高原冻土区管道建设智能化模式及发展趋势

姜东方

中国石油天然气管道工程有限公司

近年来，随着我国西部地区的经济发展和国防需求，高原冻土区管道建设进入了发展快车道[1-2]，但我国对高原冻土区长输管道建设的研究起步较晚，相关经验较少，可提供经验借鉴的只有服役40 年以上的格拉管道和服役15 年以上的花格管道[3-5]，对高原冻土区智能管道建设的研究尤其缺乏。目前正在兴建的青藏地区某管道是我国现阶段为数不多的高原冻土区管道建设工程，该管道沿线以高原山地为主，地势落差大，永久性冻土和季节性冻土区广泛分布，气候条件恶劣，生态环境脆弱，传统的管道建设模式难以满足信息化时代下的社会经济发展要求，需要采取新的理念和技术手段提升高原冻土区管道建设的智能化水平。

1 必要性及难点

某在建管道地处我国青藏地区，该地区有近4 000 km 的边境线，是我国西南地区的重要门户，战略地位尤为重要。同时，我国深入实施“西部大开发”战略及国家政策大力倾斜，促进了该地区经济的高速发展，该地区对能源的需求日益突出。管道建成后将成为我国西南某高原地区最重要的能源保障性通道。

管道沿线地质结构复杂，高差起伏大，活动断裂带分布较多，地震、山体滑坡及土体融冻等灾害频发[6-7]；管道通过地区生态环境极为脆弱，河源地、自然保护区多，环保要求极高；管道沿线高寒缺氧、社会依托差，建设及运营人员身体存在较严重不适，施工、运营期间综合保障难度大。为克服诸多不利条件，完成西南某高原地区能源通道建设，同时，为提高建设效率、降低工程投资及运营成本，高原冻土区管道智能化建设势在必行。

2 智能管道建设模式

目前，国内高原冻土区智能管道建设是以管道数字化为基础，各阶段、多部门数据协同，信息共享，最终实现管道全生命周期管理的建设模式[8-9]。

管道数字化是利用信息化手段实现管道建设过程中相关数据的存储、共享、协同使用和流转，保证数据的完整性、准确性和可追溯性，使抽象的工程建设得到可视化、数字化的直观体现。

管道全生命周期管理是指在管道规划、建设、运维到报废的整个生命周期内，整合信息与业务，实现管道资产全业务、全过程信息化管理，以及管道智能化运营[10-11]（图1）。

图1 管道全生命周期管理示意图Fig.1 Schematic diagram of the pipeline whole life cycle management

由于高原冻土区特殊的环境所致，该区域智能管道的建设相比于其他地区具有独特的要求及特点，在数据内容、数据采集方式及智能化应用等方面的要求更高、更全面。数据内容方面，设计、采办、施工等建设各阶段均需重点关注土体融冻、河流、活动断裂带、山体滑坡等自然灾害频发地段的工程数据记录及上传；管道保温段应重点体现管道及设备的保温设计、材料、施工等数据；需时时监测、收集、上传地温数据及环境温度数据。数据采集方式方面，由于自然环境恶劣，交通不便，数据采集宜使用线上和线下相结合、线上采集为主的方式。智能化应用方面，根据高原冻土区管道智能化、无人化的建设要求，高原冻土区智能管道建设不同于其他管道以人机结合为主的管理，将实现以设备为主的管理转型；为保证工程质量及后期运营维护便利，在项目建设期充分利用数据信息化平台真正实现管道建设全周期智能化管理，全面实现数字化设计、采办、施工及施工监理，保证数据收集、上传的准确性、真实性和时效性，并将各类数据完整地移交运营方，从而为实现智能化的生产方式和管理模式打下坚实基础。

2.1 全生命周期管理系统建设

在全生命周期管理系统建设过程中，各参建方需按统一要求，构建以各自业务为主体的数据信息平台，同时各参建方在满足自身业务的基础上，还需满足上、下游相关业务的信息协同共享[12-13]。数据信息平台的建设主要涉及五个方面。

2.1.1 全生命周期数据中心和运维信息化平台

全生命周期数据交付中心和运营维护数据信息平台是全生命周期管理系统建设过程中的顶层设计，以建设方或业主为主体同步建设，建成后可实现采集、交付和共享各阶段（设计、采办、施工）的工程成果数据、过程数据及运维管理数据，实现全周期的数据传递和交互。全生命周期管理流程如图2所示。

图2 全生命周期管理流程Fig.2 Whole life cycle management process

2.1.2 数字化设计

在智能管道建设过程中，设计数字化、智能化是整个工程的核心，是智能管道建设能否成功的关键因素，其中主要包括以下四点：①项目管理数字化，主要是实现项目管理计划、相关方管理计划、沟通管理计划、风险管理计划、文件管理及其计划等的数字化编制以及储存和共享；②线路工程设计数字化，主要是实现三维智能选线、数字化勘察及测量、穿跨越设计数字化、通信工程设计数字化、阴保设计数字化等；③场站工程设计数字化，主要是实现工艺、配管、机械、自控仪表、通信、供配电、总图、建筑、结构、消防、给排水、暖通、热工、防腐和阴极保护等多专业的协同设计和数据传递；④经济造价数字化，主要是依靠数字化定额库，实现预算、概算、估算数据协同传递。

数字化设计的主要成果如图3 所示。

图3 数字化设计成果Fig.3 Achievements of digital design

2.1.3 采办数据信息平台

管道工程采办数据信息平台以采办方为主体建设，建成后可实现设计、采办、厂商及物流仓储等各方的过程数据及成果数据同步录入至数据库，实现数据传递、共享、交互和可追溯。智能化采办流程如图4 所示。

图4 采办数据采集流程Fig.4 Acquisition process of procurement data

2.1.4 施工数据信息平台

管道工程施工数据信息平台以施工方为主体建设，通过全生命周期系统实现一般工程、隐蔽工程、控制性工程、施工工序、施工环节等数据的采集、上传及复检等，可实现电子版设计文件的查询和使用，施工现场可使用移动终端进行以上操作。智能化施工流程如图5 所示。

图5 施工数据采集流程Fig.5 Acquisition process of construction data

利用全生命周期管理系统，管道工程可在各阶段不断积累成果数据及过程数据，可达到随时随地查看、上传和反馈相关数据的智能化程度。

2.1.5 高原冻土区管道建设典型应用场景

利用数字化设计平台进行线路工程及场站工程设计并交付数字化设计成果（图6）。

图6 数字化设计效果Fig.6 Effect of digital design

采办及施工通过移动终端或PC 端登录数据信息平台查看设计交付成果、上传采办数据及施工数据，建设方及监理方亦可查看各类成果及数据（图7），平台支持3D、Word、Excel、PDF、图片、多媒体等各类文件格式。

图7 数据上传及查看效果Fig.7 Data uploading and viewing etfect

利用信息化平台为应急管理提供管线基础数据及周边高后果区数据，实现事故报警，查看应急预案并指导事故处理，如管线爆炸影响范围（图8）。

图8 爆炸影响范围示意图Fig.8 Schematic diagram of explosion impact scope

2.2 建设目标

通过对全生命周期管理系统的建设及运行，使管道工程各阶段数据得以集中保存、管理和协同交互，解决了各参建方数据集成度不高、工程管控分散等问题，可有效提高智能管道建设效率，降低建设难度和工程投资。

智能管道建成后可向运营方移交可追溯的、完整准确的智能管道数据信息[14-15]，运维管理过程中的运行数据、维检修数据、应急响应数据、各类预警数据和监测数据等也可及时地反馈回流，从而实现管道的动态全面感知、运行综合预判、变化趋势自动预测、运行过程自动控制、辅助科学决策的管道智能化运营模式。

3 发展趋势

（1）建立数据体系与标准规范。目前，由于缺乏统一的数据标准和管理方法，对高原冻土区智能管道的建设尚未形成统一认识。因此，建立统一的管道数据体系、制定通用的标准规范、解决数据孤岛和系统兼容的问题是未来高原冻土区智能管道建设的主线。

（2）实现场站集成橇装化与地上化。为减少对冻土的扰动，降低土体冻融对场站运行的危害，降低建设和运维管理难度，便于数据传导和信息集成，实现无人值守、远程运维的目标，站场和阀室集成化、橇装化、地上化将是高原冻土区智能管道建设的发展方向。

（3）引入新兴信息技术提升智能管道建设。随着云计算、大数据、物联网和人工智能等信息技术的不断成熟，在全生命周期数据基础上，未来可将新兴信息技术引入智能管道建设（图9），借助新兴信息技术不断提升管道智能化程度，实现跨地域、跨领域、多工程协同管理的愿景，未来新兴信息技术为升级智能管道建设可提供技术支撑。

图9 新兴信息技术与智能管道建设融合情况Fig.9 Integration of emerging information technology and intelligent pipeline construction

（4）注重自然环境监测。受当前科技水平的限制，对于地震、土体冻融、山体滑坡等威胁管道安全运行的自然因素尚无法实现时时监测和准确预警。随着科学技术的发展，未来对不可抗因素的提前预警、预判及减小管道破坏引起的二次危害将是高原冻土区智能管道建设的研究方向。

4 结束语

随着“工业4.0”与“中国制造2025”的提出及持续推进，管道行业也进入了产业转型升级的关键时期，高原冻土区管道智能化建设是大势所趋。智能管道是数字信息化与管道本体高度结合的产物，本文结合某管道工程的建设实践，分析了当前高原冻土区管道建设的必要性及难点，并展望了未来的发展趋势，为带动我国高原冻土区智能管道的建设提供了技术路线，对同区域工程的建设具有借鉴意义。