油气储运智能化课程内容探索

＊温凯 李晓平 苏怀 刘啸奔 闫凤元

（中国石油大学（北京）北京 102200）

1.油气管道智能化背景

在第四次工业革命的背景下，传感技术、V/A/MR技术、深度学习技术、嵌入式处理技术、5G通信技术、边缘计算等技术得到飞速发展，已经在制造业等多个行业引发了巨大变革。同时，传统的管网系统已经不能满足当今的需求，将合适的新兴技术整合到管道系统之中，将使得管网系统更加的安全、环保、经济，也使得系统更加可视化、可控制与智能化。油气管网的智慧化将能够利用更加全面的信息和高端的技术，解决管网管控一体化[1]。油气智慧管网集成系统全生命周期的所有信息，通过智能管理决策，实现信息与生产的一体化融合与智慧运营[2]。

虽然油气储运是能源行业的传统专业，但却是一个知识面非常宽的专业，学生需要学习各种理论知识，掌握明确的应用场景。在新IT技术同传统行业的深度融合的形势下，油气储运专业也应与时俱进，积极进行智能化课程的教学改革，适应时代潮流和要求。油气储运智能化课程作为本专业的新课程，将来会对学生的进一步深造和工作带来很大的影响。本论文从行业基础、应用需求和课程设计等方面系统规划课程内容，拓展学生的知识结构，展开智能化课程内容设计。

2.油气管道自动化基础

在20世纪70年代，我国油气管道开始应用自动化技术，首先是大庆-铁岭-大连及秦皇岛-北京输油管道率先应用单回路自动控制实现管道的运行，之后以年份自管道自动化应用技术一直平稳发展，直到1997年，库-鄯输油管道利用SCADA技术在库尔勒控制中心实现对全线的控制，这在当时属于国际先进水平，这不仅代表着我国管道自动化技术的突破性进步，也是为集中调控奠定了基础[2]。21世纪初，第一个油气长输管道调控中心由中国石油天然气集团有限公司建成，管道调控中心不仅可以操作运行油气长输管道，而且能够调度管理站场、采集远程数据、协调与调度维抢修等；除此之外，调控中心还可以为调度模拟培训等方面提供技术支持和保障，油气调控中心代表着当时国内油气长输管道运维管理自动化的最高水准[3]。

在油气储运生产过程中，设备的监测与控制、流动仿真模拟是管道安全、经济、高效运行的保障，也是SCADA系统与仿真模拟系统关注的内容。SCADA系统和仿真模拟系统是自动化控制系统的重要组成部分。仿真模拟系统的核心就是将管道系统作为研究对象，利用水热力学理论搭建能够描述管道运行过程的方程，并用条件加以约束，再通过计算机进行求解的过程。仿真模拟系统主要包含三部分：在线仿真、离线仿真、模拟培训[4]，代表性的软件有：SPS（Stoner Pipeline Simulator）、OLGA、ASPEN HYSYS等软件。SCADA系统是近代油气管道自动化运行的主要手段，它主要包括三部分：调度控制中心系统、站控系统、阀室RTU等设备；SCADA系统在油气管网上承担采集数据、控制与监测设备状态、报警与应急响应三大功能[5]。

就目前形式而言，石油和天然气主干管网的步伐不断加快，信息技术的不断飞速发展，管道建设管理水平持续提升，管道运行维护能力和全生命周期管理能力都得到进步和加强，各单位都意识到标准化和数字化管道建设的重要性，都进行了有益的尝试和持续的探索。如今，油气管网建设运维的三大要素是“标准化、模块化、信息化”，同时基本实现了设计数字化、施工机械化、管理信息化[6]。

3.油气管道与新IT技术的结合

油气管网已有的数据管理系统主要是利用SCADA系统的关键动态数据，结合其它信息共同构成面向应用的综合信息化系统：（1）运营管理系统：管道运行的效益指标为运行能耗和输量，运营管理系统计算需要的参数包括管道进出口流量、计算进出口能耗以及销售情况，将这些信息的分析作为运营管理基础，保证管道经济平稳运行。（2）资产管理系统：站场设备、站场备品备件皆属于站场资产，对这些设备和备品在线监测与诊断信息的过程称为资产管理。（3）管道线路管理系统：主要任务是管道的完整性管理，保证其完整性，完整性管理主要包含六个方面：数据收集、高后果区的识别、风险评价、完整性评价、维修与维护和效能评价。（4）应急管理系统：主要任务是整合地理信息系统、SCADA系统和资产管理系统中的有用信息，根据管道情况制订维抢修管道应急预案，分析管道易遭受的灾害事故并采取相应的救护措施[7]。

根据当前管道行业的理解，智慧管网在原有系统基础上，打通各部分间信息渠道，同时综合管道全面信息，从而实现深度决策的功能。智慧管网的系统架构可从感知层、传输层、数据层、算法层以及应用层[8]五个方面分解。感知层是对管道SCADA系统仪表传感器的扩展，其本质是利用新增的感知手段，智能采集管道本体数据并处理、生产设备数据、自然环境数据、人员物资数据等，数据来源呈现多样化。当今通信网络的更加多样化，异军突起的5G网络等公网通信手段，使得传输层也更加多样，传输层主要是实现各部分互联互通，打破信息孤岛，将多源异构数据统一，然后可以汇聚到指定网络节点。数据层所实现的功能为利用云平台，对感知数据进行筛选处理、转化及存储，从而全面统一数据，另外该层是智慧管网算法的起点。而如何将多源数据实现统一标准和统一数据输出格式，则是数据层所面临的结构化挑战。作为智慧管网建设的核心，算法层通过集成原有模型，结合人工智能技术、大数据分析技术，实现智能识别和分析管网的状态。在应用层方面，在算法的支撑下，应用层则是面向具体应用和业务，主要是预警预测管道运行状态，辅助决策，实现管道智能化运行。智慧管网的总规划是根据各业务领域智能化发展方向所形成的业务管理提升方案。利用科技研究、工程建设和信息化三者相结合的研究方式，在油气智慧管网的感知层、数据层、知识层、应用层等方面开展研究及建设，逐步提升全面智能化[9]。

4.油气储运智能化课程设计

本着“厚基础、宽领域、强能力、高素质”的基本原则，油气储运专业已形成了“在保持优势专业方向特色的同时，适当拓宽专业领域和口径，强化工程师能力培养”的建设理念。油气储运在自动化类现有课程已经形成较为系统的内容，覆盖了软件、硬件、和现场应用：程序设计语言课程重点面向软件编程知识的讲解，注重学生程序能力的培养；仪表与检测技术课程更多的是现场传感器的应用知识，这是面向控制的观测环节；过程控制课程讲授自动控制的核心理论内容，帮助学生理解自动化控制的核心；油气储运SCADA系统课程则讲解PLC、数据库、组态等高阶内容，帮助学生了解面向应用层面的知识；专业软件实训和生产实习则直接面向未来的不同工作环境，锻炼知识与现场结合能力。该系列课程完成了油气储运自动化从基础理论到现场操作，从程序语句到系统集成全方位的理解，基本实现了生产过程中自动化专业所涉及知识的全覆盖。

本专业对毕业生创造性定义为能够针对解决油气储运工程问题的需要，不仅提出了新思路，还针对性的提出了新方法和新技术。面对中国油气管网建设的智能化需求，油气储运专业应当加快课程更新，展开油气管网智能化的专业课教学。

(1)课程教学目标

要求学生通过油气储运智能化课程的学习，了解现如今新IT技术的特征，包括大数据分析、云端计算、机器学习、人工智能等，熟悉油气储运领域研究与应用的最新进展，掌握神经网络、大数据分析等的基本概念、理论与方法，为今后从事油气储运智能化建设以及相关研究打下扎实基础。

(2)课程教学内容与基本要求

针对以上教学目标，设计课程主要内容如下，并针对不同知识点提出不同要求，详见表1。

表1 课程教学内容及对学生学习的要求

续表

(3)课程教学方法

在油气储运专业的教学安排中，自动化类课程多属于选修性质，所以油气储运智能化课程多安排在大三开课。学生在学习本课程过程中，需要注重专业素养和应用结合。本门课程涉及的知识面会很广，课程具体内容的安排要以能够理解如何应用为关键，为将来解决实际问题打下基础。课程要体现出高年级本科生应有的分析和解决问题的能力。在最后的案例分析部分，通过较长的学习和课下工作结合，使学生针对现场具体问题用自己理解和掌握的方法去实现内容的丰富，课堂的反转。

5.总结

国家石油天然气管网集团有限公司的挂牌成立，推动形成充满活力的“X+1+X”油气市场体系——油气资源上游多主体多渠道供应，中间统一管网安全高效运输，下游市场充分竞争。大学课程要及时调整，紧跟随生产需求和科技前沿的变化，更加快速、准确更新出更加有实际意义的配套课程，帮助油气储运专业学生打好基础。油气储运智能化课程涉及方面甚广，包括储运、计算机、通信、电子、自动化等多个学科，因此不仅对学生更是对老师和课程提出了更加复杂的要求，在点多面广的前提下要有机融入生产现场的内容，从而达到更好的教学效果，使学生工作和科研都有一个较好的起点。