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管道研究

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“无人化”趋势下油气管道管理和建设展望

来源:《管道保护》2021年第4期 作者:钱建华 沈建锋 杜威 陈子超 时间:2021-8-4 阅读:

钱建华 沈建锋 杜威 陈子超

国家管网集团华东分公司


摘要:我国油气管道建设与运营以中俄东线天然气管道试点项目为标志进入了智能化阶段。通过阐述当前“无人化”管理相关支撑技术的发展状况,剖析管道和站场设施完整性管理的难点,初步探索油气管线无人化运维的场景和方法,为无人化设施建设和常态化运行提供参考。

关键词:油气管道;无人化;智能化;多技术融合


预期至2025年,国内油气管网总规模将达到24万公里。随着管网里程的急速增长,为实现安全管理和智能管控的同步升级,“无人化”技术逐步成为管道和站场管理的应用趋势。无人化也成为融合切合应用场景支撑技术、推动生产方式转型的持续不断的迭代升级过程。

1  无人化的背景

1.1  行业背景

目前,管道资产完整性管理指标日趋严苛,从表 1所列控制指标可见一斑。


1 管道资产完整性管理业务指标



实现资产完整性管理,需要更高的巡检频次和巡检质量,对当前以人工作业为主的巡检方式提出巨大挑战。

1.2  技术背景

先进传感技术、目标/行为识别算法、高精度定位技术、数字孪生支撑下的复杂控制技术,大大降低了无人化作业的空间限制,提升了作业环境适应性。为管道和站场无人化作业创造了技术条件。目前技术的更新发展已经在应用关键节点取得了以下突破。

(1)看得清、看得懂。先进传感器技术提升了无人化装备的环境感知范围和精度,目标/行为检测算法、检测量变化模式分析算法,使其具备了适应泛化作业对象和随机作业环境的技术。

(2)行得准。高精度定位技术为远程精准操控无人装备提供了技术基础,而对历史操作的精准重复则大大降低了远程操控的人工投入,并为自动感知操作对象的状态变化提供了便利。

(3)想得全。数字孪生是以作业对象及其运行过程为中心,融入规律、规则、流程,综合运用仿真、大数据、人工智能技术,构建在形态和运行机制上全面模拟实体的数字孪生体。

(4)网络配。5G移动网络超高带宽、超低延时的特性与工业控制对网络的要求相匹配,为无人装备的野外作业提供了通信保障。

1.3  生产方式转型

以新技术、新式劳动工具替代人工作业方式下的部分操作过程,吸收人工操作规范、操作经验,以流程、规则形式固化于无人装备的应用程序和数据库中;劳动者则由现场操作转为远程监视和控制。在例行性、环境条件依赖性低的操作中,有条件实现无人装备的自主运行;在智能辅助决策工具的协助下,远程人工控制则会简化为设定作业目标和选择无人装备反馈的分支操作选项。实现生产方式由劳动密集型、技术密集型向决策密集型转变(图 1)。



1 生产方式转型关系图


2  无人化管控平台建设

2.1  无人化技术应用

2.1.1  工程建设

(1) 地形勘察。无人机倾斜摄影获得精准三维地表模型,用于评估工地现场及周边情况。周期性的地理信息采集也可用于发现缓慢地址变化对已建成管线、场站的潜在威胁。相对于卫星遥感测绘,使用无人机获得地理信息数据更为经济、精细且不受气象和卫星运行位置影响。

(2)工程质量远程监察。根据在建工程的数字孪生体/BIM选取关注位置生成无人机航线,定点采集工程三维影像,并与数字孪生体/BIM设计模型比对,早期发现和解决工程质量问题,降低投产后运维成本。

(3)无人化施工技术引入。降低人工缺陷引入,在管道中心线对齐、环焊缝焊接等关键环节提升施工质量。

2.1.2  线路管理

(1)管线局部区段常态化巡检。通过无人机巡线,自主识别管道外腐蚀、地质变化、占压、警戒线内施工等异常情况,实现无需人工参与的常态化低成本巡检,单架无人机巡检频次可达每日数次。无人机可提供载荷控制和远程喊话功能,便于远程取证、说服教育或警告驱离。

(2)全线高后果区识别。周期性开展200~300米高度、广角摄影的长距离无人机巡检,发现更大范围的地理/地质变化,弥补常态化无人机巡检受空域开放高度(地面以上120米以内)限制的巡检局限,两者互为补充形成巡检“精”与“泛”、“窄”与“宽”、“高频”与“低频”,以全面及时识别高后果区变化情况。

2.1.3  场站管理

(1)站场及阀室设备远程监视及控制。基于物联网技术的远程操控对站场阀室设备进行远程操控和连锁投退。基于智能识别分析的视频技术在站场阀室区域实现边界警戒、视频抄表、入侵报警、作业识别等功能。

(2)站场或阀室外围环境及设施完整性检查。驻站旋翼无人机或经过站场的管线巡检旋翼无人机绕飞站场或阀室建筑整体以及重要设施,检查建筑外结构缺陷、设施缺陷,周边环境威胁。

2.1.4  应急处置

(1)事故早期处置。感知事故发生时,可远程操控附近驻站无人机赶往现场进行警示、疏散群众等早期工作。

(2)现场态势信息采集和展示。在事故处置过程中,可利用多无人机全方位获取现场画面,帮助应急指挥中心了解现场态势。

(3)备品备件急送。

2.2  无人作业管理平台建设

2.2.1  数据通讯

应用超低延时的5G移动网络搭建从无人装备到控制系统后台再到远程操控的三点两跳数据链路。依据实测情况,控制和遥测数据端到端传输时延可低至50 ms,1080 P高清视频端到端传输时延可低至300 ms,与点到点视距通信链路性能接近。

2.2.2  无人作业管理平台

图 2是某无人作业管理平台参考框架。



2 无人作业管理平台参考框架


(1)装备接入层。解决不同类型无人装备的接入问题。为简化适配规则,将无人装备、可替换任务载荷、独立传感器依据功能分解为“载具” “传感载荷”“执行载荷”三类,而装备的实际物理形态则通过设备管理层进行整合。无人装备的接口和控制协议标准化程度越高,装备接入适配的难度越低,运行控制的一致性越好;在应用条件成熟时,可考虑推动相关规范、标准的制定。

(2)资源管理层。为无人作业任务的运行提供资源保障。资源类型包括无人装备、参与无人作业的人员、无人作业所需的能源/耗材,以及交通和作业空间。

(3)业务管理层。实现对作业过程的管控以及提供各类数据服务。作业任务管理是核心,集成了不同无人作业过程的流程控制、操作执行规则、局部和全局的质量标准和异常状态边界条件等。围绕作业任务管理,需要GIS(地理信息系统)、人工智能分析、数字孪生预判、专业知识库/大数据分析等内部服务提供辅助数据支撑。业务管理层应具备开放性,用于接入平台尚未集成的数据服务或社会公共数据服务(如气象、空域信息)。

2.2.3  数据操控

操控终端/交互终端的便捷性是无人作业平台数据服务能力的外化,依作业装备类型、参与人员角色而不同。作为参考,这里抽象出3个共性场景。

(1)便捷的数据分享与远程协作。远程操作人员可将无人装备的运行状态数据和实时画面通过专用APP、微信等通用社交工具便捷地分发到其他远程人员的计算机、手机等通用终端,随时随地获得专家指导和远程协助。

(2)角色备份和灵活切换。远程操作人员可将无人装备的操作权限转移给另一操作人员,实现无人作业任务的执行质量、跨专业领域和跨地域的能力提升。

(3)数据汇集与综合分析、呈现。将多名远程操作人员及无人装备构成的作业集群的多路实时数据/画面在指控中心汇集、分析和综合呈现。为复杂工程作业、应急指挥提供全面、即时交互的技术支撑。

3  无人作业平台案例

海上5G无人钻井平台建设(图 3),旨在解决海上平台设施/设备的完全连接,并增强监视信息的采集和边缘智能分析,在有限的卫星通讯带宽资源下,远程获得全面准确的平台运行状况,从而减少无人机和专业技术人员的出动频次。



3 海上5G无人钻井平台业务逻辑图


试点区域由陆地监控指挥中心、海上中心钻井平台和无人井架平台组成。在中心平台搭建5G无线局域网,并通过海底光缆与80公里外的无人井架上的5G无线局域网联通。钻井平台设施/设备的监控数据汇聚于中心平台MEC边缘计算节点,经过信息提取和智能诊断,抽象出实时运行状态报告,通过卫星链路上传给陆地监控指挥中心。监控指挥中心信息也可通过此通信网络对海上平台设施/设备实施远程控制。

案例中,通过卫星中继5G数据联通网络孤岛,对穿越无人区或公用4G/5G网络覆盖不足地区的站场实现无人值守具有借鉴意义。

4  未来展望

4.1  无人化的迭代演进预期

(1)第一阶段:无人装备易用化。行业对无人装备的使用以方案验证和小规模试点为主,自主化和功能集成度尚不高,作业现场不能脱离人工干预。这一阶段的建设重点,是从改善易用性出发,扩大无人装备的使用量和人工替代率,为无人装备的规模应用创造基础性技术条件。

(2)第二阶段:无人装备体系化。随着无人装备的大量应用,现场作业中比重最大的操作已由无人装备承担,但剩余的现场操作却涵盖更多类型。这一阶段的建设重点,是通过丰富无人装备的类型、功能以及优化无人装备间的作业配合,以实现完全意义上的作业现场无人化,人工仅在后台监视和远程操控。完全(或接近完全)的无人化,放宽了作业安全要求,为作业工艺的提升开放了更大空间。

(3)第三阶段:无人装备自主化。无人装备、常规设备乃至生产环境的数字孪生体已普遍建成并趋于成熟(先知期)。在数字孪生体对现实世界的仿真预判指导下,无人装备具备较高的自主运行能力,多数情况下,人工仅参与方案制定和决策。

4.2  展望

从实现无人值守,到规模化应用实现“少人化”,再到完善无人装备体系实现作业现场无人化,还须经历一个持续的摸索和迭代过程。

(1)借助智能化工具糅合承载流程/规范、现场作业经验、生产管理经验,需要各参与方积极协作,发挥群体智慧,挖掘需求与问题,研究解决思路,推进方案设计、验证和优化。

(2)在移动网络通信、数据管理、无人装备远程操控、管道数字孪生体成熟度培育等关键技术领域取得突破;跟踪相关技术的最新成果,识别应用价值和积极验证,以及借鉴其他行业先进经验。

(3)在技术验证成果积累到一定程度后,有必要制定符合油气管道行业应用需要的技术规范,牵引无人装备、技术供应商的技术改进方向,从而达到保障应用效果、降低规模应用成本的目的。



作者简介:钱建华,正高级工程师,博士研究生,现任国家管网集团华东分公司副总经理,先后在中国石油华东输油管理局、中国石化集团管道储运公司、中国石化股份公司管道储运分公司、中国石化销售华北分公司、中国石化销售华东分公司等单位工作。曾获国家科技进步奖二等奖一项、中国石油、中国石化科技进步一等奖、二等奖和三等奖多项。联系方式:13685199166,qjh4077@163.com。

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