油氣管道完整性管理技術的發(fā)展趨勢

摘 要

摘要：隨著計算機、信息、管理等學科的發(fā)展，管道完整性管理技術也在不斷發(fā)生著新的變化，具有與IT技術和決策理論相融合的發(fā)展趨勢。為此，結合國內(nèi)外相關技術成果，分析了GIS攢術對
摘要：隨著計算機、信息、管理等學科的發(fā)展，管道完整性管理技術也在不斷發(fā)生著新的變化，具有與IT技術和決策理論相融合的發(fā)展趨勢。為此，結合國內(nèi)外相關技術成果，分析了GIS攢術對管道完整性管理可視化決策系統(tǒng)的影響、高精度檢測技術對管道完整性管理決策科學性的影響、多目標決策技術對，管道完整性管理實用性的影響和基礎數(shù)據(jù)庫對管道完整性管理方案決策的影響；指出未來油氣管道完整性管理技術的主要發(fā)展趨勢是借助高精度檢測手段、GIS技術和公共基礎數(shù)據(jù)庫，建立管道安全運行的多目標可視化管理決策系統(tǒng)；同時討論了實現(xiàn)這一發(fā)展目標尚需解決的相關技術難題，并對推進我國油氣管道的完整性管理提出了合理化建議。
關鍵詞：油氣管道；完整性管理；GIS可視化；安全運行；技術難題；發(fā)展趨勢；建議
    對油氣管道系統(tǒng)進行管理，要求工作高效、及時，但由于油氣管道系統(tǒng)本身的復雜性和決策支持信息的有限性，使得運用傳統(tǒng)方法開展油氣管道管理工作的弊端日益顯現(xiàn)，于是油氣管道完整性管理技術應時而生。近年來，隨著計算機、信息、管理等學科的發(fā)展，油氣管道完整性管理技術也在不斷發(fā)生著新的變化，突出表現(xiàn)為具有與IT技術和決策理論[1]相融合的發(fā)展趨勢。當前，地理信息系統(tǒng)(GIS)技術、基礎數(shù)據(jù)庫技術、高精度檢測技術、多目標決策技術等都已成為油氣管道完整性管理技術應用的熱點。隨著這些新興技術的不斷融入，油氣管道完整性管理技術正朝著多目標可視化決策的方向發(fā)展。
1 GIS技術為油氣管道完整性管理決策奠定了可視化基礎
    利用GIS技術對油氣管道安全運行進行管理，具有實用性強、操作簡單、投資小、可靠性高、先進性強等優(yōu)點，同時它具有集系統(tǒng)性、適用性、兼容性為一體的優(yōu)勢，可以便捷、可靠、安全地對油氣管道沿線情況進行動態(tài)數(shù)據(jù)管理?；贕IS技術的數(shù)字管道安全管理系統(tǒng)因其實現(xiàn)了管道設施、沿線環(huán)境、地質(zhì)條件、經(jīng)濟、社會、文化等各方面信息在三維地理坐標上的有機整合，可及時準確地針對某個點的數(shù)據(jù)信息進行反映，目前已逐漸成為有效提高油氣管道完整性管理的輔助決策支持工具。
1.1 可視化決策系統(tǒng)VDS(Visual Decision System)
    信息可視化系統(tǒng)利用先進的GIS技術，實現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)的結合，以數(shù)據(jù)可視化的方式，提供一種全新決策支持方法[2]。它融合了計算機圖形技術、計算機輔助設計與交互技術、信息處理技術和網(wǎng)絡通信技術等多領域的新興綜合技術。通過信息可視化的平臺——動態(tài)電子地圖多維地顯示數(shù)據(jù)，提示數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)以及隱藏在數(shù)據(jù)后面的信息，豐富研究和認知的手段。可視化分析過程所帶來的直觀性和準確性，也有助于更深入地研究事件的發(fā)展態(tài)勢和影響范圍。
    決策支持系統(tǒng)已經(jīng)有20多年的發(fā)展歷史，對各行業(yè)的發(fā)展做出了不小的貢獻。但是由于模型庫系統(tǒng)等技術的不成熟，阻礙了決策支持系統(tǒng)的進一步發(fā)展?？v觀國內(nèi)外，目前可視化系統(tǒng)快速集成技術的研究還只是從理論上有所探討，究競要解決什么問題以及如何實現(xiàn)系統(tǒng)的快速可視化集成等還需進一步研究。
1.2 可視化決策系統(tǒng)在油氣管道完整性管理上的應用
    可視化決策系統(tǒng)的設計與開發(fā)很具挑戰(zhàn)性，發(fā)達國家近年來已著手基于地理信息系統(tǒng)的管道地震災害管理方面的研究[3]。國內(nèi)相關研究人員也對此做了一些有益的探索，如任常興等研究了用GIS技術為危險化學品運輸車輛提供導航、為監(jiān)控中心確定車輛位置提供電子地圖[4]；單承戈研究了決策支持系統(tǒng)問題模型的可視化構造方法[5]；黃金才等人研究了決策支持系統(tǒng)可視化快速集成環(huán)境問題[6]；而鄧雄等人開發(fā)了針對油氣水管網(wǎng)的可視化管理系統(tǒng)[7]，但僅僅實現(xiàn)了圖形靜態(tài)輸出功能，顯然離完全可視化還有相當距離。
    由于油氣管道完整性評價問題復雜，信息量大且多是通過文字和圖件來描述，通過GIS可視化技術可將油氣管道信息(包括數(shù)字、文字、圖件等)轉(zhuǎn)化成形象化的圖形；反過來，圖形可以提供關于數(shù)據(jù)的特征及其所屬系統(tǒng)問題的附加信息，把油氣管道監(jiān)測的數(shù)據(jù)以直觀形式呈現(xiàn)出來，以便快速瀏覽和觀察多種數(shù)據(jù)及其相互關系和趨勢，由此可為管理者建立起一個油氣管道系統(tǒng)的總體時空分布概念，從而有利于油氣管道完整性管理的決策。針對油氣管道完整性管理的功能模塊包括以下要件[8]：
1.2.1隱患監(jiān)控
    隱患監(jiān)控領域的發(fā)展趨勢是運用GIS開發(fā)可視化的危險源和隱患監(jiān)控集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分利用GIS的空間分析功能，控制某一區(qū)域的多個危險源和隱患，可進行連續(xù)監(jiān)控，提供輔助決策，并進行統(tǒng)計分析，使監(jiān)管工作高效、輕松。
1.2.2事故地點顯示與事故后果模擬
    可以分類型用不同顏色把事故、事故地點標注在電子地圖上，用戶可直觀地了解某區(qū)域內(nèi)事故的空間分布情況，鑒別事故多發(fā)點(段)；事故后果模擬是根據(jù)現(xiàn)場的情況，輸入相關數(shù)據(jù)，模擬事故造成的后果。如對管道中天然氣的泄漏，可利用大氣擴散模型，由系統(tǒng)給出某泄漏點的擴散半徑，并在系統(tǒng)地圖上給出影響范圍，讓決策者及時了解影響范圍內(nèi)的重大危險源、人員和環(huán)境情況，以便采取必要的應急措施。
1.2.3因素分析與安全評價
    在系統(tǒng)里點擊地圖上標注的管道節(jié)點，便可獲得該點附近所有管道信息(包括管道沿線的地勢地形、站場平面圖、河流公路的穿越、救援力量分布等)，用模糊量化理論等模型進行事故因素分析；同時對參與安全評價的區(qū)域可根據(jù)行政區(qū)域劃分或根據(jù)事故分布情況直接從圖上拾取，評價結果可通過區(qū)域或路段著色的方式顯示，得到區(qū)域安全評價等級。
1.2.4應急指揮輔助決策支持
    通過對事故后果的模擬，可在發(fā)生事故時為決策者提供事故點詳細地理位置、相關地段的社會環(huán)境、相鄰救援力量分布圖、事故的歷史查詢、發(fā)生事故區(qū)段的多媒體信息、救援預案以及到達事故點行走路線選擇等信息。
2 基礎數(shù)據(jù)庫為油氣管道完整性管理決策提供了更充足的信息資源
    油氣管道完整性管理是一種新的安全管理理念，借助計算機技術，通過完整的數(shù)據(jù)庫動態(tài)管理，達到“防患于未然”的目的，其發(fā)展方向是實現(xiàn)數(shù)字化管理。數(shù)據(jù)庫和GIS技術是數(shù)字化管理的基礎和核心技術，也是管道完整性管理的基礎平臺。
    發(fā)展管道數(shù)字化技術，構建便于實施完整性管理的數(shù)據(jù)平臺，就必須統(tǒng)一規(guī)劃和利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)等自動化管理技術，使它們在油氣管道的在線檢漏、優(yōu)化運行和完整性管理中有機地結合起來，而這些都需要海量的油氣管道基礎數(shù)據(jù)。油氣管道基礎數(shù)據(jù)庫的建立是油氣管道數(shù)字化的前提。許多研究人員已經(jīng)對構建油氣管道數(shù)據(jù)庫的重要性及意義進行了闡述[9]，但由于我國長期對油氣管道基本信息數(shù)據(jù)的收集未予以重視，從而增大了建立全國油氣管道基本信息數(shù)據(jù)庫的工作難度。
    油氣管道完整性管理信息平臺的建設，需要建立統(tǒng)一標準的油氣管道編碼格式、內(nèi)外腐蝕、第三方破壞、設計和材料、操作系統(tǒng)和運營過程、應力腐蝕開裂等基本特征的統(tǒng)計分析和安全監(jiān)控管理信息系統(tǒng)；建立可以適應未來評價需要的數(shù)據(jù)庫結構和基本程序，搭建數(shù)據(jù)共享平臺，并將其作為整條油氣管道安全評價的基礎資料之一進行管理。同時建立維修數(shù)據(jù)子庫、事故數(shù)據(jù)子庫、腐蝕數(shù)據(jù)子庫等，且不斷加以更新完善，才能保證對油氣管道實施動態(tài)、快速、有效的日常監(jiān)管和綜合管理。
3 高精度檢測技術為油氣管道完整性管理提供了更精準的基礎數(shù)據(jù)
    資料數(shù)據(jù)的準確度及完整度會影響到完整性管理的科學性、準確性和有效性。只有重視資料及數(shù)據(jù)的積累，建立先進的信息管理系統(tǒng)，才能為油氣管道完整性管理提供準確的基礎數(shù)據(jù)。通常，實施完整性管理程序所需的數(shù)據(jù)可以通過油氣管道運營公司和其他部門在設計和施工檔案、運行和維修記錄中獲得，然而這些數(shù)據(jù)不能完全滿足油氣管道完整性管理的需要，還需要通過現(xiàn)場采集的方式來獲取其他數(shù)據(jù)。此外，為了確保油氣管道完整性管理方案的正確性，數(shù)據(jù)的準確性必須得到保證。
3.1 高精度油氣管道缺陷檢測技術
    確保油氣管道安全運行的一個首要條件就是高精度的管道探傷檢測，確定管道的腐蝕、缺陷程度，為管道運行、維護、安全評價提供科學依據(jù)。但管道檢測是一個公認的難題，國際通行方法是采用管道在線檢測技術來解決。國際上這方面的研究已有40多年的歷史，但檢測技術被美、英、德、俄等幾家跨國公司掌握，為實現(xiàn)技術壟斷，它們通常只提供服務，不賣產(chǎn)品。
    目前國內(nèi)開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的高精度管道漏磁在線檢測系統(tǒng)，是管道無損檢測技術中最先進的主流機型，市場上有中國石油管道檢測技術有限責任公司、沈陽工業(yè)大學和新疆三葉管道技術有限公司合作開發(fā)的兩種產(chǎn)品，此類產(chǎn)品多用于新建管道的基線檢測及在役管道的內(nèi)外壁腐蝕檢測，在不影響管道正常運行的情況下，通過投運管道漏磁檢測設備，能完成管道缺陷、管壁變化、管壁材質(zhì)變化、缺陷內(nèi)外分辨、管道特征(管箍、補疤、彎頭、焊縫、三通等)識別的檢測，能夠給檢測方提供管道缺陷面積、程度、方位、位置等全面信息，管輸企業(yè)可據(jù)此及時排除管道隱患，實施風險評估和風險控制，避免由此造成的管道穿孔泄漏及相關經(jīng)濟損失，為油氣管道的安全運行提供可靠的技術保障。
3.2 高精度油氣管道泄漏檢測技術
   管輸油氣泄漏檢測也是高精度檢測技術應用的領域，及時、準確地發(fā)現(xiàn)管輸油氣介質(zhì)的泄漏、泄漏位置和泄漏量，能夠在及時采取事故控制措施、有效制定應急救援方案等方面為管道完整性管理決策提供強有力的支撐。
    可從以下幾個方面來判斷管輸油氣泄漏檢測技術的精度高低：①定位精度：當發(fā)生不同等級的泄漏時，對泄漏點位置確定的誤差范圍；②檢測時間：管道從泄漏開始到系統(tǒng)檢測到泄漏的時間長度；③泄漏檢測的范圍：系統(tǒng)所能檢測管道泄漏的大小范圍，重點是系統(tǒng)所能檢測的最小泄漏量；④誤報警率：指管道未發(fā)生泄漏而給出報警信號，它們發(fā)生的次數(shù)在總的報警次數(shù)中所占的比例。
4 多目標決策技術為油氣管道完整性管理提供了更靈活的管理策略
    在進行決策時，必須選擇衡量方案好壞的標準、準則或目標，通常人們以多個準則或目標衡量選擇方案的優(yōu)劣。這種根據(jù)多個準則或目標的判斷與選擇就是多目標決策。
4.1 多目標決策的實施步驟[10]
    1) 了解多目標決策的對象，了解決策對象的各組成部分及其相互邏輯關系與流程，識別決策對象要達到的整體目標和決策問題所處的客觀環(huán)境。
    2) 確定多目標決策問題特征的主要變量和參數(shù)。
    3) 識別變量之間的關系和自然狀態(tài)概率分布。
    4) 構造模型。模型是描述多目標決策問題內(nèi)部關系、外部環(huán)境及目標實現(xiàn)的簡單而抽象的形式。模型有多種形式，多目標決策問題數(shù)學模型化是進行多曰標決策分析的基本前提。
    5) 根據(jù)數(shù)學模型求非劣解(集)。
    6) 對求得的非劣解，決策人表示偏好態(tài)度。
    7) 對決策人新的偏好求最優(yōu)解。若是非劣解，則重復第六步，直到?jīng)Q策人最終接受某一可行方案。
    與單目標決策相比，多目標決策主要有兩個比較難解決的問題：一是多個目標之間不能公斷，即各目標的量綱不同，各目標不能直接比較優(yōu)劣，這為方案的綜合評價帶來了困難；二是多個目標往往是相互矛盾的，不存在通常意義上的最優(yōu)解，而決策者只能在非劣解集中選擇一個偏好解。
4.2 多目標決策技術對油氣管道完整性管理實用性的影晌
    由于多目標決策技術本身固有的局限性，將其應用于油氣管道完整性管理，將影響到完整性管理決策方案的實用性。具體體現(xiàn)在以下方面[11～12]：
4.2.1指標體系引起的決策誤差
    多指標體系往往表現(xiàn)為多級的遞階結構形式(如肯特指標體系法[13])，它兼有體系的綜合性和指標問的復雜性雙重特點。比如各目標間的關聯(lián)程度不同，一旦選用的決策方法是以各目標間相互獨立為前提的話，將會導致決策誤差；而若將相互關聯(lián)的指標完全剔除，雖然保持了目標間的獨立性，但是評價指標的完整性將受到破壞；同時指標的遺漏、重復或者人為選取的主觀性等都將導致決策誤差的存在。
4.2.2指標處理引起的決策誤差
    在多目標決策指標體系中，指標具有多樣性。為了便于對多目標決策問題進行分析，對指標進行處理(如合并、剔出、標準化等)是必須的。例如，指標的規(guī)范化是基礎性工作，也是極其重要的一個環(huán)節(jié)，它的使用得當與否，直接影響后續(xù)工作的質(zhì)量，決定著評價結論的可靠性。然而，人們在實際處理時，往往簡化了這一工作，簡單地用線性規(guī)劃等方法將指標一并處理[14]，結果忽略了各指標的特點，未能體現(xiàn)指標變化的動態(tài)特征，從而降低了評價的客觀性。
4.2.3評分權重分配引起的決策誤差
    在油氣管道完整性指標體系確定的前提下，影響綜合評價的首要任務是評價因子的賦權[15]。管道安全特性表現(xiàn)為多因素的關聯(lián)效應，部分因素的模糊性和隨機性使得因子權重的確定十分復雜，然而對評價因子權重的分配，又將直接影響到評價結果的準確性和科學性。事實上，不管是哪種確定指標權系數(shù)的主觀方法，都是基于對指標的主觀偏好方法，免不了帶有一定程度的主觀隨意性，而這種主觀性是不能完全被消除的。
4.2.4模型算法中引起的決策誤差
    建立了多目標決策指標體系，確定了相應指標及其權重后，就要運用相應的模型和方法進行決策分析計算，找到最終的決策方案。就目前而言，多目標決策模型方法很多，但很難找到一種模型能夠完全反映工程客觀實際。這種誤差既包括模型局限性(如線性化假設、靜態(tài)假設等)引起的誤差，也包括算法(如概率統(tǒng)計)產(chǎn)生的誤差。
5 結論與建議
    油氣管道完整性管理技術近年來在國外油氣管道工業(yè)中發(fā)展迅速。為了加快掰國油氣管道完整性管理技術的發(fā)展步伐，我們應該加強對國外管道完整性管理效果的跟蹤和技術交流，理解和掌握國外油氣管道完整性管理的基本理念，結合我國油氣管道運行的實際狀況，盡早建立中國的油氣管道完整性管理法規(guī)和標準體系，并適時成立油氣管道完整性管理監(jiān)管和專業(yè)評價機構；油氣管道運營企業(yè)應根據(jù)實情對不同時期、不同條件下的油氣管道，制定不同層次、分段實施的完整性管理計劃，并不斷積累油氣管道運行歷史工況數(shù)據(jù)和環(huán)境條件參數(shù)；科研部門應重點致力于研究完整性評價技術和開發(fā)新型檢測工具。
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(本文作者：姚安林1 趙忠剛2 李又綠1 李大全2 1.西南石油大學；2.中國石油天然氣管道科學研究院)