王新 王巨洪 李榮光 李保吉

國家管網(wǎng)集團北方管道公司

摘要：為順應油氣管道由自動(dòng)化、數字化向智能化方向發(fā)展，基于實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，通過(guò)集成建設期及運營(yíng)期數據，開(kāi)發(fā)中俄東線(xiàn)智能管道可視化系統，全面展示線(xiàn)路、站場(chǎng)、工藝運行與設備等智能化管道技術(shù)，實(shí)現數據可視化、場(chǎng)景化以及實(shí)時(shí)交互，為管道智能化管理提供支持。

關(guān)鍵詞：智能管道；可視化；數據源；數據流向

 

中俄東線(xiàn)天然氣管道工程于2019年12月2日正式投產(chǎn)運行，實(shí)現了技術(shù)和管理的重大創(chuàng )新[1-3]，以“全數字化移交、全智能化運營(yíng)、全生命周期管理”為理念，按照智能管道試點(diǎn)建設要求，結合生產(chǎn)實(shí)際需求共形成24個(gè)智能建設子項。與以往傳統油氣長(cháng)輸管道相比，在工藝運行、站場(chǎng)管理、管道管理等多個(gè)方面實(shí)現提升和創(chuàng )新性突破[4-9]。

傳統管道由于建設期數據及運營(yíng)期數據分別在不同信息系統管理，主要存在以下問(wèn)題：缺乏信息系統集成，未能實(shí)現管道相關(guān)數據的統一分析、展示，對業(yè)務(wù)決策支持力度不夠；缺乏管道及站場(chǎng)的實(shí)體可視化展示，未實(shí)現站場(chǎng)及關(guān)鍵設備的三維可視化展示。鑒于此，基于數據實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，開(kāi)發(fā)中俄東線(xiàn)智能管道可視化系統，實(shí)現數據可視化、場(chǎng)景化以及實(shí)時(shí)交互，通過(guò)大屏集中動(dòng)態(tài)系統地展示線(xiàn)路、站場(chǎng)、工藝運行與設備等。

1  系統設計

1.1  系統架構

中俄東線(xiàn)智能管道可視化系統基于RayData技術(shù)，實(shí)現站場(chǎng)、工藝管線(xiàn)、壓縮機、閥門(mén)等設備的三維建模，并通過(guò)數據接口方式，接入不同數據格式的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數據。系統采用C/S（客戶(hù)端型）模式及通用接口協(xié)議、數據格式，具有較好的數據兼容處理及展示能力。其架構主要包括數據源、數據處理、可視化展示及智能化應用（圖 1）。

圖 1 智能管道可視化系統架構

1.1.1  數據源

系統集成了中俄東線(xiàn)天然氣管道的多源數據，具體可包括11類(lèi)780多項動(dòng)靜態(tài)數據[3]。數據源可分為三類(lèi)：一是站場(chǎng)、設備設施、線(xiàn)路等基礎屬性數據，這部分數據主要是靜態(tài)數據，通過(guò)建設期全數字化移交獲得；二是站場(chǎng)、線(xiàn)路泛在感知數據，包括視頻監控數據、智能陰保數據、光纖泄漏預警數據、站場(chǎng)巡檢數據、可燃氣體報警數據、站場(chǎng)周界報警數據等，這部分數據主要是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測數據，來(lái)源于中俄東線(xiàn)各監測系統；三是生產(chǎn)運行參數，包括運行壓力、溫度、流量、壓縮機運行參數等，這部分數據主要通過(guò)SCADA系統實(shí)時(shí)接入。

1.1.2  數據處理

建設期數據處理：對建設期全數字化移交數據進(jìn)行輕量化處理，對數據質(zhì)量進(jìn)行檢查和清洗，并通過(guò)加載于站場(chǎng)、設備、線(xiàn)路等三維模型展現。減少數據冗余存儲帶來(lái)的資源浪費，更好支撐智能管道業(yè)務(wù)需求。

運營(yíng)期數據處理：通過(guò)統一數據標準對接入系統的工藝運行參數、壓縮機運行參數、陰保數據、視頻監控等動(dòng)態(tài)數據，進(jìn)行檢查、清洗、標注等，為數據的集成展示及深化應用作準備。

1.1.3  可視化展示

系統基于實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，實(shí)現多維度的數據可視化展示。一是站場(chǎng)三維可視化展示，如在全數字化設計、智能施工及數據自動(dòng)回流校驗基礎上，構建黑河站站場(chǎng)、設備與站場(chǎng)周邊地形地貌的三維數字模型，實(shí)現了黑河站三維可視化展示。二是線(xiàn)路GIS展示，將管道周邊地形地貌三維模型與管道地理信息系統結合，實(shí)現管道線(xiàn)路的二、三維聯(lián)動(dòng)展示。三是實(shí)時(shí)數據圖表展示，通過(guò)曲線(xiàn)圖、趨勢圖、統計圖等多種圖表實(shí)現生產(chǎn)運行數據、線(xiàn)路報警數據、綜合分析數據可視化展示。四是虛擬現實(shí)（Virtual Reality，VR）及視頻動(dòng)畫(huà)展示，基于虛擬現實(shí)技術(shù)、InsideOut深度攝像追蹤及圖形圖像高速實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，實(shí)現了黑河站壓縮機單個(gè)零件拆解、爆炸圖多角度透視拆解，同時(shí)系統加載了天然氣進(jìn)氣流程、越站流程等7種工藝流程動(dòng)畫(huà)。

1.1.4  智能化應用

系統集成各類(lèi)安全預警系統，實(shí)現各類(lèi)預警數據整合，可用一張圖綜合展現各類(lèi)報警數據，實(shí)現報警信息聯(lián)動(dòng)。比如光纖預警系統發(fā)出報警信息以后，可以迅速對比攝像頭視頻信息，實(shí)現風(fēng)險綜合分析。未來(lái)將進(jìn)行數據挖掘利用及大數據分析，智能識別管道安全運行風(fēng)險，對管道運行狀態(tài)進(jìn)行準確有效的趨勢預測。

1.2  數據流向

管道建設期數據涉及管道中心線(xiàn)等坐標數據，遵循保密數據移交規定，通過(guò)線(xiàn)下傳輸方式進(jìn)行。生產(chǎn)運行數據主要來(lái)自SCADA系統，通過(guò)開(kāi)發(fā)數據接口，實(shí)現生產(chǎn)運行參數的傳輸與實(shí)時(shí)更新。線(xiàn)路及站場(chǎng)感知數據，通過(guò)數據接口進(jìn)入智能管道可視化系統。數據進(jìn)入系統R-box圖形服務(wù)器后，首先進(jìn)行數據處理，建立不同報警數據的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后根據業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行數據分析，最終將數據分析結果加載在站場(chǎng)三維模型或線(xiàn)路地理信息模型，實(shí)現數據可視化展示（圖 2）。

圖 2 系統數據流向

2  系統應用

2.1  管網(wǎng)概況

以管線(xiàn)走向圖的形式整體展示管網(wǎng)主干線(xiàn)信息，體現出東北能源通道的重要意義。同時(shí)，直觀(guān)展現中俄東線(xiàn)北段整體情況，包括全線(xiàn)里程。站場(chǎng)及閥室分布、管徑、運行壓力、流量、溫度等參數。

2.2  站場(chǎng)

在站場(chǎng)三維模型上加載工藝運行、關(guān)鍵設備、站場(chǎng)視頻等實(shí)時(shí)數據，實(shí)現了數字孿生體隨著(zhù)運營(yíng)期數據逐漸豐富而同生共長(cháng)（圖 3）。通過(guò)系統可以查看不同設備的屬性數據、生產(chǎn)運行數據，還可查看可燃氣體報警、周界報警、站場(chǎng)視頻巡檢、壓縮機故障報警等數據。同時(shí)系統加載了7種工藝流程動(dòng)畫(huà)及壓縮機的三維拆解動(dòng)畫(huà)，實(shí)現了站內工藝流程及關(guān)鍵設備零部件拆解的三維可視化（圖  4），有效支持員工檢維修作業(yè)和開(kāi)展培訓。

圖 3 站場(chǎng)三維模型

圖 4 壓縮機拆解動(dòng)畫(huà)

2.3  管道線(xiàn)路

系統可實(shí)現管道走向及完整性數據的二維展示及管道周邊地形地貌的三維展示。通過(guò)重點(diǎn)線(xiàn)路實(shí)時(shí)態(tài)勢的可視化、場(chǎng)景化，將線(xiàn)路多種報警數據集成，多維度展現管道空、天、地一體化的泛在感知能力。

通過(guò)對重點(diǎn)地段攝像頭視頻及無(wú)人機巡線(xiàn)視頻進(jìn)行智能識別，實(shí)現機械挖掘、人員逗留等多種管道異常事件的視頻報警，結合光纖預警系統、泄漏監測系統、智能陰保系統，達到線(xiàn)路異常事件智能識別、分析及報警（圖 5）。

圖 5 智能陰保界面示意圖

2.4  數據綜合展示

系統開(kāi)發(fā)大數據綜合分析展示界面，以實(shí)現多源數據綜合分析�？梢哉宫F站場(chǎng)工藝流程圖，實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)運行參數，同時(shí)將預測預警信息集成到一張圖，通過(guò)柱狀圖、餅狀圖、曲線(xiàn)圖等直觀(guān)方式綜合分析和展示生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、預測預警信息，達到對站場(chǎng)、管道立體感知和綜合預警的目的。

3  思考及建議

（1）結合系統定位，提升應用效果。由于建模工作量大，系統運行需要特定的渲染服務(wù)器，限制了可視化系統的應用范圍。目前對所有站場(chǎng)進(jìn)行三維精細建模并不現實(shí)，未來(lái)應針對不同應用層級、應用目的及人員角色等開(kāi)發(fā)不同架構、使用模式、展現形式的智能管道可視化系統。比如選取特定站場(chǎng)進(jìn)行精細化三維建模，可應用于智能化管道展示、應急指揮或者培訓，系統架構可以采用C/S（客戶(hù)端）架構，展現形式可以是大屏形式，方便數據的集中可視化展示；而其他站場(chǎng)可以采用輕量化三維模型或者二維模型，應用于數據分析、展示，系統架構可以采用B/S架構（網(wǎng)頁(yè)型），展現形式可以在PC段或者移動(dòng)端，這樣管道管理者就可以對監控數據、監控視頻及時(shí)跟蹤響應。

（2）統一數據標準，提升數據質(zhì)量�？梢暬�系統數據來(lái)源于不同智能監控系統，各系統接口協(xié)議不同，數據格式不同，需根據不同系統接口協(xié)議開(kāi)發(fā)不同數據接口，不僅開(kāi)發(fā)工作量大，而且讀取數據質(zhì)量不一，需要進(jìn)行數據清洗加工，規范數據移交的格式、編碼、結構，實(shí)現數據標準、數據接口、數據層次結構的統一互融。

（3）建立數據中心，實(shí)現數據統一管理。建立數據中心，按照統一標準采集數據，統一格式傳輸數據，對數據進(jìn)行標記，實(shí)現海量數據的結構化存儲和管理，滿(mǎn)足大數據分析等深層次業(yè)務(wù)需求。

（4）采取多種手段，保證數據安全。管道地域空間分布廣，基于成本和使用環(huán)境的要求，數據需通過(guò)多種通信方式的混合組網(wǎng)形式進(jìn)行傳輸。比如站場(chǎng)生產(chǎn)運行數據通過(guò)光通信進(jìn)行傳輸；管道線(xiàn)路感知數據往往通過(guò)無(wú)線(xiàn)、衛星、光纖等方式傳輸。出于數據安全考慮，可視化系統布置在企業(yè)內網(wǎng)，部分線(xiàn)路感知系統布置在外網(wǎng)，生產(chǎn)運行參數在工況網(wǎng)。積極采用數據加密、身份認證、網(wǎng)絡(luò )防火墻、物理隔離裝置等網(wǎng)絡(luò )安全手段，確保數據與系統安全。

（5）緊密結合需求，深化智能應用。目前可視化系統多源數據的分析應用較少，僅能實(shí)現不同報警數據的對比分析。未來(lái)需引入大數據分析及人工智能技術(shù)，實(shí)現各類(lèi)預警數據整合和挖掘利用，智能識別管道安全運行風(fēng)險。比如可開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)風(fēng)險評價(jià)技術(shù)，將智能感知數據與風(fēng)險評價(jià)技術(shù)相結合，實(shí)現管道風(fēng)險的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監測。

 

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作者簡(jiǎn)介：王新， 1984 年生，高級工程師，2011 年碩士畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全技術(shù)及工程專(zhuān)業(yè)，現主要從事智能化管道建設及管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：0316-2170404，wangxin04@pipechina.com.cn。