天然氣計量檢定智能化研究與實踐

基于西氣東輸管道公司南京計量測試中心 “三站一中心”的運行管理模式，結合天然氣計量檢定分站自身業(yè)務特點，探索中高壓天然氣流量計檢定智能化有效解決方案，尋求計量行業(yè)智能化水平的整體提升。通過打通南京、廣州、武漢三地通信數(shù)據(jù)鏈路，搭建計量檢定數(shù)據(jù)中心，建立智能檢定管理平臺，運用大數(shù)據(jù)技術實施生產(chǎn)計劃排程與動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)檢定跨區(qū)域統(tǒng)一管理; 建立精確的計量檢定站場水力仿真模型，運用機器學習算法訓練智能控制器，開發(fā)具備離線和在線功能的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)檢定過程的虛擬化與檢定數(shù)據(jù)的可視化。

綜上所述，上海自動化儀表有限公司致力于打造一座多維度的智能化計量檢定機構，實現(xiàn)檢定過程的動態(tài)預測、非常佳決策和實時響應，實現(xiàn)檢定計劃、過程實施、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量測試中心建有中高壓 mt 法原級-臨界流文丘里噴嘴法次級-渦輪工作級一套完備的量值傳遞與溯源體系［1 － 2］，其所轄南京、廣州、武漢三地計量檢定室承擔著西氣東輸管道公司和國內(nèi)華東、華南及華中地區(qū)的中高壓天然氣流量計檢定任務。由于地理區(qū)域跨度大，檢定業(yè)務開展、信息共享及收集的難度較大，帶來管理上的諸多不便。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實技術的迅猛發(fā)展［3 － 5］，國際kao_qian的管道公司已經(jīng)啟動數(shù)字孿生體與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設，南京計量測試中心緊隨技術發(fā)展趨勢，開展了一系列天然氣計量檢定智能化研究工作，實現(xiàn)智能化技術與檢定業(yè)務的交互融合。 1 計量檢定自控系統(tǒng)計量檢定自控系統(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等，是智能化建設的重要載體。

站控系統(tǒng)用于現(xiàn)場工藝控制，包括檢定相關參數(shù)采集、工藝及控制閥門、關鍵點參數(shù)，報警提示。檢定系統(tǒng)主要包括檢定服務器、檢定操作工作站，負責對檢定數(shù)據(jù)進行處理、計算、量值確認、報表，與站控系統(tǒng)實時通訊。數(shù)據(jù)中心主要由串口服務器、工業(yè)計算機、FF 總線采集器等設備組成，負責對計量檢定標準流量計、核查流量計、差壓變送器、溫度變送器、壓力變送器以及被檢流量計流量、溫度、壓力、在線色譜分析儀等的現(xiàn)場測量信號的采集、處理，對站控系統(tǒng)及檢定數(shù)據(jù)進行存 儲、處 理、計 算、量 值 確 認。檢定管理平臺采用 “互聯(lián)網(wǎng) + ”技術實現(xiàn)流量計檢定全過程管理，包括合同簽訂及下達、流量計堆棧 系 統(tǒng) 收 發(fā)、客 戶 服 務、證 書 流 轉(zhuǎn) 等 環(huán) 節(jié) 管理等。

以上系統(tǒng)遵照信息安全相關要求，部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，通過傳輸服務器外網(wǎng)端口實現(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)境下按照授權訪問，通過多級防護保證系統(tǒng)安全。

2 檢定智能化研究與應用

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

基于南京、廣州、武漢 “三站一中心”的運行管理模式，結合南京分站、廣州分站獨特的業(yè)務及管理需求，按照中國石油集團公司計量發(fā)展規(guī)劃，在南京建設計量檢定數(shù)據(jù)中心，以計量檢定數(shù)據(jù)中心為基礎，逐步實現(xiàn)了南京、廣州、武漢三地計量檢定數(shù)據(jù)及業(yè)務向計量檢定數(shù)據(jù)中心的匯聚和高端業(yè)務集成，構建起國家天然氣領域檢定技術機構 “私有云”雛形。

計量檢定數(shù)據(jù)中心架構選用虛擬化技術方案，主要由多臺虛擬機及虛擬機上的應用程序組成。軟件系統(tǒng)架構中，虛擬化平臺居于核心位置，為各個應用提供虛擬機運行環(huán)境支持。采用三層架構，上層安裝應用軟件，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理與分析; 中間層對集群內(nèi)硬件資源進行管理與分配;底層由物理服務器、交換機以及存儲設備構建資源池。在服務器中安裝虛擬軟件能夠克服服務器資源受現(xiàn)有資源的架設方式、地域或物理組態(tài)所限制，打破不同服務器的不可切割障礙，使用戶可以比原本的組態(tài)優(yōu)化的方式來應用服務器資源。

采用虛擬化對于設計、實施、部署及今后運行維護方面存在巨大優(yōu)勢，從系統(tǒng)及數(shù)據(jù)安全性上能夠通過虛擬化技術在保證系統(tǒng)不間斷運行的前提下，實現(xiàn)虛擬機的無縫自動遷移，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

通過研究合理約束條件設定，采用水力仿真軟件運用工藝管線布局與運行數(shù)據(jù)、設備技術參數(shù)、檢定數(shù)據(jù)，建立站場工藝流程的局部管網(wǎng)、穩(wěn)態(tài)水力分析模型; 運用檢定歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)，建立機器學習算法開發(fā)并訓練壓力、流量調(diào)節(jié)的智能控制器，建立檢定站優(yōu)化控制分析預測方法，實現(xiàn)水力仿真與智能控制器的交互運行，預期達到水力仿真與智能控制器交互預測模型精準匹配，同時與站場工控系統(tǒng)實時通訊。檢定作業(yè)需求下達至數(shù)字孿生體，通過智能控制器與仿真模型多次試驗迭代，快速實現(xiàn)多方案優(yōu)劣驗證與比對分析，自動計算非常優(yōu)解。非常優(yōu)解指令下達至站控系統(tǒng)啟動流程智能切換邏輯，按照檢定規(guī)程及校準規(guī)范開展檢定或校準作業(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、運行歷史數(shù)據(jù)通過等比例情景再現(xiàn)真實的生產(chǎn)狀態(tài)，集成多物理量的仿真過程，在虛擬空間完成映射，直觀形象地對工藝流程進行數(shù)字化管理，作為控制模擬及預測輔助工具。智能控制器與工藝模擬軟件數(shù)據(jù)實時通信，共同計算控制邏輯并將調(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)，進行檢定數(shù)據(jù)計算，上傳至數(shù)據(jù)中心，技術路線。

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程，直觀動態(tài)反映設備、區(qū)域等資源狀態(tài)，深入細化仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計，輔助檢定質(zhì)量追溯定位問題根源。實現(xiàn)了智能運行、智能檢定的需求，同時極大提高檢定作業(yè)的效率。仿真模型與現(xiàn)實系統(tǒng)并行運行，確保與實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，直觀展示設備狀態(tài)及系統(tǒng)性能，全面提升管理可視化水平，便于遠程監(jiān)控與運維。

2. 3 基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)計劃排程與動態(tài)調(diào)整

智能檢定管理平臺能夠統(tǒng)一管理南京、廣州、武漢三地檢定業(yè)務，包括檢定計劃制定安排、合同辦理、樣品收發(fā)、檢定校準作業(yè)操作、檢定校準證書流轉(zhuǎn)等業(yè)務的過程管理。該系統(tǒng)具備在線系統(tǒng)、APP 系統(tǒng)及微信公眾號 3 種形式，可通過在線展示、文件導出、模板打印等多種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。在制定檢定計劃時，檢定管理平臺將根據(jù)庫存流量計數(shù)量和類型，自動匹配提出結合送檢時間、流量計技術參數(shù)核算后的非常優(yōu)拆裝量方案，實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)計劃排程與動態(tài)調(diào)整。

在樣品收發(fā)環(huán)節(jié)，采用立體倉庫的智能堆棧系統(tǒng)，流量計輸送至入庫緩存區(qū)，人工完成組盤后，物料碼綁定，系統(tǒng)分配庫位，通過貨型檢測的物料由堆垛機搬運至指定貨位。立體倉庫系統(tǒng)中采用負載均衡，先進先出的策略優(yōu)化倉儲管理，使整個流量計倉儲的運作流程、信息處理等達到迅速、準 確、及 時 的 效 果，入 出 庫 管 理、盤庫、報表等工作量變得簡單快捷，減少人工操作出現(xiàn)的錯誤率，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、自動化水平，提高了工作效率和管理水平，避免了重復勞動，間接降低了勞動成本。

2. 4 基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的過程質(zhì)量控制

計量檢定過程的質(zhì)量控制主要包括標準裝置參數(shù)有效性核查、檢定過程與證書數(shù)據(jù)判斷與處理、標準裝置及配套設施計的全生命周期管理。標準裝置參數(shù)有效性核查將檢定過程產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)建立關聯(lián)數(shù)據(jù)矩陣。每一個行向量作為一條獨立的流量標準裝置行為數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析與頻繁模式識別方法對歷史流量標準裝置的行為數(shù)據(jù)進行關聯(lián)模式識別。

檢定過程與證書數(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、報警值剔出功能。被檢流量計聲速核查數(shù)據(jù)、參數(shù)修正后核驗數(shù)據(jù)范圍作為被檢流量計狀態(tài)性能判斷指標，實現(xiàn)電子化存檔，為用戶提供增值服務，預判流量計生命周期，對運行使用數(shù)據(jù)質(zhì)量定性分析。標準裝置及配套設施全生命周期管理是將流量標準裝置及其配套設施產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)誤差與數(shù)據(jù)形成時間相關聯(lián)，形成流量標準裝置計量誤差的時間序列。將前步生成的時間序列數(shù)據(jù)輸入到預測模型后，利用趨勢分析方法對未來一個或者幾個周期內(nèi)流量標準裝置的計量性能進行預測，從而有助于及時做出狀態(tài)預判。

2. 5 基于圖像識別與 VＲ 技術的的拆裝作業(yè)過程監(jiān)管

檢定管理平臺增加了作業(yè)可視化功能，采用防爆移動端編制流量計安裝拆卸作業(yè)票，基于人臉識別功能和自動拍照，用于 APP 登錄、簽字和人員查驗管控，作業(yè)前，開展 JSA 分析逐步逐項分析風險; 作業(yè)中，系統(tǒng)配置操作文件，自動按照作業(yè)票卡的內(nèi)容實現(xiàn)關聯(lián)，可隨時調(diào)取相關作業(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)場核對，唱票執(zhí)行確認，操作人員佩戴 VＲ 眼鏡提示風險。系統(tǒng)會記錄各節(jié)點的時間、地點、人員、照片取證等信息，可實現(xiàn)對作業(yè)過程的全程管控。作業(yè)后，完成的作業(yè)票卡自動存檔，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)計表，可按照檢定臺位、作業(yè)完成時間等分類統(tǒng)計。拆裝作業(yè)智能監(jiān)管已實現(xiàn)了作業(yè)過程全要素移動化管理，詳細記錄作業(yè)過程，提高審批工作的及時性、有效性，加強對過程監(jiān)管，積累過程數(shù)據(jù)的量化管理。

3 結束語

( 1) 通過智能化研究與管理，不僅能夠解決“三站一中心”分散管理帶來的安全管控風險、計量檢定質(zhì)量管控風險、合規(guī)及獨立性運營風險，更能夠極大的提升機構運行效率，節(jié)約大量的人力、物力資源。

( 2) 所建立的計量檢定數(shù)據(jù)中心，已形成了行之有效的多結構信息化雛形，同時計量檢定數(shù)據(jù)中心留有計量檢定機構數(shù)據(jù)傳輸接口，可為全面提升天然氣計量檢定行業(yè)整體信息化、自動化、智能化、數(shù)字化水平服務，為天然氣計量檢定領域構建全國一體化的數(shù)據(jù)管控中心，奠定了技術基礎。

( 3) 未來，檢定機構將進一步建立融合邊緣計算與云端計算的一體化平臺，上海自動化儀表有限公司采用大平臺、虛擬化應用模式提高大數(shù)據(jù)的處理能力，旨在全面挖掘數(shù)據(jù)價值，利用數(shù)據(jù)進行分析、決策，助推早日實現(xiàn)計量領域服務與信息的同時交付。