数字孪生体及其在智慧管网应用的可行性

伴随着工业4.0时代的来临,数字孪生体(Digital Twin)概念蓬勃发展,在航空航天、汽车制造、军事、能源等行业中逐步得到应用,为其在管道行业的应用发展起到良好示范。介绍了数字孪生体的内涵和发展演化过程,分析了数字孪生体在产品设计、飞机故障预测、汽车制造、电厂发电机组智能健康管理、复杂产品装配等行业的应用案例,并从管道设计、调度优化、管道设备运行维护、管道全生命周期管理4个方面分析数字孪生体在油气管道中的应用前景。数字孪生体为真实管道系统与虚拟管道系统的信息交互及融合提供了新的技术手段,可以实现虚拟管道的仿真优化,有利于促进智慧管网建设。     

基于增强现实的管网安全评价数字孪生方法

数字孪生技术被广泛认为是解决信息物理交互融合难题的关键技术,而增强现实技术作为辅助数字孪生虚实交互的有效手段之一,为融合人、管道数字孪生体以及现场环境提供了解决途径。集成数字孪生、增强现实、分布式光纤监测等技术,构建地下管网结构安全评价数字孪生框架,并详细阐述了物理管网、虚拟管网、基于增强现实的数字孪生服务的构建理论,并将该理论及方法应用于某地下管网。结果表明：数字孪生与增强现实融合驱动的地下管网结构安全评价方法实现了虚拟管网与物理管网在现场环境中的一一映射关联,通过数字孪生技术进行管道结构状态的实时定量评价,帮助现场人员更加全面地感知、理解甚至超越现实世界,可为提升现场即时处置能力提供技术支持。（图9,表1,参20）     

在役油气管道数字孪生体的构建及应用

中缅油气管道是中国首条经过数字化恢复构建数字孪生体的在役山地管道。通过基准点测量、管道中线探测、航空摄影测量、三维激光扫描、三维地形构建、倾斜摄影、数字三维建模等技术进行数据收集、校验及对齐,对管道建设期的设计、采办、施工及部分运行期的数据进行恢复,对站场及管道的设备、建筑等构建数字三维模型,形成管道线路数据资产库和站场数据资产库,构建中缅油气管道的数字孪生体。通过多系统融合,深入发掘数据价值,实现管道可视化运行、设备拆解培训、指导维检修作业及应急抢险作业等,为实现管网智慧化运营奠定了数据基础。(图1,表1,参25)     

中外智慧管网发展现状与对策方案

智慧管网具有全面感知、自动预判、自适应、自反馈、自学习等特征优势,近年来得到迅速发展,国内外智慧管网的侧重点有所不同,国外侧重于使用现代模型方法升级传统技术方法,而国内侧重于智慧系统的规划和整体设计。目前中国智慧管网建设仍处于起步阶段,在数字孪生体构建、传感技术、精准检测和评价、决策支持、模型构建、信息共享、大数据深度挖掘等方面缺乏系统性、规划性、科学性,基础模型和智能决策不足。阐述了智慧管网在国家管网多条管道上的开发与应用,逐步实现了设计、施工、运行等多环节覆盖。针对存在的问题,提出了解决方案:管网智能巡护,智慧管网的人工智能,视频实时监控智能识别,管道智能化应急防范,构建基于多源数据的智能化管理平台,灾害一体化智能监测与预警,管道完整性大数据融合、建模、决策支持等。建议进一步采用物联网、云平台、区块链等技术,研究建立管道全生命周期数据标准,构建管道全生命周期数据库,开展智能管网平台设计,包括管道全生命周期资产管控、运行控制、决策支持,最终形成基于多源数据融合的智能一体化管理平台。     

智慧管网总体架构与发展策略思考

为进一步提升管道行业对智能化发展的认识和理解,调研分析了国内外智慧行业发展现状及趋势,收集了国外智能管道相关应用案例,总结了中国智慧管网建设已开展工作成果及中俄东线智能管道工程实践做法。国内外智慧行业(包括智慧管网)建设总体上均处于发展的初级阶段,发展方向主要集中在物联网、数字孪生、机器人、设备智能诊断、工业互联网平台应用等方面,同时提出了数据统一、系统集成以及标准化发展的总体思路。基于此,提出了智慧管网建设系统全面且具有工程可操作性的总体解决方案:基于业务维度、智慧维度、能力维度构建了智慧管网总体架构,并明确了各维度具体内容,以结果为导向建立了智慧管网能力成熟度评价的基本模型。依据"由简到难、由点到面、由局部到整体"的原则,提出了"智能化、智慧化、平台化"三大阶段逐步递进的智慧管网发展路线图。最后,对当前智慧管网建设中存在的问题进行了深入分析,提出了有针对性的发展策略。(图5,表3,参58)     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。     

基于数字孪生的智慧油气站场设计与开发

随着中国油气站场建设规模不断扩大,生产运行及安全管理的要求日益严苛,但目前管道及站场实体可视化应用及综合展示非常匮乏,无法以三维场景查看站场内各区域分布及运行数据,尚未建立与实际情况高度一致的设施设备模型。为此,提出了基于数字孪生的智慧油气站场系统化解决方案：在数字孪生理论的基础上,以ArcGIS系统为基础平台,运用3Ds Max软件建立等比例、高精度的站场模型,搭建真实映射物理站场的数字孪生站场,辅以先进传感、大数据分析及人机交互技术,形成智慧化的输油气站场信息物理系统。以陕西某压气站为例进行了系统设计与开发示范,结果表明：该系统能够实现站场全要素的三维展示、站场状态的实时监测、站场管理的统筹决策,有利于全方位提升站场安全生产的宏观监管、重点监管、精准监管水平。（图3,参22）     

数字孪生系统在农业生产中的应用探讨

数字孪生技术与农业的深度融合将为农业数字化转型升级提供新动能。农业数字孪生系统基于农业生产系统所产生的数据流，通过实时态势感知、超实时虚拟推演和全程交互反馈，有效实现对作物生产系统的智慧管控。系统分析了作物生产系统及其认知方法的发展历程，明确了农业数字孪生系统产生的背景、概念、内涵、基本组成及其技术优势，提出我国农业数字孪生系统的应用方向和发展路径，为推进我国作物生产智能化提供参考。     

智慧管网建设进展及存在问题

随着中国油气管道骨干管网初具规模,运维体系日趋完善以及大数据、人工智能、物联网技术的应用,智慧管网的建设成为可能。以中国石油天然气集团有限公司智慧管网的建设为例,基于智慧管网现有设计方案,梳理了现阶段智慧管网在科技、信息、物联网方面各个系统的建设进展,介绍了中俄东线和中缅油气管道试点工程的最新成果,提出了智慧管网建设仍需解决的问题。通过明确智慧管网建设的原则及目标,实践探索出一条智慧管网建设的有效途径,最终实现“数据全面统一、感知交互可视、系统融合互连、供应精准匹配、运行智能高效、预测预警可控”的管道智能化运行目标。     

关于中国智慧管道发展的认识与思考

智慧管道是覆盖油气长输管道全生命周期的综合管理系统,是SCADA系统、电子管道、数字管道、智能管道在物联网、云计算、人工智能时代的延续和发展。剖析了油气管道行业智慧管道的内涵与外延,梳理了智慧管道技术发展的历史脉络,揭示了数字孪生体技术的实质与应用现状,在此基础上,建议中国智慧管道建设宜坚持需求驱动、问题导向、突出重点、体现特色、开放融合、数据共享、滚动发展、持续改进的原则,以期为中国智慧管道的健康持续发展提供参考。(参24)     

智慧管网的基本概念与总体建设思路

智慧管网建设必须解决基本概念与总体思路的认识和统一问题。基于人工智能技术发展现状,对智慧管网相关基本概念进行解读,并根据工程应用实际,对概念的内涵与外延进行修正。提出了工业智慧的概念,指出智慧工业的实质在于工业智慧的数字化应用,即机器能够识别和应用人类知识,智慧管网是智慧工业所属的一个门类。基于人的智慧特征,提出了智慧管网的定义、能力、特征以及建设目标。重新定义了工业知识的概念,提出了智慧管网由知识驱动的理念,阐明了基于工业知识库的管网运行智能决策技术路线。提出了智慧管网总体建设思路:构建数字孪生管网系统及人工智能大脑系统,基于智慧管网云平台,实现管网智能化运行。明确了人在整个智慧管网架构中的主要作用,即为智慧管网创造和供应知识。研究结果可为智慧管网建设实践提供参考和借鉴。(图4,参26)     

监测生长状态和环境响应的作物数字孪生系统研究综述

在农业生产数字化和智慧化阶段,需实时、全面、准确地了解作物生长状态和农田环境,并根据相关信息做出相应的分析、反馈、决策。针对这一问题,借鉴工业数字孪生系统的概念,将作物实际生长与模拟生长的同步、作物实时状态与作物实时管理策略之间的交互系统概括为作物数字孪生系统。在梳理国内外研究现状的基础上,指出作物数字孪生系统包含数据获取与传输、模型构建、可视化交互等阶段;其关键技术包括传感器技术、图像分割技术、建模技术以及可视化技术等。同时指出该领域的研究可以从作物基础数据、系统模型能力、多方协同交互等方面进行。监测生长状态和环境响应的作物数字孪生系统的相关研究对农业生产的智慧化和数字化有较大的现实意义,从理论和应用层面也有较大的价值。     

非常时期，智慧农业助力园区正常生产

正新冠肺炎疫情发生期间,农业园区的正常生产和运营遭遇极大困难,而科百智慧农业产业园则依靠科百信物融合作物精准栽培管理系统(KBCPS)的全新网上智能管理模式,保证了园区的正常运行和作物的正常生长。KB-CPS充分利用专业农业传感器、实时环境数据、作物生长模型,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟网络空间中完成对农业作业环境的数字映射,并以数字孪生技术重建数字化农业     

中俄东线天然气管道智能化关键技术创新与思考

中俄东线天然气管道是中国第三代长距离、大输量天然气管道标志性工程,是全球单体规模最大的输气管道,在中国乃至世界管道建设史上创下了多项新纪录。以该管道为试点,打造了中国首个智能管道样板工程。系统阐释了智能管道与智慧管网的基本内涵与关键技术,梳理了支撑管道"全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理"的关键技术及阶段性成果,为持续推进中国管道智能化建设、助力打造智慧互联大管网提供了重要指引。同时,从认识与技术等层面,就管道智能化的技术本质、管道数字基建、管道瓶颈技术攻关、管网智慧大脑等问题,给出了进一步思考与建议。(图1,参23)     

智慧管网主要特征与建设构想

针对目前在智慧管网建设方面存在定义不清、认识不统一的问题,基于现有文献提出的智慧管网定义,从智慧系统感知、分析、决策、处置4个环节应该具备的功能出发,给出了智慧管网定义:充分利用信息技术和人工智能技术,在尽可能减少管网运行中人的体力和脑力劳动的前提下,实现对管道状态的全面智能感知和自主分析计算,具备对管网运营各类生产需求和异常事件的自主决策和处置能力,能够对管网的安全和运行状态做出快速、灵活、准确的判断和响应,实现管网全生命周期安全环保水平最高和运营效益最优的目标。借鉴智能制造能力成熟度模型中智能维的5要素及现有智慧管网研究成果,明确了智慧管网应具备的5大特征为业务智能化、数据统一化、信息互通化、状态可视化及知识网络化,并以此为依据,提出了智慧管网的建设构想。(图2,参21)     

面向人机交互的复杂产品数字孪生装配模型

智能装配质量是复杂产品在装配过程中面临的一个重要问题,需要研究面向人机交互的复杂产品数字孪生装配模型以提升产品装配质量.在保证复杂产品装配模型安全和有效控制数据风险的前提下,设计的数字孪生系统依据物理产品装配各种数字化装配数据,构建数字孪生装配模型,并基于数字孪生AR技术生成复杂产品多视图动态,展示产品装配情况.提出基...     

在役管道数字化建设的数据与模型

基于数字管道的研究发展现状,提出了在役管道数字化建设的目标和理论体系,从数据经济性评价、数据分类和采集、数据管理以及模型数据分析几方面阐述了在役管道数字化建设的数据问题。根据管道数字化建设对数据的需求和数据采集的经济性评价,确定采集数据的类型和采集量,通过对数据进行有效管理和分析,实现数据的有效利用,完成数字管道的数据建库工作。结合国内外数字管道模型的研究现状对油气管道运行管理中的完整性管理、管道系统模拟、管道维护调度和管道事故应急救援4个模型进行探讨,旨在完善管道运营管理模型,增加采集数据的经济价值,最终实现油气管道管理的模型化、自动化和智能化。     

从旁接油罐到管网联运再到智能调控——中国输油管道工艺技术50年发展回顾与展望

在"八三"管道工程建设50周年之际,回顾了中国石油管道工艺技术50年发展历程,梳理了输油管道密闭运行及水击控制保护技术、易凝高黏原油输送技术、成品油顺序输送与优化运行技术、大落差管道设计及投产运行技术、输油管道运行仿真技术的科学研究与工程应用成果,总结了下一步发展目标。展望了输油管道智能化发展愿景,提出相关建议:确定国家管网系统建设统一数据平台的模式;形成适用于油气管道的专业工业化软件;研究基于海量数据+AI算法的智能决策系统;建立输油管道系统数字体、意识体的构建原则、目标及应用评价方法;建立国家管道和设备失效数据库及发布平台;研制自主可控的基于数据和机理模型的大型输油管网在线和离线分析预测软件;研究国内外SCADA系统软件协调运行及国产软件大规模应用技术;研究精细管理下大型油气管网节能增效技术。以上建议期望为智慧互联大管网的构建提供参考。(图2,参33)     

超融合时序数据库在果园大数据中存储策略分析

【目的】为智慧果园管理和综合服务提供技术支撑。【方法】传统的数据库无法满足智慧果园多模态数据融合和全场景查询分析等问题,文章通过分析智慧果园数据来源和应用逻辑,以都市龙泉驿现代农业园区为示范应用,从多级数据局部存储策略、冷热数据存储和空间数据存储等方面探索了存储策略,提供了一站式数据库解决方案。【结果】该解决方案满足果园数据高效存储、管理的需求,结果显示YMatrix充分发挥了其高吞吐、低延迟、高并发、准实时数据加载等优点。【结论】该研究为数字农业和果园数字化基础设施建设和农业数字孪生建设提供技术参考,为实现现代化智慧农业提供经验。     

中缅原油管道智能化运行辅助决策系统建设方案

管道智能化运行是智慧管网系统的核心业务,辅助决策系统则是支撑管道智能化运行的中枢.基于原中国石油管道有限责任公司智慧管网的顶层设计和总体框架,以中缅原油管道为对象,针对其地形起伏大、地质条件复杂、周边环境敏感等特点,开展智能化运行建设方案试点.通过分析原中国石油管道有限责任公司与国外油气管道的智能化建设框架及实践成果,...