数字孪生在役油气管道设计的应用效果

随着中国油气骨干管网建设步伐的加快，以及全球物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术的发展应用，中国石油提出“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”的智慧管道建设模式，并选取中缅管道作为在役管道数字化恢复的试点。中缅管道是油气并行的在役山地管道，通过对管道建设期设计、采办、施工及部分运维期数据进行恢复，结合三维激光扫描、倾斜摄影、数字三维建模等手段，构建了中缅油气管道试点段的数字孪生体，为实现管网智慧化运营奠定了数据基础［101］。

6.3.1　数字化恢复流程

在役管道数字孪生体的构建对象为管道线路和站场，流程主要分为4个部分：数据收集、数据校验及对齐、实体及模型恢复、数据移交。线路和站场数字化恢复成果暂时提交PCM系统（天然气与管道ERP工程建设管理子系统）和PIS系统，待数据中心建成后正式移交（见图6-10）。

图6-10　在役管道数字孪生体构建流程图

6.3.1.1 数据收集

为了满足管道正常运行，需要确定数据的恢复范围，主要包括管道周边环境数据、设计数据及建设期竣工数据。管道周边环境数据包括基础地理数据和管道周边地形数据，为管道本体建立承载环境。管道设计数据包括专项评价数据、初步设计高后果区识别数据及施工图设计数据。管道建设期竣工数据包括竣工测量数据、管道改线数据，并将施工数据、采办数据与管道本体挂接。

目前已有成果资料主要包括竣工图数据、采办数据及施工数据。分析发现已有成果资料（竣工测量数据、中心线数据、基础地理信息数据等）的完整性、准确性参差不齐。通过抽样检查已有成果资料的范围、一致性及精度等，对其进行收集、校验，确定需要补充采集的数据范围和采集手段。

根据对已有数据资料的分析结果，量化数据恢复指标（见表6-1）。从基准点、管道中心线探测、三桩一牌测量、航空摄影测量、基础地理信息采集、三维激光扫描、三维地形构建、站场倾斜摄影、站场管道探测、关键设备铭牌采集等方面补充数据。

表6-1　地下管道数字化恢复技术指标

6.3.1.2　数据校验及对齐

数据校验及对齐是从数据到信息的关键步骤，将管道附属设施和周边环境数据基于焊缝信息或其他拥有唯一地理空间坐标的实体信息进行校验对齐，对齐以精度较高的数据为基准，使建设期管道本体属性与运营期内检测结果及管道周边地物之间关联。数据校验及对齐主要从管道中心线、焊口、站内管道及附属设施、站内地下管道及线缆等方面进行。

对于一般线路管道中心线，利用地下管道探测仪和GPS设备获取管道中线位置和埋深，通过复测、钎探、开挖等方式复核数据。对于河流开挖穿越段，利用固定电磁感应线圈在管道上方测量交流信号的分布，依据分布规律和衰减定位管道的位置和埋深。对中缅瑞丽江进行水域埋深检测，利用穿跨越数字化设计软件将竣工测量成果生成油气管道纵断面图，并与探测图进行对比，确定管道、弯管位置及管底高程。

中缅管道的内检测焊缝数据采用基于里程和管长的方法进行焊缝对齐，结合中缅内检测及施工记录的焊缝数据，以热煨弯管为分段点对齐，修复焊口缺失并记录误差问题。

站内管道及附属设施通过三维模型与现场激光点云模型对比进行数据校验及对齐。

对于电信井等明显点进行调查测量，查明类型、走向及埋深，对于隐蔽点利用地下管道探测仪探测其埋深及属性，采用实时动态定位或已采集管道点坐标信息标记，绘制带有管道点、管道走向、位置及连接关系的地形图。将三维模型平面图与探测图进行对比，校验管道位置、埋深偏差。

6.3.1.3　实体及模型恢复

（1）线路。

线路模型恢复是以竣工测量数据为基础，数据校验对齐，形成管道本体模型所需的数据，然后建模。

穿跨越工程主要分为开挖穿越、悬索跨越、山岭隧道穿越3种形式。对于开挖穿越，实体为管道本体与水工保护，采用与线路一致的方式恢复；对于悬索跨越，结构实体包括主塔、桥面、锚固墩、桥墩、管道支座等，对跨越整体进行三维激光点云扫描，获取跨越桥梁的完整模型；对于山岭隧道穿越工程与管道跨越工程，由于隧道主体结构与跨越桥梁结构复杂，结合三维激光扫描点云数据建模。对于山岭隧道，洞门采用激光点云方式采集现场实景模型；隧道洞身及相关构件根据竣工资料采用REVIT软件建模，并关联数据。

（2）站场。

站场实体及模型恢复采用REVIT软件，结合工艺和仪表流程图（process&instrument Diagram，P&ID）绘制完成。

通过P&ID，实现系统图的图面内容和报表的结构化。通过SPP&ID软件进行智能P&ID设计，设计数据均集成在系统中，并将SPF（smart plant foundation）软件作为系统的数据管理平台，集成SPI（smart plant instrument）、SP3D（smart plant 3D）软件，建立共享工程数据库和文档库，最终完成三维数据库的搭建。

通过站场/阀室三维激光点云数据及空间实景照片进行数据校验，以竣工图和设计变更为数据库建立的依据，以激光点云测量数据为验证手段，建立站场阀室三维数据模型。通过REVIT软件与竣工图纸等资料，建立建筑三维模型。

根据测量地形数据生成三维地形模型，建立三维设计场地模型。根据构筑物详图中的构筑物断面信息，建立总图线状构筑物部件及模型和非线状构筑物模型。将三维地形模型、三维设计场地模型、总图构筑物模型导入三维设计平台，录入关键坐标点、标高、总图构筑物结构信息和站场周边重点地物信息等三维场景数据，搭建站场三维数据库。

6.3.1.4　数据移交

数字化恢复成果，经过校验对齐后，参照中国石油项目设计规范及企业规范，统一移交至数据中心，用于数据的价值挖掘和对外提供数据服务。通过在数据中心构建的管道数据中台，与PCM系统进行管道施工期的历史数据收集，实现恢复数据向PCM的移交，工程人员可以直接使用PCM系统跟踪查看管道施工期的历史数据。通过数据中心构建的管道数据中台，为PIS系统提供管道本体、管道辅助信息等基础数据，实现恢复数据向PIS的移交，提高PIS系统数据的时效性和准确性，运营人员可以直接使用PIS系统对管道进行全生命周期管控。

6.3.2　数字化恢复主要技术

（1）基准点测量。

基准点是进行测量作业前，在测量区域内布设的一系列高精度基准控制点，其采用GPS测量D级精度，按照50 km/个的频率，构建测绘基准控制网。GPS单点定位精度受卫星星历误差、卫星钟差、大气延迟、接收机钟差即多路径效应等多种误差的影响；试点段管道是山地管道，高山林密，交通、通信困难，影响GPS定位精度。为了减小误差，基准点测量采用精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术获取高精度坐标数据，利用国际GPS服务机构提供的卫星精密星历和精密钟差，基于单台GPS双频双码接收机观测数据，在近700 km内测得38个高精度基准点的定位数据，大幅提高了作业效率，具有较高的精度和可靠性［102，103］。

（2）管道中线探测。(www.chuimin.cn)

管道中线是管道完整性数据模型的核心，是其他基础数据定位和展示的基准。探测前，将整理竣工数据，内检测数据中弯头数量、角度、方向等信息作为探测依据，提高探测精度。

采用雷达和基于连续运行卫星定位服务系统的实时动态定位（continuous operational reference system-real time kinematic，CORS-RTK）技术完成地下管道探测。由于管道具有范围大、点多面广的特点，且位于山区、河道、水域或具有危险因素的区域，使用传统的测量技术不仅投入大，精度也难以保证，因此借助CORS-RTK技术进行野外测量作业［104］，完成管道中线坐标、高程实测。

CORS-RTK测量技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时提供GPS流动站在特定坐标系中的三维坐标，在有效测量范围内精度可达厘米级。测量数据采集完成后，可以进行自动存储和计算［105］。将解算的测量成果与竣工中线成果对比，按一定容差分类统计误差比例，结合现场实际情况分析误差原因，进一步提高探测数据精度。

（3）航空摄影测量。

航空摄影测量采用固定翼无人机完成管道线路航空摄影测量及资料解译，以获取高精度航飞摄影。航空摄影测量根据管道走向、地形起伏及飞行安全条件等，划分为多个不同的航摄分区。航线沿管道线路走向或测区主体方向设计，综合多个线路转角点铺设尽量顺直的航线，将管道中线布设在摄区中间，保证覆盖管道中线两侧各不低于200m的有效范围。航飞完成后，根据像控点和采集的相片进行数据处理，制作0.2m的数字正射影像图（digital orthophoto map，DOM）和2m的数字高程模型（digital elevation model，DEM）。

航空摄影测量是地理信息采集、水工保护采集、三维地形模型构建的基础，可以为地质灾害和高后果区提供预判，对于管道日常维护提供更直观便利的地形环境、植被情况、道路通达情况描述，为政府备案、应急抢险、决策支持、高后果区管理、维修维护提供了准确的数据支撑。

（4）三维激光扫描。

三维激光扫描又称实景复制技术［106］是一种快速获取三维空间信息的技术，该技术通过非接触式扫描的方式获取目标物表面信息，包括目标物的点位信息、距离、方位角、天顶距及反射率等［107］。

通过三维激光扫描仪对管道跨越桥梁的主体结构进行实景复制，实现了与管道桥梁比例一致的高精度三维建模。如管道穿越桥梁采用FARO S350地面三维激光扫描仪对澜沧江、怒江及漾濞江3处大型跨越进行激光扫描、点云处理及三维建模［108］；站场地表建筑、设备等通过RIEGL VZ-1000激光扫描仪进行三维扫描测量，利用尼康D300S采集影像数据，数据采集后，通过标靶点进行点云数据拼接和坐标纠正以提高精度［109］，构建站场三维激光点云模型。点云模型的点间距和精度需要满足《石油天然气工程地面三维激光扫描测量规范》（SY 7346—2016）要求。

高精度的三维模型为大型跨越的维护、改建、设计、检测提供了真实可靠的数据源。通过三维激光扫描实现与管道桥梁、地面建筑及设备比例一致的三维建模，实现数字可视化。对于站场、地质灾害、高危区段、高后果区数字化管理同样具有借鉴意义。

（5）三维地形构建。

管道沿线的三维地形构建需要将卫星影像与航拍影像融合。卫星影像一般是高分二号卫星和高景一号卫星拍摄的分辨率为0.5～1m的遥感影像，航拍影像一般是通过航空摄影测量拍摄的分辨率为0.2m的DOM影像［110］。结合对应的DEM数字高程模型进行三维地形构建，掌握管道沿线5km内的地形，重点掌握800m内的三维地形，为管道安全管理提供决策依据。

（6）站场倾斜摄影。

倾斜摄影测量改变了航测遥感影像只能从竖直方向拍摄的局限性［111］，是站场三维建模的主要途径。如站场倾斜摄影测量通过红鹏六旋翼无人机对站场进行多视角信息采集，记录航高、航速、航向及坐标等参数［112］；采用实时动态全球定位系统（global positioning system real time kinematic，GPS-RTK）方法完成站场像控点测量，对原始照片及像控点成果进行质量检查，并处理内业数据，构建站场的三维倾斜模型、站场三维地形及站内建构筑物、设备设施等。

6.3.3　成果应用及展望

6.3.3.1　成果应用

中缅油气管道通过数字化恢复形成管道数据资产库，构建数字孪生体，为管道运行、维护提供基础数据，为真实管道系统与虚拟管道系统的信息交互融合提供了新的技术手段。

（1）线路数据资产库。

线路数据资产库将多源异构GIS、BIM（building information modeling）、MIS（management information system）、CAD等数据整合于一体，采用C/S（client/server）、B/S（browser/server）、移动端App混合架构，在客户端展示管道周边基础地理信息数据、环境数据及管道本体属性数据，提供快捷查询功能。

通过线路资产库，可查询管道周边的社会依托情况、敏感区数据等管道周边基础地理信息；在同一地图上加载施工图设计中线、竣工中线等，直观对比不同阶段路由变化情况并分析其原因；定位指定焊口的位置，查询焊口编号、焊口前后管段的防腐信息、弯头情况、管道埋深信息；定位穿跨越的位置，查询穿跨越方式、保护形式等信息；定位水工保护的位置、材质、尺寸参数，并结合周边地形、水系信息，评价水工保护的效能。线路资产库为高后果区识别、管道巡线管理提供数据源，为管道运维提供多元化的基础数据服务。

（2）站场数据资产库。

站场数据资产库为管道运行、维护、设备管理系统等提供基础数据，将三维模型、二维图纸、结构化数据与非结构化文档关联，实现数据的交互、共享。采用关系型数据库存储，以硬件即是服务的云模式作为硬件载体，包括数据采集、数据处理、数据应用三层架构，具备扩展性和标准化服务接口。实现三维模型展示、数据查询及文档检索等功能，为智能管道应用提供数据支撑。融合站场倾斜摄影、三维激光点云、三维数据模型，直观浏览站场的实景及建构筑物外观。

以保山站的数字化恢复成果为例，其资产库收集了站场围墙外50m的周边环境数据及站内工艺、仪表、电力、通信、建筑、总图、阴保、热工、暖通、消防、给排水等数据，恢复了地上工艺设备、建筑物模型和地下建筑物基础、管缆。同时，建立了数据、模型与非结构化文档的关联关系，实现“平面图、流程图、单管图”等结构化文档的相互引用。

6.3.3.2　展望

（1）多系统融合。

多系统融合，深入发掘数据价值，消除信息孤岛。使用PaaS（platform-as-a-service）平台服务理念，基于数据层，展示基础层，为各类系统的数据挂载显示以及应用对接、应用拓展提供平台和支持。

将数字孪生体与SCADA系统、视频监视系统相融合，完成实时生产数据和视频监视数据的挂载显示，实现可视化运行管理；通过采用HTTP消息互连、服务互连的方式与ERP系统、设备管理系统相融合，结合三维成果，完成设备拆解、模拟培训应用开发，为员工提供培训、教学等服务；基于数据恢复，打造适合智能管道运行的生产运行管理系统；与地灾监测预警系统平台相结合，利用管道本体数据、高后果区及地灾点，实现监测数据的实时动态分析与预警，形成地质灾害综合信息一体化应用，为灾害的风险预判、后期治理提供辅助决策。

（2）指导维修检修和应急抢险。

在维修检修作业中，管道数字孪生体可以通过管道高程、埋深及管材等信息为线路动火和封堵作业时排油方案的制订提供数据支撑。开挖作业时，便于直观识别地下管缆等隐蔽工程的位置。结合在线监测与远程故障诊断等技术，实现基于风险与可靠性的预防性维检修计划。通过三维展示成果，模拟设备拆解，制定设备维护维修方案。

在应急管理中，依据应急抢修流程，将应急方案中的步骤数字化，通过数据查询、路径分析、缓冲区分析等操作，制订应急处置数字化方案。模拟应急事故点，按照方案中的流程，逐项推演，验证数字化应急方案是否满足应急抢险需求。针对不同输送介质管道实现管道爆炸影响范围、油品污染河流路径、缓冲区分析等自动化分析，建立事故灾害影响分析模型。基于数字化恢复的水系及面状水域信息，进一步构建泄漏扩散模型，分析油品泄漏事故水体污染的演变情况。