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石油天然气管道工程管理信息化智能化改造研究

习近平总书记站在党和国家事业发展全局高度，提出“四个革命、一个合作”能源安全新战略，为我国新时代能源高质量发展提供了根本遵循。《“十四五”现代能源体系规划》中明确提出，要持续提升成品油管道网络规划布局，进一步提高成品油管道输送比例。加快推进天然气长距离高压输送管网项目建设，推进区域管网互联互通。计划到2025年底，全国油气管网建成使用总里程达到21万公里。石油天然气管道建设和运营管理是一项庞大复杂的工程、具有一定风险。随着信息化发展和智能化进步在管网工程建设中的应用，石油天然气管道工程兼顾能源安全和环境保护，提出了利用信息化智能化实现24小时360度全方位检测管理的方法，本文将对石油天然气管道工程基于5G工业互联的信息化智能化管理实践路径开展研究探讨。

1.石油天然气管道工程现状

2023年，中国的石油消费占全世界的16.5%，是世界第二大石油消费国和第三大天然气消费国，随着新型工业化不断深入推进，对于石油天然气的使用需求越来越大，在最大程度缓解我国能源供需不平衡的前提下，为确保能源供应安全高效，通过探索实施油气管道规划建造与运营管理技术革新工程，不断提升能源供应的质量和安全保障能力。根据国家统计局数据，截至2023年底，全国石油天然气长输管线建造总里程约19万公里，包含天然气管道12.4万公里，原油管道、成品油管道各3.3万公里。“十四五”以来已累计新建油气管道超1万公里，不仅如此，近年来我国在国外的石油天然气管道项目也陆续建成投产，2019年12月初，中俄东线天然气管道投产通气，是中俄能源大命脉合作的重要组织部分。近年来，国家石油天然气管网集团有限公司加快构建布局优化、覆盖广泛、功能完备、外通内畅的“全国一张网”，预计“十四五”期间，新建约2万公里油气管道并投入运营，进一步扩大全国石油天然气能源的供给量和覆盖面。

2.油气管道工程建设信息化管理面临的主要困难

2.1能源管道的高危险性。石油天然气管道输送的是原油、成品油、天然气和油气混合物，一旦发生泄漏并遇到火源，极易引发火灾爆炸等安全事故。例如，天然气在空气中的浓度达到5%以上时，遇火源就会发生爆炸。石油泄漏后形成的可燃蒸气云，在一定条件下也能被点燃，产生剧烈的爆炸。因此管道铺设应避开人口密集区，并且不同设施之间还要保持一个安全距离，公路、铁路、重要通讯设施还有油气管道之间都会设置安全距离，这对铺设的规划提出了很高的要求。油气管道特别是长距离输送的管道，是靠加压输送，管道内部长期在高压环境下，具有相当程度的危险性。例如，油气管道常见的输送压力为10兆帕，如果换算成水，压力可以将水柱推到1千米高。同时，管网内运输的化学品成分复杂，随着时间推移，不可避免对管壁造成侵蚀，影响稳定性和密封性，也影响管道内传感器的正常工作。油气管网设计的复杂化、介质的多元化和流速的多变化，导致管网智能化管理控制需要处理的信息量急剧增加，传统的方法难以实现对数据处理及时性、可靠性的要求。因此石油天然气管道工程建设运营复杂程度高且具有相当的危险性。

2.2管理网络的高延时性。大型油气管道运营企业，管理维护设备数量多、种类多，管道铺设常跨地区甚至跨省区，有线网络布设及维护难、移动性差，网络施工周期长、WIFI信号覆盖不全，信号弱、影响指令传输速度；现有PLC、DCS对设备数据应用的深度和广度远远不足，不能基于设备机理提取部件故障特征以及关联特征，也不能应用工业大数据、人工智能、数字孪生等技术，融合设备振动与工艺数据，构建多维度的模型，实现对设备健康在线实时分析、故障预警与自动诊断等应用。设备在DCS监测的告警体系单一，仅能实现简单的温度告警，告警后由人工对数据进行分析诊断，系统侧诊断能力弱，本质上是事后告警，无法支持预知维护；缺乏振动数据自动分析，没有提取部件的故障特征与关联特征，不能对采集的数据（振动与工艺数据）进行多维的并行计算、自学习，不能对设备的健康实时计算分析，系统监测软件的应用较弱。

2.3管网运维的高复杂性。管道监控技术主要包括内部监控和外部监控两种方法。内部监控是通过智能化、高精度的传感器在管道内部进行实时无损监控，采用光学成像技术、超声波等对管道内壁进行实时扫描，尽早发现缺陷和损伤。而外部监控则通过附加设备对管道外部进行监控，采用电磁无损检测、红外测温、超声波检测等对管道外部完整性进行查验，准确识别腐蚀、裂纹、渗漏等情况。管线入廊和投用申请及审核、管廊作业施工管理、管廊日常巡检及维保、管廊商务管理等日常业务管理的信息化程度低，影响管廊管理人员对管线的操作、运行、停用等状态的了解和掌控，降低工作效率。管网调度线上指令的执行反馈未与现场操作形成闭环管理，存在指挥失误的隐患；管网流程切换方案的制定和操作依靠人工记忆与经验传承，无有效模拟预演工具或手段支持；管线倒空、吹扫、置换等物料处置业务尚停留在纸质记录阶段，缺乏信息化管理手段。

3.石油天然气管道工程“云上”管理信息化改造实施路径

3.1 油气管网的5G网络建设

工业现场生产环节以及安全预警等业务要求时延在1～10毫秒以内，并且在网络信息传输上突破了项目现场局域网的网络规模，并保留了对发送时延，传播时延，处理时延，排队时延以及信号抖动和可靠性等方面的严苛要求。因此需要构建以5G专网为核心，融合5G切片技术、确定性网络技术和边缘计算技术的油气管网数字化建设，满足业务、连接、计算、预警、监测等需求的融合服务。5G专网可以满足油气管道运营全过程的数据采集、远程监控、远程控制等应用场景对网络环境及后台业务运行系统的高稳定、高可靠、高安全的要求。企业内部业务访问本地服务器，确保核心数据不出厂区，业务本地就近访问，提升了服务响应效率，节省大网流量成本。严苛的元器件选用，使得设备耐高温、低温，在室外、车载等复杂环境下依然能够稳定工作，为企业提供高可靠性、高性价比的无线安全接入组网方案。

3.2油气管网的工业互联网大数据平台

工业互联网平台以模型和算法为核心，采用事件驱动服务的方式，达到物理空间与信息空间的双向映射和交互，从而构建开放的工业数据、应用开发和业务运行的云平台。大数据分析技术是通过对历史数据的归纳和分析，发现影响管道运行的因素的规律和趋势，为管道日常维护和风险预防提供科学依据，从而搭建起油气管道的数字化管理模型。例如，通过对其他国家和地区管道安全事故的归纳分析，可以推定出引发事故的概率较高、关系较大的因素，从而针对性的形成应急预案。通过基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，达到工业互联网和大数据流通共享的核心目标，从而打通油气管道高效运输效能与安全稳定、模块运作之间的信息壁垒，实现生产资源高效配置、软件架构稳定可靠，达到安全生产的全过程、全要素的链接和监管，为企业持续改进和创新油气管道输送技术提供工业赋能。

3.3油气官网的AI调控技术

AI调控技术是油气管网全智能化、安全可靠运营的核心，AI的部署离不开数据的加持。企业可以通过软件数据、设备传感器、网络基础设施等，生成、收集并分析海量数据。同时，为了更加科学规范监督模型的执行，需要持续引入油气管道运营方面的理论认知、实际经验等先验知识。聚焦提升规划设计方案与项目工程建设的契合度，采取不确定性多目标优化方法来提升油气管道建模的精度，不断提升管网运行的可靠性。另一方面，油气管网稳定高效运营也受大规模模型求解在计算量和计算精度的不确定性影响，需要借助滚动优化方法、数据驱动算法等，提高数据处理的时效性，以达到模型求解速度和准确度之间的最佳平衡点。AI可以根据设备的实时运行状态数据，如压力、温度、流量等，自动调整设备的运行参数，使设备保持在最佳运行状态，降低能耗和设备损耗。同时，对设备的异常运行状态进行提前预警，以便及时进行维护和维修，避免设备故障对生产造成影响。

3.4油气管网AI预警技术

AI预警技术是油气管网全智能化运营的保障，其核心是长短期记忆（LSTM）网络，LSTM人工智能神经网络模型通过从一系列的管网运行数据中学习并预测未来的管网油气流量，以准确感知管网安全运行状态并识别油气输送工况，从而进行油气管网隐患排查和事故预警。利用AI视频分析技术对油气管道周边环境进行实时监控。可以识别在管道附近的第三方施工、大型机械作业等行为，防止施工对管道造成损伤；监测是否有人员闯入重要燃气设施区域，防止非授权的使用和人为破坏；对管道周边的烟火进行监测，及时发现火灾隐患，为事故预警和调查提供支持。根据是否有直接测量设备，AI采取不同的方式进行泄漏监测。对于有探测设备回传数据的情况，AI可以完成数据的自动识别和检测，分析泄漏的可能性；对于缺少传感设施的情况，可基于管网运行状态和工况数据，如管网各节点的压力数据等，结合物理机理和管网的拓扑结构，利用图神经网络类算法预测可能发生泄漏的位置，甚至预测泄漏发生的时间或泄漏量达到阈值的时间，实现泄漏预警与精确定位。

结语

能源是经济社会发展的重要物质基础和动力源泉，为发展新质生产力、推进新型工业化源源不断供能输血，石油天然气管道的安全与畅通至关重要。要将大力推进管道工程管理的信息化智能化升级改造，加强人工智能与大数据分析的融合使用，不断完善工业互联网在管道运营中的互联互通平台优势，真正实现全方位监测与精准控制、高效资源管理与及时风险预警，持续提升管道传输的效率、质量与安全性。