数字孪生技术在油气管道管理中的应用

赵国深，赵嘉玲，刘思妤，王星，夏荣蓓，代炳涛

(1.河北省智慧管道技术创新中心，河北 廊坊 065000；2.廊坊中油朗威工程项目管理有限公司，河北 廊坊 065000)

0 引言

油气资源关系到国民经济的发展，是国家经济发展的重要支撑。自进入21世纪以来，我国油气管道扩建速度逐年加快，截至目前，全国油气管道总长已经超过15万千米，大大促进了国民经济的发展。但是由于地理环境和人为因素的原因，在施工建设以及运行过程中时有事故发生。

通过对20余家企业进行梳理和分析发现，油气管道建设安全管理形势严峻。近13年间油气管道管理引发的事故有18起，其中重大事故1起、较大事故4起、一般事故13起。根据事故原因分析，因“三违”导致的安全事故共15起，占比88%以上，如：2013年11月22日山东省青岛市中石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂造成的爆燃，给人民群众造成了巨大的生命及财产损失，严重危害油气管道及其周围环境和社会的安全；2010年7·16大连输油管道爆炸事故造成消防战士一人牺牲、一人重伤、大片海域被污染，直接损失达到2 000多万元。油气管道的施工以及安全管理的重要性日益凸显，围绕着管道的安全管理，油气生产企业做了大量的探索。随着中国油气骨干管网建设步伐的加快以及新技术的不断发展，互联网技术、人工智能技术、无人机技术、机器视觉技术等在油气管道管理中也获得了大量的应用。

特别是近年来油气管道建设过程中结合无人机技术、互联网技术、数字孪生技术获得了推广与应用。基于数字孪生技术，传统油气管道建设逐步向智慧管道建设转变。

1 数字孪生技术在油气管道中研究应用现状

数字孪生也被称为数字双胞胎和数字化映射，它是指充分利用物理模型、传感器、以往历史数据，集合多学科、多专业，在虚拟空间对实体进行模拟仿真的技术[1]。数字孪生的概念最早是由美国国防部提出利用，主要用在航空航天飞行器的健康维护与保障上[2]，通过利用数字技术建立实体与三维模型的关系，利用虚拟技术再现真实设备的状态，根据传感技术检测现有运行情况和过往载荷，及时分析评估实体的工作状态。油气管道数字孪生技术可将管道数据以3D形式呈现，用户可以通过检测到的数据将实体管道与三维虚拟管道相连接，通过人工智能、大数据等对实体管道的安全状态进行预测。

通过全息透视眼镜，用户可对管道的虚拟图像进行旋转、放大和扩展。管道数字孪生技术节省了管道数据的研究时间，有助于用户更好地监控管道运行状况，快速准确地评估管道完整性[3]。

国内已经有多家企业以及高校对管道数字孪生技术进行了研究，国家管网集团北方管道公司结合智慧管网的相关概念以及油气管道行业企业的现状，基于数字孪生技术提出了智慧管网建设的理论，围绕着实体管道建设、虚拟管道模型开发、管道服务系统、管道数字化模型以及管道孪生数据的传输技术，获得了实体管道与虚拟管道两者之间的交互与融合技术[4]。中国科学院沈阳自动化研究所针对油气输送管道业务现状，结合新一代信息技术，提出了智能管道发展的系统架构与主要内容[5]。中国石油管道公司智慧管道建设项目中心从管道设计、管道设备运行维护、调度优化、全生命周期管理等几个方面分析数字孪生体在油气管道中的应用前景，指出在油气管道中实施数字孪生技术可以实现虚拟管道的仿真优化，有利于促进国家智慧管网的建设[6]。中国石油天然气股份有限公司西南管道分公司以中缅油气管道为研究重点，通过综合应用管道探测、航空摄影、倾斜摄影、数字化三维建模技术实现了管道建设初期的设计、构建了中缅油气管道的三维模型，形成了管道线路数据资产以及施工战场的资产库。同时，通过研究构建了中缅油气管道的数字孪生体，其构建的管道数字化孪生系统实现了油气管道的可视化运行、可以实现人员的培训以及用来指导抢险作业[7]。

综上，国内以中石油为主的公司已经在管道数字孪生技术的应用上开展了初步的研究，而且已经有部分油气管道管线进行了初步的应用。但是，目前该项技术主要应用于航空航天行业和智能制造行业，在管道中的应用还不成熟。管道数字孪生技术发表的论文也主要集中在近两年，管道数字孪生技术仍处于研究的初期。

2 数字孪生体管道应用技术研究

数字孪生体赋予了管道三维模型新的活力，是其从简单的几何模型转变为与现实对应的可运行的孪生体。通过建立高保真的三维模型，在虚拟空间制造实体的孪生体，需要关联各种属性和定义，如加入材料属性、感知属性以及有限元仿真的模型。通过高保真模拟，将现实中可能出现的问题进行反馈，面对可能出现的问题提前制定处理方案。数字孪生体可以贯穿油气管道建设的各个阶段，通过记录整个周期的数据来反映管道各个阶段的特征[7]。对管道管理提出合理化建议。关于管道数字孪生技术的研究，主要集中在管道的建模仿真技术、管道的数据传感融合技术、管道孪生数据构建及管理技术、应用技术等方面。

2.1 数字管道建模、仿真技术

数字管道建模技术是将管道产品中的相关设计、工艺描述、属性及管理等信息附着在产品三维模型中，为油气管道在设计、施工、运行、维护、报废全生命周期各个阶段的数据定义和传递的数字化表达提供统一的模型，管道的数字化建模通常包括管道模型的几何信息以及如应力、应变模型、流体力学、热力学模型、管道材料等非几何信息。在建模过程中常用的软件包括 SynerGEE、GREEG、TGNET/TLNET 等国际仿真软件，在国内使用最广泛的是国家管网集团北方管道公司研制了RealPipe软件。近年来，随着我国管道运行公里数的增加，围绕着管线施工环境等，通过BIM和GIS集成应用，实现了管道以及管道外围环境建立起三维管道模型和管网信息的有机综合体。目前已经有大量的公司开展了管道建模及仿真技术的研究。

2.2 数据采集及数据融合技术

数字孪生技术将实体管道与虚拟管道通过数据相融合，实体管道具有点多、线长、面广的特点[8]。实体管道在运行中会受到如泥石流、管道腐蚀、管道周围塌方、管道泄漏等多种因素的影响，围绕着管道完整性以及安全管理等方面，油气公司已经建立了大量的管道数据采集系统。通过传感器物连网技术采集相关数据实现对油气管道的感知，这包括红外、光纤、遥感等方面的技术。管道感知技术难点在于数据实时采集、数据传输等方面的技术，同时由于传感检测涉及的传感器种类多、传输方式多数据的融合性还不是很强。鉴于传感器的种类多，给管理及数据融合带来了困难，围绕着管道数据采集，采用多源异构传感器融合技术实现管道实时数据的采集和集成，将传感转换器、传感无线网、物联网等方面的技术相结合，实现设备接入、数据采集、数据转换以及与数字管道建模软件相连接是当今管道数字孪生技术研究的重点及热点。

2.3 油气管道孪生数据构建管理及应用技术

随着管道完整性技术的发展，数据管理是管道安全管理的重要组成部分，管道数据管理是完整性技术的重要支撑。通过对油气管道孪生数据的构建以及管理实现“虚实交互，以虚控实”。通过增强现实中的人机交互技术以及虚实交互技术提升实体油气管道与虚拟管道之间的交互，通过传感检测网络获得实体管道的实时数据融入到虚拟管道中进行显示、通过虚拟管道端建立的人工智能预测技术、计算机大数据分析技术，实现对实体管道腐蚀、管道防护、管道周围环境维护提示，管道维护预警等方面的应用，通过数字孪生技术保障管道的安全运行。

3 数字孪生体在管道中应用的可行性

3.1 管道设计

传统的管道设计大多采用三维静态设计模型，其弊端很明显，对设计人员依赖性高、利用率低、对于全局性的考虑不够完善。利用数字孪生体进行油气管道设计包含管道线路、站场、建筑三个方面：管道线路包括场地勘察、三维测量以及选线三者协同设计；管道站场包括控制、设备、工艺、电气管路多专业协同设计；建筑方面包括建筑辅助设施和钢结构协同配合。在完成多专业设计数据完成后将进行设计集成验证，它包括工艺、控制、环境、影响施工等方面的验证。两者相互配合完成迭代优化实现管道设计。其过程如图1所示。

图1基于数字孪生的管道设计流程图

3.2 调度优化

基于数字孪生体的管网的调度模式，通过实体管线系统和数字孪生体虚拟系统进行数据互换，实现信息共享。数字孪生体通过高度集成的虚拟模型将管网的运行状态进行仿真分析，对经济性和可靠性进行评估完成管网的调度控制。形成虚拟模型和实体模型的协同工作机制，达到二者的优化匹配和高效运作，实现管网动态迭代和持续优化。其流程如图2所示。

图2 基于数字孪生管道调度优化流程图

3.3 设备维护

管道设备包括电气设备、测量设备、减震设备等。管道设备的安全关乎整条管道线路运行的安全。基于数字孪生的管道设备维护可以通过实体设备的检测系统和历史运行状态数据对数字孪生体加以更新实现多功能集成仿真，对设备健康寿命进行评估。并制定维护作业计划。

4 管道数字孪生技术发展建议

目前我国智慧管网建设处于起步阶段，在数字孪生体构建精准检测和评价、传感技术、模型构建、决策支持、油气管道大数据深度挖掘等方面还存在着欠缺。围绕开展管道数字孪生技术目标，实现管网的智能化预警、巡护，以及管道的应急防范，构建管道安全智能化平台，建立油气管道全周期的数据标准，构建油气管道全周期数据库，包括数字管道的建模研究、孪生管道数据融合技术、孪生数据应用技术等方面内容，管道数字孪生技术应着力在以下几个方面开展研究：

一是重点研究油气管道数字孪生体的构建技术，重视数字孪生体建模方法研究。

二是开展数字孪生体数据技术研究，围绕管道数字孪生技术涉及的感知、预判、自适应、自反馈、自学习等特征开展相关计算机、数学、传感器等应用技术的研究，发挥数据在管道安全预警中的作用。

三是开展管道孪生技术应用研究，通过应用管道数字孪生技术将实体管道、虚拟管道以及管道服务系统三者相结合，实现管道安全运行、故障预警、管道巡检巡视提示等，进一步提升我国管道的安全性。通过数字孪生体直观观察管道设备结构，通过智能远程、在线诊断技术提升设备维修效率。

5 结语

管道、管道相关设备设施以及周边环境构成了复杂的管道系统。通过管道数字孪生体模型的建立，以虚拟管道将油气管道相关数据展示出来，通过数据采集、数据整合、物理性能模拟、实时感知、分析、虚实融合，提升油气管道的安全系数，将数字孪生技术应用于管道设计、施工、运营以及管道企业管理的相关数据管理，保证油气管道的安全运行成为管道行业的发展趋势。

为了进一步推进管道管理和管道安全生产现代化，业界科技工作者应围绕油气管道数字孪生技术的应用开展研究，包括管道数字孪生体系建模理论、数字孪生技术在管道中的具体技术、管道数字孪生技术应用、管道数字孪生数据、管道数字孪生技术培训、预测以及检修等方面内容，进而提升管道数字孪生技术的应用深度与广度。