透视石油管线的千里眼

石油素有黑金的美誉，向来被认为是促进国民经济发展的重要资源。随着现代工业的发展，人们对石油的依赖更加强烈，促使国际市场原油价格持续高位运行。石油资源的重要性，决定了保障石油运输安全研究的必要性，世界各国都在竞相研究这一领域的高新技术产品。我国在这方面的研究起步较晚，仅有二十几年的时间。东北大学电气自动化研究所张化光教授带领课题组研究的课题“流体输送管网的实时数据采集分析方法和高精度泄漏检测定位技术”，历经近十年的时间，在与中石化、中石油两大集团公司密切合作的基础上，成功研制了高精度管道泄漏检测新产品。由于该项目是基于先进的智能监控理论，产品推广短短几年就取得了极大的成功，创造了巨大的经济价值。2008年1月8日，在国家科学技术奖励大会上，这一研究成果获得2007年度国家技术发明二等奖，张化光教授作为成果的第一完成人受到、等党和国家领导人的亲切接见并颁奖。

另辟蹊径，寻找理论突破口

我国属于不可再生能源贫乏型国家，石油资源的固有紧缺和在开发利用过程中的非正常损失以及造成的环境污染，已成为制约我国经济高速、稳定、可持续发展的障碍之一，由不法分子盗窃、生产事故和环境污染造成的经济损失每年高达上百亿。利用高科技手段预防、降低资源流失和环境污染已成为政府和企业的共识。

国外高精度检漏技术大多采用声发射和沿管线加装多套传感器的方法。由于这种方法对管壁材质要求较高，维护困难，不适合我国主要因人为破坏而引发的漏油现象，并且国内管网复杂、管壁材质多样，极大地限制了国外技术的直接应用。

我国管道运输业起步较晚，20世纪90年代中期，检测技术还存在诸多无法解决的技术难点。比如管道泄漏检测与漏点定位原理没有实质突破，尤其是小泄漏量和缓变泄漏的检测定位尚属空白；高效专业的信号采集分析用仪器仪表尚有欠缺管道泄漏实时检测与定位的技术标准尚未建立等等。这些难点导致国内尚未形成系统成熟的检漏理论，也未建立起满意的实际应用系统。两种常见的方法是热油测漏系统、漏磁系统。热油测漏系统由于误报警频繁，正逐渐被更先进的技术所取代；漏磁系统主要用于腐蚀点检测，检修时投入运行，不能实时检测，投资、维护成本高。两项技术整体水平还处于消化吸收和完善提高阶段，人工巡线仍是国内保障管道安全运行的主要手段。

石油泄漏检测技术落后，导致我国管道检测自动化水平普遍较低，盗油现象严重，更重要的是盗油者由于利欲熏心，经常不计后果造成原油大面积泄漏而污染环境、破坏农田。因此，对石油管线实行在线实时监测，及时判断，及时抓捕，确保石油运输管道的安全运行，成为各大油田和石油管道储运公司的一项重要任务。

胜利油田于十多年前开始着手致力于此项研究。他们首先选择的是北京某一公司进行漏油检测，这是国内比较权威的管线检测机构。他们用最先进的检测设备，采用传统的检测方法，进行了一年多的研制，但最终没有取得预期效果。

考虑到传统检测方法可能无法实现管线实时高精度监测，胜利油田开始寻找新的合作伙伴。当时东北大学控制理论与控制工程重点学科在全国排名第一，是东北大学的一块金字招牌。于是胜利油田慕名找到东北大学，寻求合作。东北大学电气自动化研究所刚刚成立，所长张化光教授依托多年的理论研究成果与实际开发经验，正积极寻找高新技术尖端实际难题，双方相见恨晚，一拍即合。

张化光虽然没有见到现场，心里并没有十足的把握，但凭借自己多年来积累的丰富研究经验，自信可以解决这一难题。于是他大胆地与胜利油田签署了一份意向性协议，并立即由于锡纯副教授和黎明博士到油田进行实地调研，考察现场，广泛收集资料。

课题组对收集的资料进行了认真分析和反复思考，认为现场条件复杂，影响因素较多，检漏理论与技术方法不够先进是前一公司失败的主要原因。于是课题组对现场采集的5万多点数据，通过常规和混沌两种建模进行数据分析，发现混沌建模精度要比常规建模高很多。他们意识到，既然采用现成设备加常规计算方法进行检测分析，很难达到预期的结果，还不如另辟蹊径，寻找新的理论来解决问题。

开传统的检测方法，张化光感觉自己一下子轻松了许多，仿佛置身于一片开阔的土地，前方的路完全要靠自己去开创。采用新的检测方法，发明新置，这种挑战自我的快乐，让他忘却了前方也许棘密布，也许泥泞不堪。他将自己多年积累的专业知识全部调动起来，让思绪围绕着寻找石油管线的泄漏点放射开来。无数个夜晚，他坐在电脑前，静静地思考，然后快速地将自己的灵感一点点地记录和凝练。

“科学是严谨的，它需要创新，需要发展，但是如果没有严谨的科学态度，无论如何也不能攀登到科学的高峰。”这是张化光从长期的科研实践中总结出的规律。十几年的科研历程，他就是这样不知疲备地向前攀登着。他在国际上率先提出了多维动态模糊模型――模糊双曲正切模型结构和基于这一模型的几种系统建模和控制器设计方法以及部分性能分析方法。这些模糊系统建模、辨识、决策、监控以及上述应用方面所取得的成果得到了国内外同行的高度认可，主要学术论文先后发表在“IEEE Trans on Systems，Man andCybernetics”，“IEE Trans On FS”，“Fuzzy Sets andSystems”，IFAC等杂志和国际会议上。这些原创性成果为项目的顺利开展打下了坚实的理论基础。

2000年以来，张化光教授及其科研团队，采用自适应压－输动态模型和混沌分析实现了管道泄漏诊断核心技术，形成了全工况、全负荷流体泄漏的高灵敏度检测和高精度定位的完整创新体系；提出了小泄漏量和缓变泄漏实时诊断理论，采用混沌进行管道泄漏流体传输的建模，创造性地提出了基于模糊双曲线正切模型和混沌分析的管道输送系统在线工况模式识别方法，实现了信号的自适应盲源解耦和复杂工况的综合分析，实现了管道泄漏混沌检测的原理突破；并首次应用管道自适应压－输动态模型，实现了管道泄漏高精度定位。一项项理论成果的取得为他们解决管道漏油现象扫清了障碍。如何将这些方法融入到一台机器之上，真正应用于生产实际，成为研究所全体成员新的奋斗目标。

从2001年开始，该发明逐步在油田原油集输和中石化、中石油管道储运公司原／成品油输送管道的泄漏安全监控方面推广应用。该技术至今已申请发明专利7项(包括在美国申请一项)，其中2项已获授权，5项公开。6年来，已在包括中石油、中石化2大集团公司在内的15条管线(网)56个输油站总长达3000多公里的管道成功地投入应用。应用以来，成功发现泄漏276次，抓获盗油分子46人，没收盗油车辆76辆，没收盗油工具若干。累计为用户创造经济效益7亿元以上。

千锤百炼，精心打造“千里眼”

崇尚理论联系实际的张化光教授，手中握着丰硕的理论

成果，感觉解决石油泄漏问题的技术方案基本成型。他再次带领课题研发人员到现场进行实地考察。与此同时，他还带领全所人员，着手将一个个理论想法制成电路板，让理论真正用于解决生产实际问题。

2001年6月，于锡纯副教授等带着大量油田现场资料返回学校。张化光立即将全所人员分成两个部分，一部分人着手信号采集装置硬件的制造，另一部分人着手检测定位分析算法的软件开发，大家齐头并进，开始投入到紧张而又充满挑战的样机(原理机)研制过程当中。

设计线路，制作模板，组装设备，在张化光的带领下，一群勇于创新的年轻人开始了大胆的创新工作。由于科研经费紧张，根本没有报酬；但大家淡泊名利，专心科研，每个人都把提高理论研究水平和解决企业生产实际问题作为自己的工作目标和科研动力。

经过半年的努力，2001年底，能够达到预想要求的第一台样机宣告问世。想着这台机器即将在各大油田上岗，担当输油管线的保护神，每个人的心里都有一种说不出的美好憧憬。

2002年年中，几番改进的样机第一次在胜利油田河沟采油厂实现了小于管线全长1％误差的准确定位。随后样机又在多个线路上被测试使用。

2003年1月3日，河口采油厂集输大队义首线输油管线泄漏故障诊断与定位系统多次报警，显示义首线管线有泄漏现象，泄漏点定位在义四站与官庄村之间。大队巡线人员在定位点管线附近经过多次搜巡，没有发现可疑情况，但是监控系统仍旧有报警现象产生。为查明管线泄漏原因，大队巡线人员在报警定位点附近加强了现场巡逻，1月5日下午，管线实时监控系统又一次报警，巡线人员立即赶往现场，当即在义四站抓获盗油分子两人及盗油车辆两台。一次次成功监测的案例证明，东北大学开发的输油管线流体泄漏故障诊断与定位系统报警及时，定位准确。

从2001年首次在现场应用开始，东北大学泄漏监控产品经过不断升级和完善，产品已经成熟稳定，形成了研发、转化、应用的完整产业链，具备了一定规模的生产能力，且完全满足工业输油现场实际应用需求，已经规模生产和广泛应用。

2002年5月，国家安全部和国家自然科学基金委等相关部门一同到胜利油田对本系统应用情况进行实地考察，给予了高度评价，一致认为该技术(系统)特点突出、技术指标先进，在国内和国际同领域技术中处于领先水平，极具推广价值，并推荐在石油管道输送领域优先推广。

2003年12月，辽宁省科技厅邀请中国科学院沈阳自动化所王天然院士、沈阳工业大学唐任远院士为主任委员组成鉴定小组，在沈阳对“输油管线流体泄漏故障诊断与定位系统”课题的成果进行鉴定。与会专家在听取工作报告、技术报告等汇报后，观看了现场演示，最后经讨论给予项目充分肯定，认为课题的研究成果整体上达到了国际先进水平，在系统采集装置的体系结构、故障检测与定位算法方面优于国际同类产品。

2006年这项基于管道流体混沌建模、现代信息处理和仪器仪表制造技术结合的全套、完整的原始性创新的发明技术已趋于成熟，并生产出适应性宽的定型机。由于其采用的混沌泄漏检测和信号分析方法性能优异、实用可靠，在相临两个加压泵站内任何地方非正常出油都能准确定位在管段全长的、％范围内，为准确查找漏点，打击犯罪，保护环境，起到了重要作用。

“输油管道泄漏监测系统”目前已成为透视石油管线的千里眼，成为石油管线的保护神。经过改造，“流体输送管道的实时数据采集分析方法和泄漏诊断技术”的研究，也同样适用于自来水管道和燃气管道，并且已经有成功实例。这表明只要经过一些有针对性的改进，这项科研成果完全可以在液体或气体输送管道的泄漏检测和定位方面发挥更大的作用。课题研究还可以应用于安全检测与监控、自动检测、自动化仪器仪表以及控制理论等学科及其交叉领域，具有十分广阔的应用前景。

科研成果，凝聚每个人的心血

大项目才能出大成果，才能培养大师级人才。“流体输送管网的实时数据采集分析方法和高精度泄漏检测定位技术”项目的研发，不仅取得了丰硕的科研成果，也锻炼出一支素质过硬，精诚团结，甘于奉献的科研队伍。

“科研工作者没有节假日”，这就像张化光的座右铭，激励着他每天不知疲倦地工作。在研究所年轻的教师心中，张化光是研究所的科研领路人，更是大家学习的榜样。张化光踏实肯干，积极向上，多年如一日，辛苦工作，无私奉献。他将自己的治学理念概括为“创新、发展、严谨、求实”的八字方针，认为创新是发展的根本动力，只有创新才能发展；严谨则是做学问必不可少的基本素质，大到理论研究，小到一个数字的读写，只有严谨才能做到创新；而求实则又是创新发展的直接实现手段。十多年的科研工作中，他在战略上，明确目标，统筹全局；在战术上，稳扎稳打，循序渐进。张化光说，每一个人都有着巨大的潜力，自信心就犹如混凝土建筑中的钢筋，是人们自身行事的脊梁。

张化光的自信和忘我激励着自己，也感染着研究所的每位师生，使他们专心工作，执著科研，默默奉献。研究所副所长冯健副教授就是其中之一。

2001年是科研从理论研究进入实践研究的关键一年，也是冯健副教授孩子刚出生的一年。刚接到项目的，孩子还没有满月，刚生产的妻子也需要人照顾，是向领导讲自己的困难，还是离开妻子和孩子，与同事一起去工作?在艰难的选择面前，冯健还是选择了后者，他接来父母帮助照顾妻子和孩子，自己则坚定地登上了开往油田的列车。此后的时间里，冯健经常来往于学校和胜利油田，最多的时候一住就是两个月的时间。对亲人的思念，化做无穷的动力，支撑着他与同事一起在艰苦的条件下从事科研开发工作。工作之余，同事们打趣他说，你的孩子与你的项目一起成长，可你对项目比对自己的孩子还要认真，还要负责。冯健说：“这是我第一次承担实际科研攻关项目，项目在某种意义上也算是我的孩子，我必须要精心照顾它。”在样机试运行的日子里，他率领课题组成员天天坚守在试验现场，认真观察试验结果，仔细进行数据分析，现场能做的，就地立即调整，改进装置，重新设定算法参数；现场做不了的，就收集全现场数据，回来后重新设计完善电路板和采集卡，重新编制算法程序。在他的不懈努力下，成功研制出了工况分析决策算法、信号盲源解耦滤波算法和自适应变尺度小波分析泄漏点定位算法等一系列核心技术。

任何一项科研成果的取得都不是一两个人努力的结果，它需要很多人为之默默奉献。研究所年轻的教师刘金海就是这样一个甘于奉献的人。

刘金海是这个项目培养出来的硕士毕业生并留校工作，接触项目时已经进入推广实用阶段。他带着几个研究生一起到油田进行设备的布线、安装、调试，并进行软件的针对性完善升级。他回忆说，由于盗油者经常在后半夜活动，因此，自己的电话经常半夜三更地响起，通知说管线发生泄漏，大家就立即赶到监控指挥中心，开始工作，帮助更精确地定位

泄漏点。为了检验判断是否准确，他有时主动要求与企业安检人员一同到报警范围内查找漏点，来回一趟一般都要几个小时，因此，经常工作到天亮才能休息。那段时间，由于手机经常在夜里响起，一响又都是工作的事，以至于他回校后的一段时间里，一听到铃声，还有点神经紧张。

由于各应用企业工作现场状况差别很大，试用过程必须认真严谨，以保证系统检测定位的准确度。有一次，在中石化鲁皖成品油管线连续工作四个月，每天24小时不间断监测数据。刘金海带领研究生实行3班倒的工作方式。夜以继日地跟踪系统运行，并在现场及时更改系统，最多的时候改版了50次。针对各种工况进行升级，增加定位的及时性和准确率。四个月的时间里，研究生换了四拨儿，刘金海却始终坚持在第一线。

虽然工作很辛苦，但在师生们心里，这苦吃得值。大家表示，在这一过程中，解决问题能力都得到了很大的提高，每个人都已锻炼成为善于和精于独立解决问题的能手。这些经过实践锻炼的研究生，其科研能力和水平都有了极大提高，不仅如此，他们还学到了用真诚与人合作、用知识解决问题、用实力赢得尊重的能力，这些都是书本上学不到的知识。科研团队中已毕业的研究生当中，绝大部分已成为国内知名高校和研究机构的科研骨干，部分已成为国内知名大公司的技术中坚。

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。十多年来，电气自动化研究所全体师生用不懈努力和艰辛工作取得了丰硕的科研成果，也赢得了企业的尊重和认可。如今，“流体输送管网的实时数据采集分析方法和高精度泄漏检测定位技术”研究成果在胜利油田、中原油田、中石化、中石油管道储运公司等所属的国内重要管线的石油管道泄漏监控系统招标中，多次在与国内兄弟院校、科研院所和国内外公司研发的同领域技术产品同场竞标并成功中标。随着发明技术的大范围推广应用，研究所师生的脚步也越走越远，过泰山、越大别山、涉长江、渡黄河……这一科研团队将东北大学的科研成果伴着一条条输油管线的延伸成功铺洒在了广袤的神州大地。

然而，面对荣誉，张化光教授及其研究团队的师生并没有停止前进的脚步，他们表示，研究所正在致力于石油管道监测升级换代产品的研发，使这一领域的应用技术继续居于国际领先水平。不久的将来，将会有更加先进的产品出现在全国各地的流体输送管线上。我们有信心期待：他们发明的石油管线千里眼，将会看得更远，定位更准，在保障我国管道输油工业安全运行方面发挥更大作用。