王新 王巨洪 李榮光 李保吉

國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司

摘要：為順應(yīng)油氣管道由自動(dòng)化、數(shù)字化向智能化方向發(fā)展，基于實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，通過集成建設(shè)期及運(yùn)營期數(shù)據(jù)，開發(fā)中俄東線智能管道可視化系統(tǒng)，全面展示線路、站場、工藝運(yùn)行與設(shè)備等智能化管道技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、場景化以及實(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(shù)據(jù)源；數(shù)據(jù)流向

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

傳統(tǒng)管道由于建設(shè)期數(shù)據(jù)及運(yùn)營期數(shù)據(jù)分別在不同信息系統(tǒng)管理，主要存在以下問題：缺乏信息系統(tǒng)集成，未能實(shí)現(xiàn)管道相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析、展示，對業(yè)務(wù)決策支持力度不夠；缺乏管道及站場的實(shí)體可視化展示，未實(shí)現(xiàn)站場及關(guān)鍵設(shè)備的三維可視化展示。鑒于此，基于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，開發(fā)中俄東線智能管道可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、場景化以及實(shí)時(shí)交互，通過大屏集中動(dòng)態(tài)系統(tǒng)地展示線路、站場、工藝運(yùn)行與設(shè)備等。

1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1  系統(tǒng)架構(gòu)

中俄東線智能管道可視化系統(tǒng)基于RayData技術(shù)，實(shí)現(xiàn)站場、工藝管線、壓縮機(jī)、閥門等設(shè)備的三維建模，并通過數(shù)據(jù)接口方式，接入不同數(shù)據(jù)格式的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用C/S（客戶端型）模式及通用接口協(xié)議、數(shù)據(jù)格式，具有較好的數(shù)據(jù)兼容處理及展示能力。其架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)處理、可視化展示及智能化應(yīng)用（圖 1）。

圖 1 智能管道可視化系統(tǒng)架構(gòu)

1.1.1  數(shù)據(jù)源

系統(tǒng)集成了中俄東線天然氣管道的多源數(shù)據(jù)，具體可包括11類780多項(xiàng)動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)[3]。數(shù)據(jù)源可分為三類：一是站場、設(shè)備設(shè)施、線路等基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要是靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過建設(shè)期全數(shù)字化移交獲得；二是站場、線路泛在感知數(shù)據(jù)，包括視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、智能陰保數(shù)據(jù)、光纖泄漏預(yù)警數(shù)據(jù)、站場巡檢數(shù)據(jù)、可燃?xì)怏w報(bào)警數(shù)據(jù)、站場周界報(bào)警數(shù)據(jù)等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，來源于中俄東線各監(jiān)測系統(tǒng)；三是生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，包括運(yùn)行壓力、溫度、流量、壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要通過SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)接入。

1.1.2  數(shù)據(jù)處理

建設(shè)期數(shù)據(jù)處理：對建設(shè)期全數(shù)字化移交數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查和清洗，并通過加載于站場、設(shè)備、線路等三維模型展現(xiàn)。減少數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)帶來的資源浪費(fèi)，更好支撐智能管道業(yè)務(wù)需求。

運(yùn)營期數(shù)據(jù)處理：通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對接入系統(tǒng)的工藝運(yùn)行參數(shù)、壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)、陰保數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢查、清洗、標(biāo)注等，為數(shù)據(jù)的集成展示及深化應(yīng)用作準(zhǔn)備。

1.1.3  可視化展示

系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)可視化展示。一是站場三維可視化展示，如在全數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能施工及數(shù)據(jù)自動(dòng)回流校驗(yàn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建黑河站站場、設(shè)備與站場周邊地形地貌的三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)了黑河站三維可視化展示。二是線路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(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管道線路的二、三維聯(lián)動(dòng)展示。三是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖表展示，通過曲線圖、趨勢圖、統(tǒng)計(jì)圖等多種圖表實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、線路報(bào)警數(shù)據(jù)、綜合分析數(shù)據(jù)可視化展示。四是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）及視頻動(dòng)畫展示，基于虛擬現(xiàn)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(xiàn)了黑河站壓縮機(jī)單個(gè)零件拆解、爆炸圖多角度透視拆解，同時(shí)系統(tǒng)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。

1.1.4  智能化應(yīng)用

系統(tǒng)集成各類安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類預(yù)警數(shù)據(jù)整合，可用一張圖綜合展現(xiàn)各類報(bào)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息聯(lián)動(dòng)。比如光纖預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息以后，可以迅速對比攝像頭視頻信息，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)綜合分析。未來將進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘利用及大數(shù)據(jù)分析，智能識(shí)別管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對管道運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的趨勢預(yù)測。

1.2  數(shù)據(jù)流向

管道建設(shè)期數(shù)據(jù)涉及管道中心線等坐標(biāo)數(shù)據(jù)，遵循保密數(shù)據(jù)移交規(guī)定，通過線下傳輸方式進(jìn)行。生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)主要來自SCADA系統(tǒng)，通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的傳輸與實(shí)時(shí)更新。線路及站場感知數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)入智能管道可視化系統(tǒng)。數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)R-box圖形服務(wù)器后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立不同報(bào)警數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后根據(jù)業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終將數(shù)據(jù)分析結(jié)果加載在站場三維模型或線路地理信息模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示（圖 2）。

圖 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

2  系統(tǒng)應(yīng)用

2.1  管網(wǎng)概況

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

2.2  站場

在站場三維模型上加載工藝運(yùn)行、關(guān)鍵設(shè)備、站場視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生體隨著運(yùn)營期數(shù)據(jù)逐漸豐富而同生共長（圖 3）。通過系統(tǒng)可以查看不同設(shè)備的屬性數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可查看可燃?xì)怏w報(bào)警、周界報(bào)警、站場視頻巡檢、壓縮機(jī)故障報(bào)警等數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)加載了7種工藝流程動(dòng)畫及壓縮機(jī)的三維拆解動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)工藝流程及關(guān)鍵設(shè)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)和開展培訓(xùn)。

圖 3 站場三維模型

圖 4 壓縮機(jī)拆解動(dòng)畫

2.3  管道線路

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)管道走向及完整性數(shù)據(jù)的二維展示及管道周邊地形地貌的三維展示。通過重點(diǎn)線路實(shí)時(shí)態(tài)勢的可視化、場景化，將線路多種報(bào)警數(shù)據(jù)集成，多維度展現(xiàn)管道空、天、地一體化的泛在感知能力。

通過對重點(diǎn)地段攝像頭視頻及無人機(jī)巡線視頻進(jìn)行智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)機(jī)械挖掘、人員逗留等多種管道異常事件的視頻報(bào)警，結(jié)合光纖預(yù)警系統(tǒng)、泄漏監(jiān)測系統(tǒng)、智能陰保系統(tǒng)，達(dá)到線路異常事件智能識(shí)別、分析及報(bào)警（圖 5）。

圖 5 智能陰保界面示意圖

2.4  數(shù)據(jù)綜合展示

系統(tǒng)開發(fā)大數(shù)據(jù)綜合分析展示界面，以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)綜合分析�？梢哉宫F(xiàn)站場工藝流程圖，實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)將預(yù)測預(yù)警信息集成到一張圖，通過柱狀圖、餅狀圖、曲線圖等直觀方式綜合分析和展示生產(chǎn)經(jīng)營、預(yù)測預(yù)警信息，達(dá)到對站場、管道立體感知和綜合預(yù)警的目的。

3  思考及建議

（1）結(jié)合系統(tǒng)定位，提升應(yīng)用效果。由于建模工作量大，系統(tǒng)運(yùn)行需要特定的渲染服務(wù)器，限制了可視化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。目前對所有站場進(jìn)行三維精細(xì)建模并不現(xiàn)實(shí)，未來應(yīng)針對不同應(yīng)用層級(jí)、應(yīng)用目的及人員角色等開發(fā)不同架構(gòu)、使用模式、展現(xiàn)形式的智能管道可視化系統(tǒng)。比如選取特定站場進(jìn)行精細(xì)化三維建模，可應(yīng)用于智能化管道展示、應(yīng)急指揮或者培訓(xùn)，系統(tǒng)架構(gòu)可以采用C/S（客戶端）架構(gòu)，展現(xiàn)形式可以是大屏形式，方便數(shù)據(jù)的集中可視化展示；而其他站場可以采用輕量化三維模型或者二維模型，應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、展示，系統(tǒng)架構(gòu)可以采用B/S架構(gòu)（網(wǎng)頁型），展現(xiàn)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(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、監(jiān)控視頻及時(shí)跟蹤響應(yīng)。

（2）統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量�？梢暬�系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于不同智能監(jiān)控系統(tǒng)，各系統(tǒng)接口協(xié)議不同，數(shù)據(jù)格式不同，需根據(jù)不同系統(tǒng)接口協(xié)議開發(fā)不同數(shù)據(jù)接口，不僅開發(fā)工作量大，而且讀取數(shù)據(jù)質(zhì)量不一，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗加工，規(guī)范數(shù)據(jù)移交的格式、編碼、結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一互融。

（3）建立數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。建立數(shù)據(jù)中心，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)，統(tǒng)一格式傳輸數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)和管理，滿足大數(shù)據(jù)分析等深層次業(yè)務(wù)需求。

（4）采取多種手段，保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)需通過多種通信方式的混合組網(wǎng)形式進(jìn)行傳輸。比如站場生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過光通信進(jìn)行傳輸；管道線路感知數(shù)據(jù)往往通過無線、衛(wèi)星、光纖等方式傳輸。出于數(shù)據(jù)安全考慮，可視化系統(tǒng)布置在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，部分線路感知系統(tǒng)布置在外網(wǎng)，生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)在工況網(wǎng)。積極采用數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)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(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全。

（5）緊密結(jié)合需求，深化智能應(yīng)用。目前可視化系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用較少，僅能實(shí)現(xiàn)不同報(bào)警數(shù)據(jù)的對比分析。未來需引入大數(shù)據(jù)分析及人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類預(yù)警數(shù)據(jù)整合和挖掘利用，智能識(shí)別管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。比如可開發(fā)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)，將智能感知數(shù)據(jù)與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

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作者簡介：王新， 1984 年生，高級(jí)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)及工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事智能化管道建設(shè)及管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：0316-2170404，wangxin04@pipechina.com.cn。