錢(qián)建華 沈建鋒 杜威 陳子超

國家管網(wǎng)集團華東分公司

摘要：我國油氣管道建設與運營(yíng)以中俄東線(xiàn)天然氣管道試點(diǎn)項目為標志進(jìn)入了智能化階段。通過(guò)闡述當前“無(wú)人化”管理相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展狀況，剖析管道和站場(chǎng)設施完整性管理的難點(diǎn)，初步探索油氣管線(xiàn)無(wú)人化運維的場(chǎng)景和方法，為無(wú)人化設施建設和常態(tài)化運行提供參考。

關(guān)鍵詞：油氣管道；無(wú)人化；智能化；多技術(shù)融合

預期至2025年，國內油氣管網(wǎng)總規模將達到24萬(wàn)公里。隨著(zhù)管網(wǎng)里程的急速增長(cháng)，為實(shí)現安全管理和智能管控的同步升級，“無(wú)人化”技術(shù)逐步成為管道和站場(chǎng)管理的應用趨勢。無(wú)人化也成為融合切合應用場(chǎng)景支撐技術(shù)、推動(dòng)生產(chǎn)方式轉型的持續不斷的迭代升級過(guò)程。

1  無(wú)人化的背景

1.1  行業(yè)背景

目前，管道資產(chǎn)完整性管理指標日趨嚴苛，從表 1所列控制指標可見(jiàn)一斑。

表 1 管道資產(chǎn)完整性管理業(yè)務(wù)指標

實(shí)現資產(chǎn)完整性管理，需要更高的巡檢頻次和巡檢質(zhì)量，對當前以人工作業(yè)為主的巡檢方式提出巨大挑戰。

1.2  技術(shù)背景

先進(jìn)傳感技術(shù)、目標/行為識別算法、高精度定位技術(shù)、數字孿生支撐下的復雜控制技術(shù)，大大降低了無(wú)人化作業(yè)的空間限制,提升了作業(yè)環(huán)境適應性。為管道和站場(chǎng)無(wú)人化作業(yè)創(chuàng )造了技術(shù)條件。目前技術(shù)的更新發(fā)展已經(jīng)在應用關(guān)鍵節點(diǎn)取得了以下突破。

（1）看得清、看得懂。先進(jìn)傳感器技術(shù)提升了無(wú)人化裝備的環(huán)境感知范圍和精度，目標/行為檢測算法、檢測量變化模式分析算法，使其具備了適應泛化作業(yè)對象和隨機作業(yè)環(huán)境的技術(shù)。

（2）行得準。高精度定位技術(shù)為遠程精準操控無(wú)人裝備提供了技術(shù)基礎，而對歷史操作的精準重復則大大降低了遠程操控的人工投入，并為自動(dòng)感知操作對象的狀態(tài)變化提供了便利。

（3）想得全。數字孿生是以作業(yè)對象及其運行過(guò)程為中心，融入規律、規則、流程，綜合運用仿真、大數據、人工智能技術(shù)，構建在形態(tài)和運行機制上全面模擬實(shí)體的數字孿生體。

（4）網(wǎng)絡(luò )配。5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )超高帶寬、超低延時(shí)的特性與工業(yè)控制對網(wǎng)絡(luò )的要求相匹配，為無(wú)人裝備的野外作業(yè)提供了通信保障。

1.3  生產(chǎn)方式轉型

以新技術(shù)、新式勞動(dòng)工具替代人工作業(yè)方式下的部分操作過(guò)程，吸收人工操作規范、操作經(jīng)驗，以流程、規則形式固化于無(wú)人裝備的應用程序和數據庫中；勞動(dòng)者則由現場(chǎng)操作轉為遠程監視和控制。在例行性、環(huán)境條件依賴(lài)性低的操作中，有條件實(shí)現無(wú)人裝備的自主運行；在智能輔助決策工具的協(xié)助下，遠程人工控制則會(huì )簡(jiǎn)化為設定作業(yè)目標和選擇無(wú)人裝備反饋的分支操作選項。實(shí)現生產(chǎn)方式由勞動(dòng)密集型、技術(shù)密集型向決策密集型轉變（圖 1）。

圖 1 生產(chǎn)方式轉型關(guān)系圖

2  無(wú)人化管控平臺建設

2.1  無(wú)人化技術(shù)應用

2.1.1  工程建設

（1） 地形勘察。無(wú)人機傾斜攝影獲得精準三維地表模型，用于評估工地現場(chǎng)及周邊情況。周期性的地理信息采集也可用于發(fā)現緩慢地址變化對已建成管線(xiàn)、場(chǎng)站的潛在威脅。相對于衛星遙感測繪，使用無(wú)人機獲得地理信息數據更為經(jīng)濟、精細且不受氣象和衛星運行位置影響。

（2）工程質(zhì)量遠程監察。根據在建工程的數字孿生體/BIM選取關(guān)注位置生成無(wú)人機航線(xiàn)，定點(diǎn)采集工程三維影像，并與數字孿生體/BIM設計模型比對，早期發(fā)現和解決工程質(zhì)量問(wèn)題，降低投產(chǎn)后運維成本。

（3）無(wú)人化施工技術(shù)引入。降低人工缺陷引入，在管道中心線(xiàn)對齊、環(huán)焊縫焊接等關(guān)鍵環(huán)節提升施工質(zhì)量。

2.1.2  線(xiàn)路管理

（1）管線(xiàn)局部區段常態(tài)化巡檢。通過(guò)無(wú)人機巡線(xiàn)，自主識別管道外腐蝕、地質(zhì)變化、占壓、警戒線(xiàn)內施工等異常情況，實(shí)現無(wú)需人工參與的常態(tài)化低成本巡檢，單架無(wú)人機巡檢頻次可達每日數次。無(wú)人機可提供載荷控制和遠程喊話(huà)功能，便于遠程取證、說(shuō)服教育或警告驅離。

（2）全線(xiàn)高后果區識別。周期性開(kāi)展200～300米高度、廣角攝影的長(cháng)距離無(wú)人機巡檢，發(fā)現更大范圍的地理/地質(zhì)變化，彌補常態(tài)化無(wú)人機巡檢受空域開(kāi)放高度（地面以上120米以?xún)龋┫拗频难矙z局限，兩者互為補充形成巡檢“精”與“泛”、“窄”與“寬”、“高頻”與“低頻”，以全面及時(shí)識別高后果區變化情況。

2.1.3  場(chǎng)站管理

（1）站場(chǎng)及閥室設備遠程監視及控制�；�于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程操控對站場(chǎng)閥室設備進(jìn)行遠程操控和連鎖投退�；�于智能識別分析的視頻技術(shù)在站場(chǎng)閥室區域實(shí)現邊界警戒、視頻抄表、入侵報警、作業(yè)識別等功能。

（2）站場(chǎng)或閥室外圍環(huán)境及設施完整性檢查。駐站旋翼無(wú)人機或經(jīng)過(guò)站場(chǎng)的管線(xiàn)巡檢旋翼無(wú)人機繞飛站場(chǎng)或閥室建筑整體以及重要設施，檢查建筑外結構缺陷、設施缺陷，周邊環(huán)境威脅。

2.1.4  應急處置

（1）事故早期處置。感知事故發(fā)生時(shí)，可遠程操控附近駐站無(wú)人機趕往現場(chǎng)進(jìn)行警示、疏散群眾等早期工作。

（2）現場(chǎng)態(tài)勢信息采集和展示。在事故處置過(guò)程中，可利用多無(wú)人機全方位獲取現場(chǎng)畫(huà)面，幫助應急指揮中心了解現場(chǎng)態(tài)勢。

（3）備品備件急送。

2.2  無(wú)人作業(yè)管理平臺建設

2.2.1  數據通訊

應用超低延時(shí)的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )搭建從無(wú)人裝備到控制系統后臺再到遠程操控的三點(diǎn)兩跳數據鏈路。依據實(shí)測情況，控制和遙測數據端到端傳輸時(shí)延可低至50 ms，1080 P高清視頻端到端傳輸時(shí)延可低至300 ms，與點(diǎn)到點(diǎn)視距通信鏈路性能接近。

2.2.2  無(wú)人作業(yè)管理平臺

圖 2是某無(wú)人作業(yè)管理平臺參考框架。

圖 2 無(wú)人作業(yè)管理平臺參考框架

（1）裝備接入層。解決不同類(lèi)型無(wú)人裝備的接入問(wèn)題。為簡(jiǎn)化適配規則，將無(wú)人裝備、可替換任務(wù)載荷、獨立傳感器依據功能分解為“載具” “傳感載荷”“執行載荷”三類(lèi)，而裝備的實(shí)際物理形態(tài)則通過(guò)設備管理層進(jìn)行整合。無(wú)人裝備的接口和控制協(xié)議標準化程度越高，裝備接入適配的難度越低，運行控制的一致性越好；在應用條件成熟時(shí)，可考慮推動(dòng)相關(guān)規范、標準的制定。

（2）資源管理層。為無(wú)人作業(yè)任務(wù)的運行提供資源保障。資源類(lèi)型包括無(wú)人裝備、參與無(wú)人作業(yè)的人員、無(wú)人作業(yè)所需的能源/耗材，以及交通和作業(yè)空間。

（3）業(yè)務(wù)管理層。實(shí)現對作業(yè)過(guò)程的管控以及提供各類(lèi)數據服務(wù)。作業(yè)任務(wù)管理是核心，集成了不同無(wú)人作業(yè)過(guò)程的流程控制、操作執行規則、局部和全局的質(zhì)量標準和異常狀態(tài)邊界條件等。圍繞作業(yè)任務(wù)管理，需要GIS(地理信息系統)、人工智能分析、數字孿生預判、專(zhuān)業(yè)知識庫/大數據分析等內部服務(wù)提供輔助數據支撐。業(yè)務(wù)管理層應具備開(kāi)放性，用于接入平臺尚未集成的數據服務(wù)或社會(huì )公共數據服務(wù)（如氣象、空域信息）。

2.2.3  數據操控

操控終端/交互終端的便捷性是無(wú)人作業(yè)平臺數據服務(wù)能力的外化，依作業(yè)裝備類(lèi)型、參與人員角色而不同。作為參考，這里抽象出3個(gè)共性場(chǎng)景。

（1）便捷的數據分享與遠程協(xié)作。遠程操作人員可將無(wú)人裝備的運行狀態(tài)數據和實(shí)時(shí)畫(huà)面通過(guò)專(zhuān)用APP、微信等通用社交工具便捷地分發(fā)到其他遠程人員的計算機、手機等通用終端，隨時(shí)隨地獲得專(zhuān)家指導和遠程協(xié)助。

（2）角色備份和靈活切換。遠程操作人員可將無(wú)人裝備的操作權限轉移給另一操作人員，實(shí)現無(wú)人作業(yè)任務(wù)的執行質(zhì)量、跨專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域和跨地域的能力提升。

（3）數據匯集與綜合分析、呈現。將多名遠程操作人員及無(wú)人裝備構成的作業(yè)集群的多路實(shí)時(shí)數據/畫(huà)面在指控中心匯集、分析和綜合呈現。為復雜工程作業(yè)、應急指揮提供全面、即時(shí)交互的技術(shù)支撐。

3  無(wú)人作業(yè)平臺案例

海上5G無(wú)人鉆井平臺建設（圖 3），旨在解決海上平臺設施/設備的完全連接，并增強監視信息的采集和邊緣智能分析，在有限的衛星通訊帶寬資源下，遠程獲得全面準確的平臺運行狀況，從而減少無(wú)人機和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的出動(dòng)頻次。

圖 3 海上5G無(wú)人鉆井平臺業(yè)務(wù)邏輯圖

試點(diǎn)區域由陸地監控指揮中心、海上中心鉆井平臺和無(wú)人井架平臺組成。在中心平臺搭建5G無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，并通過(guò)海底光纜與80公里外的無(wú)人井架上的5G無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)聯(lián)通。鉆井平臺設施/設備的監控數據匯聚于中心平臺MEC邊緣計算節點(diǎn)，經(jīng)過(guò)信息提取和智能診斷，抽象出實(shí)時(shí)運行狀態(tài)報告，通過(guò)衛星鏈路上傳給陸地監控指揮中心。監控指揮中心信息也可通過(guò)此通信網(wǎng)絡(luò )對海上平臺設施/設備實(shí)施遠程控制。

案例中，通過(guò)衛星中繼5G數據聯(lián)通網(wǎng)絡(luò )孤島，對穿越無(wú)人區或公用4G/5G網(wǎng)絡(luò )覆蓋不足地區的站場(chǎng)實(shí)現無(wú)人值守具有借鑒意義。

4  未來(lái)展望

4.1  無(wú)人化的迭代演進(jìn)預期

（1）第一階段：無(wú)人裝備易用化。行業(yè)對無(wú)人裝備的使用以方案驗證和小規模試點(diǎn)為主，自主化和功能集成度尚不高，作業(yè)現場(chǎng)不能脫離人工干預。這一階段的建設重點(diǎn)，是從改善易用性出發(fā)，擴大無(wú)人裝備的使用量和人工替代率，為無(wú)人裝備的規模應用創(chuàng )造基礎性技術(shù)條件。

（2）第二階段：無(wú)人裝備體系化。隨著(zhù)無(wú)人裝備的大量應用，現場(chǎng)作業(yè)中比重最大的操作已由無(wú)人裝備承擔，但剩余的現場(chǎng)操作卻涵蓋更多類(lèi)型。這一階段的建設重點(diǎn)，是通過(guò)豐富無(wú)人裝備的類(lèi)型、功能以及優(yōu)化無(wú)人裝備間的作業(yè)配合，以實(shí)現完全意義上的作業(yè)現場(chǎng)無(wú)人化，人工僅在后臺監視和遠程操控。完全（或接近完全）的無(wú)人化，放寬了作業(yè)安全要求，為作業(yè)工藝的提升開(kāi)放了更大空間。

（3）第三階段：無(wú)人裝備自主化。無(wú)人裝備、常規設備乃至生產(chǎn)環(huán)境的數字孿生體已普遍建成并趨于成熟（先知期）。在數字孿生體對現實(shí)世界的仿真預判指導下，無(wú)人裝備具備較高的自主運行能力，多數情況下，人工僅參與方案制定和決策。

4.2  展望

從實(shí)現無(wú)人值守，到規�；瘧�用實(shí)現“少人化”，再到完善無(wú)人裝備體系實(shí)現作業(yè)現場(chǎng)無(wú)人化，還須經(jīng)歷一個(gè)持續的摸索和迭代過(guò)程。

（1）借助智能化工具糅合承載流程/規范、現場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗、生產(chǎn)管理經(jīng)驗，需要各參與方積極協(xié)作，發(fā)揮群體智慧，挖掘需求與問(wèn)題，研究解決思路，推進(jìn)方案設計、驗證和優(yōu)化。

（2）在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信、數據管理、無(wú)人裝備遠程操控、管道數字孿生體成熟度培育等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破；跟蹤相關(guān)技術(shù)的最新成果，識別應用價(jià)值和積極驗證，以及借鑒其他行業(yè)先進(jìn)經(jīng)驗。

（3）在技術(shù)驗證成果積累到一定程度后，有必要制定符合油氣管道行業(yè)應用需要的技術(shù)規范，牽引無(wú)人裝備、技術(shù)供應商的技術(shù)改進(jìn)方向，從而達到保障應用效果、降低規模應用成本的目的。

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)建華，正高級工程師，博士研究生，現任國家管網(wǎng)集團華東分公司副總經(jīng)理，先后在中國石油華東輸油管理局、中國石化集團管道儲運公司、中國石化股份公司管道儲運分公司、中國石化銷(xiāo)售華北分公司、中國石化銷(xiāo)售華東分公司等單位工作。曾獲國家科技進(jìn)步獎二等獎一項、中國石油、中國石化科技進(jìn)步一等獎、二等獎和三等獎多項。聯(lián)系方式：13685199166，qjh4077@163.com。