基于GIS的油氣管道選線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

方 鋼，雍歧衛(wèi)，段紀(jì)淼

(陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401331)

石油、天然氣等能源對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，其運輸關(guān)乎國家的經(jīng)濟命脈，涉及國計民生及社會穩(wěn)定。目前，我國的油氣輸送方式主要依靠管道輸送[1]。從我國的第1條長輸油氣管道“大慶—撫順”輸油管道到舉世矚目的“西氣東輸”長輸管道工程，我國的油氣管道輸送能力實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，但對油氣管道的勘察與設(shè)計一直是管線建設(shè)工作的難點。由于油氣管道縱向距離長、分布范圍廣、環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的人工踏勘選線方式進(jìn)行管道的選線存在著諸如設(shè)計時間長、耗費人力大、踏勘路途險等問題[2]。因此，為解決上述問題，提高油氣管道選線效率，需要研究一種基于GIS的油氣管道選線技術(shù)。

1 GIS選線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)，是一種綜合地理學(xué)、測繪學(xué)、空間學(xué)并融入計算機信息中的學(xué)科[3]。GIS技術(shù)的首次應(yīng)用是在上世紀(jì)60年代初期，“GIS之父”羅杰·湯姆林森[4]將其用于儲存林業(yè)、土壤、農(nóng)業(yè)等信息以分析加拿大的農(nóng)村土地能力。在隨后的幾年里，GIS技術(shù)憑借其強大的數(shù)據(jù)儲存、查詢、修改能力逐漸被應(yīng)用于各行各業(yè)。20世紀(jì)60年代中期，GIS技術(shù)首次在選線設(shè)計領(lǐng)域得到應(yīng)用，然而受當(dāng)時軟硬件技術(shù)的制約，該技術(shù)僅作為一種地理信息儲存工具使用。20世紀(jì)60年代末期，美國基于DEM模型開發(fā)了一套叫做“The Roads Selected Line Computer-Aided Design System”的輔助選線系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可為選線人員的決策提供參考意見，進(jìn)而推進(jìn)了GIS技術(shù)選線進(jìn)程[5]。20世紀(jì)70年代至80年代，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，許多功能強大的繪圖軟件(如AutoCAD)相繼問世，這使許多選線工作人員從繁重的工作中解放出來，大大提高了選線效率。20世紀(jì)90年代至今，計算機的軟硬件功能進(jìn)一步提升，這使得將數(shù)字化地面模型應(yīng)用至計算機中成為可能，因此，一種基于數(shù)字地圖的人機交互選線方法開始進(jìn)入人們的視野。這種選線方法以GIS技術(shù)為核心，通過無人機等設(shè)備搭載數(shù)據(jù)獲取硬件(如數(shù)碼相機、攝像機、紅外攝像儀、多光譜成像儀等)作為數(shù)據(jù)獲取源，隨后將獲取的數(shù)據(jù)載入地面控制站并通過GIS軟件對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，最終得到最佳的選線方案[6]。這種選線方法能較好地解決傳統(tǒng)選線過程中設(shè)計時間長、耗費人力大、踏勘路途險等問題，對我國實現(xiàn)油氣管線勘察設(shè)計無人化有重要意義。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外較多的發(fā)達(dá)地區(qū)，油氣管道的勘察設(shè)計主要是運用航空攝影測量技術(shù)、遙感技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，之后與GIS中的地形、地貌、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫結(jié)合進(jìn)行選線。目前在國外已出現(xiàn)較為完善的GIS軟件，辟如ArcGIS、MapInfo[7]等。“阿瓦士—馬倫”輸油管道[8]位于伊朗西南部，管道全長約34 km，此輸油管線的設(shè)計階段采用了GIS最優(yōu)路徑技術(shù)，該技術(shù)綜合了輸油管線的長度、地形、地貌、河流、濕地、土地利用等影響因素，建立了管線費用最低模型，并以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸油管線線路的勘察設(shè)計。最低費用路徑方案的管線長度為35 km，相比于該管線原始方案長度34 km，雖然多出1 km，但成本卻比原始方案低29%。研究結(jié)果表明結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行輸油管道的選線是成功的。土耳其作為中東與歐洲之間油料輸送的重要紐帶，也成功地使用了GIS技術(shù)進(jìn)行輸油管道的選線[9]。

Balogun等[10]以馬來西亞Baram油田為研究對象，研究了如何通過GIS技術(shù)生成最佳的輸油管道線路，使其達(dá)到對人與自然環(huán)境影響最小的效果。結(jié)果表明：這種方法顯著地降低了油氣管道對環(huán)境的污染以及對人體健康的損害，取得了良好的效果。Dan等[11]為響應(yīng)烏干達(dá)政府增加能源儲備的號召，對Hoima區(qū)的一個煉油廠到Buloba配電站的管道進(jìn)行了管道線路最佳位置的確定。過程采用了基于GIS的標(biāo)準(zhǔn)評估方法，該方法綜合考慮了環(huán)境、安全、建設(shè)等因素，最終選出的線路滿足了烏干達(dá)政府?dāng)M定的費用及長度規(guī)格。Gamarra[12]以亞馬遜森林至太平洋海岸的一條管線為對象，研究了基于ArcGIS的人機交互迭代選線方法。這種方法先由操作人員選定影響因素，如坡度、高程、穿越保護(hù)區(qū)、穿越礦山次數(shù)等，再由ArcGIS進(jìn)行線路的預(yù)生成，然后通過人員對線路進(jìn)行評估和干預(yù)之后重新生成新的線路，循環(huán)往復(fù)這個過程直至得到的管道線路滿足要求。Omondi[13]以Turkana地區(qū)至Isiolo地區(qū)的LAPSET輸油管道為對象，也開展了基于GIS的選線技術(shù)研究。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國的長輸油氣管道已達(dá)到5萬km以上，并將在未來的10年內(nèi)新建油氣支線10萬km左右[14]。近年來，隨著國外數(shù)字化選線技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國的油氣管道企業(yè)和部分的科研院所通過引進(jìn)國外技術(shù)、借鑒國外經(jīng)驗，不斷研究數(shù)字化選線方法，取得了不錯的成績。國內(nèi)許多油氣管道的建設(shè)已逐步采用航空攝影測量技術(shù)、遙感技術(shù)以及GIS技術(shù)，并積累了大量的數(shù)字化成果，這些成果對全面實現(xiàn)數(shù)字化管道有極大的推動作用。

長輸油氣管道由于跨度大、規(guī)模大、路況復(fù)雜、運營時間長等因素，對其進(jìn)行勘察設(shè)計需要提升到一個更高的水平[15]。國內(nèi)目前運用GIS技術(shù)進(jìn)行的長輸油氣管道勘察設(shè)計項目主要是“西氣東輸”工程，該工程在油氣管道的勘察設(shè)計階段運用了遙感技術(shù)、航空攝影測量技術(shù)、三維仿真模擬技術(shù)，并通過GIS技術(shù)建立了油氣管道地理信息系統(tǒng)，最終提高了油氣管道的科學(xué)性和經(jīng)濟性[16]。在忠縣—武漢的輸氣管道工程中，荊州地區(qū)湖泊、池塘密布地區(qū)的通過方案，蘭成渝輸油管道工程，西氣東輸二線工程也運用到了航空攝影技術(shù)以及GIS技術(shù)。與傳統(tǒng)的人工選線方法相比，基于GIS的油氣管道選線方法可以將70%的室外工作量轉(zhuǎn)移至室內(nèi)，縮短勘察周期40%左右，降低成本25%左右，提供的線路選擇也具有多樣性，使其從單一的地形圖變?yōu)椤?D”(DOM、DEM、DLG、DRG)產(chǎn)品[17]。

在國內(nèi)，運用GIS技術(shù)進(jìn)行勘察選線目前多用于鐵路選線、公路選線等，對油氣管道的勘察選線尚處于逐漸發(fā)展階段[18]。但從近期GIS技術(shù)在油氣管道選線中國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r來看，國內(nèi)外對數(shù)字化選線技術(shù)都越來越重視。

2 GIS選線技術(shù)最優(yōu)路徑方法

傳統(tǒng)的選線方法主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗和水平，這種方法對各種影響因素難以做到綜合權(quán)衡，因此，需要一種能綜合分析管道線路的選線方法，以達(dá)到為我國油氣管線建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)、全面提高勘察設(shè)計水平的目的。現(xiàn)在主要有兩種與GIS相結(jié)合的油氣管道選線方法，即情景選線和模型選線[19]。

2.1 情景選線

所謂情景選線，就是采用無人機航拍等方式對管線經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行拍攝，并將拍攝所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS軟件中，運用GIS軟件的仿真功能，將拍攝地區(qū)的三維情景直觀地展示在選線人員眼前[20]。選線人員可直接在GIS軟件中進(jìn)行虛擬選線，這種選線方法雖節(jié)省了人力物力，并提高了選線效率，但是并沒有改變選線人員憑借經(jīng)驗主觀決定線路走向的實質(zhì)。

2.2 模型選線

模型選線的原理與情景選線截然不同，模型選線方法是從數(shù)學(xué)的角度對選線過程中的影響因子進(jìn)行綜合分析，對各個影響因子賦予相應(yīng)的權(quán)重值，對權(quán)重大小進(jìn)行排序，并建立選線費用模型[21]。在此基礎(chǔ)之上，通過GIS技術(shù)尋找費用最低的方案，即為最優(yōu)路徑方案。相比于情景選線方法，這種方法更具科學(xué)性、實用性，只要費用模型構(gòu)建合理，采用模型選線方法進(jìn)行油氣管道的勘察設(shè)計效率更高，也更可靠。目前模型選線方法主要有GIS技術(shù)與遺傳算法結(jié)合的選線方法以及GIS技術(shù)與最優(yōu)路徑技術(shù)相結(jié)合的選線方法。

1) GIS技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合

遺傳算法在20世紀(jì)70年代由美國人John.H.Hellen教授提出，這種算法可以在一定范圍內(nèi)搜尋出最優(yōu)解，由于它與生物遺傳很相似，故將其稱之為遺傳算法[22]。GIS技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合的選線方法是由計算機在管線經(jīng)過的地形上隨機生成若干點，將這若干點連接起來，沿中心線形成一個帶狀區(qū)域。并根據(jù)這個區(qū)域計算相關(guān)成本并將所得數(shù)據(jù)輸入遺傳算法程序中，最終通過程序計算并在GIS軟件上生成虛擬路徑。Jha M.k和Schollfeld.P運用GIS技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合的方法，建立了最優(yōu)路徑模型，并結(jié)合計算機可視化技術(shù)，完成了管線線路的優(yōu)化，驗證了GIS技術(shù)與遺傳算法相結(jié)合的模型選線的可行性和科學(xué)性。這種選線方法能全面考慮影響油氣管道選線過程中的各個影響因素，科學(xué)性毋庸置疑，但是在選線過程中依然存在很多難題，例如綜合考慮所有影響因子很難實現(xiàn)，建模過程繁瑣，程序設(shè)計困難等，因此，需要一種既能綜合權(quán)衡各個影響因子，選線過程又不復(fù)雜的油氣管道選線方法。

2) GIS技術(shù)與最優(yōu)路徑技術(shù)相結(jié)合

最優(yōu)路徑算法，即Dijkstra(迪科斯徹)算法[12]，它是由荷蘭人Edsger Wybe Dijkstra教授提出的，這種算法的核心思想是以最短路徑迭代生成最短路徑。下面以一個例子簡單地對Dijkstra算法進(jìn)行說明。

現(xiàn)預(yù)備在A至F地修建一條輸油管線，要求花費最少。圖1中的數(shù)字代表從一地修建至另一地所需的花費。Dijkstra算法的計算步驟如下：

① A-C的花費為4，A-B的花費為6，A-B-C的花費為6+2>4,因此排除B-C路線。

② A-B-D的花費為6+2=8，A-C-E-D花費為4+2+1=7，A-C-D的花費為4+1=5，故排除B-D、E-D路線。

③ A-C-E-F的花費為4+2+3=9，A-C-D-F的花費為4+1+7=12，故得出費用最短路線為A-C-E-F。

由圖2可以清晰地看出從A-F的費用最低路徑走向。相比于遺傳算法，采用GIS技術(shù)與dijkstra算法相結(jié)合進(jìn)行選線可以避免復(fù)雜的計算過程，也不需要冗雜的編程，總體實施過程更為便捷，更易于應(yīng)用在實際工程中，因此，GIS技術(shù)與最優(yōu)路徑技術(shù)相結(jié)合的選線方法目前應(yīng)用更為廣泛。

圖1 線路費用示意圖

3 發(fā)展建議

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的人工選線方法，基于GIS技術(shù)的油氣管道選線方法可以較好地解決傳統(tǒng)選線過程中設(shè)計時間長、耗費人力大、踏勘路途險等問題，但目前這種方法仍存在著諸多技術(shù)難點，其中需要重點研究的方向為：

1) GIS的空間分析技術(shù)，使其更好地對油氣管道選線過程中的影響因子按照權(quán)重大小進(jìn)行排序，以提高選線效率。

2) 基于dijkstra最優(yōu)路徑技術(shù)的優(yōu)化算法，以應(yīng)對在計算過程中產(chǎn)生兩條或多條線路無法對比分析的問題。

3) GIS源數(shù)據(jù)(DEM、DOM、DLG)處理加工方法，使其轉(zhuǎn)化為油氣管線選線所需要的數(shù)據(jù)。

4) 優(yōu)化GIS軟件，對其進(jìn)行二次開發(fā)以實現(xiàn)管線在DEM上虛擬敷設(shè)、即時生成縱斷面圖、快速計算管件數(shù)量以及工程造價計算等功能，為油氣管線的線路選擇提供精確的決策依據(jù)。

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