截至2020年底，中國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道總里程約14.4×104km，其中天然氣管道里程約8.44×104km。隨著天然氣管網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，天然氣管網(wǎng)積累了大量運(yùn)行與管理數(shù)據(jù)，包含歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，利用大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)深入挖掘大量運(yùn)行管理數(shù)據(jù)中有價(jià)值的信息，對(duì)于保障天然氣管網(wǎng)安全高效運(yùn)行，建設(shè)智能管道系統(tǒng)具有重要意義。
數(shù)據(jù)量大
一方面，天然氣管網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)、設(shè)備每時(shí)每刻均在積累大量生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)；另一方面，與天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行有關(guān)的外部數(shù)據(jù)也是管網(wǎng)運(yùn)行管理的重要依據(jù)。
數(shù)據(jù)采集速度跨度大
對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求存在較大差異。天然氣管網(wǎng)的傳感器多樣、業(yè)務(wù)場(chǎng)景多元，數(shù)據(jù)采集與處理覆蓋管網(wǎng)的全生命周期。
數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣
天然氣管網(wǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)自多個(gè)環(huán)節(jié)與不同部門(mén)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，管網(wǎng)數(shù)據(jù)類(lèi)型包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)價(jià)值密度差異大
天然氣管網(wǎng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜多樣，不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的信息含量與價(jià)值密度存在較大差異。
數(shù)據(jù)時(shí)序性、關(guān)聯(lián)性、復(fù)雜性較強(qiáng)。
天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的時(shí)序性；天然氣管道的數(shù)據(jù)間呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性；天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行與管理涵蓋多種平臺(tái)，業(yè)務(wù)場(chǎng)景與分析思路復(fù)雜交錯(cuò)。
分析方法
01傳統(tǒng)理論方法
傳統(tǒng)理論方法已經(jīng)形成了系統(tǒng)的方法論，物理概念清晰，對(duì)于管道特定的參數(shù)預(yù)測(cè)有系統(tǒng)的理論體系和公式。但在工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中，傳統(tǒng)理論方法存在局限性，包括：
? 在模型構(gòu)建過(guò)程中需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行理想假設(shè)和簡(jiǎn)化，影響誤差；
? 自適應(yīng)性差，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，影響參數(shù)的變化導(dǎo)致模型適用性差；
? 分析較片面，難以反映宏觀的時(shí)空關(guān)聯(lián)特性。
02 大數(shù)據(jù)挖掘方法
大數(shù)據(jù)挖掘方法不依賴(lài)于理論機(jī)理，可將歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得到多維度、宏觀的時(shí)空關(guān)聯(lián)特性，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)參優(yōu)化，提升了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。大數(shù)據(jù)挖掘方法與傳統(tǒng)理論方法并不矛盾，在研究過(guò)程中，可利用理論方法的參數(shù)，確定模型的影響因素，提升研究效率，同時(shí)可進(jìn)一步完善科學(xué)研究體系，從而推動(dòng)研究方法的發(fā)展。
傳統(tǒng)理論方法與大數(shù)據(jù)挖掘方法流程對(duì)比
中國(guó)天然氣管道的數(shù)字化發(fā)展與實(shí)踐歷經(jīng)近20年，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理等方面積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上形成了管道大數(shù)據(jù)挖掘的基本邏輯及思路。
天然氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘基本框架
天然氣管網(wǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)應(yīng)用
近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)啟發(fā)式算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)方法等技術(shù)的研究不斷深入。這些方法為天然氣管網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析提供了強(qiáng)有力的工具。對(duì)于天然氣管網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)、安全預(yù)警、調(diào)度評(píng)估與優(yōu)化、性能監(jiān)視與回歸等問(wèn)題，可通過(guò)以上數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)開(kāi)展深入研究與應(yīng)用，以保障管網(wǎng)安全高效運(yùn)行。
01 天然氣管網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)
為了充分利用大量管網(wǎng)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過(guò)深度學(xué)習(xí)方法，從特征提取和時(shí)序預(yù)測(cè)等方面對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行利用。在深度學(xué)習(xí)算法中，長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間序列預(yù)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，適用于管網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原始數(shù)據(jù)和特征參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，將下一時(shí)刻的實(shí)際負(fù)荷作為網(wǎng)絡(luò)輸出，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并將網(wǎng)絡(luò)用于未來(lái)一段時(shí)間的負(fù)荷預(yù)測(cè)，即為基于長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)管網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)的典型流程。
基于長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)流程圖
02 天然氣管道的安全預(yù)警
管道安全預(yù)警技術(shù)包括傳感器法和數(shù)據(jù)法：傳感器法通常利用各種光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，將與管道同溝埋設(shè)的光纖作為傳感器，通過(guò)檢測(cè)管道周邊的振動(dòng)或溫度變化監(jiān)控管道是否發(fā)生泄漏，其缺點(diǎn)是需要全線安裝傳感器，成本過(guò)高；數(shù)據(jù)法是以歷史預(yù)警運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立評(píng)估模型，進(jìn)而對(duì)管網(wǎng)當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)可能出現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行提出預(yù)警。
數(shù)據(jù)法管道安全預(yù)警流程圖
以中亞天然氣管道庫(kù)克杜馬拉克--霍爾果斯管道為例，對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，建立管道模型，仿真得到多個(gè)正常運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，通過(guò)模型仿真模擬壓氣站工作異常、管道泄漏、調(diào)度策略不合理等異常數(shù)據(jù)，用于模型訓(xùn)練。以管道高負(fù)荷為例，管道負(fù)荷過(guò)高導(dǎo)致管道堵塞點(diǎn)處壓力減小，溫度因湯姆遜效應(yīng)而降低。結(jié)果表明上述方法可以有效實(shí)現(xiàn)管道故障及可靠性分類(lèi)，從而對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)提出預(yù)警。
數(shù)據(jù)法管道安全預(yù)警流程圖
03 天然氣管網(wǎng)調(diào)度評(píng)估與優(yōu)化
天然氣管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化需要從建模、指標(biāo)制定及多目標(biāo)優(yōu)化求解幾個(gè)方面進(jìn)行。建立基于管道、壓氣站、閥室的管網(wǎng)機(jī)理模型，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，以此作為優(yōu)化問(wèn)題構(gòu)造約束條件與目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化求解算法，計(jì)算不同工況下的Pareto邊界，并根據(jù)用戶(hù)定義給出推薦運(yùn)行策略，進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)圖像展示。
天然氣管網(wǎng)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化流程圖
以某天然氣管網(wǎng)為例，通過(guò)研究目標(biāo)函數(shù)之間的制衡關(guān)系對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證。求取Pareto邊界，幫助決策者選擇多種調(diào)度方案，經(jīng)優(yōu)化求解得到推薦運(yùn)行方案，優(yōu)化后的方案在滿(mǎn)足各分輸節(jié)點(diǎn)壓力和流量需求的基礎(chǔ)上，量化權(quán)衡管輸能耗和管存，方案1更加注重節(jié)能需求，方案2嘗試在管存和經(jīng)濟(jì)性之間取得平衡，最終的優(yōu)化方案能夠輔助調(diào)度員實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。結(jié)果表明推薦運(yùn)行方案優(yōu)于當(dāng)前運(yùn)行方案。
某天然氣管網(wǎng)調(diào)度策略?xún)?yōu)化運(yùn)行方案對(duì)比曲線
04 設(shè)備性能監(jiān)視與回歸
通過(guò)開(kāi)展基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的性能計(jì)算模型開(kāi)發(fā)，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上研究設(shè)備性能主要影響因素，進(jìn)一步進(jìn)行特征提取和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)回歸模型開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行監(jiān)視。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法進(jìn)行天然氣管網(wǎng)性能監(jiān)視與回歸的流程包括：
? 通過(guò)聚類(lèi)描述樣本特征，對(duì)海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，選擇高價(jià)值工作點(diǎn)；
? 通過(guò)相關(guān)性分析提取影響性能的主要因素，篩選出相關(guān)參數(shù)；
? 通過(guò)深度學(xué)習(xí)進(jìn)行特征提取和降維；
? 通過(guò)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型建立設(shè)備性能預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行可靠性和精度分析。
大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用展望
01 多源數(shù)據(jù)融合
隨著多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的廣泛應(yīng)用，目前已有的數(shù)據(jù)融合方法種類(lèi)有限并具有很大的局限性，而且不同數(shù)據(jù)源、不同精度的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)融合帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展適用范圍廣、融合精度高的數(shù)據(jù)融合方法將是數(shù)據(jù)融合技術(shù)未來(lái)的研究方向。另外，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)互操作技術(shù)是促成多源數(shù)據(jù)融合在天然氣管網(wǎng)中推廣的關(guān)鍵。
02 綜合信息平臺(tái)建設(shè)
天然氣管網(wǎng)綜合信息平臺(tái)集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合、設(shè)備管理、通信管理、運(yùn)行維護(hù)、管網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度優(yōu)化、智能分析、健康評(píng)估與預(yù)測(cè)等功能于一體。順應(yīng)大數(shù)據(jù)背景下的市場(chǎng)需求和新技術(shù)的快速發(fā)展，天然氣管網(wǎng)綜合信息平臺(tái)未來(lái)將朝著融合、規(guī)模、智能、標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展。
03 全生命周期管理
在未來(lái)，實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)的全生命周期管理需要搭建從設(shè)計(jì)到運(yùn)維的數(shù)據(jù)框架，實(shí)現(xiàn)不同階段多源數(shù)據(jù)自由調(diào)配與應(yīng)用。依托綜合信息平臺(tái)，全生命周期管理是在智能化進(jìn)程中強(qiáng)化運(yùn)維、提高效率的必由之路，其在復(fù)雜設(shè)備或管網(wǎng)的缺陷檢測(cè)、安全保障、決策支持中有重要作用。
結(jié)語(yǔ)
在大數(shù)據(jù)背景下，通過(guò)充分分析和利用天然氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以提高管網(wǎng)管理水平，提高各方面效益，管網(wǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有良好的前景和巨大的潛力。通過(guò)結(jié)合具體的功能需求確定算法及其使用方法，并進(jìn)一步結(jié)合使用需求完成平臺(tái)開(kāi)發(fā)，可以更加充分地挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，進(jìn)一步對(duì)管網(wǎng)的調(diào)度與管理進(jìn)行優(yōu)化，具有重要的工程實(shí)際意義。
參考文獻(xiàn)
[1]周登極,邢同勝,張麟,馬世喜,郭永華.大數(shù)據(jù)背景下天然氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2021,40(03):271-276.
來(lái)源：管網(wǎng)科技
