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文/吳長春 左麗麗，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，油氣儲運
目前，智慧管道已成為中國油氣管道界的熱詞，相關機構技術人員圍繞智慧管道開展了大量研究與規劃工作。然而，迄今為止，中國油氣管道界對智慧管道的概念尚未形成廣泛共識，對其內涵與外延缺乏全面、系統、深入、確切的認識，還不能完整、清晰地描繪出未來智慧管道的全景圖像。基於此，從管道技術角度出發，結合對現代信息技術的認識，對中國油氣管道行業智慧管道建設的若干問題進行了初步思考，由此形成的認識和觀點或許對中國智慧管道的健康發展有些許參考價值。
1 智慧管道的內涵與外延
近年來，隨著信息技術的發展，以“智慧”冠名的概念在人類社會的各個領域如雨後春筍般湧現。在這個由信息化邁向智能化的時代，具有技術密集特徵的油氣管道行業提出智慧管道的概念是順應時代要求的必然選擇。智慧管道與智慧地球、智慧城市、智慧社區、智慧醫療、智慧課堂、智慧工廠、智慧製造、智慧物流等概念類似。2008年11月，IBM 提出智慧地球的概念；2009 年 8 月，又發佈了《智慧地球贏在中國》計劃書，正式揭開IBM“智慧地球”中國戰略的序幕。目前 IBM“智慧地球”戰略已經得到世界各國的普遍認可，而與“智慧地球”密切相關的物聯網、雲計算、人工智能、區塊鏈等技術已成為許多國家制定本國發展戰略的重點。
“智慧”的本意是對人的思維能力與決策能力的評價，當用於形容人以外的其他對象或系統時，通常是指該對象或系統具有類似於人的感知、分析、綜合、判斷及決策能力。如果對象或系統是類似於油氣管道這種專業性很強的系統，則這裡所說的“人”是指與該系統密切相關的專業人員。雖然冠名“智慧”的系統通常要模仿人的感知、交流、分析、判斷、決策方式，但因這些系統建立在計算機、互聯網、物聯網、雲計算、大數據、人工智能等現代計算技術、信息技術、決策技術的基礎上，故其在許多方面的能力可能超越專業人員，可謂源於人而高於人。
籠統地說，智慧管道可定義為：在全生命週期各個階段（包括規劃、可行性研究、設計、施工、投產試運、運營維護、改擴建、廢棄處置等），綜合應用控制、監測、檢測、預測、仿真、優化、人工智能、大數據分析、計算機、數字化、多媒體、互聯網、物聯網、移動通信等技術，按相關組織或人員的合理意願和預期目標，以全自動或人機交互方式實施各種計劃、作業、監控、管理業務的油氣管道。按此定義，智慧管道首先是指實體管道本身，同時包括賦予實體管道智慧特徵的技術支撐系統。對智慧管道的另一種理解是僅僅指後者，即針對實體管道建立的綜合信息管理及決策支持系統。這兩種理解都屬於智慧管道概念的外延，在此主要按後一種理解討論智慧管道。
無論按以上哪種理解，智慧管道的核心內涵都是指具有高度自動化、智能化、數字化及網絡化特徵的信息管理、決策支持與自動作業系統，其可以滿足管道全生命週期內的各種業務需求。該系統具有自動感知、分析、診斷、評價、預測、展示、控制、調節實體管道整體及其各組成部分狀態的功能，可以對實體管道全生命週期內的各種作業、工程項目管理、管道運營業務進行自動決策或提供決策支持。為實現這些功能，作為信息管理與決策支持系統的智慧管道通常應包括數據採集、數據傳輸、數據存儲、數據處理、管道運行仿真、管道狀態評價、單元狀態評價、支持管道生命週期內各種業務和作業的決策工具或輔助決策工具以及相關的數據庫、知識庫、模型庫等組成部分。這裡所說的針對實體管道的業務和作業是廣義的，包含的具體內容很廣：既有建設階段的，又有運行階段的；既有工程項目管理方面的，又有運行管理、經營管理、維護維修等方面的；既有線路方面的，又有站場方面的；既有工藝方案、設備運行維護方面的，又有節能與 HSE 方面的；既有管道工藝系統方面的，又有各種輔助系統方面的。
智慧管道的具體功能、結構、內容因實體管道而異，取決於實體管道的輸送介質類型（原油、成品油、天然氣）、輸送工藝、拓撲結構、設備配置、建設項目管理與施工組織方式、經營模式等多方面因素。智慧管道不但適用於新建管道，也適用於改擴建管道或管網，即使對於沒有任何改擴建的老管道或管網，也可以構建智慧管道。然而，因未必能獲得老管道的完整歷史數據，故對老管道建立的智慧管道系統往往不如新管道完整。
從智慧管道的內涵與外延可知，其本質特徵是信息管理和決策，因此其必然與互聯網、物聯網、大數據、雲計算、人工智能、專家系統、系統工程等現代信息技術和決策技術密切相關。同時，作為一個專業特色鮮明的系統，智慧管道也必然包括與油氣管道自身的物理特性、工程特性及各種業務需求相關的專用軟件、數據及配套硬件。
2 智慧管道技術發展概況
2.1智慧管道溯源
在油氣管道行業，雖然智慧管道本身是近兩年適應現代信息技術和人工智能技術發展提出的新概念，但其並非憑空產生，而是早前提出且目前仍在應用的一些相近概念的延伸和發展，主要包括 SCADA 系統、數字管道、智能管道。認識到這一歷史延續性，對智慧管道進一步持續健康發展具有兩方面的重要意義：①可以合理繼承和充分應用能滿足當前需求的成熟技術，從而避免不必要的重複研究、重複建設；②通過梳理、分析、評價近幾十年油氣管道技術發展歷程中的相關技術成果及存在的問題，吸取經驗教訓，為確定智慧管道的未來發展方向提供依據。
追根溯源，可以說作為現代油氣管道標配的SCADA 系統是智慧管道的鼻祖，其是油氣管道或管網運行監控的中樞神經系統。無論未來智慧管道發展到何種程度，SCADA或其他功能更強大的管道運行監控系統將始終是智慧管道的核心組成部分。SCADA系統的數據採集、狀態監測、故障報警及各種控制功能自身便具有不同程度的智能性，此外，其還可以與運行仿真、運行優化、狀態預測、洩漏監測、故障監測與診斷等支持管道運行的專用系統配套使用，從而提高管道運行的智能化程度和水平。近年來，中國石油、中國石化的管道企業下大氣力研發成功了擁有自主知識產權的 SCADA 系統，這也體現了 SCADA 系統對油氣管道的重要性。值得一提的是，SCADA 系統實際上是一種經典的工業物聯網系統，因此可以將其視為當前迅猛發展的物聯網技術的先驅。
繼SCADA系統以後，智慧管道的前身是數字管道和電子管道。數字管道（Digital Pipeline）的概念約形成於21世紀初，但基本上只有中國油氣管道界使用數字管道這個術語，國外對應的術語是電子管道（Electronic Pipeline）。國外油氣管道界之所以不採用數字管道的說法，可能是因為 Digital Pipeline 這個詞是計算機行業用於表示數據傳輸通道的專業術語，在管道行業被賦予另一種含義容易產生混淆。
目前中國油氣管道界流行“智能管道、智慧管網”的說法，此處“智能”和“智慧”的含義並無實質區別，僅僅只是表達方式不同，其目的或許是為了避免用詞重複。而“智能”和“智慧”這兩個詞的原始詞義是有差異的：智能是指人造系統具有某些類似於人的智力活動的能力，而智慧是指從事智力活動的能力強、水平高，可見智慧比智能的層次高，智慧是高水平的智能。中國石化 2014 年提出的智能管道概念比較符合“智能”的本意，也可以認為是當前油氣管道界熱議的智慧管道或“智能管道、智慧管網”的前身。為了體現智慧管道與智能管道的差異，以下將“智能管道、智慧管網”中的“智能管道”均表述為智慧管道。
2.2國內概況
21世紀初，中國油氣管道界相繼提出數字管道、智能管道的概念。2003 年，隨著連接西氣東輸管道與陝京輸氣系統的冀寧聯絡線工程建設前期工作啟動，中國在世界上首次提出數字管道的概念。作為世界上第一條數字管道，冀寧聯絡線從設計、施工、投產試運到運行的各個階段都按數字管道建設的要求，收集、管理與管道相關的各類數據，且該過程將貫穿這條管道的全生命週期。數字管道的概念源於數字地球、數字城市等類似概念，其主體是一個面向實體管道的數據庫系統或數據倉庫，本質是對應於實體管道的一個數字化虛擬系統，或是實體管道的數字化映像。中國建設數字管道的初衷與管道完整性管理（PIM）的目的是一致的，即提高管道運行安全性，數字管道可以為完整性管理提供數據支持。
事實上，中國石油的數字管道建設和管道完整性管理幾乎同時起步，而且二者相輔相成。基於數字管道中的海量數據，可以追溯實體管道生命週期中的歷史數據，從而為分析管道事故與故障原因、評價與預測實體管道安全狀況、制定事故與故障防範措施及事故應急方案提供數據支持。油氣管道延伸的地理範圍廣，為了準確地按空間位置確定實體管道的狀態，數字管道通常建立在地理信息系統（GIS）平臺上，並藉助 GPS 或其他全球定位系統提供某些事件、狀態或作業（如事故、故障、缺陷、檢查、測試等）對應的空間位置。目前，中國石油已經建立了較完善的數字管道建設平臺和管道完整性管理體系。
為了提高油氣管道的經營管理水平，在提出數字管道概念的同時，中國石油於 2003 年著手開發管道生產管理系統（PPS）。該系統的業務功能主要包括管道調度、運銷管理、計量管理、能耗管理等幾大類，基本涵蓋了管道運行階段的主要管理業務，為中國石油實現其所轄油氣管網集中調控提供了有力支撐。PPS 1.0版、PPS 2.0 版分別於 2005 年、2013 年上線運行，應用效果顯著，大大提高了中國石油所轄油氣管網運營管理效率和質量。與 PPS 1.0 版本相比，PPS 2.0 版本的覆蓋範圍擴大至中國石油的海外管道、LNG 接收站及城市燃氣系統，系統體系結構以及功能、性能也得到明顯改進，特別是增加了移動端應用，大大提高了系統應用的便利程度。除 PPS 外，中國石油下屬各管道公司開發的 ERP 系統也可為各自公司的智慧管道建設提供支持。
在中國石油冀寧聯絡線數字管道建設及 PPS 1.0版開發的同期，中國石化針對其下屬管道儲運分公司的業務需求，於 2004—2005 年開發了原油管理信息系統。該系統的功能與中國石油 PPS 系統的功能類似，但應用範圍僅限於原油管道及相關設施。自 2005 年上線運行後，該系統大大提高了中國石化原油管道及相關設施（油港、油庫等）調度管理工作的水平。在原油管理信息系統成功應用的基礎上，中國石化於2014年啟動智能管道（全稱為中國石化智能化管線管理系統）建設及相關技術開發工作，年底在管道儲運公司、天然氣分公司、燕山石化等7家單位完成了試點應用。2015年1月，中國石化在全公司範圍內全面推廣智能管道，同年5月正式投用；2017年11月又正式發佈了智能管道 2.0 版。該管理系統具有標準統一、關係清晰、數據一致、互聯互通的特點，實現了油氣流、信息流一體化融合及油氣管道運營管理的標準化、數字化、可視化。除日常業務管理功能外，該系統還具有洩漏自動報警、地質災害預警、專家系統管道維護、可視應急救援等安全保障方面的功能，自投用以來，為中國石化油氣管道安全、平穩、可靠、綠色運行提供了有力支持。
2017 年，中國石油在中國率先提出“智能管道、智慧管網”的概念，並決定將中俄東線天然氣管道工程作為智慧管道建設示範工程，預定目標是全數字化移交、全智能化運營、全生命週期管理。在工程建設階段，針對該管道的智慧管道建設內容與數字管道類似，目標是實現全數字化移交，但實現方式比以往的數字管道有顯著改進，主要改進之處是基於雲計算及時採集、更新、集成設計數據與施工數據，並自動生成竣工圖依託互聯網、物聯網、數字化、雲計算、移動通信等現代信息技術，中俄東線天然氣管道工程實現了智能工地和遠程可視化工地，相關人員可在管道工程建設管理系統隨時瞭解施工過程歷史資料和實況。管道線路焊接全部採用攜帶數據採集系統的自動焊機，焊接過程的關鍵信息、自動超聲波檢測（AUT）數據以及管道焊接、焊縫檢測、防腐、返修、連頭、下溝等主要施工環節的監控視頻均可實時上傳至管道工程建設管理系統。此外，工地的人、機、料都配置了二維碼，通過掃碼可即時查詢工地的人員、材料、設備等對象信息。目前，中俄東線智慧管道建設仍在繼續推進，其有望成為當前世界上最接近智慧管道內涵、智慧功能最多的智慧管道。
2.3國外概況
當前，智慧管道的概念在國外油氣管道界的熱度總體上低於中國，國外多數油氣管道公司也尚未系統性地開展智慧管道方面的工作。但從智慧管道的內涵和外延看，美國、加拿大及歐洲某些油氣管道公司在智慧管道相關技術方面實際上已經達到較高水平，主要體現在 SCADA 及其配套系統應用等方面。國外一些大學曾開展智慧管道相關研究，如加拿大 Regina 大學的一個研究小組開展了人工智能、專家系統在油氣管道運營管理中的應用研究，伊朗幾所大學的研究人員應用智能技術開展了管道系統性能評價與優化研究。國外一些油氣管道行業的技術諮詢公司是智慧管道的積極倡導者和推動者，主要包括 GE、埃森哲（Accenture）、西門子（Siemens）等。儘管這些公司熱衷於智慧管道主要是出於商業利益驅動，但其通過與管道公司合作進行智慧管道建設，客觀上起到了推動智慧管道技術發展與應用、提高管道公司運營管理水平與經濟效益的目的。
美國 GE 公司與埃森哲公司於 2013 年形成、2014年對外聯合發佈了智能管道解決方案（Intelligent Pipeline Solution），這是兩家公司建立全球戰略聯盟以來推出的首個行業解決方案。該解決方案是一個支撐智慧管道的軟件平臺，其核心是一個基於Predix平臺的工業互聯網解決方案——GE公司的管道管理軟件，此外還融入了埃森哲公司紮實的行業知識、數字化能力和經驗。該平臺的主要目的是使管道公司實現資源最佳配置，從而降低安全、經濟等方面的風險。美國約 60％的油氣管道都是 1970 年代以前建設的，管道公司最關注的問題是如何實時、遠距離監控管道的安全狀況，目前，該平臺的功能主要涉及油氣管網的政府監管、安全隱患、維護、完整性管理等方面。
2016 年 1 月，美國哥倫比亞管道集團（Columbia Pipeline Group）成為首家應用該智能管道解決方案的公司，在其全公司範圍內實現了基於地理空間信息實時綜合展示超過2.4×104 km 州際輸氣管道的狀況，進而監測潛在危險，改進安全風險管理並掌握整體安全態勢。GE 與埃森哲宣稱其智慧管道解決方案在提高哥倫比亞管道集團輸氣管網安全性和經濟性方面的作用是史無前例的。為了使智能管道解決方案發揮更大作用，哥倫比亞管道集團期待未來推出的新版本功能更全面、更實用。
加拿大智能管道技術公司（Intelligent Pipeline Technologies，簡稱 IPLTEC 或 IPL Technologies）聲稱專注於為油氣管道公司提供智能管道技術和解決方案，其經營理念是以更完善的數據做出更合理的決策。該公司的核心業務是為在役管道開挖腐蝕檢測提供一種高分辨率診斷裝置——三維激光掃描儀LaserScan3D及配套數據處理軟件 VirtualPIPE。開挖檢測是對管道完整性管理常用的內檢測方式的補充，可以驗證內檢測結果，並在此基礎上對內檢測的技術細節進行改進。與傳統手工方法相比，三維激光掃描可大大提高檢測的效率、檢測結果的準確性與完整性。
國外另一套與智慧管道相關的解決方案是西門子公司開發的 Pipelines 4.0，其是一套適用於管道資產建設、運行管理及全生命週期優化的綜合配套工具，對應電機、燃氣輪機、泵與壓縮機等管道設備的所有組件都是按北美管道公司的需要配置的，從而可以提供更多的決策支持，使管道運行更簡便、更經濟、更可靠、可視性更強。Pipelines 4.0 中與智慧管道直接相關的組件是 SmartPumping 軟件，其可以降低管道能耗費用，且具有消減瞬變壓力、改進流量穩定性、提高開泵方案系統效率及優化泵機組維修保養策略等功能。管道公司通過應用 Smart Pumping 軟件提供的高級數據分析、人工智能及機器學習等工具，可以統籌考慮各泵站的運行方案，從而改進和優化所轄管道的負荷管理、運行能耗及批次計劃。Smart Pumping 軟件安裝於西門子的物聯網雲操作系統 MindSphere 中，可為用戶提供軟件即服務（Software-as-a service，簡稱 SaaS）、即用即付款（Pay-as-you-go）模式的訂購服務。Smart Pumping 軟件可以用智慧的方式為成品油管道批次計劃優化提供實時決策支持，例如：根據管道沿線泵站的電價差異合理分配各泵站的用電負荷；根據高峰電價與低谷電價的差別合理安排批次計劃；基於預測條件動態調整管道壓力以消除或減小水擊影響，從而減少管道設備的機械損傷；減少泵站的碳排放等。由於採用了人工智能驅動的機器學習技術，Smart Pumping軟件中的批次計劃優化算法在具體應用過程中會實時地自動改進，而改進的依據則是從各泵站採集的實際運行數據 。
2.4數字孿生技術及其應用概述
在中國油氣管道界，數字孿生體幾乎是與“智能管道、智慧管網”同時出現的概念，近年來也隨之成為行業熱詞。國外某些智慧管道解決方案也引入了該概念，因此有必要簡要介紹數字孿生體的概念及其在油氣管道行業的應用情況。
21世紀初，當時在密歇根大學工學院工作、目前任佛羅里達理工學院執行董事的Michael Grieves 提出了數字孿生體（Digital Twin，也叫數字孿生）的概念，而他卻將其歸功於曾在 NASA 與他合作過的同事、技術專家 John Vickers。百度百科目前對數字孿生的解釋是：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命週期過程，其是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。雖然這種解釋被廣泛引用，但對剛接觸數字孿生這個術語的人來說是難以理解的，甚至可以說是不確切、不完整的。
其實，按顧名思義的方式直白地解讀，數字孿生體即是用數字化方式表達的真實系統的複製體或孿生兄弟，其是一個虛擬系統，與真實系統是一對雙胞胎。用數學語言解讀，數字孿生體是真實系統（原型）的一種數字化形式的影射（imagine map）、鏡像（mirror）或模型。數字孿生體的功能通常包括但不限於：描述和展示真實系統的結構，對真實系統的狀態和過程進行記錄、展示、分析、評價、診斷、預測、仿真、優化等。從功能角度看，數字孿生體相當於可模仿真實系統狀態和行為的實體模型或形象模型。而從表達形式看，數字孿生體是由數學模型和數字仿真模型這樣的抽象模型構成的。
作為數字孿生體的重要組成部分，用於描述或記錄真實系統結構和狀態的數據是一種特殊形式的數學模型，而數字仿真模型本質上也是一種數學模型。數字孿生體對應真實系統的全生命週期，其記錄的真實系統的歷史數據是隨時間延續不斷積累的。基於數字孿生體，可以根據需要，隨時從時間和空間維度全面瞭解真實系統的信息並獲得決策支持，可以在覆蓋全生命週期的過去、現在及未來的時間隧道上自由穿越。而要在真實系統上實現這些則可能需要付出較大的代價，承受較大的風險，甚至是完全不可能的。
迄今，數字孿生體的主要應用領域是航空航天和智能製造業，其可以在產品設計、製造、使用及維護過程中取代傳統的實體模型（大多為形象模型），從而降低採用實體模型的成本。石油行業近幾年才開始引入數字孿生體的概念，而且其主要應用領域是海洋石油開採裝備。國際上涉足數字孿生體在石油行業應用的公司主要有西門子、BHGE（GE旗下的貝克休斯公司）、McDermott、DNV、BP 等。對石油行業而言，儘管數字孿生體是一個較新的名詞，但其涵蓋的內容和採用的方法卻並無獨到之處，只是現有多項技術的集成或綜合應用，其本身並沒有一套特有的內容、理論與方法。正因為如此，在將該技術引入國外石油行業時曾遭到不少石油業界人士的質疑，其認為不要採用數字孿生體這個說法，以免造成混淆，而應該關注其功能和內容。
西門子公司將數字孿生體分為工廠孿生體和過程孿生體。工廠孿生體的基本功能是以三維形象模型的形式展示實際系統結構形態，而過程孿生體的基本功能是對實際系統的特性進行仿真。該公司在其智慧管道解決方案 Pipelines 4.0 中引入了數字孿生技術。通過將管道實時運行數據代入管道運行過程的數學模型則可創建一個過程孿生體，應用該孿生體可以監測管道運行狀態，還可用於建立預測性仿真模型，以便改進運行狀態，並提供決策支持。
中國21世紀初倡導的數字管道與數字孿生體概念很接近，當時中國石油規劃的數字管道內容幾乎與當前“智能管道，智慧管網”建設中的數字孿生體相同。儘管字管道建設初期的重點是建立基於 GIS 的管道完整性管理信息平臺，但其規劃框架中也包含了計劃、調度、仿真、優化等與管道運行管理核心業務相關的內容。可以設想，若該規劃得以實施並持續改進，即使不引入數字孿生體的概念，也不會影響中國智慧管道的發展。
3 中國智慧管道建設的基本原則
中俄東線天然氣管道僅僅是中國系統地開展智慧管道建設的開端，隨著這條管道的建設和投產運行，智慧管道建設將不斷完善和擴展。繼該管道以後，預計中國未來新建或改擴建的許多油氣管道也將採用智慧管道模式。為了使中國的智慧管道建設可持續健康發展，一方面要認真總結和吸取中俄東線天然氣管道的經驗和教訓，另一方面要結合油氣管道自身特點、中國油氣管道行業具體情況以及世界油氣管道發展趨勢，系統地思考中國智慧管道建設的目的和基本原則。
智慧管道是在現代信息技術和人工智能技術迅速發展的大環境下應運而生的，但油氣管道行業建設智慧管道的初衷並不是迎合這兩方面的技術發展，而是要使油氣管道在其全生命週期內更安全、更可靠、更高效、更靈活、更經濟、更節能、更環保。無論智慧管道建設採用多麼先進高深的技術，這些技術也只是手段，而不是智慧管道的目的。開展智慧管道建設和相關研究應始終明確並堅持這些目的，而不可將目的與手段混為一談甚至本末倒置，以免導致智慧管道的發展迷失方向。中國的智慧管道建設，建議遵循以下基本原則：
（1）需求驅動，問題導向。生產需求是新技術研發和應用的源動力。在建設智慧管道之初，應圍繞其目的對各種需求的必要性、合理性及滿足這些需求的可行性和經濟性進行全面、深入、系統的分析論證，以便具體確定對智慧管道的功能需求和性能要求。油氣管道是生命週期較長、點多線長、投資和運行成本體量大、涉及專業面廣、社會聯繫較多、HSE 要求較高的大型工程系統，儘管建設智慧管道的目的明確，但要完整、準確、合理地確定對智慧管道的具體需求尚需進行大量深入細緻的調研與分析。智慧管道的某些需求可能具有一定的隱蔽性，管道建設或運行管理人員不一定能直接發現這些需求。
例如，為了使線路截斷閥能按管道運行規程自動關閉，需要記錄截斷閥處管內流體壓力變化的數據，並分析降壓速率與閥門動作情況的相互關係，在此基礎上改進線路截斷閥的控制邏輯和降壓速率閾值；為了給輸氣管道運行方案優化提供可靠的基礎數據，需要記錄壓縮機組的運行數據，並對其進行深度分析以校正壓縮機及其原動機的特性曲線。這兩個需求分別與智慧管道的兩個目的——安全、高效運行密切相關，但只有對油氣管道運行技術深度瞭解才能提出並準確描述。
為深度發掘對智慧管道的功能需求，一方面應堅持問題導向理念，另一方面可以從現代信息技術和決策技術自身的功能出發進行反向發掘。所謂問題導向是針對管道全生命週期內面臨的問題確定智慧管道的功能，這些問題可能需要解決但尚未解決或尚未徹底解決的，也可能需要改進原有的解決方案。所謂反向發掘是技術提供方基於有可能應用於智慧管道的技術，主動啟發和引導技術應用方去發掘可能採用這些技術解決的潛在問題或滿足的潛在需求，甚至創造全新的需求。
為使問題導向和反向發掘在需求分析中真正發揮作用，技術提供方與應用方的密切配合和深度交流十分重要。交流可以使技術提供方瞭解應用方期望使用的功能或解決的問題，並初步評價滿足這些功能需求的可行性；同時，也可以使應用方瞭解有可能應用於智慧管道的新技術、新方法，並啟發和引導應用方反向發掘一些隱性的、潛在的需求。為了使交流達到更好的效果，可採用頭腦風暴方式使交流者充分地自由暢想。這不僅有利於發掘出應用方的隱性需求，還有可能創造出全新的需求。某些全新需求可能會導致管道生命週期內某些業務流程的改變，而這種改變有利於達到智慧管道的目的。儘管反向挖掘有利於發現潛在需求，但作為技術應用方的油氣管道企業一定要清醒地認識發掘出來的潛在需求是否一定是必要的需求。
與智慧管道相關的技術提供方往往是信息技術諮詢商，油氣管道企業在接受其諮詢和服務時，應該清醒地認識能為其創造價值的真實需求，而不能被諮詢商牽著鼻子走。對油氣管道而言，數字孿生體的外延是針對實際管道系統的所有模型的集合，包括各種數據模型、仿真模型、預測模型、評價模型、優化模型等，其中有些模型已經獲得成功應用，有些模型尚待進一步研發。在智慧管道建設過程中，應根據需求驅動、實事求是的原則對待數字孿生體。首先，不要貪求數字孿生體大而全，應根據管道企業的生產經營需求合理確定數字孿生體的功能和內容，而不是將雖符合數字孿生體定義、但不符合需求的內容納入數字孿生體，這意味著數字孿生體並不需要複製實際管道系統的全部信息，只需複製與生產經營相關的信息；其次，不應過多關注和渲染數字孿生體的概念，應該紮紮實實地開展內容建設及相關研究；最後，應合理利用現有的成熟模型，並根據智慧管道建設的要求對其進行改進。
（2）突出重點，體現特色。從信息技術和決策技術角度看，智慧管道與其他領域的智慧系統具有某些共性，但必然也有其特色或個性。油氣管道的基本功能是輸送原油、成品油、天然氣等流體介質，涉及的基本物理過程是流體在管道中流動，因此，智慧管道的最大特色是對油氣介質在管道和管網中的流動過程進行監控、計劃及優化。
在實體管道全生命週期內，智慧管道的重點功能因階段而異：建設階段的重點功能應圍繞項目管理和建設過程信息採集、傳輸、處理、存儲、展示而設置，投產試運階段的重點功能應圍繞投產方案編制及投產過程組織、監控、數據管理而設置，運營階段的重點功能應圍繞油氣介質流動過程監控、計劃及優化而設置。油氣管道的基本功能是輸送油氣介質，而該功能主要是基於管道工藝系統實現的，因此，智慧管道的特色首先體現在工藝系統的智慧運行、智慧管理及智慧調控，其在很大程度上反映了智慧管道的總體水平，應作為智慧管道建設的重點內容。除流體流動外，油氣管道的另一個重要特點是輸送介質易燃易爆，且由於油氣管道點多線長，一方面其火災爆炸事故的社會影響面較大，另一方面第三方破壞引發火災爆炸事故的概率較高。因此，以防止管道洩漏、斷裂、火災爆炸為核心的安全管理始終是管道投產試運和運營階段的重中之重，與之相關的功能也應該是智慧管道建設的重點。
（3）開放融合，數據共享。智慧管道的融合有多重含義，其主要包括：實體管道全生命週期不同階段的融合，傳統工作流程與新流程的融合，實體管道各組成部分之間的融合，實體管道系統與環境的融合，信息技術、決策技術與管道技術的融合，理論方法與實踐經驗的融合，基於機理的方法與基於數據分析（包括大數據技術）的方法的融合，管道技術相關專業之間的融合，智慧管道系統與其應用人員的融合等。管道全生命週期不同階段的融合是指：每個階段均可方便地調用以前各階段保存的數據，如在管道運營維護階段，可以根據需要隨時調用設計、施工、投產試運階段的數據。
傳統工作流程與新流程的融合是指：針對工作流程發生變化的業務，智慧管道中對應於新流程的功能應該與對應於傳統流程的功能兼容，以便查找和利用傳統業務流程的歷史數據，且可以使智慧管道應用人員有一個逐漸適應新流程的過渡階段。實體管道各組成部分之間的融合是指：智慧管道應考慮各部分之間的相互聯繫，包括數據聯繫和功能聯繫。
實體管道系統與環境的融合是指：應建立管道本身數據與環境數據的聯繫，並能處理系統與環境的相互關係。這裡所說的環境是系統工程意義上的環境，實體管道系統的環境是指與該系統相關但又不屬於該系統的所有對象的集合，包括管道周圍的自然環境、社會環境、氣象預報以及與管道全生命週期內各種活動有關聯的技術環境、商務環境等。
信息技術、決策技術及管道技術的融合是指：信息技術為決策技術以及與管道設計、施工、投產試運、運營維護相關的管道技術提供所需的歷史或現狀數據；決策技術為與管道技術相關的決策提供方法、手段或工具；由管道技術、決策技術產生的某些數據可通過信息技術存儲和傳輸。
理論方法與實踐經驗的融合是指：智慧管道某些功能的實現既採用理論方法，又引入適當的實踐經驗或經驗規則。基於機理的方法通常是指從問題涉及的物理機理或事物的內在邏輯出發解決問題的方法，由於管道全生命週期內可能會遇到利用基於機理的方法難以解決或難以圓滿解決的問題，而通過智慧管道可以獲得與這些問題相關的大量歷史或現狀數據，因此，可以考慮採用或結合基於數據分析的方法解決這些問題。
基於機理的方法與基於數據分析的方法融合是指：可以利用基於機理的方法、基於數據分析的方法或二者相結合的方法實現智慧管道的功能。管道技術相關專業的融合是指：智慧管道中對應實體管道各相關專業的功能應根據需要建立聯繫，而且某些功能自身可能同時涉及多個專業。雖然智慧管道具有較強的自動處理能力，但無論其功能和性能如何完善，通常都離不開與其應用人員發生聯繫。
智慧管道與其應用人員的融合意味著應用人員並非被動地使用智慧管道的功能，而是在某些方面要發揮主觀能動性：一方面，應用人員可以藉助智慧管道提高工作效率和工作質量，甚至解決單純靠人的能力無法解決的問題；另一方面，應用人員在某些方面的能力可能強於智慧管道，在應用智慧管道解決某些問題時可以採用人機協同方式，從而實現智慧管道與其應用人員優勢互補。
人機協同的具體形式多樣，可以是應用人員只利用智慧管道提供的信息獨立做出判斷或決策，也可以是通過人機交互過程完成某項工作，到底採用何種形式取決於具體情況。此外，智慧管道的某些功能可以具有學習能力，在智慧管道使用過程中，其既可以自動吸收和積累應用人員的經驗，也允許應用人員以適當方式向其直接輸入經驗知識或規則。開放是與融合密切相關的概念，既可以是系統對環境的開放，也可以是系統中各部分之間的相互開放。
智慧管道的開放主要有兩重含義：第一層含義是指在建設智慧管道時應合理應用或借鑑其他類似系統採用的成熟技術或先進技術，以達到建設速度、質量、成本、效益的最佳平衡；第二層含義是指智慧管道的軟件應具有較強的兼容性、可擴展性、可移植性以及數據可交換性。
兼容性主要是指智慧管道軟件各版本間的兼容性、智慧管道軟件對硬件的適應性以及智慧管道與其他相關係統（如數字管道、SCADA 系統）的互聯互通；可擴展性是指在不改變智慧管道基本軟件架構的前提下，可隨時嵌入新功能或改進原有功能；可移植性是指同一套智慧管道軟件對不同實體管道的適應性或通用性；數據可交換性是指智慧管道與其他相關係統間可按需實現數據交換，其目的一方面是為智慧管道或相關係統實現其各自功能提供數據，另一方面是實現智慧管道與相關係統的數據共享。對智慧管道而言，數據交換和數據共享不限於其與相關係統之間，還包括其自身各部分間的數據共享。
（4）滾動發展，持續改進。從覆蓋油氣管道全生命週期的角度看，智慧管道在時間、空間、技術、經營等維度均涉及較廣泛的範圍，且同一條管道在其運行階段可能會發生空間、技術、經營等方面條件的變化，因此，智慧管道建設很難一勞永逸，而需要基於滾動發展、持續改進的理念不斷增加或完善功能、提升性能。所謂滾動發展一方面是指按實體管道全生命週期的階段順序，依次開發各階段所需的智慧管道功能；另一方面是指按輕重緩急、難易程度、工作量大小等因素安排開發各項功能的順序。
對一個具體的智慧管道項目，在確定開發其各項功能的時間順序時，通常需要從上述兩方面綜合考慮。實體管道空間維度的範圍是指構成管道或管網系統的各個組成部分，包括管段、站場、閥室及各種設備等，運行階段管道或管網空間維度的條件變化通常是由管道改、擴建或技術改造引起的。技術維度的範圍是指全生命週期內實體管道涉及的所有技術，運行階段的技術條件變化可能是由技術進步或管道公司運營體制變化引起的，也可能是輸送介質顯著變化、輸量大幅度變化或流向變化導致輸送工藝變化引起的。
除了實體管道在設計、施工、投產試運、運行維護階段可能發生的技術變化外，智慧管道自身涉及的信息技術和決策技術的發展也是推動智慧管道建設滾動發展和持續改進的促進因素。信息技術和決策技術的進步一方面可能引發對智慧管道功能創新的需求，另一方面為改進原有功能提供了技術手段。經營維度的範圍包括實體管道全生命週期內各階段的人員、財產、物流、商務、信息等方面的管理工作。
鑑於目前中國已成立公共運輸商性質的國家油氣管網公司，原隸屬於石油石化企業的油氣管道將對社會公平開放，智慧管道建設必將適應重大體制變化的要求。這種體制變化不但要求從經營維度對智慧管道的功能進行調整，而且有可能要求在技術維度做必要的調整。例如，油氣管道向社會公平開放後，其油氣物流管理模式將發生重大變化，相應地需要對智慧管道系統中與油氣管道（網）流向、流量配置優化相關的功能進行調整與擴充。對天然氣長輸管道（網）而言，向社會公平開放後將對供氣保障模式和機制產生重大影響，相應地需要對智慧管道中與供氣可靠性相關的功能進行調整。值得一提的是，滾動發展還可以有更廣泛的含義，即從智慧管道技術發展歷程的高度佈局其未來的發展，保持智慧管道的歷史、現在及未來血脈相連，從而有利於避免相關研究開發工作的低水平重複，促進智慧管道在中國的可持續發展。
4 結論
（1）智慧管道是高度自動化、智能化、數字化、網絡化的信息管理和決策支持系統，具有自動感知、分析、診斷、評價、預測、展示、控制、調節實體管道或管網及其各組成部分狀態的功能，並可對實體管道系統全生命週期內的各種作業、工程項目管理及管道運營業務進行自動決策或提供決策支持。
（2）智慧管道是 SCADA 系統、電子管道、數字管道、智能管道在物聯網、雲計算及人工智能時代的延續和發展。SCADA 系統是智慧管道的起源，電子管道、數字管道及智能管道是智慧管道、智慧管網的前奏。延續智慧管道技術發展的歷史脈絡、合理繼承既有成果有利於避免相關研究開發工作的低水平重複，促進智慧管道在中國的可持續發展。
（3）智慧運行、智慧管理及智慧調控是智慧管道的主要標誌，其在很大程度上反映了智慧管道的總體水平，應作為智慧管道建設的重點內容。
（4）數字孿生體是真實系統的一系列模型的集合，其內容並無新意，也無獨特的理論與方法體系。在中國的“智能管道、智慧管網”的發展過程中，應著眼於油氣管道企業的生產經營需求，紮紮實實地進行油氣管道數字孿生體的內容建設。
（5）中國油氣管道行業的智慧管道建設宜堅持需求驅動、問題導向、突出重點、體現特色、開放融合、數據共享、滾動發展、持續改進的原則。
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