数字孪生体在中缅原油管道智能化建设中的应用

喻 斌,冯 骋,丛 瑞,荣海伦

1.中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊 065000

2.国家石油天然气管网集团有限公司油气调控中心,北京 100013

2016年2月，国家发改委、能源局及工信部联合印发《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》[1]，该文件提出，油气行业应积极推进与“中国制造2025”“互联网+”国家战略的融合创新，探索智能化发展道路。2017年5月，国家发改委、能源局又联合印发了《中长期油气管网规划》[2]，该文件提出，建立智慧能源管网，推进大数据、云计算等技术与智慧管网建设相融合。可见，加强油气管网智能化建设，促进“源-网-荷-储”协调发展[3]，推动油气管网信息化、互联互通、统筹调度，已成大势所趋。智能化管道建设即是运用工业互联网和人工智能等技术手段，通过实时感知、数据中心处理分析、实时反馈和智能决策，实现油气管网全生命周期的高效生产目标[4]。通过管道智能化建设，可以促进智慧管网的发展与完善。

中缅原油管道地处中国西南，途经横断山脉及云贵高原，最大高差达1 500 m，是典型的大落差管道及山地管道[5-7]。目前，中缅原油管道的智能化建设尚未完全成熟[8]。在智能控制方面主要以人为干预为主，未形成智能化管道的闭环智能控制。在数据感知、数据传输方面也未能实现多传输方式融合和大数据挖掘关联分析。受制于地形地质的复杂性，中缅原油管道智能化建设到了瓶颈期。引入数字孪生体技术可以将中缅原油管道本身的数据数字化[9-10]，建立管道的虚拟仿真模型，以辅助的方式指导现场操作人员进行决策，这种方式有别于过去只依靠人工经验进行决策，可显著降低人为因素导致的管道安全运行风险[11]。

基于以上现状，本文从中缅原油管道智能化建设现状出发，回顾了智能化建设现状及存在的问题，介绍了数字孪生体技术的内涵和作用，并分析了数字孪生体技术在原油管道建设中的应用和可行性，旨在为未来管道建设提供理论依据和指导方案。

1 中缅原油管道智能化建设现状

1.1 中缅原油管道概况

中缅原油管道2018年投产，包括一条主干线和一条支线[12]。干线起点瑞丽泵站，终点禄丰分输泵站，全长599.7 km，所辖工艺站场6座、阀室34座。支线的起点禄丰分输泵站，终点安宁末站，全长42.78 km，所辖工艺站场1座、阀室1座，管道线路走向见图1。设计压力4.9～15 MPa，管径D610～813 mm，输量 （1 300～2 300） × 104t/a。管道途径地区80%以上为山区，落差超过1 000 m的管段10处，最大落差1 500 m。管道穿越大中型河流11处、山体隧道12处、地震活动断裂带3处。其智能化运行需求迫切，但有相当大的智能化运行难点[8,13]，主要在于以下几点。

图1 中缅原油管道线路走向

（1）管道跨越山脉众多，为典型的山地管道，地形起伏较大，有水击危害。

（2）管道沿线多穿越地震频繁带，穿越断裂带5条。

（3）大量采用山体隧道穿越方式，隧道地质条件复杂。

（4）跨越国际河流多，安全环保任务重。

可见，地形地质等多方面因素使得中缅原油管道的生产运行处于高风险状态。人工操作不能兼顾管道运行的各个细节，无法及时感知风险的酝酿和发生。因此，引入数字孪生技术对中缅原油管道智能化建设进行补充，提升其运行的安全性，是智慧管网建设的必然要求。

1.2 中缅原油管道智能化建设概况

中缅原油管道智能化现状与国外智能管道建设现状如图2所示。差距主要体现在以下几个方面。

图2 智能管道建设现状

（1）数据感知方面：已开展工业物联共享系统建设，实现站场SCADA系统、非SCADA系统数据的全面采集与传输，但是数据采集的种类与数量尚不满足大数据分析的要求。

（2）数据传输方面：已开展感知数据的卫星传输、光纤传输、部分数据的手机基站传输、工业物联网建设等，但尚未实现多种传输方式的融合。

（3）数据标准化方面：已开展云数据中心、数据资产图谱分析等数据存储与标准化建设工作，目前尚未实现数据分布式存储与大数据挖掘、数据标准融合统一。

（4）决策优化方面：以中缅原油管道7座站场为试点建立工业物联共享系统，建立了生产智能管理系统，实现资产的全生命周期管理。系统仍在升级完善中，尚不具备设备故障的大数据分析功能，以生产智能管理系统为载体的设备完整性管理体系有待完善。建立了地质灾害监测与预警平台，并在不断升级完善中，实现了重点地段地质灾害监测。仍需加强对地质灾害易发区、高后果区、管道穿跨越区监测网络的全覆盖建设。

（5）智能控制方面：目前主要以人为干预控制管道运行为主，尚未形成智能化管道闭环智能控制。

通过上述分析可知，中缅原油管道在智能化建设上还有很长一段路要走，在管道智能化建设方面可以借鉴意大利SNAM公司和哥伦比亚管道集团公司的智能化管道架构[14]。如图3所示，引入管道数字孪生技术进行管网的智能化建设，通过工业物联网、管道完整性、工况分析预测、管道管理优化、动态资产评估、设备信息数据可视化等功能，将管道实时信息、决策计划、优化信息等上传至调控中心，由调控中心控制优化管道运行状态，形成闭环智能控制。

图3 中缅原油管道智能化建设架构

1.3 数字孪生体的内涵和作用

数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，而数字孪生体指与这个物理实体或过程相对应的数字化模型的实例[15]。即数字孪生体是一个对应实际情况的模型，该模型是真实空间中的实体映射，结构、参数与真实空间中的物理实体相对应，是实际环境中物理实体的映射[16-17]。

在原油管网智能化建设中，数字孪生体技术可应用于多个方面，基于实体管道本身展开的管道数字孪生体是一种建设模式。如图4所示，虚拟管道与实体管道之间通过建立的管道孪生数据进行交互作用。不断反馈并通过建立的虚拟模型进行仿真、模拟、分析，从而感知实体管道运行状态[18]。

图4 管道数字孪生体油气调运过程的运行原理[19]

2 数字孪生体在中缅管道智能化建设中的应用

2.1 管道内检测

定期对管道进行内检测是保障管道安全运行的重要一环，将无损检测技术和清管设备结合在一起，使清管设备具有数据感知、传输、处理的功能。以往部分管网将全线管道分成不同站间段进行分段检测，将两个监测点之间的管道体作为一个单元，通过监测两个点流量和压力的变化，利用负压波法和（或）音波法来判断管道是否发生泄漏并进行定位。引入数字孪生技术后，中缅原油管道的在线内检测可以不再采用传统的分段检测法。如图5所示，利用数字孪生体技术将管道实际信息数据化并导入电脑，形成网络在线监测、计算及预警，及时感知异常数据并进行分析计算，报告给监测人员，进而进行快速反应、调整。

图5 利用数字孪生体技术进行管道检测

2.2 调度优化

对原油管网进行优化调度有助于管道安全运行和高效生产。近年来我国油气管网发展较为迅速，但新建的众多管网运行情况比较复杂，导致原油管网的调度优化难度日益陡增。

引入数字孪生体的原油管网调度模式有助于改善中缅原油管道运行复杂、安全调控难度高等情况。如图6所示，将现场的管道实体进行数字化，利用大数据计算技术建立贴合实际的虚拟管道，实现实际管道与计算机集成的虚拟管道的交互反馈。现场传感器实时感知运行数据并传输至电脑端虚拟模型，该虚拟模型运行状态与现场的一样，通过大数据、人工神经网络等算法实现虚拟管道的参数优化控制，进而反馈到现场的实际应用。基于数字孪生体的管网调度模式有别于传统的原油调度方法。传统的人工调度模式无法实时感知工艺参数、控制参数、设备运行状态，同时，基于人工的排产优化调度无法穷尽所有的最优排产方案；而引入数字孪生体的调度优化模式后，可通过优化算法进行系统的协同仿真，全面、准确地感知管网运行状态，并通过排产需求计算最佳的排产方案。

图6 管网智能调度优化流程

2.3 设备运行维护

原油管道在运行过程中需对设备进行保养维护，提升管道运行寿命、可靠性及经济安全性，但管道设备种类众多、数量大，包括机械设备、电气设备、仪表设备、计量设备等，呈现点多面广的特点，高效运维难度较大。如图7所示，李柏松等人[20]报道的一种智能化管道设备维修维护模型有很好的借鉴作用。

图7 基于数字孪生体的管道设备维护流程[20]

基于数字孪生体的设备维修维护，在管道设计阶段就进行了数字孪生体的设计。在中缅原油管道运行维护过程中，也可以将设计数据应用到数字孪生体当中。通过SCADA系统、设备监测系统进行实时的数据感知，并将该部分数据反馈到数字孪生体更新模块。在该模块内，基于多场耦合的仿真模拟方法将感知的数据进行逻辑关联。并通过RCM、RBI、SIL的可靠性安全评估及基于故障案例库的诊断，对设备的健康状况进行评估，预测设备故障原因及剩余寿命，进而给出维修维护策略。

2.4 高后果区监测与预警

管道高后果区可分为人口密集区、基础设施区、环境敏感区和地质灾害区。中缅原油管道地质地形极其复杂，管道多穿越崩塌、滑坡地段，对该条管道进行高后果区监测与预警有助于提升管道运行的安全性，保障管道沿线相关的人身及财产安全。引入数字孪生体的高后果区监测预警系统见图8。

图8 引入数字孪生体的高后果区监测预警系统

如图8所示，在灾害隐患点处布置好地质灾害监测仪器，这些仪器包括水压力计、应力传感器等。然后建立与实际现场相对应的灾害体数字孪生体模型，在数据中心处理模块内，内嵌的算法来源于基于ABAQUS的大数据建模技术，通过有限元建模分析地质灾害发生的安全系数，并将不同灾害体的预警模型导入系统。在数据应用层，系统实时感知现场的监测数据，通过内嵌算法对数据进行识别，并对异常数据进行报警。

2.5 全生命周期管理

智慧管网的发展依赖于管道智能化建设，而智能化建设依赖于数字化、信息化管道的发展，数字化管道已成为未来管道信息技术领域的上甘岭。数字孪生体可以贯穿中缅原油管道生产运行的各个阶段。当建立起基于数字孪生体的智能化运行模式后，在该模式下的运行系统可以记录整个生命周期的全部对象、模型及数据，是管道各个生产模块的数字化档案库。未来的智能化管网建设，可以将先进的管理理念与大数据、云计算等技术相融合，形成一套全生命周期管道完整性管理解决方案，实现管道业务与信息可视化的统一管理。

3 结论与展望

（1）中缅原油管道的智能化建设任重道远，亟需引入数字孪生体技术改善其生产管理系统，保障管道高效生产、安全运行。

（2）本文讨论了数字孪生体在中缅原油管道智能化建设中的应用，包括管道内检测、调度优化、设备运行维护、高后果区监测与预警和全生命周期管理五个方面。引入数字孪生体技术后可提升管道系统的科学性和快速反应性。

（3）数字孪生体技术在原油管道中的应用前景广阔，还需要进一步开展原油管道数字孪生及智能化管理研究。