关于数字管道架构设计三个基本问题的探讨

刘天尧　阎涛　王雪莉　张腾

摘要：数字管道作为未来油气管道的重要发展方向，在国家管网规划建设中被越来越多的提及，但提及的方式更多是围绕某个具体技术方向或工程实践进行，少有理论研究。通过提出并回答数字管道是什么样子、为什么是这样以及如何实现3个基本问题的方式，探寻数字管道架构设计的可能形式，并给出理论支撑。提出一种“基于全生命周期模型的软硬件平台”的数字管道架构设计形式，并以需求驱动、抽象模型、历史溯源等思维方式为理论支撑，以期指导数字管道系统的开发与建设。

关键词：数字管道；架构设计；智慧管道；智能管道

一、前言

伴随着信息技术的爆发式发展，互联网不仅深刻改变了我们的生活方式，也同时改变了我们的思想方式，管道从业者愈发认识到人工管理方式已经无力管理如此庞大复杂的管道系统，进而不断地将信息技术引入管道行业。国家管网公司成立后，更是明确提出建设智慧互联大管网，实施科技数字化战略，打造数字化体系。

北航刘强教授曾经关于工业4.0提出“三要三不要”理论，受到广泛认同[1]。其中有一点“不要在不具备数字化网络化基础时搞智能化”正适合刚起步的智慧管道进行借鉴。无论打造“智慧管道”还是“智能管道”，基础都是“数字管道”。关于“数字管道”的技术与实践层面的讨论已经很多，但理论层面的论述相对较少。为了更好地促进理论与实践相结合，借用2W1H思维模型，从数字管道是什么样子（What）、为什么是这个样子（Why）、该如何实现（How）3个基本问题入手，从理论上探寻数字管道架构设计的可能形式。

二、What-Why

“数字管道”是否是一套软硬件系统，如果是的话，它可能是什么样子，为什么？

（一）数字与推论

理解“数字管道”的关键是理解“数字”。这里的“数字”是相对“模拟”而言，它们都是记录信息的一种方式。“模拟”的方式是将原始信息通过模仿的方式进行记录，记录信息跟随原始信息的变化而变化，是连续的，例如，录音磁带是通过磁场的变化对声音进行模拟。“数字”的方式则是对信息进行抽样、量化和编码，将信息数字化，是离散的，例如计算机所处理的所有信息都是0和1的组合。“数字”相比“模拟”最大的特点是容易编辑和修改，因为数字记录是离散的，所以可以任意截断和组合，可以运用数学运算进行变换和计算，这从根本上改变了信息的使用方式。以照片处理为例，传统的胶卷照片很难二次加工，但现在的数字照片则可以实时“美颜”。

数字化在ToC领域已经深刻的改变了人们的生活方式，现在正在转向ToB领域改变传统工业。数字管道绝不是传统管道的数字复刻，而是基于数字思维的重新设计。另外，由于当前时代的数字化体现形式为以软硬件为代表的信息技术，所以“数字管道”应该体现为一套软硬件系统。

（二）需求与设计

为了探索“数字管道”可能的样子，直观的方式是给出一个合理的产品设计。产品设计的核心是需求驱动，以满足需求的设计为最佳设计。根据推论，“数字管道”的设计可以很大程度跳出传统业务的束缚，由此，提出一个设计需求：记录与获取任何时间、任何地点的任何管道相关信息。

“模型”是人类认识世界的工具，是对世界某些规律的抽象与总结，针对上述需求，认为工程领域的“全生命周期模型”最为合适，主要原因是：① 针对有时间维度且求大求全的需求，该模型可以适用；② 针对软件系统架构设计，该模型拥有丰富的理论支撑和实践应用，在操作系统[2]、游戏引擎[3]、B/S框架[4]等架构设计方面广泛采用；③针对管道行业的业务众多、归口管理、持续革新的特点，该模型在软件系统架构上的实际应用具有良好匹配和设计参考。

类比软件系统的设计思想，提出“数字管道”全生命周期设计模型（图1），分为规划、设计、施工、运行、报废5个阶段。参照软件设计的Hook思想，在每个阶段挂载需要的业务功能。该设计方便软件系统架构的设计和现实，并通过动态扩展的方式在未来业务革新中增减所需功能。

三、How

“数字管道”需要哪些技术支撑，怎样规划实现路径，以及在此过程中如何有效进行项目管理都是需要解决的问题。

（一）所需技术支撑

纵观历史的发展，技术的进步是累进和叠加的，所有的技术都依靠其他技术或科学理论做支撑。借鉴分层的思想对“数字管道”所需技术进行分析（图2）。

清晰把握各层技术现状，理解技术之间的依赖关系是构建良好系统的前提条件。从底向上，每层技术的能力边界都由其下层决定。

（1）硬件架构层。硬件设施是一切功能的载体，即硬件架构设计是系统设计首要考虑的事项。硬件架构按照算力分布形式，可大致分为主流的中心化架构和以区块链为代表的去中心化架構。鉴于管网的天然辐射状分布，以及公司管理的金字塔形式，中心化架构最为合适，以云服务或服务器集群为核心，承载主体软件系统，汇总并处理通过网络连接分布在管道沿线的各类硬件产生的数据。随着工业物联网技术的发展，未来越来越多的管道传统硬件会加入联网的能力。逐渐增多的数据会增加网络的传输压力，可通过边缘计算的方式，将部分计算需求前移，保持管网现实、架构设计、技术发展的动态匹配。

（2）软件架构层。如果说硬件是系统的躯体，那么软件则是系统的灵魂，指挥着硬件按照设想的方式工作。管道行业等工业领域的软件往往需要定制化研发，但其底层的软件架构与硬件架构相似，可看作是成熟商业产品的拼装与组合。与硬件架构不同的是，软件的关注焦点集中于业务实现等问题，导致软件架构的设计一直不受重视。软件架构设计主要针对的是软件的使用形式（C/S、B/S等）、所需基础软件（Web服务软件、数据库软件等）、各软件之间所采用的通信协议（Http、WebSocket等）以及软件之间的组织架构方式（SOA、微服务等）等方面的综合设计。软件架构设计相比硬件有一个显著特点，即软件架构变更成本很低，可根据业务功能的需要在基础硬件不变的情况下大幅度调整。

（3）领域基础层。实用的专业系统并非软硬件技术的堆叠，而是针对业务需求的领域专业设计，实现现实场景对计算机数据结构和逻辑算法的抽样映射。就管道领域而言，可简单分为外部的管道实体（管道本体及附属设施）和内部的输送介质。对这两部分的抽象映射前人早有研究，即“管道数据模型”[5]和“油气管道仿真”[6]。

管道数据模型已有很多国际标准，包括ESRI公司早期旧版的APDM模型以及当前新版的UPDM模型，还包括管道开放数据标准协会的PODS模型[7]。APDM模型因其功能局限性，不符合全生命周期管道的需求；UPDM模型本质上属于ESRI公司的商业产品，具有一定的封闭性，需要配合ESRI的ArcGIS软件平台和技术体系才能使用，限制较多；PODS模型属于开放标准模型，但需要会员资格才能获得全部技术细节。引入和学习PODS常年积累的经验与成果，结合中国管道特点进行改进，是加速构建数字管道的有效途径。

油气管道仿真一般指的是对管道内介质的流体力学仿真模拟，核算管道设计或者编排调度方案等。国外已有很多成熟的商业软件，包括SPS、TGNET、PIPENET等，中国发展相对落后，早年中石油的商用级RealPipe软件已经停止研发，而高校的科研成果还未满足商业级应用。国外的商用仿真软件因为相对封闭，很难作为数字管道基础支撑平台使用。自主研发仿真软件，是数字管道建设的必经之路。

（4）分项专业层。分项专业技术指的是除领两大领域基础技术外的其他管道领域技术，比如风险评价、检测评价、内外腐蚀防护等。这些技术在科研上可以独立于领域基础技术而存在，但在工程应用中，至少需要管道数据模型提供基础的管道基础信息。分项专业技术向领域基础地定向适配，是决定数字管道领域技术支撑能力的关键。

（5）用户界面层。数字管道系统最终面向的是人，这不仅需要专业的技术支撑，还需要对人类行为和心理的考量。业务功能的设计本质上是把复杂专业的领域技术，用尽量简单通用的方式进行表达，固化业务流程，减少人为干预和判断，将一线工作人员的思考复杂性转移为功能设计人员的思考复杂性。功能设计应尽量独立，并以Hook的形式进行设计，满足全生命周期平台的整体设计。

（二）实现路径

系统的实现不是一蹴而就的，需要一个具体可执行的实施路径，但人们往往想通过新技术的引入，实现系统能力的跨越式发展，硬件架构设计采用最新的设备设施似乎是可行的，但对于软件架构而言，经验表明新技术的引入有可能适得其反。信息系统领域有一个著名的理论——诺兰模型，通过总结众多公司和部门信息系统建设的经验，认为计算机系统的建设不能跨越阶段发展。由于软件工程师与管道领域专家存在知识壁垒，所以专业软件的研发必然是不断互相学习、不断修正设计的过程。纵观软件架构发展史，新架构的提出主要是为了解决系统的庞大与复杂性问题，但新技术本身自带一定的技术复杂度，过早的引入新技术不仅无益于解决领域关键问题，反而增加软件技术复杂度。

（三）项目管理

成功的项目实现离不开有效的项目管理，协调一致的目标和相对稳定的团队资源是实现数字管道的必要前提。项目失败的原因数不胜数，但成功的原因往往只有一个——将人力、时间、资产等资源的价值有效地发挥。

项目管理的理论方法很多，针对宏观与局部、通用与专业都有特定范围的适用方法，如项目生命周期理论、SWOT分析模型等。不同规模的团队规模需要匹配不同的管理方法，根据“邓巴数字”理论[8]，人类能自发维持的团队规模是有限的，当规模进一步扩大时，沟通成本会急速提高，需要其他外部规则进行维系。不同级别体量（复杂度）的项目也需要匹配不同的管理方法，以软件开发管理方式的演化历程为例，随着系统复杂度的升高，逐渐发展出与之匹配的开发方式。同时，项目规模与团规模也需要匹配，否则会影响项目进展或导致资源浪费。

数字管道的发展需要经历必要的成长过程，引入和实践科学的管理方法，识别所处阶段，动态调整管理策略，保证生产力与生产关系的协调促进，是高性价比实现目标的有效措施。

四、结语

数字管道的设计不一定有标准答案，但通过提问的方式可以不断寻找答案。科学的进步建立在质疑的基础之上，技术的进步离不开对需求的挖掘和满足。从“数字”的定义出发，提出数字化具有颠覆性的推论，进而解放设计思路，运用需求驱动的方式，提出并回答了数字管道的3个基本问题。

（1）是什么（What）：软硬件系统、数字化全新设计、可动态扩展功能的全生命周期平台。

（2）为什么（Why）：当前数字化的可用形式、数字的颠覆性、需求驱动与模型选择分析。

（3）怎么做（How）：技术需求分析的分层分析、实现路径的规律把握、科学项目管理方法的引入与实践。H

参考文献

[1]刘强.探索智能制造发展之路[J].数字印刷，2019（01）：16-25+105.

[2]李益发，沈昌祥.一种新的操作系统安全模型[J].中国科学E辑：信息科学，2006（04）：347-356.

[3]王广胜，邵自力.Cocos-2d引擎方式下记忆卡游戏的设计与开发[J].信息系统工程，2017（02）：150+167.

[4]李玉红.基于B/S结构的图书市场分销系统设计[J].信息系统工程，2009（06）：81-84.

[5]徐杰，曾晟，刘亮，等.基于APDM的管道完整性数据管理研究[J].天然气与石油，2016，34（05）：76-79+10.

[6]陈国群，郑建国，柳建军，等.油气管网仿真技术现状与展望[J].油气储运，2014，33（12）：1278-1281.

[7]高海康，吴志强，徐杰，等.管道资产完整性管理信息化建设与发展思路探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2021，41（17）：74-75.

[8]杜修平，酆爱文.150N时代探析[J].技术与创新管理，2011，32（04）：435-438.

基金项目：国家石油天然气管网集团有限公司项目“油气管网在线仿真平台研发及应用（一期）”，课题编号SSCC202104