基于数字孪生技术的燃气运维管理

单 亮

上海能源建设工程设计研究有限公司

0 引言

随着城市燃气行业的快速发展，管网里程和用气量的逐年增长，燃气用户数的不断增加，燃气安全也愈发严峻［1］，而传统的巡检模式较难发现由于用户改装私接造成的燃气泄漏问题［2］。随着传感器技术、网络技术和智能硬件的不断发展，数字孪生技术也取得了较好的应用成果［3］，燃气行业也可利用数字孪生技术，创建孪生运维管理，保障用户的用气安全。

1 燃气运维数字孪生的定义

数字孪生是通过数字化手段将现实世界中的物理实体映射至虚拟世界中的虚拟模型上，通过数据的实时同步，使物理实体与虚拟模型之间的属性保持一致［4］。物理实体及虚拟模型的属性包括几何信息、物理信息、行为及规则等［5］，国内外不同行业、不同学术界对数字孪生有着不同的定义和阐释［6］。本文根据自身经验，参考研究成果，提炼出数字孪生技术在燃气运维中的关键要素，包括物理实体、虚拟模型、孪生数据和数据同步等。

在燃气运维数字孪生中，物理实体如管道、设备、建筑等是客观的物体［7］。虚拟模型则是物理实体的数字形式，具有与物理实体一致的属性。孪生数据是物理实体数据、虚拟模型数据、服务数据的集合［8］，包括物理实体属性数据、模型及算法服务性数据、巡检管理业务性数据等。数据同步是实现虚拟模型与物理实体忠实映射的重要手段，通过数据同步，两者属性会因对方的改变而改变。

2 燃气运维数字孪生体的构建

通过部署智能感知设备创建燃气虚拟模型，整合燃气孪生数据及实时同步孪生数据构建燃气运维数字孪生体。

智能感知设备可收集物理实体的相关属性，以实现对物理实体的感知及控制，如燃气泄漏监测、阀门远程控制等。创建燃气虚拟模型可实现燃气设施的可视化及虚实交互，如点击模型查看设备属性、远程阀门开关控制等。整合燃气孪生数据可快速、高效、最大程度地挖掘数据价值。实时同步孪生数据可实现物理实体和虚拟实体的相互映射，实现燃气运维数字孪生体的建设。

3 基于数字孪生技术的燃气智慧巡检应用

某大型园区占地面积大、用户数量多、建筑结构复杂，本文将详细介绍基于数字孪生智慧巡检的应用，主要包括场景交互、巡检管理及AR 巡检。

3.1 场景交互

场景是数字孪生体的直观展示，包括燃气管道、建筑、设备、周边环境等元素，见图1。在场景中，用户可通过点按管道查看地理位置、管径、压力等信息。若检测到异常，如燃气泄漏、压力异常等，异常位置或模型会高亮显示，提示运维人员排除问题。场景中还可实时显示巡检人员位置及隐患上报点位置，使管理人员可统筹安排，合理调度。

图1 某大型园区数字孪生场景

3.2 巡检管理

巡检管理主要包括制定巡检计划、人员现场巡检、巡检问题上报及隐患排除四个环节。利用数字孪生技术可实现巡检过程无纸化，通过电脑端和移动端完成巡检工作。

1）制定巡检计划

巡检管理人员可通过巡检管理平台手动制定巡检计划，如巡检时间、巡检内容、巡检人员等。通过获取巡检人员位置及待巡检内容，平台通过计算，自动生成合理的巡检计划，并自动推送至相关人员的移动设备上，巡检人员可对巡检计划进行确认。

2）人员现场巡检

巡检人员在现场可使用移动端设备查看巡检内容、巡检路线等。巡检人员的位置会通过移动端实时传输至巡检管理平台，巡检管理平台对巡检人员进行全程监管。巡检完成后，移动端自动生成巡检报告，并传回至管理平台。

3）巡检问题上报

巡检人员在现场若发现安全隐患，可使用移动端设备进行问题上报。通过简单的点击操作，可将隐患位置、隐患内容、现场照片、运行数据等信息传输至管理平台。

4）隐患排除

平台收到隐患报告后，会对隐患进行评估，并制定排除计划和方案，通知排除人员消除隐患。隐患消除后，自动生成隐患排除报告并上传至管理平台，形成巡检闭环。

3.3 AR巡检

AR 巡检是利用AR 技术的燃气运维工具。巡检人员可使用手持智慧终端进行路检或室内巡检，在终端上完成管线查询、巡检反馈、问题上报等操作。

1）巡检引导

巡检人员可在手持智慧终端上查看巡检计划，按手持终端给出的巡检路线进行巡检。在巡检开始后，手持终端会自动列出巡检内容，并引导巡检人员进行相应的巡检操作。巡检人员还可查看内置的标准化巡检图文及视频，根据指导进行操作。

2）AR 巡线

AR 巡检和普通巡检的主要优势在于无纸化和可视化。普通巡检需通过目视和图纸比对来确定管道位置及走向，而AR 巡检只需通过手持终端即可看到管道走向及遮挡物位置，同时还可查看任一管道属性。对结构复杂的室内场所，AR 巡线可极大程度地减少巡检人员巡线时间。道路巡线及室内巡线如图2所示。

图2 道路巡线及室内巡线

3）问题上报

当巡检人员遇到问题后，通过点按对应的管段或模型，选择问题类型，输入问题内容，即可自动生成带现场照片、管道位置、问题描述的报告，并可上传至巡检管理平台。巡检问题快速上报如图3所示。

图3 巡检问题快速上报

4）远程协作

在巡检或隐患排除过程中，如遇到难以解决的问题可利用远程协作，向专家发起语音或视频通话，通过AR 终端，专家可远程查看现场情况，对现场人员进行指导，提升巡检和排除隐患的效率。

4 结语

目前该园区已实现燃气智慧巡检，但要实现全园智慧运维管理，还有不少工作，如加装智能感知设备，构建全园虚拟模型、整合燃气孪生数据等，并通过算法的加持，实现全园的燃气安全自动监测、燃气巡检计划自动生成、隐患排除工单自动派发，实现全园的自动化和智慧化。