基于WebGIS的數字管道信息系統的設計與應用

歐新偉,李洋,徐杰,劉亮

(1.中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.中國石油濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000)

基于WebGIS的數字管道信息系統的設計與應用

歐新偉1,李洋2,徐杰1,劉亮1

(1.中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.中國石油濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000)

在管道完整性管理過程中，需要處理各種數據，尤其是空間數據，傳統的方式無法滿足空間數據管理和分析的需求。闡述了基于Web地理信息系統(WebGIS)的數字管道信息系統創建的總體設計、數據庫設計，并對系統的功能進行了分析，該系統能較好地滿足在空間范圍內對管道進行管理，彌補了傳統方式管理的不足。基于WebGIS的數字管道信息系統充分發揮了地理信息系統(GIS)在數據管理和空間分析領域的優勢，能有效提高管道完整性管理的水平和運營效率。

Web地理信息系統 數字管道信息系統 數據庫設計 系統架構設計

長輸管道作為石油和天然氣行業的主要輸送工具，具有點多、線長、面廣及網絡化的特點[1]，其輸送的介質具有易燃、易爆等特點，并且管道途經沿線有村莊和河流等，地理環境復雜多變，一旦發生事故，有可能引起爆炸或燃燒事故，將造成嚴重的人員傷亡、經濟損失和環境污染等，對管道周邊信息的掌握，越來越引起油氣輸送企業的高度重視。同時隨著大地測量、遙感技術、計算機和網絡等技術的飛速發展和廣泛應用，為人們積累了大量的地理空間數據，傳統系統已無法滿足對管道管理的需求[2]。針對管道完整性管理過程中海量數據需要處理和數據可視化的實際需求，地理信息系統(GIS)技術在管道完整性管理中的作用越來越大[3-4]。

數據是管道完整性管理的基礎[5]，在建立GIS時，需要對海量的數據進行有效地提取和組織，建立合理的數據模型和數據庫[6-8]。APDM(ArcGIS pipeline data model)數據模型是ESRI公司開發的地理數據模型，支持模型的自定義擴展[9]。依托APDM數據模型并在其基礎上進行擴展，建立滿足中石油管道管理實際需求的PIDM(pipeline integrity data model)數據模型，對信息系統的建立起到基礎性的作用。通過借助GIS的數據處理、空間分析等功能[10]，建立強大的數字管道信息系統，為管道巡線、風險評價、移動巡線監控、應急搶險、管道維護等提供強有力的支持，能有效提高管道完整性管理的水平和運營效率。

1 系統總體設計

1.1 技術選擇

基于Web地理信息系統(WebGIS)的數字管道信息系統基于HTML5，客戶端圖形界面開發采用ArcGIS API for JavaScript，地理服務、要素服務和地理分析工具使用ArcGIS Server發布，接口采用Webservice服務。管道基礎數據、業務數據和地理信息數據存儲在Oracle數據庫中。

1.2 系統架構設計

根據管道管理的實際需求和系統建設目標，系統建立在ArcGIS平臺之上，結合WebGIS技術，采用B/S模式，使用HTML5等網絡技術，建立了基于GIS的數字管道系統，系統架構主要包括3部分:客戶端、服務器端和數據庫部分，系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構設計示意

1) 數據庫為Oracle數據庫，涵蓋管道完整性管理所需的各類基礎數據、屬性數據、評價數據和地理空間數據等，通過數據源接口供外界訪問。在系統中將管道中心線及其附屬設施基本信息、各類風險評價和分布信息、巡檢信息和管道沿線環境地質條件等各類信息以空間位置為紐帶進行集成，為管道巡線、應急搶修和風險識別提供數據支持。

2) 服務器端包括Web服務器、地圖應用服務器ArcIMS和ArcSDE，負責接收和處理客戶端提交的請求，從數據庫中查詢和抽取所需數據，并能向庫中存儲數據，用以支持GIS的空間分析功能。

3) 客戶端從數據庫中獲取數據并進行處理，然后發布成Server服務，并對顯示結果進行查看，其中ArcGIS桌面主要完成數據處理、編輯、制圖、地理分析等。

該系統把分布式數據填報與網絡協同辦公相結合，將日常管理工作與現場操作相結合，做到移動巡線任務的隨時分配和巡線結果的及時上報，隨時掌握巡線人員的巡線狀況和管道的運行狀態，實現了管道風險動態監控、應急響應與決策支持。

1.3 數據庫設計

數據是完整性管理的基礎，根據系統建設特點、數據在系統中所起的作用和實際業務需求，可將系統中的數據庫劃分為基礎地理數據庫和管道專業數據庫兩部分。

1) 基礎地理數據庫。該數據庫主要包括各種比例地形圖、河流水系圖、各種道路交通圖、遙感影像圖、DEM數據、數字正射影像以及地震帶[11]，主要為油氣管道的規劃設計、運營管理和管理部門的分析決策提供必要的空間數據支持，是管道完整性管理各種評價模型建立的基礎。

2) 管道專業數據庫。該數據庫主要用于儲存和管理與管道相關的屬性數據，包括管道中心線、站場、閥室等數據，采用了廣泛使用的ArcGIS管道數據模型APDM。該模型通過在空間數據庫中嵌入線性參考系，使地理要素能在關系數據庫中操作、存儲和管理，很好地實現了地理數據和線性管道專業數據的融合[12-13]。

結合管道完整性管理的內涵和特點，在APDM模型的基礎上，通過擴充建立了PIDM模型，PIDM分為邏輯模型和物理模型，其中邏輯模型描述數據庫包含內容，物理模型通過建模工具導出XML文件創建空間數據庫[4]。在該模型中增加了區域地質環境、地形地貌、降雨、降雪、地質災害影響段、防腐層、陰極保護、雜散電流干擾與防護、管體腐蝕等信息，以滿足管道完整性管理的需求。

2 系統功能及技術支持

2.1 系統功能

該系統按照模塊化設計原則，根據結構清晰和擴展性強等要求，將系統功能分為:基礎操作、專題圖瀏覽和數據可視化3個模塊，系統功能模塊如圖2所示。

1) 基礎操作。主要包括地圖瀏覽、地圖定位、設備信息空間查詢、地圖測量等功能，并可以進行地圖縮放、漫游及圖層控制顯示，地圖標注，設備設施查詢和緩沖區查詢等。

2) 專題瀏覽。主要包括風險專題、巡檢專題、內檢測專題、外檢測專題和應急支持專題等。風險專題加載管道風險評價中、高風險在地圖上顯示，從地圖上能直觀瀏覽管道風險分布情況；巡檢專題中可以查看巡檢人員信息，回放該巡檢人巡檢軌跡，了解巡檢情況，巡檢點定位可以對巡檢人員巡檢過程中的位置點進行定位；問題上報是針對巡檢過程中碰到的可能對管道安全有影響的活動進行上報，比如第三方施工、滑坡等，緊急上報是有緊急情況能直接往上級進行上報，提前采取措施，避免意外發生；應急專題中可以生成應急方案，在發生管道泄漏時，能根據預案采取相應的措施，并能提供數據支持，導航可以根據起始位置和終止位置獲取推薦路徑，災害推演根據算法計算在發生沖管時，管道所能承受的最大懸浮長度，氣象信息查看可以查看全國范圍內降雨、降雪等情況，并能查看定位點未來3d和過去10d降雨、降雪情況。

圖2 基于WebGIS的數字管道信息系統功能模塊結構示意

3) 數據可視化。利用可視圖形展示管道相應屬性信息，比如高程、埋深、內檢測信息等，在一維維度內對數據進行展示，很好地彌補了管道數據在地圖上進行展示方面的不足。

2.2 技術支持

1) Webservice接口技術。在管道完整性管理過程中，涉及各種數據，用戶在系統使用過程中，會根據業務的需求進行數據查詢，比如在應急方案生成時，需要知道管線基本信息、上下游閥室信息、巡線工信息等，通過調用Webservice接口能在較少改動原有系統的情況下，進行數據調用。并且，使用Webservice接口有2方面的優點:Webservice可以在不修改防火墻設置的情況下，直接使用；降低了耦合，系統在調用其他系統比如生產系統或SCADA數據時，直接通過接口就能調用。

2) SOE(server object extenstion)服務支持。SOE服務是通過采用ArcObjects的相關接口、類庫對ArcGIS Server的基本功能進行擴展，使那些通過Web API 不能或者不易實現的功能，可以通過SOE的形式，進行功能實現。為了數據保密的需要，在管道專業數據庫中存儲的數據沒有坐標信息，而是以里程值的形式進行存儲，當在地圖上進行點擊操作時，獲取的是當前操作點的二維坐標，為了能獲取當前操作位置的管道信息，需要將二維坐標轉為里程值，通過里程值從數據庫中進行數據查詢，實現流程如圖3所示。

圖3 SOE實現流程

3 應用實例

目前，基于WebGIS的數字管道信息系統已經在中國石油天然氣集團公司所轄管道上推廣應用，用戶通過統一的身份驗證進入系統后，會根據用戶權限加載顯示相應的功能模塊并加載權限范圍內的數據進行可視化顯示。通過配置相應的專題圖，能夠把管段基礎信息、風險評價信息、內檢測、外檢測、設備設施信息、管道修復等信息通過位置定位加載在地圖上進行顯示，從空間位置上對數據進行定位、查看。通過加載風險專題，如圖4所示，能從地圖上查看風險分布區域，并通過配置不同的顏色區分中、高風險等，管理部門針對高、中風險，提前采取措施，避免風險事故的發生以及可能帶來的后果。

油氣管道巡檢作為管道保衛的重要方式，能極大地降低管道故障率、失竊率，并會降低石油線路運營成本，提高管網維護工作效率，變故障處置為隱患控制。在系統中對各地區公司巡線任務進行統計顯示，可以看到巡檢覆蓋率，并在地圖上能查看各巡線工當前所處巡線位置，對每個人的巡線路徑進行回看顯示，如圖5所示。

圖4 風險專題

圖5 巡線路徑回看

空間分析是數字管道信息的核心功能，系統實現了緩沖區分析、縱斷面顯示、距離量算、面積量算等功能。數據可視化能將數據以圖形化的方式進行顯示，使數據更加客觀、更具說服力，可以作為數據在地圖上顯示的一種補充。通過可視化能直觀顯示數據的變化趨勢，找到數據之間的關系，能為決策提供強有力的數據支持。

4 結束語

基于WebGIS的數字管道信息系統，充分發揮了GIS的空間分析、空間數據管理和空間數據展示功能，為管理部門提供了一個良好平臺，從平臺上能快速、直觀查看各管段專業數據和沿線相關數據，實現了管道空間信息與屬性信息共享、可視化顯示、數據編輯、查詢與分析，為管道完整性管理提供了一個新的思路。隨著應用的不斷深入，需求的不斷完善以及GIS技術的不斷發展，系統性能會不斷優化，功能會不斷完善，結構會更加合理，以滿足用戶使用的需要，為管道完整性管理提供數據和決策支持，提高工作效率，推動完整性管理水平向更高層級邁進。

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DesignandApplicationofWebGISBasedDigitalPipelineInformationSystem

Ou Xinwei1, Li Yang2, Xu Jie1, Liu Liang1

(1.PetroChina Pipeline R & D Center, Langfang, 065000,China; 2.PetroChina Ji’nan Oil and Gas Branch, Ji’nan, 250000, China)

s：In the process of pipeline integrity management, a variety of data need to be dealt with, especially spatial data.Traditional means can’t meet the need of the management and analysis for spatial data.The overall design and database design of WebGIS-based digital pipeline information system are expounded.The system function is discussed.The system can better meet the pipeline management in space, and make up deficiency of traditional management.The WebGIS-based digital pipeline information system gives full play to advantages of GIS in data management and spatial analysis.Pipeline integrity management and operational efficiency can be effectively improved.

WebGIS; digital pipeline information system; database design; system architecture design

稿件收到日期：2017-08-03，修改稿收到日期2017-09-22。

歐新偉(1984—)，男，河南周口人，2009年畢業于武漢大學攝影測量與遙感專業，獲碩士學位，現主要從事完整性管理研究工作，任工程師。

TE832.2

B

1007-7324(2017)06-0037-04