数字化管道的调查报告
0 背景
北京大学西气东输实践团参观了我国首条数字化管道——“西气东输冀宁联络线”工程。它是连接西气东输管道和陕京二线暑期管道的联络线，是西气东输工程续建的后备保障工程，可以为西气东输管道的互通互调，使得长江三角洲和环渤海两大区域管网实现气源多元化。输气网络化、供气稳定化和管理自动化，管道建成后，能够向河北省、山东省及苏北地区供送天然气。冀宁联络线工程被称为“现代能源大运河”，具体布置图如图1所示。
图1 冀宁联络线示意图
1 数字化管道的基本概念和特点
1.1数字化管道的概念
数字化的浪潮使得人们能够方便地、快捷地和高效地获取、存储、处理和现实各种现实世界的信息。利用遥感卫星对地面进行拍照，利用大容量存储设备对海量数据进行存储管理，利用高性能计算机对信息进行分析和处理，利用网络对数据进行传递和共享。数字化、信息化已经涉及到社会各个领域。“数字化”是一次新的技术革命，它将改变人们的生产和生活方式，进一步促进科学技术的发展，推动社会经济的进步。
数字管道（或者数字化管道，Digital Pipeline）的概念是随“数字地球（DE，Digital Earth）”而来的。数字地球的核心思想是用数字化手段整体性地解决地球问题并最大限度地利用信息资源。数字地球从数字化、数据构模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实，它是一个开放的复杂的巨系统，是一个全球综合信息的数据系统工程。在“数字地球”概念的深刻影响下，数字城市、数字矿山、数字油田、数字水利、数字管道和数字社区等大批概念都相应提出并予以实施。
简单的讲，数字化管道就是信息化的管道，它包括全部管道以及周边地区资料的数字化、网络化、智能化和可视化的过程在内。数字化管道，是通俗易懂的名称，它是面向社会的一种号召，是一个追求理念，是一个综合战略，或者可以看作一个政策目标。从实践团参观考察中也可以看出，数字管道、科技管道、人文管道以及和谐管道是管道建设者追求的最终管道建设目标。
与数字化管道相比，数字管道的名称更加专业。有人指出数字管道可以定义为：“数字管道是管道的虚拟表示，能够汇集管道的自然和人文信息，人们可以对该虚拟体进行探查和互动。”具体的说，数字管道是应用遥感（RS）、数据收集系统（DCS） 或SCADA 系统、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、业务管理信息系统、计算机网络和多媒体技术、现代通信等高科技手段，对管道资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的数字化、数字整和、仿真等信息集成的应用系统，并在可视化的条件下提供决策支持和服务。
1.2 数字管道的功能和特点
既然数字化管道建设如此重要，那么数字化管道具体有什么样的优点呢？
1） 数字化管道充分采用国家空间数据基础设施数据，并通过航空摄影测量和卫星遥感影像获得最新的地形、地质、水文、环境数据，与过去传统数据获取方式相比，内容更丰富，更新速度更快，数据描述更加完整，数据表达也更加直观。遥感技术大大缩短了周期，降低了成本，提高了精度。
2） GIS系统提供了地理信息服务（Geo-information Service）。集成管线周围一定范围的地理、人口、环境、植被、经济各类资源数据，利用GIS的空间分析功能进行叠加分析、缓冲区分析、最短路径分析等操作，可以进行线路总体规划和评估，为决策和管理提供重要的依据。还可以采用GIS技术对管道风险进行管理，指导系统编制维修计划，并采取相应的补救措施，当风险指数达到警戒线时，自动启动相应的应急预案，尽可能地降低管道事故发生率。
3） 数字化管道采用CAD技术和网络技术，将管道施工设计图纸、施工数据、人员资料、管理文档等全部实现数字化管理，通过局域网或互联网传送到数据库中，将各个专业各个单位不同数据融为一个整体，有效的消除了“信息孤岛”，实现了信息的共享和协同工作。
4） 采用大型数据库对数据进行存储。空间数据中心可以管理、存储在数字管道建设和运营中获取的所有数据。在管道建设的每个环节，都建立相应的数据库，并使得每个阶段的数据成果和系统相互衔接。
5） SCADA系统实现了管道的全自动控制。通过主机和微处理器为基础的远程终端装置RTU、PCL或其他输入/输出设备的通信收集数据，实现整个数字管道的监测监控，保证了系统的安全运作和优化控制。
6） 数字化管道实现了整个管道的虚拟现实表达，使得数字化管道能够在真实、可视的三维环境下展示到用户面前，用户通过交互方式对管道的公用信息进行查询和操作，对管道的三维虚拟漫游犹如在真实的三维世界中，充分体现了数字管道的空间特征。
1.3 数字化管道的意义
在实践团参观过程中，我们知道对于石油天然气工程领域来说，建立一套完整的数字化管道是具有十分重要的意义。
从发展上看，管道运输在世界上已经有130多年的历史。在欧洲和北美，数字化技术在长输管道建设勘查选线、中期建设实施和后期运营管理中已经被广泛应用了。相比之下，虽然我国是世界上最早利用管道运输的国家，但是数字技术的应用和发展却是比较缓慢。40多年，我国先后建立起威成线（1966）、两佛线（1977）、北干线（1987）、陕京一线（1997）和西气东输（2003）等一批管道。这些管道的建设都具有里程碑式的意义。但是数字化管道建设是从冀宁联络线工程（2004）才开始实施的。
随着天然气市场的逐步扩大，长输天然气管道的具有广阔的市场前景，传统的勘查设计和施工管理方法已经不能满足管道建设和运营的需要。
例如SCADA系统在启用之前，主要的设备控制（如阀门的开、关；输油泵的启停）都是手动控制，输油工人通过巡视记录主要参数（如温度、压力、流量等）。这种方式已经远远落后与信息化时代的要求。
在没有进行遥感技术选线前，管道传统堪察设计方式是野外作业手段和图纸形式，周期长，成本高，效率低下，数据共享困难。采用遥感、GPS和GIS技术彻底的改变了传统工作方式。
网络技术的应用彻底改变了传统的管理模式，数据、报表、文件的很多工作内容全部通过internet进行传输，大型服务器管理和保存各种数据，实现了基于internet的数据共享和部门协作。
长输管道是跨省市的复杂大系统，所涉及的地理信息、环境参数、运行参数、资源等都是庞大的，在没有应用GIS对这些数据进行管理之前，很难做到科学的决策和管理。GIS将RS、GPS、DCS和PS等多个数据源统一集成，建立基础地理信息数据库，保持了数据的完整性和现势性，在数字管道中发挥了核心功能。
类似的例子还很多。综上所述，数字化管道建设将在确定最佳路线走向、资源优化配置、灾害预测预警和运营风险管理中发挥极大的作用，数字化管道必将成为今后长输天然气管道建设的目标。数字化管道建设势在必行。
2 冀宁数字管道的具体研究内容
2.1 数字管道的研究内容
图2 数字管道的基本内容
如图2所示，数字化管道建设可以分为三个阶段，勘查设计阶段，工程建设阶段和运营管理阶段。这三个阶段是互相衔接，互为数据源的。整个数据管道是围绕空间数据中心（空间数据库）为核心建设起来的。空间数据中心用来管理、存储和共享数字管道建设和运营中获得的所有数据。
1） 在勘查设计阶段，数字管道的主要任务是利用卫星遥感与数字摄影测量技术进行选线，获取了管线两侧各200米范围内的沿线四维数据，并应用GIS与GPS，初步建立起了包括管道沿线地形、环境、人口、经济等内容的管道信息管理系统。数字管道的建设包括：
l 遥感图像处理系统：该系统能够处理处理、分析并显示卫星遥感多光谱数据、高光谱数据和雷达数据。通过对卫星遥感数据的解译，获取管线经过区域内可供线路方案比选使用的自然环境、地理、地质等现势资料，在宏观上为管道选线提供科学依据。
l 数字摄影测量处理系统：数字摄影测量的成果为管道选线工程设计提供了基础资料。与卫星遥感相比，航测数据比例尺大，分辨率高，细部表现明显。在选线中起到了重要作用。
l 数字管道可研系统：集成遥感图像解译数据和数字摄影测量的成果数据，以及人口数据、环境数据、经济等地理信息，通过对各种数据的叠加和分析估算项目的经济效益，对线路进行总体规划。
l 地质测量信息系统：为管线选线提供绘制的管道沿线地质、测量和水文等图纸和属性数据。
l 管线设计CAD系统：选线方案确定后，对管道以及配套设施（如分输战、阀门）等进行施工图纸设计的系统。
l 通信设计系统：SCADA系统的通信设施铺设进行设计。
2） 在工程建设阶段，数字管道可提供多种互联网信息服务，如管道建设者可以通过互联网查看不同比例管道及其沿线周边环境的直观信息，也可查看某一天、某一道工序环节的进度，甚至每道焊口的焊工信息、无损检测影像、焊工档案、焊口的坐标值及埋深等基本信息。
数字管道建设包括：
l GPS数据采集系统：采集全球定位系统采集施工过程中的管道大地坐标数据。
l 测量管理信息系统：对施工过程中的测量数据的采集、计算、图形绘制和报表输出。
l 勘查施工管理系统：对施工过程中的施工数据、永久性数据以及资料的采集、生成、审核、上报与管理。
3） 在项目运营管理阶段，数字管道的建设包括：
l 生产运营管理系统：进行企业人力资源管理、业务分析，对客户关系、市场营销、生产调度等进行管理。
l SCADA系统：实现对管道运行全自动控制和调度作业。
l 设备更新维护系统：对故障设置进行记录，并对数据库中数据进行更新。
l 管道风险管理信息系统：对管道安全进行实时监控、预测和报警，对管道安全风险和腐蚀进行评估。
l 企业ERP系统
从上面的说明可以看出，数字管道建设的内容十分庞大，集成了很多前沿信息技术，存储了海量数据和信息。
冀宁联络线的数字管道技术包括了CAD技术、大型数据库技术、GIS技术、空间数据采集和处理技术、虚拟现实技术、网络技术、项目管理技术和ERP技术等，其中的很多技术都是在石油管道建设中首次采用。可以说冀宁联络线数字管道建设具有很大的挑战性，可参考的资料比较少。可以看出数字管道具有相当广阔的前景。
4 目前数字化管道的应用情况和前景
在“西气东输暑期实践团”考察过程中，我们详细地询问了数字管道的建设情况。
6月22日，考察团初到徐州冀宁项目部，陈向新经理就向我们介绍了数字管道的总体情况。据了解，管道信息管理系统是冀宁管道建设与管理的数字化平台。该系统具有八大功能，包括设备采购及储运管理、施工进度管理、质量监控管理、总体调度管理、施工进度展示及空间数据管理、系统管理维护、信息发布以及数据输出。
冀宁联络线工程目前正出于工程建设阶段，数字管道建设也正处于数据采集的阶段，管道的焊接数据、坐标数据等基础数据需要采集到数据库中。我们参观和了解了管道信息管理系统中的“施工进度管理子系统”。其他系统需要等管道完全建成后，在数字管道的基础数据上才能完整的运行，成为完整意义上的数据管道。
“施工进度管理子系统”采用了基于C/S和B/S混合模式系统构建，实现了施工单位对施工进度相关数据的网上填报，数据上传至冀宁项目部的服务器，比传统方式能够提前8小时展示进度日报。项目部管理者可以从互联网上查看到非常详细的施工信息，如焊口的焊工信息、无损检测影像、焊工档案、焊口的坐标值及埋深等，数据可以自动生成各种报表。
冀宁项目部专门成立了数字化办公室，并在开工前组织了３期数字化培训班，要求各施工单位配备专门数字化岗位工作人员。建设单位按照业主的要求，每天通过网络直接将各种数据传送至数字管道信息服务器，然后自动生成表格。对这些数据，除服务器具有自动检查纠错功能外，还要通过专业队伍深入一线抽查、复查坐标数据等措施，保证各种数据的准确。这将为建立准确、全面的冀宁支线数据库，成功应用于管道安全运行奠定坚实的基础。
实践团在随后的行程中，我们一行分别到大港油建、四川油建、辽河二建、辽河一建、新疆油建、大庆油建等施工单位进行学习和参观。图3显示了实践团的同学在邳洲分输站实地考察，详细询问数字管道建设情况。
各个施工单位都把数字管道作为一项重点任务，采用全站仪、GPS等对管线进行测量，落实专人每天进行施工进度的数据上报工作。施工单位的数据化工作人员十分认真细致。由于录入数据量大，填报数据有两百多条记录，上千个数据。为了核实数据的准确，数字化工作人员经常忙碌到深夜，工作没有做完坚决不休息，保证了数据化管道基础数据的及时上报和准确无误。另外，据我们了解，四川油建还采用PB自行开发了基于B/S的成果测量系统，该系统用了两个月时间开发完成，基本实现了测量成果数据的计算机处理，在实际应用中效果很好。据他们介绍，该系统功能将进一步完善和扩充，并推广和应用到其他相关单位。
截至2004年，我国建设的各类输送介质的长输管道长度已经达到数万公里，尤其是近年来输油、输气管道的大规模建设，使得长输管道的建设和管理提升到较高的水平。传统的勘察设计和施工管理方法已经不能满足管道建设和运营管理的需要，数字管道更据迫切性和必要性。
数字化管道的概念将深远的影响管道勘探设计、管道施工建设和管道运营管理的每一个环节，它彻底地改变了传统工作模式。因此，冀宁联络线数字管道的建设具有里程碑式的意义，它是国内第一条“数字化管道”，它的顺利实施将为今后数字管道建设提供参考和规范，可以编制出一套完整的管道管理新标准。数字管道实现了管理的数字化、信息化、实时化，不仅确保了安全、优质、高效的管道工程，而且确保科学、规范和及时的管道运营，大幅度的提高管道安全生产水平。
我们相信，实现管道数字化、信息化是我国管道建设可持续发展的必由之路！
