面向城镇燃气企业需求的数字孪生管道建设分析

文｜潍坊港华燃气有限公司 刘鹏

1.数字孪生应用现状及条件

数字孪生（digital twin）是数据、智能交叉发展至崭新阶段的产物，在航空航天等领域已经实现了初步应用。数字管道建设的信息获取上，既可以利用光学影像，又可以捕获声学振动信息[1]；数字管道的呈现效果，可以按照实际需要实现3D 模型与现实参数的不同程度的匹配[2]。市政燃气行业在新信息技术的应用普遍较为落后，以数据采集技术为例，管道竣工建设仍缺乏必要的数据录入，后续运行维护缺少必要的参考信息，不得不为再次摸清过去的信息投入成本。

自燃气管道建设的开始阶段起，以管道为线索，把发生在管道系统的各项工作联系起来，打通业务，融合数据，建设形象精确的数字孪生管道，是每个燃气企业终究要迈出的一步。从员工执行基础工作来看，业务中信息共享必将节省调查拜访时间；从燃气企业经营来看，工作效率的规模提升也将长远地节省相关成本；从地区城市管理部门来看，科学及时的精准决策可以防范化解安全风险。

受限于当前的技术与经济因素，数字孪生燃气管道的建设必将经历由简至繁，由被动到智能的发展过程。建设进程的推动力，来源于建设成果给燃气经营企业带来业务效率的提升。既有赖于燃气经营企业的投入，则应从具体的燃气企业业务考虑，本文以下探究初始阶段的数据孪生管道构建思路。为便于研究，每项业务抽象为管道系统的一个相对独立的图层，以起到保留关键因素，忽略无关因素的目的。

2.数字孪生管道与现阶段智慧燃气之间的关系

近几年，燃气管道信息化建设已经在覆盖面、渗透率和存储量上有了明显的进步，这为燃气数字孪生管道的建设提供了丰富的数据来源。其关系如图1所示。

图1 数字孪生管道与现阶段应用的智慧燃气系统关系图

（1）从“数字孪生”的字面意义上理解，数字就好比生物体的细胞，数字就是基本组成单元。现有的可以获得的数据，是数字孪生管道基础数据的重要组成部分，构建较为完整的管道，达到仿真的效果，仍需要更复杂的数据建设。

（2）数字管道的虚拟镜像建成之后，才能实现对预演未来和智能决策，此项内容，正是当前应用的各项软件无法实现的。

（3）资源管理系统上已实现的工作流，也将融合成为数字孪生管道的本身。

3.数字孪生管道的各图层应用

如前面第1 节所述，数字孪生管道可以看成是多种图层叠加而成，同时，为研究某项问题或者业务，应从整体管道中抽离关键数据，成为简化模型。本文中将各个模型表示为某种特征的虚拟燃气管道。

3.1 反映空间存在状态的燃气管道图层

(1)应用目的：为了随时获取管道及设备的具体位置和空间占用信息，燃气运营单位需要建设能反映空间存在状态的燃气管道图层。

(2)基础数据类别：包含管道自身的几何尺寸，管道的走向，架空的高度（或埋地深度），与楼栋墙面的水平距离。由于GIS 已在燃气企业应用多年，因而原有旧管道的数据可从该系统中直接获取，新建设的管道可同时维护。地上道路、建筑物等场景信息，效率最高的方法为从规划部门中获取。

(3)数据详细程度：对于民用户，楼前庭院管的信息应当明确。经过调查，多个燃气经营企业，在竣工图上仅对庭院管的位置有详细记录。庭院管之后连接各厅引入管，则无对应的具体记录，仅记录相关个数。从实际业务场景上看，庭院管公称通径多数在50 至150mm 之间，体积较大，且往往采用埋地敷设，开挖定位明显困难，因而需要准确的位置信息。

(4)数据更新周期：可随新建工程进度进行更新。对位置定位，常常是管道投入运行1年或者几年之后，因而通常对定位结果的紧迫性要求不高。

3.2 反映终端用户状态的燃气管道图层

（1）应用目的：管道末端连接的是燃气用户的设备，无论产权归属何方，供气、用气合同如何约定，燃气供应企业都承担着一定管理责任，燃气供应企业入户安全检查是履行法定义务[3]。而实际入户工作中，面临入户率低，现场环境复杂的困难。做好前置规划与现场辅助是提升入户检查工作的重要途径。作为当前社会中，为数不多能够且需要入户的业务，此类工作获得的数据远远不止对燃气公司有重要意义（图2）。

图2 数字孪生管道包含的客户信息处理，提供指引与预测可极大提高一线入户人员的效率

(2)基础数据类别：研究此类问题，不需要把终端用户与分支管道建立对应关系，需要的是按照楼栋分布与地理位置建立对应关系，实现网格化区域管理。简单地说，用户不必“画”在管道上，但要“画”在楼栋上。除了录入具体位置信息、入户时间以及隐患跟进记录以外，还需要更新管道设施、计量表具、用气设备信息。以上基本信息已经在部分燃气企业的移动入户工作系统中或者客户档案管理系统成功运行，以取代纸质记录。

而作为智能决策信息，需要预判片区内工作除了要将上述系统数据整合，能够分类汇总网格特征，以对人员、施工设备、材料准备、方法与经验储备进行优化部署。例如城市橡胶软管更新为不锈钢波纹管，需要在对用户集中更换时既照顾不常在家用户又能节约总体时间。这就需要用近期用量是否频繁来估计常住用户数，用某用户中午是否有气量判断用户在家时长，用某用户的年龄结构确定入户的时段。此外，某总体厨房结构，以及物联网表传输状况也是指导业务开展的有效信息。

(3)数据详细程度：燃气表、不锈钢波纹管的使用年限为8年，相关的信息精确到月即可。而保险有效期等延伸业务因利益责任划分界限明确，需要精确到日。考虑到非采暖季97%的中国城市户均日燃气用量低于0.5 方，而燃气表系统上传数据仅保持小数点后一位，因此用量数据仅保留到0.1 方。

(4)数据更新周期：因为燃气企业通常在点火通气时，要求用户准备燃气灶，此阶段入户工作要确保连接至用气设备的整个户内管段无漏气。在此已将表具等户内设施的基础信息录入完毕，后续只在更换时进行更新；特别的异常用户，不明原因进行了更换，则在定期入户工作发现时进行数据更新。用量信息，数据上传情况，目前都是每日上报，可接入相关燃气表厂家提供的数据。入户维修、办理延伸业务、过户信息在业务完成时每日与现有的档案系统同步即可。

3.3 反映气流压力的燃气管道图层

(1)应用目的：管道内部燃气压力是直接反映燃气运行状态的指标：一是反映管道本身及下游用户压力承压范围是否正常，二是反映管道内燃气有无泄漏。对下游用户，若运行压力过高，则易导致设备密封失效，燃气逸出的事故；若运行压力过低，会造成燃烧火焰熄灭，继续供应未点燃的燃气，有可能造成燃气聚集引发的事故。

目前，对于调查的19 家燃气企业，近十年内没有利用SCADA 系统压力异常发现泄漏的记录。从定性分析，压力传感器设置绝对数量较少，距离潜在泄漏点的位置过远，就难以表征泄漏。某行政区域由于第三方施工误截断燃气管道，而造成附近小区600 余户居民停气，该位置最近的压力传感器波动仍在日常范围之内。即使在最靠近用户的位置，流量计上的压力传感器，对于类似小孔渗漏引起的压力变化，也是不能引起压力的异常减小。这些都说明仅靠单一压力因素，现实中难以识别燃气泄漏现象。

（2）基础数据类别：显然基础数据是各压力传感器监测到的压力。压力传感器主要分布在接气门站，储气场站，主干管道的变压站（中压以上站），以及工商用户的流量计上。相较于压力传感器的数量，调压柜内的机械式压力表则庞大得多，每个大型的管径Dn90 以上的工业户，或者是居民小区都设置调压柜，此类压力表数据对反应管道运行状况的参考意义甚微。流量计内包含压力传感器和温度传感器，在同一位置获得压力数据的同时还可同时感知温度和流量。但是此类获取十分局限，目前燃气企业仅在对接上游气源和下游用户的必要交割计量的位置设置流量计。

（3）数据详细程度：应包含所有带能自动上传的压力数据。精度要求，参考行业内应用的压力传感器，一般为0.01MPa。经调查100 个终端用户压力每日变化幅度，小于3.0Mpa 的有98%，说明该精度等级可足够分辨压力变化。

（4）数据更新周期：终端用户有三种情况：a.用量大用户已安装scads 测点；b.安装物联网流量计；c.安装数据采集器。前者可以按照每1 或者3 分钟采集并传输一次，后者按小时采集，日传输一次。

机械式压力表一般在定期维护调压柜时读数，周期长达一月及以上，仅在每日工单录入时更新即可。注意，实际应用时，因为此数据明显之后，应与其余压力表示方法体现差异化，可以用颜色的不同予以区分。

（5）管道泄漏的压力研究理论[4]：验证管道某节点的压力是否正常的理论方法已经取得一定成果，但是实际应用中也难以察觉泄露引起的压力变化。目前方法为，选取首、末两端和其中一点测量压力p，并计算压力降：

△p=p2-p1

而管段正常压降为：

ATp=△p

A 表示管网的连接矩阵。

△p=S'qv,pipe

qv,pipe为管段流量，对角阵S'可根据气流静态参数计算。

计算压力p'实际压力p 相比较。若存在明显差别则说明有压力异常。此研究目前在实际中仍不能用来直接判断某点是否出现了泄漏现象。

3.4 反映外层防腐的埋地燃气管道图层

由于管道防腐技术适用于钢制管道，聚乙烯管道并不需要防腐处理与维护，而聚乙烯管道在城市燃气管道的应用中呈增多趋势，特别是道路下埋地主干管使用聚乙烯管道，而地上管采用架空钢管，这就造成了呈现同一材质的管道的不连续的现象。为此，在简化模型研究时：一是用等同种规格的效管线代替不同规格的聚乙烯，使之作为线索串连钢质管道；二是用记录在钢质管道末端，记录与关键建筑物的位置。架空管道与埋地管道维护方式有很大不同，一般分别研究，故建立图层时不必同时呈现，如（图3）。

图3 输送燃气的管道在各级区域通常使用的材质类型

埋地管道的防护分为两部分：一是外加防腐层（使用成品3 层聚乙烯防腐管，并且管道连接的裸露焊口，在管道施工时对进行“打补丁”似的聚乙烯防腐处理），适用于所有埋地管道；二是额外施加阴极保护，适用于主路干网的跨区中压管道。

（1）应用目的：对于阴极保护，运行工作较为单一，仅仅需要检查电位是否符合要求，若不合要求则需要重新布置防护措施。调查的9 家燃气经营企业，近5年来检查数据的结果，很明显，在运行的阴极保护测试桩全部符合要求。从相关的规范也对检查频率提出了宽泛的要求，即六个月检查一次。曾经有人研究将固定测试桩上的电位数据远传至服务器，实际上从效果上看是没有必要的。从燃气企业的需求性、数据的价值性、人工操作的便利性、结果的长期稳定性、时间要求的宽泛性上来看，完全没有必要对城镇燃气经营的阴极保护结果优先纳入数字孪生系统。

对于埋地管道，监测管道防腐层效果的惯常做法为使用多频管中电流法[5]，该方法可判断防腐层是否破损并定位破损点位置。由于此种方法测量原理主要关注电流衰减情况，测量结果而受地形、土壤等影响，不同人员操作和解读分析存在较大差异[6]，应当对现场综合考虑或者复核，由此可见，数字孪生管道的作用是明显的。

（2）基础数据类别：需结合管段的位置，此外跨越道路、沟壑、工厂应在该镜像中得到体现。按照分类对处理后的数据——管道防护等级记录，并在防护等级非“优良”和特殊要求划定的区域记录电流衰减的原始数据。此外，还应记录时间，季节，湿度等对测量结果有明显影响的数据。

（3）数据详细程度：将能进行防腐监测的埋地管道，应结合防护等级标出已完工管段的位置。沟渠等特殊位置与就进管道的相对距离也应标示，现有仪器可定位精度到十米。此类已经探明的有影响干扰因素，应在管段上标示出数量。

（4）数据更新周期：随管道检测完工时日更新。虽然目前此类非开挖的检测受限于设备和人员因素，进行得周期跨数月，但是此类业务有可能与日常巡线结合，而巡线的频率数日完成一轮，若工作融合，管道检测频次很有可能提高。

3.5 反映外层防腐的架空燃气管道图层

（1）应用目的：管道防腐是常态化的过程，尽管工作允许的响应时间较长。除了基本的档案完工记录以外，当前防腐工艺和产品更新较快，可结合防腐效果与进行横向与历史纵向的对比，进一步通过筛选出适合当地环境条件下，经济性最优的方案。

（2）基础数据类别：a.管道建成类的包括管段长度、管段规格，施工队伍。b.架空管道防腐维护类的包括防腐油漆种类、施工队伍、施工工艺，以及完工抽查状况。

（3）数据详细程度：考虑到防腐年限，时间应记录到年月。考虑到防腐施工队伍的完成进度及抽查检验条件，应按照整栋楼为单位记录完工信息。此外，在考察防腐衰落演变和进行工程预估时，需要测算需处理的防腐层个数，因此应按照楼栋为单位，记录需处理的防腐补口个数。

（4）数据更新周期：完工数据随施工完成进度，或者按照月更新。新发现数据可随现场巡查时日更新。

3.6 各管道图层构成的数字孪生燃气管道基本框架

上述各图层叠加之后，虚拟管道系统描述的一段管网的基本参数得以确立，辅助现实业务的功能得以实现。则数字孪生燃气管道管道的基本框架也就形成了。

4.结语

市政燃气数字孪生管道的实现必然有多重使命，而其应用的主要对象是燃气经营企业。面对着数字化对燃气经营资质评价的形式要求[7]，依托燃气经营企业在现有的数据资源，建设能优先为燃气经营企业带来业务带来实际好处的初步数字孪生管道，是本文的建设初衷。随着实现的单一业务融合成复杂业务，数字孪生管道将更加无限接近现实状态。