基于ArcGIS的輸氣站場管道信息系統開發

秦建安，李文錦，吳 博，張鳳麗

（1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，河北廊坊 065201；2.中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

作為當今世界廣泛使用的能源，油氣在國民生產、生活中具有不可替代的地位。油氣管道是石油石化行業油氣運輸過程中的主要工具，隨著中國經濟的快速發展，目前油氣管道運輸已經發展成了我國五大交通運輸業之一[1]，在我國國民經濟和社會發展中發揮著重要作用，被譽為國民經濟的大動脈。輸氣站場（以下簡稱“站場”）是長輸管線的樞紐。近些年來，全國各地越來越呈現出站場被“居民區”包圍的現象，而且大部分的站場經過多次改擴建工程后，造成地下管網鋪設復雜、分布密集，并且相當一部分管道運輸的是易燃易爆介質，安全風險系數較高，給站場日常的施工作業、管理培訓帶來了較大難度，同時也給周圍的居住民帶來了一定的隱患[2]。在這一背景前提下，站場亟需一套直觀高效的系統，來整合站場內外各管線、設備、建筑的信息數據，與目前分散且孤立的各監測、檢測系統如數據采集與監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）互聯，全面提高站場大數據分析水平及站場管理決策能力，確保安全輸氣生產。因此以ArcGIS作為工具來對站場設備及管線進行建模，并通過數據庫對站場設備及管線所產生的各種數據進行存儲，不僅對提高站場現有安全水平、突破原有管理瓶頸具有重要意義，同時也是站場實現“智慧站場”三步走發展戰略“全面感知—集成可視—智能決策/預警”中承上啟下的關鍵環節[3]。

本系統可實現二維圖層展示、地圖圖層管理、管線標注、管道信息查詢、數據維護、管線添加刪減、管道生產廠商、使用年限、地圖輸出等功能，對于整個輸氣站場來說[4]，在一定程度上保障了站場的安全生產，也能對管道運行進行一定的預測維護，從而為輸氣站場的運行管理提供決策支持，而且數字管道系統有效提高了管道信息管理的效率。在此基礎上，可以進一步為下一階段應用人工智能技術開展數據挖掘、智能決策及預測預警等研究提供必要的數據基礎。

1 ArcGIS概述

地理信息系統（Geographical Information System，GIS）是從地圖中產生的，集數據采集、存儲、顯示、管理分析與應用地理信息為一體的計算機系統，具有分析處理海量地理數據的通用技術，主要由ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，服務端 GIS和移動GIS組成。其中，ArcGIS中組件都是基于通用組件庫實現的，這些組件被稱為ArcObjects[5]。

在Internet上發布的地理信息是存儲在空間數據庫（即Geodatabase）中，Geodatabase是獲取和管理GIS數據的全面的應用邏輯和工具，其地理數據分為幾何和屬性數據。幾何數據由點、線、面等基本類型，體現地理空間實體的位置、方向、大小、形狀以及拓撲關系等內容；屬性數據作為空間地理數據的組成部分，是在空間特性之外對地理要素具體的定性和定量描述[6]。系統的建立分為4個階段，其基本技術流程如圖1所示。在這一過程中，最重要的部分是建立系統數據庫來實現對地理空間數據的管理。系統數據庫是關于區域內地理信息和地理要素的集合，主要針對圖形數據和屬性數據的組織和管理，具有明顯的空間特征。將各種數據信息等錄入計算機建立數據庫，當外界信息變換時，只需變動局部數據就能保證數據庫的更新[7]。

2 系統設計

2.1 系統架構

信息系統的發展經歷了3個階段：從文件/服務器體系，到客戶機/服務器（C/S）體系，再到瀏覽器/服務器（B/S）體系結構。其中，二層C/S模式是一種基于客戶與數據源服務器分散獨立的分布式結構系統?？蛻魴C和服務器通過“問答”形式進行交互，客戶機提出請求，由應用服務響應用戶需求，通過對數據庫進行數據訪問并按用戶請求返回客戶端?？蛻舳塑浖话闶怯绍浻布到y及相應的數據庫連接程序組成。而服務器端軟件也就是后端一般是某種數據庫系統。該模式主要優點是交互性強、安全性高、速度快等。

圖1 建立地理空間數據庫流程

考慮到站場基礎資料的多樣、多量性，該GIS系統的體系結構采用二層客戶端/服務器（C/S）模式。邏輯結構分為業務應用層和基礎數據層2個層次：業務應用層是該系統核心，通過數據庫引擎SDX實現用戶和數據庫之間的交互和通信；基礎數據層實現數據資源的存儲管理，由空間數據庫和屬性數據庫組成。系統架構如圖2所示。業務規則放在客戶端，由管網管理、維護、規劃、管道施工監測等部分構成。

圖2 輸氣站場管道信息系統總體架構

2.2 輸氣站場信息系統建立

模型構建是信息系統搭建的前提，為數字展現的需要，可以使用的數據主要有矢量數據（基礎地理數據）、地形數據（數字高程模型（Digital Elevation Mode，DEM））、影像數據以及廠區以前的模型粗略圖等。數據準備工作可分為地形建模和建筑物建模2部分。通過電磁感應和全球地位系統（Global Positioning System，GPS）對站場基礎設施有一定掌握，然后通過站場施工圖、管線安裝竣工圖等對站場管線進行精確的數據采集，然后通過處理形成ArcGIS能夠加載的數據格式，再經過修模、校正等過程形成合理的數據，最后導入Geodatabase。模型在構建過程中，需注意地下含有埋深信息的管線數據和含有高度的橋架數據，且管線數據和橋架數據的空間參考必須一致。

模型構建完成后，采用數據庫SQLServer2012存儲系統的空間和屬性數據等，將不同類型的矢量數據、數字高程模型數據、遙感影像數據和站場管線管材、尺寸數據等實行一體化存儲、管理和調度。技術路線如圖3所示。

圖3 GIS系統實現技術路線

3 輸氣站場管道信息系統實現

3.1 模型構建

通過前期的站場實地測量及站場各路管線設備安裝及地下管線的鋪設采集到的數據分為兩部分。

將已經獲取的站場數據通過創建圖層的方式導入ArcMap，首先要設置默認地理數據庫用來存儲繪圖過程中的地理空間信息，而每個地圖文檔都有一個默認地理數據庫，作為地圖空間內容的本地位置，此位置可用于添加數據集和保存各種編輯操作和地理處理操作生成的結果數據集。然后通過Catalog創建需要的點線面要素，按照實體數據添加要素內容，如站場設施屬性信息，包括管道的基本參數和管道的生產日期、使用年限、生產廠商和維修次數等。要素編輯完成后，可以在二維場景中點擊圖層進行屬性查看。最后，通過“圖層打包發布”工具打包場景，并在ArcGIS Online發布為服務。

圖4 站場二維地圖場景

3.2 數據庫搭建

數據庫是按照數據結構來組織、存儲和管理數據的倉庫，在近幾十年才開始興起，特別是21世紀初，數據管理不再僅僅是存儲和管理數據，而轉變成用戶所需要的各種數據管理的方式。數據庫有很多種類型，從最簡單的存儲有各種數據的表格到能進行海量數據存儲的大型數據庫系統，在各個方面得到了廣泛的應用[8]。

按照需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、數據庫實施、數據庫運行和維護6個方面考慮來設計數據庫，先了解用戶的要求，根據用戶需求進行歸納匯總，形成一個獨立的概念模型，將概念結構轉換為支持的數據模型，并對其進行優化；然后為邏輯數據模型選取一個適合應用環境的物理結構（包括存儲結構和存取方法）；之后運用SQL數據語言及其他語言，根據邏輯設計和物理設計的結果建立數據庫，編制與調試應用程序，組織數據入庫，并進行試運行。在數據庫建好后，就需要對數據庫進行日常運行和維護，數據庫系統運行過程中對其進行評價修整。輸氣站場管道信息系統數據庫如圖5所示。

圖5 SQL Server創建地理信息數據庫

數據交互功能是實現信息系統數據分析和處理的基礎，Web前后臺數據交互有4種方式：利用cookie對象、利用session對象、利用request重定向設置setAttribute、利用Ajax進行異步數據請求。其中，Ajax是當下實現數據交互最簡便的方式。Ajax全稱是異步的JavaScript和XML。而JavaScript是一種直譯式腳本語言，是一種動態類型、弱類型、基于原型的語言，內置支持類型。它的解釋器被稱為JavaScript引擎，又稱為編譯器為瀏覽器的一部分，最早是在html網頁上用來給網頁增加動態功能。用JavaScript編程的優點是，可以直接在記事本等文本文件中直接編輯，不需要專門的軟件來編程，而JavaScript也從過去的雞肋發展成現在瀏覽器主流的開發語言，可以和各種瀏覽器進行無縫連接。實現前后端數據交互方式如圖6所示。

4 結論

目前，探索“智慧站場”逐漸成為應對新一輪工業化、信息化建設的有效途徑。本系統將傳統地形圖與現代遙感技術、地理信息技術結合，實現了計算機上的數字管道信息管理，可以快速、準確、形象地顯示輸氣站場和管線地形的電子地圖，節省工作人員查閱海量圖紙文件和計算分析的時間和精力，采用遙感和地理信息技術實現對管道資源、環境、社會、經濟等信息的獲取，建立數字管道系統，提取方法先進，使得管道管理人員可以方便地獲取管道信息，突破了靠人工管理管道信息的局限性，有效提高管道信息管理水平，進而提高管道運營管理水平、安全生產水平，進一步為管道運營提供決策支持和服務，為數字管道新的運行模式提供有力的技術支持。

圖6 實現前后端數據交互的流程