基于時空GIS 的油氣管道智慧管理平臺研究

王 璇

（東方通用航空攝影有限公司，山西 太原 030031）

0.引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對能源的需求與日俱增，管道作為繼鐵路、公路、水運、航空運輸之后的第五大運輸業(yè)，是保證能源運輸安全、低耗的有效方式，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中起著十分重要的作用。

油氣管道主要用于石油、天然氣的輸送，是國民經(jīng)濟建設的重要基礎設備。我國大部分石油、天然氣都是依靠管道來運輸。而油氣管道的安全是建立在與國民經(jīng)濟發(fā)展、社會技術進步協(xié)調(diào)一致的法規(guī)標準和安全管理水平的基礎之上，常規(guī)手段在其管理中體現(xiàn)出諸多局限。一是缺乏動態(tài)的時空數(shù)據(jù)支持，無法及時反映管道情況；二是無法根據(jù)最新的地理空間信息及多源傳感器實時數(shù)據(jù)進行智能化分析及輔助決策，實現(xiàn)管道的智慧管理。雖然現(xiàn)在已有不少案例將空間信息技術應用于管道管理中，但在智慧管理方面不夠深入，缺乏完善的空間信息系統(tǒng)來整合空間地理信息與實時傳感數(shù)據(jù)，切實保障管道運營安全，這些需要借助科學技術手段來實現(xiàn)。

1.關鍵技術研究

為實現(xiàn)油氣管道的智慧管理，考慮到平臺建設周期較長、傳感數(shù)據(jù)量較大、空間數(shù)據(jù)類別較多等特點，需要對以下關鍵技術進行突破。

1.1 多源傳感器實時數(shù)據(jù)接入

在油氣管道智慧管理平臺的建設過程中，需要將全方位、多特征的多源傳感器信息轉化為有價值的信息，經(jīng)歷從感知到認知的信息抽取與提煉的融合過程。通過基于時間、空間和環(huán)境的認知，進行時空信息自主加載和內(nèi)容融合，可促進當前淺層空間信息處理服務向深層空間智能服務的過渡，為進一步地決策分析提供支撐信息。因此傳感器實時數(shù)據(jù)不是簡單地接入而是要進一步完成深入的時空關聯(lián)、內(nèi)容融合。

實時數(shù)據(jù)的接入與加載主要是針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)難以有效集成來滿足油氣管道運行管理需要的瓶頸問題，完成多源傳感器信息的實時接入與空間關聯(lián)、多源異構信息的自主加載與內(nèi)容融合等功能，以實現(xiàn)支撐油氣管道智慧管理平臺的時空信息實時接入、動態(tài)加載與綜合集成。

傳感器實時數(shù)據(jù)的接入包括傳感器的接入、數(shù)據(jù)的處理和存儲、傳感服務消息的監(jiān)聽，其中用戶可以自主選擇、修改和刪除接入的傳感器及數(shù)據(jù)的處理方法，同時還能將靜態(tài)數(shù)據(jù)（矢量、柵格、模型）和離線動態(tài)數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫。傳感器與實時接入系統(tǒng)要滿足從傳感器接入系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)并解析和處理，并用統(tǒng)一的方式將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，支持導入靜態(tài)數(shù)據(jù)和批量導入離線動態(tài)數(shù)據(jù)。另外，還要監(jiān)聽傳感網(wǎng)服務消息（新傳感器注冊、開始觀測、暫停觀測和刪除），并能夠處理消息。傳感器實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構圖（如圖1 所示）：

圖1 傳感器實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構圖

由于多源傳感器在各自觀測獲取、傳輸與播發(fā)數(shù)據(jù)時的時空參考系統(tǒng)各異，因此接入的觀測數(shù)據(jù)不能直接疊加，需要進行坐標系變換和位置轉換，統(tǒng)一多源傳感器的時空基準，確保多源傳感器信息時空一致性。在時空基準統(tǒng)一的基礎上，顧及傳感器觀測數(shù)據(jù)的誤差機制，建立誤差模型，采用濾波、聯(lián)合平差、控制點輔助糾正等多種手段，校正原始傳感器數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)精度和可靠性。

1.2 時空數(shù)據(jù)庫建設

時空信息數(shù)據(jù)庫需要建設和整合的主要內(nèi)容包括：元數(shù)據(jù)庫、矢量地形圖、遙感影像圖、數(shù)字高程模型、地理實體數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等基礎空間信息，還有管線自身的相關數(shù)據(jù)信息、轉折點、場站、節(jié)點等數(shù)據(jù)信息以及多源傳感器、物聯(lián)網(wǎng)相關數(shù)據(jù)信息。

目前，常見的GIS 系統(tǒng)只支持多維靜態(tài)或準靜態(tài)的地理對象，描述的是數(shù)據(jù)的一個瞬態(tài)，當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，用新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)，系統(tǒng)成為另一個瞬態(tài)，雖然保存了歷史數(shù)據(jù)，但缺乏動態(tài)數(shù)據(jù)組織，難以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的集成分析功能。傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新工藝是一個線性串行的過程，工藝環(huán)節(jié)多、信息損失大、工作效率低、容易引發(fā)數(shù)據(jù)的一致性問題。在數(shù)據(jù)庫更新時，更多的是采用整庫更新方式，用一個時刻的靜態(tài)地理對象，替換更早時期的地理對象，無法完全滿足當前應用的需要。

在新技術條件下，重新審視地理信息的存儲和表達方式，突破傳統(tǒng)地理信息認知，建立面向業(yè)務和動態(tài)變化的空間對象數(shù)據(jù)模型，構建時空數(shù)據(jù)庫，存儲和管理面向業(yè)務和動態(tài)變化的實時地理信息，滿足對地理信息業(yè)務化和實時化的需求。樹立GIS 是一個業(yè)務過程的理念，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新一體化。業(yè)務工作產(chǎn)生和引發(fā)的變化，實時體現(xiàn)到時空數(shù)據(jù)庫中。

2.系統(tǒng)建設

2.1 建設思路

油氣管道智慧管理平臺的建設目標是：通過對油氣管道引進科技化技術手段，結合之前的人防手段，進行技防加人防相結合的綜合性檢測管理，實現(xiàn)管線巡檢手段科技化、管線現(xiàn)場視頻監(jiān)控實時化、監(jiān)測圖像清晰化、管線線路GIS 顯示可視化，有效提供對管線的智能化管控平臺建設的數(shù)據(jù)支撐，為相關部門應急指揮提供必要的輔助決策信息支撐，集火災自動探測、熱值超溫報警、三維GIS、聯(lián)動控制、應急指揮及輔助決策管理等多功能于一體的智能化綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)管線的安全高效運營管理。

（1）通過無人機智能巡線方法，結合人工巡線，最大程度減少人力損耗，并能夠對高危風險點實現(xiàn)遠程智能、高效、科學化和可視化監(jiān)測。

（2）通過配置人工巡檢APP，實現(xiàn)對人工巡檢路線記錄、考勤打卡、隱患上報、圖片視頻上傳、坐標定位等功能。

（3）管道沿線設置熱成像加可見光雙模式的視頻監(jiān)測設備，通過市電或者太陽能供電方式，采用無線傳輸加有線傳輸相結合的方式，將管道的視頻監(jiān)控設備圖像實時傳輸至管道管理監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程的視頻預警監(jiān)控，同時熱成像技術可實現(xiàn)管道超溫報警、泄露監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測報警等功能。

（4）系統(tǒng)配置層（DBA，即數(shù)據(jù)庫運維管理，核心目標是保證數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、完整性和高性能）：主要功能是數(shù)據(jù)庫結構定制、用戶設置、流程定制、WEB 發(fā)布管理、綜合管理界面設置、系統(tǒng)間聯(lián)動設置、編碼管理、報表格式定義等。

2.2 總體架構

油氣管道智慧管理平臺以時空數(shù)據(jù)庫為基礎，由數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡層、信息展現(xiàn)層、數(shù)據(jù)儲存層（數(shù)據(jù)庫）、系統(tǒng)配置層（DBA）、核心應用層、數(shù)據(jù)挖掘層、決策指揮層和WEB 操作層構成，實現(xiàn)信息的完全共享和各種業(yè)務的無縫集成。

（1）數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡層：主要包括服務器、交換機、路由器、線路和采集設備等網(wǎng)絡設施建設。

（2）信息展現(xiàn)層：主要包括圖形工作站、大屏幕、電視墻、視頻會議、投影設備、噴繪設備、3G 智能終端等相關設施建設、基于GIS 的綜合查詢和基于門戶網(wǎng)站建設的WEB 應用。

（3）數(shù)據(jù)儲存層（數(shù)據(jù)庫）：從邏輯上把數(shù)據(jù)庫劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)分布式管理，其中靜態(tài)數(shù)據(jù)庫存放普通數(shù)據(jù)和靜態(tài)文檔，時空數(shù)據(jù)庫存放監(jiān)測監(jiān)控的實時數(shù)據(jù)以及時空數(shù)據(jù)模型。

（4）系統(tǒng)配置層（DBA）：主要功能是數(shù)據(jù)庫結構定制、用戶設置、流程定制、WEB 發(fā)布管理、綜合管理界面設置、系統(tǒng)間聯(lián)動設置、編碼管理、報表格式定義等。

（5）核心應用層：主要包括油氣管道三維地理信息系統(tǒng)、油氣管道災害預警系統(tǒng)、三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)等應用系統(tǒng)。

（6）數(shù)據(jù)挖掘層：主要包括安全檢查、質量檢查、查詢結果的導入導出等，該層主要用于信息的挖掘、分類和匯總。

（7）決策指揮層：主要包括效益分析、計劃制定和調(diào)整、工程進度控制、生產(chǎn)和安全隱患的集體會診、可視化指揮調(diào)度等。

（8）WEB 操作層：通過DBA 的 WEB 發(fā)布設置，實現(xiàn)Internet 上的遠程操作和信息管理。

2.3 數(shù)據(jù)庫設計

2.3.1 時空信息數(shù)據(jù)模型

(6)觀察和記錄深、淺標記的連續(xù)讀數(shù)，當數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定水平時，將其作為初始讀數(shù)。之后，開始注水，將水位保持在30～40 cm。為了使每天的用水量都很清楚，該實驗配備了精度為0.1 m3的水表，并運用水平儀進行連續(xù)觀測，通過深淺標點上標尺和基準點讀數(shù)的變化記錄沉降。

時空信息數(shù)據(jù)存儲于非關系型數(shù)據(jù)庫之中，采用對象版本來表達時空過程，主要支持柵格（影像、地形）、矢量、三維模型、傳感器數(shù)據(jù)和時間序列，也可以擴展支持其他類型數(shù)據(jù)。地理空間對象的內(nèi)部編碼存儲結構，則可引用WKB 方式（開放地理空間聯(lián)盟OGC 規(guī)定的一種以二進制形式描述空間數(shù)據(jù)的格式規(guī)范），直接以二進制進行存儲。

時態(tài)空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組成框架（如圖2 所示）主要有柵格、矢量、模型、傳感器和時間序列五類數(shù)據(jù)，可通過地理過程、圖層和屬性三種入口來訪問，借助于地理過程入口，可獲取地理對象的演化過程；借助于圖層入口，可瀏覽地理對象信息；借助于屬性入口，可從屬性描述檢索到相關地理對象。

圖2 時空GIS 組成框架圖

在對象模型（如圖3 所示）中，一個地理過程由多個對象版本描述；一個圖層包括多個同類型的地理對象；地理對象包括柵格、矢量、模型、傳感器和時間序列五類，可以有屬性描述和空間數(shù)據(jù)；事件在被觸發(fā)時可以作用于若干對象，而相關對象也會對事件進行響應。

圖3 時空地理信息對象模型

2.3.2 時空信息數(shù)據(jù)管理

時空信息數(shù)據(jù)的管理包括：數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)可視化、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、動態(tài)更新、安全管理與維護等工作（如圖4 所示）：

圖4 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)業(yè)務邏輯圖

2.4 核心應用層

2.4.1 油氣管道三維地理信息系統(tǒng)

2.4.2 油氣管道災害預警系統(tǒng)

災害預警是實現(xiàn)安全運營的重要內(nèi)容，根據(jù)各種二維、三維地理信息系統(tǒng)和各種監(jiān)測信息，利用系統(tǒng)提供的水文地質模型、地應力地質模型、地溫分布模型自動進行動態(tài)參數(shù)預測和異常疊置分析，再結合各種災害發(fā)生的條件和規(guī)律，進行管道泄漏、火災等突發(fā)情況進行預警。

2.4.3 三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)以油氣管道三維地理信息系統(tǒng)為基礎，通過傳感器網(wǎng)絡、RFID 網(wǎng)絡、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡、無線通訊和工業(yè)自動化網(wǎng)絡等新技術的深層應用，實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控—信息匯集挖掘—分析診斷—預測預報—信息發(fā)布（通過計算機屏幕和手機短信）—決策支持的閉環(huán)運行。主要包括安全監(jiān)測子系統(tǒng)、輸配電監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、地面熱源監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、管道壓力監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、水文監(jiān)測子系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的圖形顯示、報表查詢、聲光報警、快速定位，更重要的是可以通過虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)對監(jiān)控信息的真三維模擬。

2.4.4 綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)

綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)可實現(xiàn)地理信息查詢、預警信息發(fā)布、綜合信息查詢、日常調(diào)度管理、應急指揮、應急預案管理和應急預案快速啟動等功能。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)把在C/S 平臺上建立的二維和三維地理信息系統(tǒng)自動轉化為WEB 地理信息系統(tǒng)，通過瀏覽器在B/S 結構上實現(xiàn)了面向位置的生產(chǎn)、安全、管理等信息的查詢、審核和分析，通過短消息平臺、廣播系統(tǒng)和聲光設備進行信息的定期預報、超前預警和快速報警以及應急系統(tǒng)的快速反應和動態(tài)聯(lián)動，可以通過實時三維模型查詢各種地理信息、地質信息、設備信息和生產(chǎn)信息，集中顯示監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的實際狀態(tài)、以及移動設備和人員的位置，也可以顯示避災線路和救災線路，實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實的三維指揮調(diào)度、應急指揮和應急預案快速啟動。

3.結束語

基于時空GIS 的油氣管道智能管理平臺的研究和建設有利于提升油氣管道安全運營管理水平，為實現(xiàn)油氣管道應急救援智能化分析及輔助決策提供了一體化空間信息服務，對于拓展地理信息應用范圍、提升地理信息資源開發(fā)利用水平、發(fā)揮地理信息資源的效益具有重要作用和深遠意義。