油田管網應急指揮關鍵技術研究

霍鳳財 劉 洋 杜 穎 姜淑環 楊 迪

(1. 東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414)

油田管網應急指揮關鍵技術研究

霍鳳財1劉 洋1杜 穎1姜淑環2楊 迪2

(1. 東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414)

采用分層疊加、坐標轉換、穿孔管網關聯閥門和地圖數據分時修正技術構建了油田應急指揮系統，其中坐標轉換技術實現了經緯度到西安80坐標的轉換，為穿孔管網關聯閥門定位事故點做好了準備；穿孔管網關聯閥門技術通過管網與閥門之間的拓撲關系實現了管網與閥門之間的智能查詢，完成對應急事件的處理；地圖數據分時修正技術實現了地圖文件的修正維護。通過應用這4種技術，在最短的時間內達到地圖上事故點定位、關聯到離事故點最近的閥門和調用應急響應預案處理事故管網的目的，解決了以往管網、閥門等基礎設施的具體位置靠人工經驗定位的問題，同時在對地圖數據維護時，實現了地圖數據的安全性和統一性。

油田管網 應急指揮系統 WebGIS 分層疊加 坐標轉換 管網關聯閥門 地圖數據分時修正

針對油田企業注水管網、油管網、氣管網的穿孔問題以及目前管網位置、相關聯的切斷閥位置等重要信息主要依靠人工記憶、憑經驗處理且處理效率不高的情況，建立了油田管網應急指揮系統。該系統主要實現了地圖數據修正、數據模型查詢定位及調用應急指揮預案等功能，依靠Visual Studio 2010集成開發環境和地理信息系統，完成了該系統的建立。

地理信息系統(GIS)是通過集成計算機圖形學和數據庫來直觀表述空間信息的新技術，它將空間位置和地理信息有效地結合，向用戶提供直觀、準確的位置信息及其屬性信息的圖件。GIS的主體構架、應用的技術手段、成果的展示均已觸及到各信息技術領域的前沿。而與此同時，計算機網絡技術的快速發展和應用為GIS的發展帶來了新契機，改變了傳統地理信息數據的獲取、傳輸、發布、共享、應用及可視化等方式[1]。GIS互聯網Internet操作平臺——WebGIS已成為目前GIS發展的新趨勢。

筆者根據目前油田企業業務部門的需求，針對注水管網、油管網及氣管網穿孔等情況，通過C#語言和WebGIS、以Web瀏覽器為主的基于B/S(Browser/Server)模式(即瀏覽器和服務器模式)[2]以及分層疊加、坐標轉換、管網關聯閥門和地圖數據分時修正4個關鍵技術來解決這些實際問題。

利用Arcgis Desktop[3]將地理信息數據以圖層記錄的方式對注水管網、油管網、氣管網的閥門及其相關附屬設施、設備的屬性數據進行添加、修改及刪除等維護工作。地理信息數據準備完成之后，以Web Service[4]的方式將地理信息數據發布到地圖服務器Arcgis Server Manager上。在集成開發環境中創建窗體、編譯代碼和發布網頁，即系統的服務器部分；用戶通過登錄應急指揮系統進入油田管網應急指揮這一子系統，此時用戶看到的界面就是客戶端界面；客戶端中包含注水管網查詢模塊、油氣管網查詢模塊、查詢定位模塊、分時數據修正維護模塊、坐標轉換模塊、應急預案查詢模塊。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

2 系統關鍵技術

2.1分層疊加

為實現系統的層次化管理，根據注水管網、油管網、氣管網、各管網的閥門及相關基礎設備、設施等的功能特點，通過分層這一技術實現了地圖分層顯示。分層這一理論是人們探索認知現實世界的重要理論之一。層是GIS中基本的概念之一，分層是目前GIS數據組織中最基本、最重要的方法之一。注水管網這一圖層中對應的是管網名稱、輸送介質及管網長度等信息，而閥門這一圖層對應閥門編號、坐標位置及所在管網等信息，也就是說每一圖層對應相應的屬性信息和空間數據。該系統地圖數據由各類管網、閥門、道路及湖泊等空間數據圖層及其相關屬性數據組成，一個空間數據圖層又是以若干個空間坐標或柵格像元的形式存儲的，這一邏輯組織模型即為疊加。一個空間對象及其屬性信息在這一模型中相當于金字塔的根基，而地圖則是這個模型中的塔尖。對于這一邏輯組織模型中的信息可以分為3類:第一類是地理數據組織中的頂層信息——地圖集，它管理所有地圖，并對每個地圖進行處理，識別各種地圖信息(地圖引用、地圖坐標、地圖描述)；第二類是多空間圖層組成的圖層集合——圖層集，它包括組成圖層集的圖層引用、圖層空間索引、圖層顯示及圖層坐標范圍等信息；第三類是由多個具有相同或相似特性的同類型的空間對象組成的集合——圖層，它包含空間對象的標識、空間對象的描述和空間對象的幾何表示。

2.2坐標轉換

坐標轉換是把經緯度坐標轉換為西安80坐標[5]，因為利用GPS手持器等設備測得實地坐標為經緯度，而系統中是西安80坐標，所以只有進行坐標轉換后才能確定精確的事故地點。本技術中不僅實現了十進制的坐標轉換，同時還實現了度、分、秒的轉換，并且能夠完成坐標的批量轉換。技術的實現依靠投影和基本的數學原理，將計算轉換過程寫入代碼中。

在控制測量中，通過應用表征地球旋轉的地球橢球作為地球的數學符號。橢圓繞其短軸旋轉而成的幾何體就是旋轉橢球，而地球橢球實際上就是一個合適的旋轉橢球，它包括橢球中心、旋轉軸、長半軸和短半軸。包含旋轉軸的平面與橢球平面相截所得的橢圓叫子午橢圓，所有子午橢圓的面積都相等；垂直于旋轉軸的平面與橢球平面相截所得的橢圓叫緯圈。

為了表示橢球面上點的位置，必須建立相應的坐標系，大地坐標系是其中的一種重要方法。如圖2所示，P點的子午面NPS與起始子午面NGS構成的二面角L為P點的大地經度。從起始子午面起算，向東為正，東經(0～180°)，向西為負，西經(0～180°)。P點的法線Pn與赤道面的夾角B為P點的大地緯度。從赤道面起算，向北為正，北緯(0～90°)，向南為負，南緯(0～90°)。在這套坐標系中，用L、B表示P點位置。如果點不在橢球面上，則用L、B、H來表示該點的位置(H為大地高)。

圖2 大地坐標系示意圖

上面的方程式建立了橢球面上一點與投影面上相對應的點的解析幾何關系，稱為坐標投影方程，F1和F2稱為投影函數。

該項技術中應用了高斯投影，并按照3°進行投影分帶。高斯投影為假設有一橢圓柱體橫套在地球橢球體外面，并相切于其中一條子午線(此子午線稱為中央子午線或軸子午線)，橢圓柱的中心軸通過橢球體中心，應用數學上的投影方法，將中央子午線兩側各一定經度范圍內的區域投影到球圓柱面上再展開即為投影面。

2.3穿孔管網閥門關聯

在生產過程中，注水管網在外力或其他條件的影響下出現漏點，這時就需要工作人員及時、準確地找到該漏點，以減少損失或避免造成大的危害。因此，建立管網與閥門之間對應關系是至關重要的。

根據閥門和管網的關系建立拓撲結構[6]，建立管網與閥門的關聯關系模型，為數據分析提供準備。在GeoDatabase中引入了拓撲關系規則，拓撲關系規則可作為同一要素數據集中的不同要素類或者同一要素類中的不同要素，管網與閥門的關系類別屬于前者。指定空間數據必須滿足的拓撲關系約束，例如，要素之間的相鄰關系、連接關系、覆蓋關系、相交關系及重疊關系等。系統中的管線與閥門為重疊關系，該重疊關系對應點加線的拓撲重疊約束。通過編輯工具檢查、維護空間數據的拓撲關系的正確性，通過對空間數據特定拓撲關系規則編輯能夠及時發現拓撲關系中可能出現的錯誤。在拓撲關系類中，除了拓撲關系規則，還有必要的規定，如：參與拓撲約束的各要素類的容限值和精度等級。其中，容限值是指落在以此值為半徑的圓形范圍內的所有被看成是一致的點，約束合一；精度級別則表示參與拓撲約束的每個要素類都可以根據實際情況賦予一個精度級別，精度級別越高，在容限值范圍內移動就越穩定，這就需級別低的靠攏級別高的，當不同的要素類數據精度有差別時，通常將精度較高者設為精度級別。通過拓撲結構糾正了管網與閥門之間的誤差，使最終的地圖數據更加準確。

然后在集成開發環境中編譯代碼，根據管網與閥門的屬性字段來讀取這兩個圖層，利用鼠標的單擊事件，根據注水管網事故點的地理位置信息，以建立好管網與閥門對應關系模型的地圖為基礎，通過程序來實現對該位置的優化檢索，將該注水管網事故點位置上/下游閥門進行分段顯示，并將閥門的屬性信息(編號、所屬管網及坐標等基本信息)也顯示出來，為應急快速響應提供技術保障。

2.4地圖數據分時修正

以圖層記錄的方式對注水管網、油管網、氣管網、各管網的閥門及相關附屬設備、設施的屬性數據進行添加、修改及刪除等維護工作，從而為數據的綜合應用提供基礎。地圖數據修正流程如圖3所示，通過數據庫加鎖實現了用戶登錄權限的設置。為保證并行用戶在存取同一數據庫中對象數據的正確性和多用戶情況下數據庫的完整性、統一性，采用數據加鎖機制管理系統。數據庫中的鎖用來處理多用戶使用同一數據的軟件機制，指示某個用戶已經占用了某種資源(數據段、數據表及元組等)，從而保證可順利執行事務和數據的完整性、統一性。所有數據對象的副本也應加鎖，確保事務的 ACID特性。假設某作業區的工作人員正在對地圖數據修正維護，另一作業區工作人員就不能下載地圖文件，某作業區工作人員完成地圖數據維護，上傳地圖文件以后，另一作業區工作人員才能開始進行地圖數據維護，這就實現了分時維護。

圖3 地圖數據修正流程

地圖數據維護完成之后，將該圖形以Web Service的方式發布。在Web Service中實現了對歷史地圖文件的保存，用戶還可以下載歷史地圖文件，為地圖數據更新提供了便利。同時Web Service中會顯示地圖文件的名稱和上傳時間。上傳文件時，通過程序將網頁與本機連接起來，用戶可以鏈接到想要上傳的地圖文件，實現地圖數據的更新，同時歷史地圖文件會被保存。

3 系統實現

坐標轉換的實現效果如圖4所示，當管網出現穿孔時，單擊穿孔管網，事故地點閥門會分段顯示，同時把光標移到閥門上，會顯示出閥門的坐標、名稱等信息(圖5)。地圖文件分時下載并修正如圖6所示。

圖4 坐標轉換效果

4 結束語

本系統應用分層疊加技術清晰明了地顯示地圖信息，通過坐標轉換技術實現經緯度到西安80坐標的轉換、穿孔管網關聯閥門技術通過管網與閥門之間的拓撲關系實現了管網與閥門之間的智能查詢、地圖數據分時修正技術實現了對地圖文件的維護和數據的統一性。最終實現了油田企業的業務需求，同時也推動了油田企業的信息化建設。

圖6 地圖分時下載修正效果

[1] 王芳，王立明.基于Internet的GIS解決方案的探討[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2001，17(1)：44～48.

[2] 聶濤.基于Web方式的電子海圖的顯示與應用[D].大連：大連海事大學，2010.

[3] 楊克誠.GIS軟件實驗指導書——基于ArcGIS Desktop[M].昆明：云南大學出版社，2009.

[4] 徐漫江，陳天皓.實時Web工業控制系統原型的設計與實現[J].化工自動化及儀表，2013，40(8)：971～974.

[5] 王美玲，付夢印.地圖投影與坐標變換[M].北京：電子工業出版社，2014.

[6] 周秋生，劉丹丹，梁欣.拓撲學及在GIS中的應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2014.

(Continued on Page 641)

KeyTechnologyResearchforEmergencyCommandinOilFieldPipeNetwork

HUO Feng-cai1, LIU Yang1, DU Ying1, JIANG Shu-huan2, YANG Di2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.NO.2OilProductionPlant,DaqingOilFieldCo.,Ltd.,Daqing163414,China)

Having technologies of layered superposition, coordinate transformation, associating perforated pipelines with valves and the map data correction at various times adopted to construct the emergency command system for the oil field was implemented, in which, the coordinate transformation technology can achieve conversion of the latitude and longitude to the Xi′an 80 coordinate and this makes ready for locating the fault valve

TH165+.3

A

1000-3932(2016)06-0619-05

2016-04-19(修改稿)基金項目：國家自然科學基金項目(61374127)；國家自然科學基金優秀青年科學基金項目(61422301)；中國石油科技創新基金項目(2013D-5006-0209)；中國博士后科學基金項目(2014M550180)；黑龍江省博士后科研啟動基金項目(LBH-Q12143)；東北石油大學青年基金項目(2013NQ105)