數字燃氣的概念、范疇、理論及核心技術

摘要

摘　要：本文對數字燃氣的概念做出了正式的定義，并對數字燃氣的范疇、理論、核心技術等進行了初步的探討。關鍵詞：數字燃氣智慧燃氣五層管理架構三維數字燃氣模型數字燃氣核

摘　要：本文對數字燃氣的概念做出了正式的定義，并對數字燃氣的范疇、理論、核心技術等進行了初步的探討。

關鍵詞：數字燃氣智慧燃氣五層管理架構三維數字燃氣模型數字燃氣核心技術

Concept，Scope，Theory and Technology of Digital Gas

Abstract：This article tries to formally define the concept of digital gas，and discusses the scope，theory，and technology of digital gas．

Keywords：Digital Gas Smart Gas Five-layer Management Infrastructure three-dimensional Digital Gas Model Key Technology of Digital Gas

1　前言

隨著燃氣業(yè)務的發(fā)展，燃氣公司越來越需要現代化的管理技術的幫助，以便更好地實現客戶服務、精細管理、安全生產、利潤最大的企業(yè)管理目標。信息化技術、物聯網技術、自動控制技術、無線通訊技術等新技術的發(fā)展為實現上述目的提供了有力的技術手段。目前燃氣行業(yè)廣為采用的GIS技術、SCADA技術、衛(wèi)星定位技術、無線終端技術、云計算技術、系統(tǒng)集成技術等，都是以數字技術作為基礎，或者說以數字燃氣作為基礎。

另一方面，近來國家大量提倡搞智慧城市，以數字化方式實現城市管理的智能化。智慧燃氣，與智慧城市的其它方面一樣，都是以數字技術為基礎，結合其它技術實現燃氣管理智能化。當前國家提倡的信息化與工業(yè)化的“兩化”融合，其核心也是數字化，通過數字技術手段實現“兩化”融合。、

綜合以上討論，我們認為：新技術在燃氣行業(yè)的應用、智慧城市、“兩化”融合等技術發(fā)展，都是以數字化作為核心技術。數字化，或者說數字燃氣。是燃氣管理現代化的核心。鑒于目前對數字燃氣的正式研究還比較少，有必要對數字燃氣的概念、范疇、內容、技術等加以研究，以適應燃氣行業(yè)管理現代化的需要。

2　數字燃氣概論

2．1　數字燃氣的定位

我們將燃氣公司的工作領域劃分為技術與管理兩部分。在技術方面，又劃分為燃氣專業(yè)技術及燃氣管理技術兩部分。燃氣管理技術為燃氣公司的經營管理提供技術支持，數字燃氣是燃氣管理技術的支撐技術，為燃氣公司經營管理提供數字化技術支持手段。圖1是數字燃氣在燃氣行業(yè)中所處的定位的說明。

2．2　數字燃氣的概念

我們認為，數字燃氣是指采用信息化技術、自動控制技術、物聯網技術、互聯網技術、移動通訊技術、云計算技術等先進技術手段實現燃氣行業(yè)生產、經營、安全、決策等各個層面的智能化管理的技術體系。數字燃氣是技術體系，不是一門單一的技術，是多種技術集成在一起的以實現燃氣管理智能化的綜合性技術。

2．3　數字燃氣的范疇

數字燃氣在軟件方面包含戰(zhàn)略決策層、經營管理層、業(yè)務運營層三個層面的內容，硬件方面包含基礎設施層、數據采取與控制層兩個層面。除此之外，我們認為數據燃氣還應當包括燃氣公司的數據規(guī)范的制定、技術標準體系的制定、信息安全管理、IT治理與管控，以及系統(tǒng)集成架構的建設等內容。圖2是數字燃氣范疇的示意圖。

2．4　數字燃氣的建設目的

實現燃氣公司管理的數字化的目的主要有以下幾個方面：

(1)提高燃氣公司戰(zhàn)略決策的合理性及正確性：通過數字燃氣提供的技術手段，挖掘燃氣公司的業(yè)務經營數據，為燃氣公司領導做決策提供數據支持；

(2)提高燃氣公司經營管理水平，實現公司管理的規(guī)范化：

(3)提高燃氣公司業(yè)務管理水平，實現業(yè)務的精細化管理：通過數字燃氣提供的各種技術手段，實現對燃氣業(yè)務的精細化管理。精細化管理指不僅對業(yè)務結果進行管理，對業(yè)務實現的過程也進行管理，確保業(yè)務按照燃氣公司指定的方式進行；

(4)提高客戶滿意度：通過各種數字化手段，確保燃氣公司能夠最大限度滿足客戶需求，提高客戶滿意度；

(5)提高燃氣公司安全管理水平，實現燃氣安全的科學管理：通過采用各種技術手段，實現對燃氣管道、閥井閥室、場站等設施的遠程監(jiān)控，防止安令事故的發(fā)生。

2．5　數字燃氣涉及的主要技術

數字燃氣涉及到信息化技術、物聯網技術、自動控制技術、互聯網技術、移動通訊技術、云計算技術等。

信息化技術是數字燃氣的核心，信息化技術為數字燃氣的實現提高最基本的手段。在數字燃氣中，信息化技術主要包括軟件開發(fā)技術、數據庫技術、系統(tǒng)集成技術、服務器、計算機及手持終端等。物聯網技術為遠程監(jiān)控、物體標識提供技術手段。物聯網技術中的傳感器技術是遠程監(jiān)控的基礎，足信息采集的源泉；物聯網技術的RFID技術，是標識設備的一種有效的方式。自動控制技術是遠程閥門控制、遠程調壓等應用的技術基礎，是實現燃氣智能化的關鍵?；ヂ摼W技術為燃氣行業(yè)的信息傳遞提供媒介，互聯網技術是遠程訪問、遠程數據傳輸的技術基礎。移動通訊技術為遠程監(jiān)控、現場作業(yè)等業(yè)務提供無線通信手段。云計算技術為集團型燃氣公司提供基于云的燃氣信息化平臺，統(tǒng)一處理集團內各公司的業(yè)務。燃氣公司可通過云平臺的建設節(jié)約IT投資，減少維護工作。

3　數字燃氣理論體系

3．1　五層建設架構

我們將燃氣公司數字燃氣的建設內容劃分為戰(zhàn)略決策、經營管理、業(yè)務運營、基礎設施、數據采集與控制五個層次，如圖3所示。其中上而三層屬于軟件系統(tǒng)范疇，下面兩層屬于硬件設施范疇。

戰(zhàn)略決策層涉及燃氣公司對經營方向作決策需要的信息化支持手段。戰(zhàn)略決策層的目的是為公司管理層提供公司經營現狀的數據的整合和深度挖掘，實現總部層面的戰(zhàn)略管理分析和監(jiān)控，為公司高級管理層做出正確的戰(zhàn)略決策提供強有力的數據支撐。戰(zhàn)略決策層包含管理合并系統(tǒng)、財務合并系統(tǒng)、商業(yè)智能系統(tǒng)、投資分析系統(tǒng)等應用系統(tǒng)。

經營管理層涉及到燃氣公司的非燃氣業(yè)務方面的經營管理層包含資金管理、預算管理、核算管理、審計與風險管理、資產管理、人事管理、協同辦公、企業(yè)門戶等應用系統(tǒng)。

業(yè)務運營層主要包括燃氣公司與燃氣業(yè)務相關的業(yè)務的管理及信息化支持。主要涉及客戶管理、輸配管理、生產管理、安全管理四部分。

基礎設施層包含數字燃氣需要的IT基礎設施，如網絡、機房、服務器、災備中心，也包含燃氣業(yè)務管理需要的其它基礎設施，如呼叫中心、大屏幕調度中心等。

數據采集與控制層包含業(yè)務數據的采集及自動化控制兩方面。業(yè)務數據采集包含遠程自動化數據采集及各種應用系統(tǒng)的數據錄入兩部分。

從數據采集量來看，越是下面的層次，數據采集量越大，越是上面的層次，智能化程度越高。

3．2　標準體系

燃氣公司在建設數字燃氣系統(tǒng)過程中，應當逐漸統(tǒng)一信息技術，數寧燃氣系統(tǒng)應當逐漸往統(tǒng)一的信息技術標準靠攏，以實現不同系統(tǒng)之間的數據交換及系統(tǒng)集成。

在燃氣行業(yè)，主要的技術標準包括SCADA技術標準、GIS系統(tǒng)技術標準、通訊協議等。雖然每個燃氣公司的標準可能不一樣，但是每個公司應當有自己的標準。

3．3　數據規(guī)范

燃氣公司的業(yè)務數據很多，同一業(yè)務對象，如客戶，在不同系統(tǒng)中可能有不同的編碼。由于編碼不同，不同系統(tǒng)之間交換數據很網難。因此，燃氣公司應當制定統(tǒng)一的數據規(guī)范，對主要的業(yè)務數據做出統(tǒng)一的編碼，并逐步更新應用系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的編碼。更進一步，燃氣公司應當建立公司主數據庫，對重要業(yè)務數據只保存一套數據，不同系統(tǒng)通過訪問主數據庫得到需要的數據并進行處理。通過主數據庫，燃氣公司可避免不同系統(tǒng)之間數據不能交換的問題，避免出現信息孤島。

3．4　信息安全管理

數字燃氣建設不可避免地涉及到信息安全管理問題。對現代燃氣公司來說，信息安全是非常重要的，燃氣公司有必要建立一套完整的信息安全管理機制，確保信息的安全。在信息安全建設方面，燃氣公司應：(1)建立信息安全管理的總體架構；(2)提高信息安全管理水平；(3)提高信息安全技術水平。

3．5　IT管控

在燃氣公司，燃氣數字化建設主要由IT部門牽頭。IT部門本身的管理好壞，也關系到數字燃氣建設的成敗，因此，IT管控也是燃氣公司需要重視的。IT管控主要目的是提高IT管理的四項基本能力：規(guī)劃能力、安全管理能力、服務管理能力、項目管理能力。IT管控需要建立正式的有效的IT管控流程，設計合理的IT部門架構。通過IT管控流程的建立，燃氣公司才能提高IT管理的四項基本能力。

3．6　系統(tǒng)集成架構

在數字燃氣建設過程中，燃氣公司建立了很多應用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能由不同廠家提供，彼此之間數據無法共享，業(yè)務也是針對單一業(yè)務，不能實現業(yè)務流程的協同。燃氣公司在數字化建設達到一定階段后，應當建立公司統(tǒng)一的系統(tǒng)集成架構，將不同系統(tǒng)集成到一起，實現數據共享，實現業(yè)務之間的協同，達到業(yè)務驅動數據的工作方式。系統(tǒng)集成架構不僅將已經建成的系統(tǒng)集成到一起，也應當為未來要建設的系統(tǒng)提供開發(fā)平臺，以保證新開發(fā)的系統(tǒng)與老系統(tǒng)的無縫集成。

3．7　數字燃氣建設步驟

數字燃氣的建設應當采用先規(guī)劃后建設的行業(yè)先進模式，避免出現盲目建設、重復建設、信息孤島的問題。具體來說，應當先做總體規(guī)劃，在總體規(guī)劃指導下，進行應用系統(tǒng)建設，再做全面培訓，最后是技術支持。圖4是數字燃氣建設步驟的說明。

3．8　數字燃氣的三維模型

根據以上討論，我們可以按照管理、建設、時間三個維度來建立一個三維的數字燃氣建設模型，這樣可以形象地描述燃氣集團(公司)的數字燃氣建設的階段與狀態(tài)，圖5所示。

4　數字燃氣核心技術

4．1　數字燃氣涉及到的技術學科

從現在數字燃氣的應用來看，數字燃氣主要涉及到信息化技術、物聯網技術、自動控制技術、互聯網技術、移動通訊技術、云計算技術等。隨著數字燃氣技術的發(fā)展，將來也可能涉及到其它技術學科。

4．2　數字燃氣的核心技術

前面我們討論了數字燃氣涉及的學科，這些學科中數字燃氣用到的核心技術包括GIS技術、SCADA技術、衛(wèi)星定位技術、無線通訊技術、傳感器技術、RFID技術、云技術、系統(tǒng)集成技術等。下面我們介紹這些技術及其應用。

(1)GIS技術：GIS技術主要應用在管道定位、管網分析、停氣分析、設備定位、巡線人員定位及巡線軌跡回放、SC ADA監(jiān)控點定位、管道完整性管理、工程項日定位等。目前市場上主要的GIS系統(tǒng)包括ArcGIS、MapInfo、超圖、MapGIS等，Google等公司也提供免費的GIS地圖支持。

(2)SCADA技術：SCADA(監(jiān)控及數據獲取)系統(tǒng)是目前燃氣公司廣為采用的遠程場站監(jiān)控系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)采用傳感器技術采集數據，通過有線或無線方式將數據傳輸數據并對數據進行分析展示，并在有異常的情況下報警。SCADA系統(tǒng)主要應用在遠程工業(yè)表監(jiān)控、場站監(jiān)控、密閉空間監(jiān)控、管道防第三方破壞、閥井閥室監(jiān)控等。

目前市場上主要的組態(tài)軟國外有iFix、InTouch、citech、WinCC等，國內有三維力控、世紀星、態(tài)神等。

(3)衛(wèi)星定位技術：衛(wèi)星定位技術采用衛(wèi)星定位方式獲取當前位置。衛(wèi)星定位技術主要應用在管網巡線系統(tǒng)、安檢巡檢系統(tǒng)、設備巡檢系統(tǒng)、現場作業(yè)管理系統(tǒng)等移動作業(yè)系統(tǒng)。

(4)燃氣行業(yè)主要采用美同的GPS衛(wèi)星定位技術，我國的北斗衛(wèi)星也可提供衛(wèi)星定位信息，但是目前商業(yè)上用得較少。

(5)無線通訊技術：燃氣行業(yè)采用的無線通訊技術主要包括GPRS、CDMA、3G、4G、WiFi、Zigbee等技術。無線通訊技術主要應用在遠程抄表、SCADA遠程數據傳輸、搶險維修視頻信號傳送、巡線系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)、現場作業(yè)系統(tǒng)等。

(6)傳感器技術：采用各種傳感器采集物理信息，通過有線或無線手段將信息傳輸到應用層，對信息進行相應處理。傳感器主要應用在SCADA系統(tǒng)中，如防第三方破壞、工業(yè)表監(jiān)控、密閉空間監(jiān)控、無人值守場站監(jiān)控、閥井閥室監(jiān)控等。

(7)RFID技術：RFID(無線射頻)技術以RFID標簽唯一標識物體，通過無線射頻掃描RFID標簽，得到物體編號。RFID主要應用在安檢系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、鋼瓶管理系統(tǒng)、現場作業(yè)系統(tǒng)等應用。

(8)云計算技術：云計算技術在燃氣行業(yè)的應用主要包括兩方面，一個是通過虛擬服務器實現燃氣公司服務器資源利用率的最大化；對于集團公司，通過云平臺向子公司提供業(yè)務服務，節(jié)約IT投資，減少維護工作。

(9)系統(tǒng)集成技術：系統(tǒng)集成的核心技術包括SOA架構、ESB企業(yè)服務總線、可視化工作流引擎、主數據、單點巹陸、企業(yè)門戶等。通過系統(tǒng)集成技術可將燃氣公司應用系統(tǒng)集成起來，實現數據共享及業(yè)務流程的協同。目前比較著名的系統(tǒng)集成平臺有Cordvs、IBM、以及我國的普元等。

5　數字燃氣發(fā)展方向

5．1　GIS技術

GIS技術的主要發(fā)展方向是從單一的管道管理朝其它應用發(fā)展，如管網巡線、設備巡檢、民用戶及工商戶安檢、現場作業(yè)、SCADA系統(tǒng)、管道完整性管理系統(tǒng)等。在技術上，各種管道模型的出現，提高了GIS系統(tǒng)對真實管道及設備的模擬能力，比如APDM模型，就是一種比較好的管道模型。

5．2　遠程監(jiān)控技術

遠程監(jiān)控技術的發(fā)展主要在監(jiān)控應用擴大、新的傳感器技術、及展現形式的進步三個方面。在監(jiān)控應用方面，從以前單一的場站監(jiān)控發(fā)展到防第三方破壞、密閉空間監(jiān)控、閥井閥室監(jiān)控、無人值守站場監(jiān)控、戶內燃氣泄漏監(jiān)控等領域；在傳感器技術方面，光纖振動傳感器、氣體光柵傳感器等新傳感器的出現，使得防第三方破壞、密閉空間監(jiān)控更加方便有效；在展現形式方而，三維展現、GIS定位等方式，提高了遠程監(jiān)控的可視性。

5．3　現場作業(yè)

在現場作業(yè)方面，新的發(fā)展方向主要在GPS定位技術的應用、GIS地圖展示、無線終端的使用三個方面。GPS定位技術目前已經廣泛應用到巡線、設備巡檢、安檢、工程作業(yè)等業(yè)務，以實現興趣點的準確定位。GIS地圖被用于展現現場作業(yè)人員當前位置及作業(yè)軌跡。由于無線終端技術的發(fā)展及無線通訊技術的打造，手機、平板電腦、手持儀被廣泛用于現場作業(yè)，實現現場作業(yè)的無線化。

5．4　指揮調度及應急搶險

燃氣行業(yè)指揮調度及應急搶險工作的主要發(fā)展方向在無線視頻轉播、無線終端的使用、大屏幕指揮調度中心幾個方而。隨著無線通訊技術的發(fā)展，叮通過3G或4G技術實現現場的視頻轉播。無線終端技術如智能手機、平板電腦的出現，使得采用無線終端實現工單下載、填寫搶險報告、拍照等成為可能。指揮調度中心大屏幕顯示技術從過去拼接屏技術發(fā)展到微晶屏、無縫LED技術，視覺效果更加完美。

5．5　管道完整性管理系統(tǒng)

管道完整性管理系統(tǒng)的發(fā)展主要在數據獲取方式、數據存儲模型、GIS地理展示、協同工作流等幾個方面。管道及相關數據獲取可采用多種方式，如GIS地理系統(tǒng)、GPS巡線系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、現場作業(yè)系統(tǒng)、遠程陰極保護數據采集等。數據存儲模型方面主要采用APDM管道模型，能夠更好地模擬管道特性。GIS地理系統(tǒng)也在管道完整性管理中被廣泛應用，如設備及管道管理。由于管道完整性管理是一個集多個工作于一體的復雜的系統(tǒng)，采用協同工作流引擎，將管道管理中各個系統(tǒng)統(tǒng)一協同起來，成為基于工作流的管道完整性管理系統(tǒng)。

5．6　系統(tǒng)集成技術

燃氣公司數字燃氣系統(tǒng)是由很多子系統(tǒng)組成的，這些系統(tǒng)需要通過系統(tǒng)集成技術加以集成，以實現系統(tǒng)之間的數據共享及業(yè)務協同。在系統(tǒng)集成技術方面，主要發(fā)展方向為采用SOA架構做系統(tǒng)集成、系統(tǒng)之間采用ESB總線交換信息、采用可視化工作流引擎、采用成熟的系統(tǒng)集成開發(fā)平臺。SOA(面向服務的架構)架構被廣泛應用于系統(tǒng)集成中，通過將數字系統(tǒng)服務化，以SOA架構集成，實現系統(tǒng)之間的數據共享。ESB(企業(yè)服務總線)技術被廣泛應用于SOA機構中，實現不同系統(tǒng)之間的信息交換。通過可視化工作流引擎，將企業(yè)工作流程加以梳理及同定，將面向單個任務的系統(tǒng)轉化為工作流為載體的協同工作環(huán)境。Cordys、IBM、普元等基于SOA架構及工作流引擎的系統(tǒng)集成平臺為系統(tǒng)集成工作提供了高效的集成開發(fā)平臺。