压力管道作为国家能源重要的运输方式，具有高效、低耗、安全等优势，普遍应用于石油、化工、航空、航天、能源、冶金、城市公用等行业，已经成为中国国民经济和社会发展不可缺少的“生命线”。根据国家发展改革委、国家能源局发布的《中长期油气管网规划》，到2025年，管网规模将达到24万公里，届时全国省市区成品油、天然气干线管网全部连通，国内将迎来新的管道大发展时期。

自2003年冀宁联络线首次提出数字化管道建设目标以来，油气管道行业逐渐向数化方向转型，依托数据采集技术、网络技术、SCADA系统、GIS、遥感等技术手段，形成了数字化设计体系、全生命周期数据库、油气供应保障体系以及风险防控体系等。2018年以中俄东线天然气管道工程建设为标志，中国石油提出建设具备“全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化”能力的智慧管网，力求实现管道运行管理向智能化、精准化方向发展。智慧管网的实现需要多个技术领域的充分融合，集成企业资源计划、工程建设管理系统、管道生产管理系统、管道完整性管理系统等，打通信息孤岛，实现信息互联互通；搭建检测监测架构，开发快速、高效检测技术，实现全面智能感知；建立数据中心，对数据进行集成、清洗、存储、分析，开发数据融合算法，实现智能决策。这与数字孪生理念、目标不谋而合。

应用场景

管道建设方面，数字孪生技术的应用可以实现管道建设方案最优，建设效益最大化。管道建设的过程包括设计与施工，在设计起始阶段，统一数据标准，规范全生命周期数据模型，从源头上消除数据不统一问题；在具体设计环节，可以根据其他类似管道历史数据和试验数据，对设计阶段模型进行验证，减少后期变更频率；在施工阶段，进一步增加数据维度，包括管道属性数据、周边环境数据、施工过程数据、施工记录、检测数据等，通过数据更新不断完善指导施工过程。在站场建设过程中，建立拟购买设备的虚拟体，测试其在管道工艺流程中的可用性和适用性，为选型选商及调试测试提供指导。

安全运行方面，管道利用数字孪生技术，充分融合天地空多维度感知信息，实时获取设备状态、控制参数、工艺参数等信息，根据油气调运任务，结合相关历史数据，对油气调运计划进行仿真、预测分析和迭代优化，使运行过程中的资源配置、设备启停时间、流向优化、节能环保、生产安全等指标达到最优，为“智慧管网”赋能。

维检修方面，管道服务系统根据维检修体系文件、作业指导书、历史数据以及设备设施实时运行状况、管道缺陷发展等进行智能预测，结合ERP 系统中的物料数据，初步制定出维检修工作计划，经过虚拟管道的仿真运行以及管道服务系统的预测与优化，形成最终的工作计划，据此对实体设备或管道本体进行维检修操作。

应急抢险方面，管道数字孪生技术涵盖“事前、事中、事后”全过程分析，管道数字孪生体通过对事故影响、泄露扩散、污染等维度进行分析，预估事故后果，实现运行工况调整、人员和物资调配、维抢修作业等一体化的解决方案，最终形成统一指挥的应急响应机制。

人员培训方面，由于管道的运行和维护安全风险极高，对员工培训是企业安全生产的重要环节，传统的培训偏重于理论知识，学习形式单一。利用数字孪生技术，可在虚拟场景提供真实的操作环境，使职工对设备、管道有深刻的了解，提升学习效率。

通用架构

数字孪生技术贯穿管道的全生命周期各个阶段，在实施数字孪生技术时，北航陶飞教授提出的数字孪生五维模型为行业的应用落地提供了指导意见，作者结合对管道行业的了解和对五维模型的认知，设计了管道数字孪生通用架构，如图1所示。

图1 管道数字孪生通用架构

设计环节、制造环节、使用环节等全生命周期不同的环节，其应用需求不同，故涉及到的具体使能技术不尽相同。所以在具体应用时，需对具体应用需求分析，评估适用于该环节的实施条件，进而确定专用的数字孪生模型，开发特性的关键技术进行实施。实施策略如图2所示。

图2 管道数字孪生实施策略

关键技术

物理实体维度，共性的关键技术有管体、流体、管件、环境等感知技术，以及针对管道缺陷产生原因开发相应的检测技术。

虚拟实体维度，共性的关键技术有工艺、流体、管体、结构、腐蚀、裂纹等方面的机理模型，在线仿真技术，高性能计算技术，模型轻量化技术，深度学习，数据挖掘，多物理场仿真技术，多尺度建模技术，模型降阶技术等。

孪生数据维度，共性的关键技术有数据预处理，包括数据清洗、数据压缩、数据平滑、数据转换等数据处理技术，数据融合技术，数据分析和可视化技术，数据挖掘技术，数据交互技术，数据完整性检查技术，数据安全技术等。

连接维度，共性的关键技术有工业总线、Zigbee、5G、OPC-UA、光纤等通讯技术，边缘计算技术，协议转换技术，应用程序编程接口（API）设计技术，通讯标准和规范等。

应用服务维度，共性的关键技术有资源管理技术、服务描述技术、服务封装技术、服务搜索和匹配技术、服务评价技术、人机交互技术、多用户管理技术、应用开发和微服务技术等。

总结

数字孪生涵盖内容十分广泛，涉及设备全生命周期环节，在应用落地时没有遵循的范式，初接触者很可能理不出头绪。将数字孪生技术在管道上进行落地应用，应以点代面，针对具体的应用场景，探索专用的系统架构及关键技术，例如针对管道建设，需要建立适用于管道设计建设阶段的数字孪生体，针对设计建设涉及到的环节，不断优化关键技术，进行落地实施；而对于监测预警应用场景，其具体架构与关键技术和建设阶段不尽相同，需具体分析和研究。后期，我们针对管道监测预警应用场景，探讨一下专用系统架构及物理实体维度的关键技术。