行阶段,通过物理实体管道系统与管道数字孪生体进行交互融合及相互映射,实现物理实体管道系统对管道数字孪生体数据的实时反馈,使管道数字孪生体通过高度集成虚拟模型进行油气管网运行状态仿真,形成虚拟模型和实体模型的协同工作机制,达到二者的优化匹配和高效运作,以实现安全可靠的准确预测、精准操作,优化控制。

综上,由于油气管道点多、线长、面广,其数字孪生体的建设应该分应用场景和应用目的而分类建设。个人认为:

(1)管道项目开始规划设计之初应确定数字孪生体的应用场景,从线路、站场、管道及管网系统三大层面入手,将管道数字孪生体积木化,确定承插原则、边界及外界数据的融入(如:地理、天气、资源、市场及检查信息等)规则等。

(2)管道设计中数字化移交的一维、二维和三维模型必须具有生命力,在投产、试运行阶段可加载数据激活应用模块,使数字化移交的模型在施工、试运行结束后成为与实体映射的孪生体,为全生命周期运行提供静态数字体。

投产完成后,关联各种属性、动态数据、数字和机理模型,实现所预设的功能。如:一个压缩机站场,由各类设备、工艺管线、测量仪表、供电、数据传输等分系统组成,而它作为一个整体,又是管道系统的一部分。应根据需要确定在现阶段的积木块,即孪生体系统的颗粒度。本人认为,基于管道的特性,孪生体颗粒度要根据如何保障管道安全和经济运行来确定。如:哪些系统需要赋予具有生命力的三维模型,要根据需求和投入加以考虑;并非全部系统需要三维模型。实现管道数字孪生体数据对物理实体管道系统的实时相互映射,使其通过高度集成虚拟模型进行管网运行状态仿真分析,形成虚拟模型和实体模型的协同工作机制,达到二者的优化匹配和高效运作,是实现管网动态迭代和持续优化时必须达到的。而根据SCADA 系统的设备运行、设备监测、工艺运行等数据,对设备数字孪生体加以更新,进行多学科、多物理量的集成仿真分析,实现基于可靠性安全评估和基于故障案例库的诊断,预测设备故障及剩余寿命,给出维修维护策略,制定维修维护作业计划,也是必须功能。

问: 当前各业务模块内部数据之间的因果及逻辑关系较为明晰,分析应用工作相对成熟,不同业务模块之间的数据综合分析工作应如何开展?管网业务的多源数据分析与所谓的大数据分析有何异同?

答: 不同业务模块之间的数据分析工作应当从管网系统内部的关联性分析着手,以物理规律为基础,以安全运行为边界,以优化资产配置、资源整合及高效运行为目标,对相关数据进行整合,并确定分析方法。数据整合是基础,分析方法是手段,需求是目的。所以,首先要解决不同来源的数据在读取方面的问题。

从面向生产和消费的角度看,管网业务的多源数据分析从方法到应用场景具有不同的特征。其中面向消费的数据分析与常见的大数据分析相似度更高,而与此不同,面向生产的数据分析往往物理规律的支配性更显著,数据的特征和数量与应用场景紧密相关,并且数据分析的精准度和时效性要求更高。

关于油气管道数据的相关问题,我在“中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考”一文中已有论述,不再赘述。

问: 管网优化运行的技术难点在哪里?阶段性技术突破预计何时可以实现?

答: 管网优化运行的技术难点可以从两方面来看,一个是理论之难,一个是应用之难。

管网优化属于最优化理论应用,由于管输介质、管网特性等往往会演化成数据类型多、约束条件多、优化目标多且非线性关系复杂的优化问题。模型、求解算法和算力都会影响优化结果,目前技术难点主要在于建模和求解方法。优化模型有很多类型,好的模型往往比好的求解算法和算力更重要,而建模艺术除了需要运筹学功底外,还需要对问题背景有足够深刻的了解,能够抽丝剥茧抽象出关键因素,使所建立的模型可以忽略掉一些因素进行简化但仍然能刻画问题,保持一定的精度。目前只有在特定场景下进行简化后才能取得较好的优化效果。

在工程实际中难以落地是管网优化应用之难,这与工业整体发展水平紧密相关,目前管网的信息化、自动化、互联化建设仍较为初级,需要投入更多的物 资和人才。个人认为短期之内提高管网优化运行的可行路径在于打造上述闭环迭代过程,先由运行管理方提供明确的需求和必需的数据,然后由工艺人员描述问题背景和系统特征,再由优化建模计算人员进行模型和数据等各类建模,尝试不同的优化模型和求解方法,再根据应用反馈改进模型,形成一个不断迭代升级、进化优化的过程。

此外,管网优化运行的实际落地还需要运营方、优化建模计算人员、工艺人员之间的通力合作、相互配合。要依据优化结果进行应用评估后,再根据反馈改进模型,真正形成这个闭环迭代流程。一些研究和应用效果不尽人意往往是这个闭环过程中出现了环节脱钩。

问: 您能预见的智能管道/智慧管网将会给管道行业带来哪些具体的提升?

答: 智能系统要具备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行及学习提升的特征。智能管道/智慧管网最重要的都在一个“智”字,所谓“智”,意味着首先要降低风险,减少由于“不智”带来的决策失误、操作失误以及自然失效,在保证科学性、时效性和准确性的基础上使得安全性得以提升。其次,是运行效率的提升,通过“智”的建议或管控使得系统资源合理配置,管道保持高效的智能/智慧运行和管理,上下游市场得以充分发展。

智能管道/智慧管网给企业带来的宏观目标在以往中石油、中石化及中海油专家领导的报告中都有提及。具体的提升在于人工智能与管道结合的广度和结合的深度,以及人工智能技术的发展水平。就目前基础、现状及本人认知,宏观上可预见给企业带来如下提升:①较大降低行业的人力成本;②管网系统在整个生命周期内运行更加安全、高效;③较大提高事故检测和事故处理效率;④较大提升管道行业的经济效益。

(1)智能化管道设计。已经在中俄东线天然气管道上尝试应用,关键是未来能否在全行业很好的推广应用。智能化管道设计能避免人工失误,实现全面精准的计算,完成优化科学的方案,提交规范统一的设计成果;并反馈给出的管道数字化模型——管道数字孪生体是否能够满足管道生产运行的要求。如果这些模型可以加载,数字化、智能化平台规范统一,将会给管道全生命周期的运行管理带来较大的经济效益。

(2)生产安全和运行优化。运行方案制定更加便捷,运行状态监控更加科学,事故工况的响应更加及时。管道在一定感知、数据和机理模型融合的条件下,能够实现管道运行的精准管理和智能决策。同时,能够根据数字孪生体的数体演化,对事故事件进行预测预警及精确控制。

(3)设备故障诊断和智能决策维护。通过传感器实现对油气管道关键设备的状态、参数、负荷等进行感知及多种监控信息智能处理(历史、现状及未来的关联分析),评估设备的状态、不同任务的可靠性并给出维护维修策略。

(4)完整性管理和可靠性预估。在具有完整数据基础上,智能管道系统形成的实时数据、定期检测数据、历史运行数据,耦合外部环境数据等,可实现油气管道全生命周期的完整性管理和定量的可靠性分析。同时,可明确油气管道可靠性差距,采用相应的可靠性增强措施和方案,实现在当前以及未来的油气供应保障程度评价和与之相应的投入产出分析。

(5)智能化管道事故救援体系。目前管道系统的事故应急救援体系分散,存在信息滞后、应急预案不够精准、各方协调不畅等困难。智能化救援体系可基于完备的信息平台,根据事故发生地点、险情和环境等信息自动生成针对性抢险方案,将方案发送至相关部门协助指挥员协调资源和行动,在短时间内用最合理的方案完成抢险,有效地减少事故损失。

问: 智能管道目前存在卡脖子的技术主要有哪些?未来如何解决和应对?

答: 这个问题实在是太大,我仅就我自己的认知和了解的情况谈点看法,肯定会与实际情况有差异,算是抛砖引玉吧,期待读者认真调研思考,最终能够参与到智能管道的建设中来。卡脖子技术可以从硬件和软件两个角度看。

在数字管道、智能管道概念提出来以后,国内厂商开始面向油气行业提供一些硬件方案与技术,但都是局部应用。我国与智能管道相关的硬件设备(感知设备、数据采集和传输设备等)中的自主产品越来越多,但还有一些关键控制设备依赖于进口。为了智能管道的全面感知,需要研制廉价的感知设备;为进行多源海量数据处理要配备更高效的计算软硬件。我相信,国内厂家能够解决智能管道需要的硬件问题,即便暂时管网感知颗粒度不够细致,也可以用仿真计算替代。

而智能管道的基础是数据,灵魂是软件,这是最重要的卡脖子技术。我国没有针对管输企业的信息集成规范,长输管道分布广、地形复杂、涉及面多,与一般企业差异较大,需要统一规划管道信息数据;我国尚无实现智能管道应用的成熟软件产品,技术和商业成熟度均落后发达国家20年左右。我非常同意《铸魂》一书作者的观点:工业软件是改革开放以后,唯一一个与国外同行不断拉大差距的工业产品领域。

随着数字技术和工业互联网技术的发展、国家对创新的重视及意识到在智能化进程中软件的作用,行业内外人士已形成共识:我们已经到了解决智能管道难题、发展关键技术的历史最好时期。虽然在基础工业软件上差距巨大,但在工业技术应用软件上,可以以工业互联网和智慧管网应用为切入点,自主开发适用于我国智慧管网的基于模型加基于数据的工业技术应用软件。从大的方面讲应该参考发达国家的先进经验,通过制定类似的发展计划引导学术界、工业界、商业界形成优势互补、强强合作、全力攻关的良好局面;从小的方面讲智能管道并非一个行业就能实现,应支持已掌握一定技术的相关团队合作或参与关键技术研发与应用;同时,发掘培养更多具有综合素质的管理人才、研发人才和应用型人才也同样重要。

问: 您在文章里提到“中俄东线具备了工艺运行智能化的硬件和数据基础,如果拥有统一的数据中台或数据平台,将能更好地实行智能工艺运行控制系统”。现在一些管道企业正在丰富智能化硬件和数据基础,也在洽谈与阿里巴巴数据中台、业务中台的合作。若想更好地实现与数据中台或业务中台的联动,在建设过程中,除了开发精确的算法外,管道企业还需要注意什么关键因素?

答: 这个问题也非常大,我仅能谈一点自己的认知,不见得正确。管道企业已建立了很多数字化管理体系,如:数字管道建设平台、管道完整性管理平台、管道生产管理系统平台和 ERP 系统等,这些系统为智慧管网建设提供了数据基础。企业的数据中台或数据平台是智能管道建设的基础,也是意识体决策的信息来源。其关键因素包括:①已有数据系统如何在数据平台上统一管理和调用;②解决管道现场数据汇聚到平台的数据安全、数据实时性及数据标准不统一的问题;③围绕油气管道安全高效运行和高质量运营,规划系统多场景、多层次应用软件。通过调用、组合、封装及二次开发,将油气管道特有的工艺控制方法、运行维护技术、运营规则等软件化,形成适用于油气管道的专业工业化软件,一大部分可以成为管道行业的APP应用,这里需要强调一下,这些软件要分层次、分批次有步骤进行;④在智能管道建设中需要管理人才、研发人才及应用型人才通力配合,才能取得应有的成效。

希望各级决策者能够对工业技术软件给予足够的重视,把我国已经有的、能够与平台结合的基于网络开发的软件整合起来。

问: 您在文章中指出“目前大多数企业的智能管道方案局限于管道系统数据展示、智能设备应用等,在管道数字化、物联网基础等方面,我们还处于初级阶段”。从国情考虑,您对建设智慧管网各项工作的“几步走”战略,有怎样的建议?比如先发展什么技术,再攻克什么技术?

答: 这个问题非常之大不是我能回答的。分几步走,取决于我国技术发展、企业的短期和长期规划、已有管道的基础、新建管道的投资、工业控制和工业互联网。可以肯定的是,所有的发展都要从油气管网的实际出发,首先要解决最迫切的问题,以需求为牵引,以问题为导向,以安全经济为目标。可能需要全面梳理、开展一定研究才能给出具体的建议。

问: 您在文章中介绍“目前国内外在数据平台和模拟方面,已经有很多商业化的应用”。 国外在数据平台建设方面、模型软件开发方面,有什么先进经验值得借鉴?我们自身有哪些强项可以发展和利用?”

答: 国外在数据平台和模拟等方面的研究,最近《油气储运》等杂志已经做了很多介绍,不再赘述。

目前,第四次工业革命的蓬勃兴起,带来了很多新概念和新技术。这些新概念的背后是非常核心的关键技术,就是工业技术软件。而我国有很多对管道工业技术熟悉、且还开发过很多小软件的人员(高校和 研究所此类人员较多),可以在统一的平台开发环境下,组织研发适用于我国油气管道不同应用场景、不同功能的工业技术APP软件,使我们可以在工业互联网和云平台轨道上前进,在应用上达到国际先进水平。


问: 您还提到“‘一张网’建成,需要各单位协作,需要建设统一的数据标准、数据平台”。除此之外,是集合力量建立标准化的智慧管网建设方法,还是鼓励各单位通过科技创新,发展特色。在这方面有怎样的建议?

答: 是不是集合力量建立标准化的智慧管网建设方法我说不好,但是,不希望重复开发、重复立项。建议由国家油气管网公司统一数据标准和数据平台,在此基础上,可以鼓励各单位通过科技创新,发展特色。而各单位建立的系统,要能够在国家管网平台上推广应用。当然,我还建议国家油气管网公司及分公司要有相应的部门和固定的人员与高校、研究所及科技公司合作开发智慧管网所需要的工业技术软件。这些软件应该是可应用的,而不是供验收和取得软件著作权的。工业技术软件也需要有持续升级、升版的过程,需要借鉴国外的经验,与研发项目组进行长期的合作、持续的改进,这样才能够使我国油气管道一点一点的智能起来。

《管道保护》编辑部: 我们代表读者向您表示衷心感谢。(“中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考”刊于《油气储运》 2020年第2期第130~139页)

 

作者简介:宫敬,教授,博士生导师,享受国务院政府津贴。 1962年生, 1982年毕业于抚顺石油学院油气储运专业,获工学学士学位; 1988年毕业于中国石油大学(北京)油气储运专业,获工学硕士学位; 1995年毕业于中国石油大学(北京)油气储运专业,获工学博士学位。

现任国家安全生产专家,石油工程学会地面工程工作部副主任;油气管道输送安全国家工程实验室学术委员会副主任、工艺分室副主任,中国石油油气储运重点实验室等6个重点实验室学术委员会委员;担任中国石油学会石油储运专业委员会委员、北京石油学会石油应用和储运专业委员会委员,《油气储运》等5种学术期刊的编委。联系方式: 13501036944, ydgj@cup.edu.cn。

宫敬教授长期从事油气储运工程的教学与科研工作,是国内油气储运工程领域的著名专家。参加了我国“十五”“十一五”“十二五”“十三五”大型油气管道评审与科研工作。荣获2011年全国百篇优秀博士论文指导教师、 2010年全国优博论文提名指导教师。多年来一直致力于多相流理论、深水流动安全保障理论与技术、油气田集输工艺技术、油气管道仿真技术、油气长距离管道输送理论与技术的研究,主持承担国家重大专项课题和子课题6项,国家自然科学基金重点项目1项,国家自然科学基金面上项目4项,中石油、中海油、中石化科技攻关等高层次科研项目60余项,参加国家自然基金重点项目、国家“863计划”项目6项,同时,每年还承担多项管道企业的科研项目。在油气储运技术应用中,大落差管道运行及控制理论填补了国内空白,处于国际先进水平;在油气多相流及流动安全保障理论与技术方面,以国家自然基金和国家油气重大专项为依托,建立了蜡和水合物固相沉积预测理论和方法,开发国内首套海上气田虚拟计量和流动管理系统,并正在推广应用;研究和建立了成品油管道顺序输送动态优化模型和地形复杂成品油管道运行模拟技术,取得了较好的理论创新和应用效果。在天然气管道输送安全方面,通过理论和现场实验研究,提出了西气东输管道气质要求,为我国大型管道天然气气质指标标准制定提供了依据;给出了中亚天然气管道气质谈判依据;研制出了输气管道中减压波计算模型和软件;结合西气东输管道和西气东输二线运行状态,提出了天然气干线管道安全运行参数,为天然气管道安全输送和西气东输二线管道设计提供了有力的技术支持。目前,正在致力于油气管网和集输系统数字化、智能化研究。

在Applied Energy、 fule、 Energy & fule 、 Fluid PhaseEquilibria、 Journalof Petroleum Science and Engineering、Chemical Engineering Research & Design、石油学报、力学学报、石油大学学报、化学工程等刊物及国内外学术会议发表论文170余篇,其中SCI、 EI、 ISTP收录110余篇次;主编、参编专著7部,研究成果获省部级科技进步一等奖4项,二等奖6项,三等奖4项。获省部级教学成果二等奖2项。

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