天然氣計(jì)量檢定智能化研究與實(shí)踐

基于西氣東輸管道公司南京計(jì)量測(cè)試中心 “三站一中心”的運(yùn)行管理模式，結(jié)合天然氣計(jì)量檢定分站自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)，探索中高壓天然氣流量計(jì)檢定智能化有效解決方案，尋求計(jì)量行業(yè)智能化水平的整體提升。通過(guò)打通南京、廣州、武漢三地通信數(shù)據(jù)鏈路，搭建計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心，建立智能檢定管理平臺(tái)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)施生產(chǎn)計(jì)劃排程與動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)檢定跨區(qū)域統(tǒng)一管理; 建立精確的計(jì)量檢定站場(chǎng)水力仿真模型，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練智能控制器，開(kāi)發(fā)具備離線和在線功能的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程的虛擬化與檢定數(shù)據(jù)的可視化。

綜上所述，上海自動(dòng)化儀表有限公司致力于打造一座多維度的智能化計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、非常佳決策和實(shí)時(shí)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)檢定計(jì)劃、過(guò)程實(shí)施、質(zhì)量數(shù)據(jù)全面互聯(lián)貫通及共享，確保檢定全生命周期的精確追溯。西氣東輸管道公司南京計(jì)量測(cè)試中心建有中高壓 mt 法原級(jí)-臨界流文丘里噴嘴法次級(jí)-渦輪工作級(jí)一套完備的量值傳遞與溯源體系［1 － 2］，其所轄南京、廣州、武漢三地計(jì)量檢定室承擔(dān)著西氣東輸管道公司和國(guó)內(nèi)華東、華南及華中地區(qū)的中高壓天然氣流量計(jì)檢定任務(wù)。由于地理區(qū)域跨度大，檢定業(yè)務(wù)開(kāi)展、信息共享及收集的難度較大，帶來(lái)管理上的諸多不便。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展［3 － 5］，國(guó)際kao_qian的管道公司已經(jīng)啟動(dòng)數(shù)字孿生體與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，南京計(jì)量測(cè)試中心緊隨技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)展了一系列天然氣計(jì)量檢定智能化研究工作，實(shí)現(xiàn)智能化技術(shù)與檢定業(yè)務(wù)的交互融合。 1 計(jì)量檢定自控系統(tǒng)計(jì)量檢定自控系統(tǒng)包括站控系統(tǒng)、檢定系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心以及檢定管理平臺(tái)等，是智能化建設(shè)的重要載體。

站控系統(tǒng)用于現(xiàn)場(chǎng)工藝控制，包括檢定相關(guān)參數(shù)采集、工藝及控制閥門(mén)、關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)，報(bào)警提示。檢定系統(tǒng)主要包括檢定服務(wù)器、檢定操作工作站，負(fù)責(zé)對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算、量值確認(rèn)、報(bào)表，與站控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊。數(shù)據(jù)中心主要由串口服務(wù)器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、FF 總線采集器等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、核查流量計(jì)、差壓變送器、溫度變送器、壓力變送器以及被檢流量計(jì)流量、溫度、壓力、在線色譜分析儀等的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)的采集、處理，對(duì)站控系統(tǒng)及檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行存 儲(chǔ)、處 理、計(jì) 算、量 值 確 認(rèn)。檢定管理平臺(tái)采用 “互聯(lián)網(wǎng) + ”技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)檢定全過(guò)程管理，包括合同簽訂及下達(dá)、流量計(jì)堆棧 系 統(tǒng) 收 發(fā)、客 戶 服 務(wù)、證 書(shū) 流 轉(zhuǎn) 等 環(huán) 節(jié) 管理等。

以上系統(tǒng)遵照信息安全相關(guān)要求，部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，通過(guò)傳輸服務(wù)器外網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，滿足各類用戶在內(nèi)、外網(wǎng)環(huán)境下按照授權(quán)訪問(wèn)，通過(guò)多級(jí)防護(hù)保證系統(tǒng)安全。

2 檢定智能化研究與應(yīng)用

2. 1 基于數(shù)據(jù)貫通及共享的計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心

基于南京、廣州、武漢 “三站一中心”的運(yùn)行管理模式，結(jié)合南京分站、廣州分站獨(dú)特的業(yè)務(wù)及管理需求，按照中國(guó)石油集團(tuán)公司計(jì)量發(fā)展規(guī)劃，在南京建設(shè)計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心，以計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，逐步實(shí)現(xiàn)了南京、廣州、武漢三地計(jì)量檢定數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)向計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心的匯聚和高端業(yè)務(wù)集成，構(gòu)建起國(guó)家天然氣領(lǐng)域檢定技術(shù)機(jī)構(gòu) “私有云”雛形。

計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心架構(gòu)選用虛擬化技術(shù)方案，主要由多臺(tái)虛擬機(jī)及虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序組成。軟件系統(tǒng)架構(gòu)中，虛擬化平臺(tái)居于核心位置，為各個(gè)應(yīng)用提供虛擬機(jī)運(yùn)行環(huán)境支持。采用三層架構(gòu)，上層安裝應(yīng)用軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理與分析; 中間層對(duì)集群內(nèi)硬件資源進(jìn)行管理與分配;底層由物理服務(wù)器、交換機(jī)以及存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)建資源池。在服務(wù)器中安裝虛擬軟件能夠克服服務(wù)器資源受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域或物理組態(tài)所限制，打破不同服務(wù)器的不可切割障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)優(yōu)化的方式來(lái)應(yīng)用服務(wù)器資源。

采用虛擬化對(duì)于設(shè)計(jì)、實(shí)施、部署及今后運(yùn)行維護(hù)方面存在巨大優(yōu)勢(shì)，從系統(tǒng)及數(shù)據(jù)安全性上能夠通過(guò)虛擬化技術(shù)在保證系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的無(wú)縫自動(dòng)遷移，保證了系統(tǒng)的可靠性及安全性。

2. 2 基于數(shù)字孿生體的智能檢定

通過(guò)研究合理約束條件設(shè)定，采用水力仿真軟件運(yùn)用工藝管線布局與運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備技術(shù)參數(shù)、檢定數(shù)據(jù)，建立站場(chǎng)工藝流程的局部管網(wǎng)、穩(wěn)態(tài)水力分析模型; 運(yùn)用檢定歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立機(jī)器學(xué)習(xí)算法開(kāi)發(fā)并訓(xùn)練壓力、流量調(diào)節(jié)的智能控制器，建立檢定站優(yōu)化控制分析預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)水力仿真與智能控制器的交互運(yùn)行，預(yù)期達(dá)到水力仿真與智能控制器交互預(yù)測(cè)模型精準(zhǔn)匹配，同時(shí)與站場(chǎng)工控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊。檢定作業(yè)需求下達(dá)至數(shù)字孿生體，通過(guò)智能控制器與仿真模型多次試驗(yàn)迭代，快速實(shí)現(xiàn)多方案優(yōu)劣驗(yàn)證與比對(duì)分析，自動(dòng)計(jì)算非常優(yōu)解。非常優(yōu)解指令下達(dá)至站控系統(tǒng)啟動(dòng)流程智能切換邏輯，按照檢定規(guī)程及校準(zhǔn)規(guī)范開(kāi)展檢定或校準(zhǔn)作業(yè)。在自控系統(tǒng)，建立工藝模擬仿真模型與智能控制器，利用物理模型、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)通過(guò)等比例情景再現(xiàn)真實(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)，集成多物理量的仿真過(guò)程，在虛擬空間完成映射，直觀形象地對(duì)工藝流程進(jìn)行數(shù)字化管理，作為控制模擬及預(yù)測(cè)輔助工具。智能控制器與工藝模擬軟件數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信，共同計(jì)算控制邏輯并將調(diào)整命令發(fā)送至站控系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)閥門(mén)邏輯操作。站控系統(tǒng)以通訊方式將數(shù)據(jù)傳遞給檢定系統(tǒng)，進(jìn)行檢定數(shù)據(jù)計(jì)算，上傳至數(shù)據(jù)中心，技術(shù)路線。

基于數(shù)字孿生體的智能檢定可全方位、多角度、多維度展示檢定全過(guò)程，直觀動(dòng)態(tài)反映設(shè)備、區(qū)域等資源狀態(tài)，深入細(xì)化仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，輔助檢定質(zhì)量追溯定位問(wèn)題根源。實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)行、智能檢定的需求，同時(shí)極大提高檢定作業(yè)的效率。仿真模型與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并行運(yùn)行，確保與實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，直觀展示設(shè)備狀態(tài)及系統(tǒng)性能，全面提升管理可視化水平，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維。

2. 3 基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)計(jì)劃排程與動(dòng)態(tài)調(diào)整

智能檢定管理平臺(tái)能夠統(tǒng)一管理南京、廣州、武漢三地檢定業(yè)務(wù)，包括檢定計(jì)劃制定安排、合同辦理、樣品收發(fā)、檢定校準(zhǔn)作業(yè)操作、檢定校準(zhǔn)證書(shū)流轉(zhuǎn)等業(yè)務(wù)的過(guò)程管理。該系統(tǒng)具備在線系統(tǒng)、APP 系統(tǒng)及微信公眾號(hào) 3 種形式，可通過(guò)在線展示、文件導(dǎo)出、模板打印等多種方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。在制定檢定計(jì)劃時(shí)，檢定管理平臺(tái)將根據(jù)庫(kù)存流量計(jì)數(shù)量和類型，自動(dòng)匹配提出結(jié)合送檢時(shí)間、流量計(jì)技術(shù)參數(shù)核算后的非常優(yōu)拆裝量方案，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)計(jì)劃排程與動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在樣品收發(fā)環(huán)節(jié)，采用立體倉(cāng)庫(kù)的智能堆棧系統(tǒng)，流量計(jì)輸送至入庫(kù)緩存區(qū)，人工完成組盤(pán)后，物料碼綁定，系統(tǒng)分配庫(kù)位，通過(guò)貨型檢測(cè)的物料由堆垛機(jī)搬運(yùn)至指定貨位。立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)中采用負(fù)載均衡，先進(jìn)先出的策略優(yōu)化倉(cāng)儲(chǔ)管理，使整個(gè)流量計(jì)倉(cāng)儲(chǔ)的運(yùn)作流程、信息處理等達(dá)到迅速、準(zhǔn) 確、及 時(shí) 的 效 果，入 出 庫(kù) 管 理、盤(pán)庫(kù)、報(bào)表等工作量變得簡(jiǎn)單快捷，減少人工操作出現(xiàn)的錯(cuò)誤率，完成檢定收發(fā)環(huán)節(jié)的雙向追溯和跟蹤。檢定管理平臺(tái)與智能堆棧系統(tǒng)交互，全面提升了分站管理工作的系統(tǒng)化、規(guī)范化、自動(dòng)化水平，提高了工作效率和管理水平，避免了重復(fù)勞動(dòng)，間接降低了勞動(dòng)成本。

2. 4 基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程質(zhì)量控制

計(jì)量檢定過(guò)程的質(zhì)量控制主要包括標(biāo)準(zhǔn)裝置參數(shù)有效性核查、檢定過(guò)程與證書(shū)數(shù)據(jù)判斷與處理、標(biāo)準(zhǔn)裝置及配套設(shè)施計(jì)的全生命周期管理。標(biāo)準(zhǔn)裝置參數(shù)有效性核查將檢定過(guò)程產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)矩陣。每一個(gè)行向量作為一條獨(dú)立的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置行為數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析與頻繁模式識(shí)別方法對(duì)歷史流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的行為數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)模式識(shí)別。

檢定過(guò)程與證書(shū)數(shù)據(jù)判斷與處理是將在線核查判據(jù)作為中止檢定作業(yè)的觸發(fā)條件，增加粗大誤差剔除、報(bào)警值剔出功能。被檢流量計(jì)聲速核查數(shù)據(jù)、參數(shù)修正后核驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍作為被檢流量計(jì)狀態(tài)性能判斷指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)電子化存檔，為用戶提供增值服務(wù)，預(yù)判流量計(jì)生命周期，對(duì)運(yùn)行使用數(shù)據(jù)質(zhì)量定性分析。標(biāo)準(zhǔn)裝置及配套設(shè)施全生命周期管理是將流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及其配套設(shè)施產(chǎn)生的過(guò)程數(shù)據(jù)誤差與數(shù)據(jù)形成時(shí)間相關(guān)聯(lián)，形成流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量誤差的時(shí)間序列。將前步生成的時(shí)間序列數(shù)據(jù)輸入到預(yù)測(cè)模型后，利用趨勢(shì)分析方法對(duì)未來(lái)一個(gè)或者幾個(gè)周期內(nèi)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而有助于及時(shí)做出狀態(tài)預(yù)判。

2. 5 基于圖像識(shí)別與 VＲ 技術(shù)的的拆裝作業(yè)過(guò)程監(jiān)管

檢定管理平臺(tái)增加了作業(yè)可視化功能，采用防爆移動(dòng)端編制流量計(jì)安裝拆卸作業(yè)票，基于人臉識(shí)別功能和自動(dòng)拍照，用于 APP 登錄、簽字和人員查驗(yàn)管控，作業(yè)前，開(kāi)展 JSA 分析逐步逐項(xiàng)分析風(fēng)險(xiǎn); 作業(yè)中，系統(tǒng)配置操作文件，自動(dòng)按照作業(yè)票卡的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，可隨時(shí)調(diào)取相關(guān)作業(yè)文件查看。按照作業(yè)文件規(guī)范的操作步驟和內(nèi)容，逐一現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，唱票執(zhí)行確認(rèn)，操作人員佩戴 VＲ 眼鏡提示風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)會(huì)記錄各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間、地點(diǎn)、人員、照片取證等信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)過(guò)程的全程管控。作業(yè)后，完成的作業(yè)票卡自動(dòng)存檔，支持在線生成和紙質(zhì)記錄同樣式的作業(yè)許可表格，支持下載打印等功能。生成統(tǒng)計(jì)表，可按照檢定臺(tái)位、作業(yè)完成時(shí)間等分類統(tǒng)計(jì)。拆裝作業(yè)智能監(jiān)管已實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過(guò)程全要素移動(dòng)化管理，詳細(xì)記錄作業(yè)過(guò)程，提高審批工作的及時(shí)性、有效性，加強(qiáng)對(duì)過(guò)程監(jiān)管，積累過(guò)程數(shù)據(jù)的量化管理。

3 結(jié)束語(yǔ)

( 1) 通過(guò)智能化研究與管理，不僅能夠解決“三站一中心”分散管理帶來(lái)的安全管控風(fēng)險(xiǎn)、計(jì)量檢定質(zhì)量管控風(fēng)險(xiǎn)、合規(guī)及獨(dú)立性運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，更能夠極大的提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率，節(jié)約大量的人力、物力資源。

( 2) 所建立的計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心，已形成了行之有效的多結(jié)構(gòu)信息化雛形，同時(shí)計(jì)量檢定數(shù)據(jù)中心留有計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸接口，可為全面提升天然氣計(jì)量檢定行業(yè)整體信息化、自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化水平服務(wù)，為天然氣計(jì)量檢定領(lǐng)域構(gòu)建全國(guó)一體化的數(shù)據(jù)管控中心，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

( 3) 未來(lái)，檢定機(jī)構(gòu)將進(jìn)一步建立融合邊緣計(jì)算與云端計(jì)算的一體化平臺(tái)，上海自動(dòng)化儀表有限公司采用大平臺(tái)、虛擬化應(yīng)用模式提高大數(shù)據(jù)的處理能力，旨在全面挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、決策，助推早日實(shí)現(xiàn)計(jì)量領(lǐng)域服務(wù)與信息的同時(shí)交付。