DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2024.06.014

摘" " 要：從油氣管網(wǎng)工程建設(shè)行業(yè)存在的實際問題出發(fā)，在分析油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)內(nèi)涵特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他行業(yè)智能體系發(fā)展經(jīng)驗，構(gòu)建了一套油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架。該框架以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，遵循科學的發(fā)展模式，制訂合理的實施途徑，通過技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系與標準體系的整合，圍繞建設(shè)期數(shù)字孿生模型，逐步實施勘察設(shè)計、物資采購、工程施工及建設(shè)管理四大業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智能化應(yīng)用，最終實現(xiàn)油氣管網(wǎng)工程高效、安全建設(shè)，以及交付優(yōu)質(zhì)、智能油氣管網(wǎng)工程的總體目標。

關(guān)鍵詞：油氣管網(wǎng)；工程建設(shè)；智能化；理論體系框架

Abstract：This study focuses on the actual problems in the oil and gas pipeline network engineering construction industry. Based on an analysis of the connotations and characteristics of intelligent engineering construction of oil and gas pipeline networks， a theoretical framework is established with experiences from intelligent system development in other industries. This framework is guided by foundational theories， conforms to the scientific development mode， and plans reasonable ways of implementation. With the integration of technology systems， data systems and standard systems， the digital twin model during the construction phase is centered around. Intelligence is applied in four business areas： investigation design， materials procurement， construction， and project management. Ultimately， the overall goal is achieved as an efficient and safe construction is ensured and a high-quality and intelligent engineering of the oil and gas pipeline network is delivered.

Keywords：oil and gas pipeline network; engineering construction; intelligence; theoretical framework

傳統(tǒng)的油氣管道工程建設(shè)行業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，多年來延續(xù)了粗放的管理建設(shè)模式，建設(shè)過程中信息源頭不一、流轉(zhuǎn)不暢，對 “人、機、料、法、環(huán)”等要素的管控不到位，由此導(dǎo)致了效率低下、資源浪費等諸多問題，甚至引發(fā)質(zhì)量安全事故。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)不斷與傳統(tǒng)行業(yè)融合，在各個領(lǐng)域相繼掀起了智能化浪潮。在油氣管網(wǎng)工程建設(shè)領(lǐng)域集中體現(xiàn)在將這些新技術(shù)應(yīng)用于各種不同類型的智能工地建設(shè)[1-3]，以提高對施工的管控水平。目前，新技術(shù)多用于解決特定的工程建設(shè)問題，各技術(shù)系統(tǒng)全局整合程度不高，且沒有形成基礎(chǔ)的理論體系來指導(dǎo)智能化工程建設(shè)的發(fā)展。

針對以上現(xiàn)狀，本文在研究智能工程建設(shè)體系特征基礎(chǔ)上，建立一套涵蓋油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)全過程的基礎(chǔ)理論及體系框架，以期為油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的發(fā)展提供指導(dǎo)。

1" " 油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的內(nèi)涵

工程建設(shè)領(lǐng)域的范圍涵蓋土木工程、建筑工程、交通工程及其他各類基礎(chǔ)設(shè)施工程等。近年來，各行各業(yè)通過信息化、智能化技術(shù)賦能工程建設(shè)發(fā)展，初步形成了智能工程建設(shè)體系。筆者基于對智能制造[4]及鐵路[5]、電網(wǎng)[6]、建筑[7]等行業(yè)智能工程建設(shè)體系特征的深入分析，認為智能工程建設(shè)應(yīng)包含以下5項特征：一是強調(diào)新一代信息技術(shù)對工程建設(shè)活動的賦能作用；二是智能化建設(shè)貫穿工程建設(shè)全周期，建設(shè)期成果與運行維護期無縫銜接；三是在數(shù)據(jù)及模型驅(qū)動下實現(xiàn)信息流與業(yè)務(wù)流的融合；四是面向工程建設(shè)的全過程、全要素和全參與方，致力于實現(xiàn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的整合與協(xié)同升級；五是以管控工程質(zhì)量、進度、成本等為最終目標。

在以上總結(jié)的基礎(chǔ)上，筆者提出的油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)概念為：油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)是在信息化與工業(yè)化高度融合的基礎(chǔ)上，利用新技術(shù)對油氣管網(wǎng)建設(shè)過程各項業(yè)務(wù)進行賦能，推動工程建設(shè)活動的生產(chǎn)要素、生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系升級，促進油氣管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)流與業(yè)務(wù)流的充分融合，實現(xiàn)勘察設(shè)計、物資采購、工程施工直到竣工交付的工程全周期、全鏈條的一體化集成管控，以保障工程建設(shè)高效、安全，交付優(yōu)質(zhì)、智能油氣管網(wǎng)工程為最終目標的新型建設(shè)模式。

2" " 油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架

對油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)目標、內(nèi)涵、特征、關(guān)鍵技術(shù)和實施途徑等概念的認識是一個不斷發(fā)展、逐步深化的過程。在對油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)概念內(nèi)涵分析的同時，也暴露出當前理論研究的缺失，因此筆者在總結(jié)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的發(fā)展歷史、已有理論和實踐研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架，如圖1所示。該理論體系框架由8個模塊組成?？傮w執(zhí)行思路為：在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，以建設(shè)期業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，遵循科學的發(fā)展模式，制訂合理的實施途徑，進行技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系與標準體系3大體系建設(shè)；在此基礎(chǔ)上，圍繞建設(shè)期數(shù)字孿生模型，逐步開展勘察設(shè)計、物資采購、工程施工及建設(shè)管理4大領(lǐng)域業(yè)務(wù)的智能應(yīng)用，最終實現(xiàn)油氣管網(wǎng)工程高效、安全建設(shè)，交付優(yōu)質(zhì)、智能油氣管網(wǎng)工程的總體目標。

3" " 框架關(guān)鍵模塊及主要內(nèi)容

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)理論體系框架中各關(guān)鍵模塊是相輔相成的，以下將具體闡述各關(guān)鍵模塊的主要研究內(nèi)容，并探究其內(nèi)在邏輯關(guān)系。

3.1" " 理論基礎(chǔ)

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系理論基礎(chǔ)部分是體系最基礎(chǔ)的部分，主要用于闡明油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的概念內(nèi)涵、范疇、指導(dǎo)理論和方法論等一系列內(nèi)容，核心是對指導(dǎo)理論和方法論的研究。

3.1.1" " 指導(dǎo)理論

系統(tǒng)論、控制論和信息論對第四次工業(yè)革命的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響，“三論”在理論層次為研究復(fù)雜系統(tǒng)問題提供了認識工具。油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系本質(zhì)上是系統(tǒng)工程的范疇，因此以系統(tǒng)論、控制論和信息論有機結(jié)合的理論指導(dǎo)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的構(gòu)建符合客觀性、科學性的要求。

在系統(tǒng)層面，將油氣管網(wǎng)工程建設(shè)體系視為有機整體，尋求解決工程系統(tǒng)與各組成要素之間相互關(guān)系的模式、原則和方法，通過調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)各要素關(guān)系，使系統(tǒng)達到優(yōu)化目標；在控制層面，建立反饋調(diào)節(jié)機制，形成閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的突出矛盾，維持整個工程建設(shè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和正常運轉(zhuǎn)；在信息層面，通過建立實時感知、雙向互通的信息系統(tǒng)，支撐對系統(tǒng)控制的實施。通過數(shù)據(jù)流使工程建設(shè)系統(tǒng)各要素相互結(jié)合，驅(qū)動系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

3.1.2" " 方法論

以系統(tǒng)工程方法論作為油氣管網(wǎng)工程建設(shè)體系構(gòu)建的總體方法論，以基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法作為體系建設(shè)的具體方法。一方面，MBSE方法注重系統(tǒng)思維的運用，將工程建設(shè)乃至整個工程作為整體系統(tǒng)，進行全生命周期管理、跨專業(yè)協(xié)同和多維度優(yōu)化。另一方面，MBSE方法以模型為中心，即在油氣管網(wǎng)工程建設(shè)階段以建設(shè)期數(shù)字孿生模型為中心，隨工程進展動態(tài)更新數(shù)字孿生模型，并通過模型運用支撐跨領(lǐng)域業(yè)務(wù)。

3.2" " 技術(shù)、數(shù)據(jù)和標準體系

要實現(xiàn)油氣管網(wǎng)智能化工程建設(shè)應(yīng)用，只有基礎(chǔ)理論支撐是不夠的，此時需要從技術(shù)、數(shù)據(jù)、標準三個維度進行體系化、層次化、規(guī)范化設(shè)計，構(gòu)建理論與應(yīng)用之間的橋梁。

3.2.1" " 技術(shù)體系

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的技術(shù)體系是工程建設(shè)3大體系的核心部分，技術(shù)體系能夠為數(shù)據(jù)體系與標準體系的建立提供指導(dǎo)，而數(shù)據(jù)體系和標準體系的建立應(yīng)充分結(jié)合技術(shù)體系的發(fā)展現(xiàn)狀。由圖2所構(gòu)建的技術(shù)體系采用分類分層設(shè)計原則，基于油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新的需求，將技術(shù)體系自上而下劃分為領(lǐng)域、方向、智能應(yīng)用技術(shù)、支撐4個層面，具體可概括為4大領(lǐng)域、7個方向、N項智能應(yīng)用、一個平臺支撐。4大領(lǐng)域包含勘察設(shè)計、物資采購、工程施工及建設(shè)管理4個領(lǐng)域內(nèi)容，在這4大領(lǐng)域下分別開展數(shù)字化集成設(shè)計、智能采購、智能施工及一體化管控技術(shù)的綜合應(yīng)用，由此根據(jù)不同類型工程特點的區(qū)別，具體進行x個方向及一系列相關(guān)智能應(yīng)用技術(shù)的研究。最終，這些智能化技術(shù)的應(yīng)用和管理在一個統(tǒng)一的基于數(shù)字孿生體的一體化平臺系統(tǒng)的支撐下開展。

3.2.2" " 數(shù)據(jù)體系

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的數(shù)據(jù)體系是對技術(shù)體系中設(shè)計、采購和施工各個階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行管控，通過建立集成數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析與應(yīng)用的體系，指導(dǎo)數(shù)據(jù)的流動與應(yīng)用，打通貫穿工程全生命周期的數(shù)據(jù)流，為技術(shù)體系提供數(shù)據(jù)驅(qū)動，為標準體系框架提供反饋。圖3是一種數(shù)據(jù)體系的參考框架，主要內(nèi)容包括：在感知層，通過數(shù)字化集成設(shè)計實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的上傳，通過工程物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)采購與施工數(shù)據(jù)的感知，最終完成工程建設(shè)全過程數(shù)據(jù)的采集；在數(shù)據(jù)層，集成油氣管網(wǎng)設(shè)計、采購、施工等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合、分析，形成管網(wǎng)建設(shè)期數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；在應(yīng)用層，基于工程建設(shè)一體化的平臺系統(tǒng)，建立工程建設(shè)的大數(shù)據(jù)分析和智能輔助決策模型，實現(xiàn)勘察設(shè)計、物資采購和工程施工等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的動態(tài)監(jiān)測管控和智能化分析等數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3.2.3" " 標準體系

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的標準體系能夠為技術(shù)體系和數(shù)據(jù)體系的實際應(yīng)用提供標準的支撐。標準體系框架應(yīng)能夠涵蓋智能工程建設(shè)體系的基本組成單元，具體應(yīng)包括基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)、領(lǐng)域應(yīng)用3個部分，如圖4所示。

3.3" " 業(yè)務(wù)智能應(yīng)用

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系在勘察設(shè)計、物資采購、工程施工及建設(shè)管理4大業(yè)務(wù)領(lǐng)域圍繞建設(shè)期數(shù)字孿生模型開展智能化應(yīng)用。具體應(yīng)用思路為：在勘察設(shè)計階段基于設(shè)計數(shù)據(jù)進行靜態(tài)數(shù)字孿生模型的構(gòu)建工作，伴隨工程建設(shè)的推進，采購及施工數(shù)據(jù)被實時感知并匯集到數(shù)字孿生模型中，在數(shù)據(jù)及模型的驅(qū)動下，信息流與業(yè)務(wù)流融合，實現(xiàn)工程建設(shè)信息集成和一體化管控應(yīng)用。故此在建設(shè)實體管網(wǎng)工程的同時，同步形成了數(shù)字孿生管網(wǎng)，并實現(xiàn)了建設(shè)期全過程、全要素及全參與方的智能應(yīng)用。工程竣工后，可將數(shù)字孿生工程隨實體工程同步移交至運營階段，實現(xiàn)建設(shè)期與運營期數(shù)據(jù)無縫銜接。

3.4" " 發(fā)展模式

發(fā)展模式應(yīng)主要闡述油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的主要發(fā)展階段及應(yīng)用模式。

目前，在智能制造領(lǐng)域已經(jīng)提出了智能制造演進的3個基本范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造[8]。從本質(zhì)上講，智能工程建設(shè)也屬于一種大型定制化的智能制造形式，因此油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系可在已有基本范式基礎(chǔ)上明確符合油氣管網(wǎng)工程建設(shè)實際特征的發(fā)展階段。在此基礎(chǔ)上，還需要制定每個發(fā)展階段詳細的應(yīng)用模式，從而指導(dǎo)油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)不同發(fā)展階段的技術(shù)應(yīng)用。

3.5" " 實施途徑

實施途徑應(yīng)主要明確實施油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的基本實施原則和實施路線。

在實施原則方面，劉強[9]在分析總結(jié)智能制造體系特點的基礎(chǔ)上，提出了實施智能制造的“三要三不要”基本原則，得到了業(yè)界廣泛認可。以此為參考，結(jié)合油氣管網(wǎng)工程建設(shè)實際，可提出油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)實施的“三要三不要”原則。

3.5.1" " “三不要”原則

1）不要在落后的技術(shù)基礎(chǔ)上搞數(shù)字化。設(shè)計方法、施工工藝及裝備技術(shù)落后，是不具備數(shù)字化基礎(chǔ)的，數(shù)字化必須有配套的技術(shù)基礎(chǔ)才能夠?qū)嵤?/p>

2）不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化。必須在科學的工程項目管理體系基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息化。

3）不要在不具備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)時搞智能化。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是智能化工程建設(shè)的必要支撐。

3.5.2" " “三要”原則

1）標準體系要先行。標準體系的前瞻性與規(guī)范性可以決定智能工程建設(shè)體系發(fā)展的高度及適用性，是應(yīng)該首先完善的部分。

2）支撐基礎(chǔ)要強化?；A(chǔ)理論和支撐技術(shù)是體系發(fā)展的基石，是應(yīng)當強化發(fā)展的部分。

3）數(shù)字孿生理解要全面。工程建設(shè)期不但要完成數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，還應(yīng)探索數(shù)字孿生的應(yīng)用，以數(shù)字孿生模型為核心，實現(xiàn)工程建設(shè)一體化集成與應(yīng)用。

在以上基本原則規(guī)范下，智能工程建設(shè)體系的發(fā)展還需遵循科學合理的實施路線。實施路線的制訂必須在充分的現(xiàn)狀調(diào)研和需求分析基礎(chǔ)上，從基礎(chǔ)技術(shù)和理論建設(shè)入手，實用為主，由易到難，由簡入繁，從局部到整體，從靜態(tài)孤立到動態(tài)互聯(lián)，逐步實現(xiàn)整個體系智能化提升。

3.6" " 總體目標

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)的總體目標是通過智能化體系的應(yīng)用，實現(xiàn)對工程建設(shè)質(zhì)量、進度、成本和安全的有效管控，保障工程高效、安全建設(shè)，交付優(yōu)質(zhì)的智能化油氣管網(wǎng)工程。

高效：通過智能化應(yīng)用，提高工程建設(shè)效率，提高建設(shè)資源利用率，降低各方面成本支出，同時保障工程進度，實現(xiàn)降本增效。

安全：通過對工程現(xiàn)場“人、機、料、法、環(huán)”和信息系統(tǒng)的智能化管控，最大程度保障人員和信息安全。

優(yōu)質(zhì)：交付業(yè)主單位優(yōu)質(zhì)、可靠的智能化工程，支撐油氣管網(wǎng)智能化、智慧化運行維護。

4" " 結(jié)論及展望

油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系的發(fā)展不是一蹴而就的，發(fā)展模式也不是一成不變的，本文只是對油氣管網(wǎng)智能工程建設(shè)體系發(fā)展脈絡(luò)的梳理與思考，目的是為體系發(fā)展提供一定程度的指導(dǎo)。體系后續(xù)發(fā)展規(guī)劃還應(yīng)隨著理論與技術(shù)發(fā)展的實際情況持續(xù)提煉、動態(tài)完善，使之順應(yīng)時代發(fā)展潮流。

參考文獻

[1]" 羅雪峰.中俄東線天然氣管道工程試驗段二期智能工地建設(shè)探索[J]. 石油工程建設(shè)，2018，44（S1）：214-218.

[2]" 鄭海爍，雷立輝，李慶，等.智能工地可視化在管道施工管理上的應(yīng)用探討[J]. 石油規(guī)劃設(shè)計，2019，30（5）：50-52.

[3]" 張世斌，張小俊，賈立東，等.淺析智慧工地在油氣管道站場項目管理中的應(yīng)用[J]. 儀器儀表用戶，2021，28（4）：109-112.

[4]" 王敏，許可嘉. 智能制造各層級的內(nèi)涵及評估要點解析[J]. 儀器儀表標準化與計量，2022（4）：1-3，9.

[5]" 王同軍. 智能鐵路總體架構(gòu)與發(fā)展展望[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2018，27（7）：1-8.

[6]" 曾平良，許曉慧. 堅強智能電網(wǎng)的規(guī)劃與發(fā)展[J]. 國家電網(wǎng)，2013（1）：82-85.

[7]" 尤志嘉，鄭蓮瓊，馮凌俊. 智能建造系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與體系結(jié)構(gòu)[J]. 土木工程與管理學報，2021，38（2）：105-111，118.

[8]" 周濟，李培根，周艷紅，等. 走向新一代智能制造[J]. Engineering，2018，4（1）：28-47.

[9]" 劉強. 智能制造理論體系架構(gòu)研究[J]. 中國機械工程，2020，31（1）：24-36.

基金項目：國家管網(wǎng)集團公司“揭榜掛帥”課題“智慧管網(wǎng)理論和技術(shù)體系研究”（JCGL202109）。

作者簡介：劉宏業(yè)（1992—），男，山東青州人，工程師，2019年畢業(yè)于中國石油大學（華東）石油與天然氣工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事油氣地面工程智能化設(shè)計及研究工作。Email：hongye0204@163.com

收稿日期：2024-09-02