GIS在城鎮燃氣管網中的關鍵技術及應用

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8000

通信作者：石善忠（1993—），男，本科，工程師，研究方向為GIS。E-maik：scg6221@china-gis.com。

摘 ?要：燃氣是人們生產和生活中不可或缺的要素，而燃氣輸配運行過程中在燃氣系統的設計、建設和維護中扮演著至關重要的角色。隨著城鎮燃氣的高速發展，對運行管理提出了更高的要求，對精細化、科學化、規范化管理需求也不斷的提升。為滿足這些需求，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）在城鎮燃氣地下管網中得到了廣泛應用。運用空間數據轉換處理系統（Feature Manipulate Engine，FME）進行數據建庫和數據轉換，ArcMAP用于燃氣管道設施空間數據處理， GeoPandas結合Sklearn程序包實現巡檢網格制作及動態分析可實現地下燃氣管道的精細化巡檢，進一步提升輸配管道設施的運行管理水平，降低事故發生，提高管網運行效率和安全性。

關鍵詞：城鎮燃氣 輸配運行 地理信息系統 空間數據轉換 精細化巡檢

中圖分類號：P209

隨著快節奏的城市建設的不斷更新，對燃氣管網的運行管理提出了更高的要求。我國正處于城市化建設的高峰期，城市建設的不斷演進，對燃氣管網的運行管理提出了挑戰。如何精細化管理，以滿足長期發展需求，成為我國燃氣管網系統建設的難點。此外，目前我國城市燃氣管網系統在日常巡檢維護中也面臨諸多問題。由于燃氣管道長度較長、分布范圍廣，管道年限悠久，管道材質老化，設備故障往往難以及時發現，這對燃氣管道巡檢維護工作提出了更高的要求[1]。

GIS是以地理科學為核心，以計算機科學、計算機技術、遙感技術和信息科學為工具的一項技術；通過建立完善的地理空間數據庫，以電子信息相關工具收集、整理、計算地理空間相關數據并數據進行整合與模擬，從而做到對現實地理情況的實時模擬[1]。GIS系統在燃氣建設及日常工作中具有空間數據管理特性，管網規劃和設計，空間沖突分析，運行管理和維護，數據共享和決策支持。

1技術特點及優勢

GIS是一項新型的計算機技術，主要功能是用來研究和管理空間數據，以提供給人們需要的空間位置或者地理坐標。這項技術需要借助各種軟硬件設備的支持，通過對具體的地理位置數據進行處理，從而獲得不同空間之間的關系[2]。

1.1 GIS軟件處理地理空間數據的優勢

GIS軟件處理地理信息數據具有多種優勢特點，使其成為地理信息數據處理的重要工具。它能夠整合各種不同格式的地理數據，包括CAD、GDB、MDB、SHP等通用格式，還能處理包含空間坐標系統的衛星影像數據和遙感數據。通過將這些數據整合到一個統一的空間參考坐標系中。還能夠實現二三維一體化的數據可視化、管理、分析和發布。矢量數據的三維化可以通過字段拉伸供貨者符號配置，且無縫集成了City Engine的規則建模，從而實現數據從主流數據格式到專業建模軟件的平滑過渡。

1.2 GIS系統具有地理空間分析的特點

GIS系統具有空間分析的特點，這是核心功能之一。首先，可以執行各種空間查詢操作，如點在多邊形內部，線與面相交等。還可以使用這些查詢操作來解決一些復雜的空間運算，從而進行后續的分析和處理。其次，具有空間統計和聚類分析比如點模式分析、核密度分析等，這些分析功能可以對探索地理要素的分布和聚集趨勢具有重要意義。同時，還有強大路徑分析功能，可以計算出最佳路徑、最短路徑、服務區域等這對于交通路徑規劃應用非常有用。最后，還具有空間插值，空間建模特性，通過空間建模可以預測地理現象，并為決策提供支持。

1.3 GIS具有可視化和制圖的特點

GIS具有可視化和地圖制圖的優點，這也使其成為地理信息數據處理和展示的重要工具。GIS可以直觀表達地理數據能夠將地理數據以地圖、圖表、圖形等形式進行可視化展示，使抽象的地理數據轉化為直觀的可視化表達。通過地圖和圖表，用戶可以更容易地理解釋。通過符號化技術可以將地理數據的空間屬性可視化展示。通過選擇合適符號，顏色和漸變等，可以突出地理數據的特征和模式。

1.4?GIS在城鎮燃氣系統中的特點和優勢

首先，GIS系統可以有效管理和分析大量的空間數據，包括管道設施位置，地形方位等信息。通過GIS系統可以精確的建立地理數據庫，能夠對日常管道巡檢及搶維修工作帶來極大的幫助，可以快速地到達事故點并迅速地找到問題設施或管道。

其次，GIS技術可以幫助進行管網規劃和設計，考慮到城市的發展需求、環境條件和現有設施等因素。通過GIS空間分析和動態模擬技術可以確定最優的管道布局，管容量和連接方式，從而可以提高燃氣管網系統的效率和可靠性，還可以進行空間沖突分析在日常運行管理中難免有建筑物占壓帶來安全隱患。通過GIS空間分析可以做管道與建筑壓蓋分析將壓蓋到管道設定為隱患管道，可盡早發現并解決潛在的風險。

可見，將GIS技術應用于城鎮燃氣管網系統建設工作中，可以提升規劃設計的精度和效率，實現管網運行管理和維護的優化，也可以提前發現管道構建筑物占壓的風險。從而提升城市燃氣管網系統的整體水平。

2關鍵技術研究

將GIS應用于城鎮燃氣管網系統建設工作中涉及到多項關鍵技術。其中運用FME轉換器可進行數據建庫及多格式數據轉換，ArcMAP結合FME軟件實現Data Interop高效的處理數據用于燃氣管道設施空間數據處理；運用GeoPandas結合Sklearn程序包實現巡檢網格制作及動態分析。這些關鍵技術的應用可以快速提高工作效率，減少人工處理的工作量和操作性錯誤。

2.1地下管道的帶屬性數據格式轉換

地下管道數字化主要采用CAD進行繪制后，對CAD繪制完的圖形結合MDB實現數據屬性的綁定。原先的CAD和GIS軟件互動操作就顯得比較麻煩，只能單幅處理數據量較大時處理效率相對比較低。本文所研究的利用FME對CAD到GIS帶屬性數據格式轉換解決了數據快速綁定賦值提高工作效率降低數據處理錯誤可能。利用Arcpy對CAD標注文本進行處理保證了數據無損格式的變換。使用模板化操作可以多次復用工具不用反復人工處理，實現批處理解決數據格式轉換問題。

2.1.1 利用FME對CAD到GIS帶屬性數據格式轉換

空間數據轉換處理系統（ Feature Manipulate Engine， FME）由加拿大 Safe Software 公司開發，通過提供在轉換過程中重構數據的功能，實現了超過 250 種不同空間數據格式（模型）之間的轉換，為進行快速、高質量、多需求的數據轉換應用提供了高效、可靠的手段[3]。

（1）制訂方案。?通過CAD加MDB表的方法利用FME轉換器工具生成ARCGIS-GDB格式數據，通過這個格式數據導入到數據庫中。

（2）模板制作。在完成 CAD 源數據整理和質檢后就可以在 FME轉換平臺進行模塊化創建，首先需要找到屬性關聯的唯一編碼，本文選用 CAD 中 HANDLE 號和 MDB 表中 HANDLE 號做唯一編碼關聯方式以實現 GIS 數據帶有屬性的轉換，在 CAD 中 HANDLE 號作為對象要素的唯一識別號只能保證在本圖幅中是唯一的[4]。

利用 FME 加載數據后選擇打開相應的格式屬性以便后續做關聯。將導入的 CAD 文件打開了autocad_entity_handle、fme_basename 兩個屬性，選擇這 兩項屬性就可以將 CAD 中的 HANDLE 號和文件名的圖幅編號給暴露出來以便后續轉換器獲取并使用[4]。

選用FeatureMerger轉換器進行關聯，其中左側 Requestor 選擇打開的相應屬性格式， 右側 Supplier 選擇MDB 表中對應的字段名， 此轉換器主要用屬性掛接[4]。

（3）屬性賦值。首先，判斷是否有值，若為空值則需要將編號字段值設置為-1以免空記錄無法進行后續操作可以使用AttributeCreator轉換器進行設置；其次可以使用StatisticsCalculator對其編號數字進行最大值分析輸出complete數據；最后如果最大值為-1的話就需要重新編碼可以用Counter轉換器從0開始，判斷則使用Test轉換器，若最大值不是-1則直接使用_max屬性進行計數添加。

2.1.2 利用Arcpy對CAD標注文本提取及格式轉換

因標注數據含標注引線和標注文本數據轉換成GIS格式對應的是Polyline和Annotation格式，處理Annotation格式要保證字體和字體大小不能隨意變換，目前單單運用FME達不到數據快速處理的要求。所以本文研究采用ARCMAP結合FME模式來解決標注文本的提取及格式轉換。

ArcPy是 ESRI 提供的一個Python 站點包，提供了多種函數和類來訪問和處理地理數據。使用 Python 和ArcPy，可開發出大量的實用程序，可用于在 ArcGIS 中通過 Python 執行地理數據分析、數據轉換、數據管理和地圖自動化等操作[5]。

本文研究主要在Arcpy采用要素類轉Shapefile（conversion.FeatureClassToGeodatabase）和導入CAD注記（ImportCADAnnotation_conversion）兩個模塊將CAD上面的標注文本和引線提取出來，然后使用FME建立快速轉換模板對數據進行合并，圖幅要素信息更換。利用Arcpy實現代碼如圖1所示。

以上程序需要在安裝ARCGIS軟件到C：＼Python27＼ArcgisX環境下的python執行程序可以生成得到Polyline和Annotation這兩個格式文件。利用上述兩個生成好的gdb數據再放到FME環境下將數據進行合并并對屬性進行批量賦值就能得到最后的成果。

2.2 地下管道巡檢網格制作

由于地下管線通常埋在地下，難以直接觀察和檢查，地下管道還存在大量的材質，口徑等關鍵信息數據，巡檢時通過車輛檢漏設備可以發現大概空間位置。但數據上報時無法判斷是哪根管道，傳統的巡檢方法通過車輛檢漏設備可以發現大概的空間位置，但在數據上報時無法準確判斷是哪根管道。為了解決這個問題，采用一種新的技術方法，即網格化巡檢技術。該技術將管道進行網格化制作，將區域和道路進行分割，以將人員巡檢和車輛巡檢分離，從而方便巡檢人員按照每日巡檢樣板進行安排。

本文主要采用了ArGIS結合FME相關工具實現巡檢網格制作的方法，利用GeoPandas結合sklearn程序包來實現巡檢網格的動態分析，以便更好地管理未入網格的管道情況。通過將管道進行網格化，可以更好地掌握每個網格區域的管道信息，包括管線的位置、屬性和狀態等。巡檢人員可以根據網格分配進行巡檢工作，確保每個區域的管道得到及時的檢查和維護。

2.2.1網格制作

網格主要分為道路網格和區域網格，道路網格采用面狀道路數據再加上人行道的面數據進行合并用ArcGIS工具箱中Merge工具，對交叉口進行面重疊分析使用FME的AreaOnAreaOverlayer后用Dissolver工具并對數據進行融合操作。主要是對面積小于2000mm2的進行融合。再使用道路中心線疊加道路網格將道路信息賦值到道路網格中。對面狀道路面積小于50mm2的進行刪除處理。再使用Clip工具將行政區劃和道路網格進行切割分析即可得出的區域網格。這樣生成的網格將會全覆蓋管道。

2.2.2 動態分析

管道數據通過數字化工具實時更新入庫，這樣管道會有增加。隨著城市發展有些區域會有新增道路或變成了新的小區或者廠家，就需要對面的數據進行動態分析是否被有效的包含對應的屬性面數據。一般道路網格綁定道路管道，區域網格綁定街坊或區域管道。然后這邊主要運用GeoPandas程序包中的面與線疊加分析方法取出沒有被網格面疊加的管道再將管道轉換成中心點，對點進行相應的聚合。本文主要采用DBSCAN聚合方法。對多點進行聚類生成網格輔助點幫助巡檢人員快速定位相關位置，又不會太多數據聚集在一起從而對輔助點進行了優化展示。

GeoPandas是一個開源項目，旨在向Pandas類添加對地理數據的支持。它目前實現了 GeoSeries 和 GeoDataFrame 的子類的類型。GeoPandas中的核心數據結構是geopandas.GeoDataFrame，它可以存儲幾何圖形列并執行空間操作。這個geopandas.GeoSeries 處理幾何圖形。GeoPandas類可以作用于shapely何對象并執行幾何操作。

DBSCAN是一種很典型的密度聚類算法，和K-Means，BIRCH這些一般只適用于凸樣本集的聚類相比，DBSCAN既可以適用于凸樣本集，也可以適用于非凸樣本集。這個DBSCAN聚合方法在Python的sklearn包內可以直接運用，前期需導入pandas和geopandas即可。關鍵代碼如圖2所示。

網格化巡檢技術可以提高巡檢工作的效率和準確性，減少漏檢和遺漏的情況發生。同時，通過動態分析未入網格的管道情況，可以及時發現并處理未被覆蓋的管道區域，確保樣板任務的完整性。通過使用該技術，地下管道的巡檢工作將變得更加高效和可靠，為管道管理和維護提供了重要的支持。

3應用總結

3.1 GIS技術在燃氣管網巡檢的應用特點

城鎮燃氣管網的日常管理和維護非常重要。如果發生問題，勢必影響燃氣管網的正常使用，對人們的日常生活產生一定的影響，甚至可能引發安全事故。[6]（1）GIS技術可提供直觀的管網分布數據。地理信息數據含有空間坐標及位置信息，可以實時提供巡檢人員周邊的管網數據，協助巡檢人員進行快速、精準的設備定位。（2）GIS技術可實現管道網格化巡檢，利用精細化網格將管道進行網格化處理，分為道路網格和街坊網格，并統計網格內的管道總徑數（即不同壓力、材質、口徑的管道長度），巡檢人員通過對管理區域內的道路、街坊網格的巡檢上報完成管道巡檢。（3）GIS技術可提供實時巡檢軌跡，利用GPS+GIS方式能夠實時獲取巡檢車輛和巡檢人員的當前位置和歷史軌跡，并通過軌跡和網格進行比對，自動計算巡檢任務覆蓋率，提升燃氣管網巡檢效率和質量。

3.2 GIS技術在安全事故與隱患管理的應用特點

地下燃氣管網一旦發生故障，就會產生較大的影響，影響小的出現經濟損失，影響大的會出現人員傷亡。所以借助GIS+物聯感知技術（IoT）實現調壓器SCADA監控，流量監控，利用GIS空間分析及燃氣管網輸送算法計算出管道燃氣的泄漏情況進行三維仿真模擬。可實時監控全網區域的運行情況。第一時間掌握燃氣設備故障，從而避免事態的惡化，阻止安全生產事件的發生。

在城市燃氣急搶修后將維修點及故障信息進行動態收集，并將故障信息存儲到GIS地理信息數據庫中，利用GIS技術建立重點區域分布圖能夠針對隱患管道區域進行重點管理加強巡檢頻次，重新規劃設計管道走向，也可以利用GIS空間分析功能對事故點周邊的重點場所如醫院、化工區、學校等最近距離分析為疏散居民群眾和應急處置救治提供了重要的技術支撐。

3.3 GIS技術在爆管分析中的應用特點

隨著燃氣信息化程度的不斷提高，數字化應用越來越多。數字化管道管理是通過將先進的信息化技術應用到燃氣管道日常運維過程中，使得管道日常運維更準確，便于運維人員操作，提高日常運維效率。由于燃氣管道涉及到歷史遺留數據和現狀管道數據，以及管道本身的屬性屬與市政工程相關，大多管道都是埋設在地下，因此存在許多運維分析缺陷：比如目前管道泄漏都是根據泄漏位置來主觀判斷對應周圍的關聯設施設備，然后通過人工排摸判斷是否受影響，很大一部分都是靠運維人員經驗來判斷關閉設施位置，這就導致運維人員經常會關閉不必要的設備，進而把影響面擴大，造成不必要的受災影響面[7]。

GIS技術可以構建管道及設施的空間索引文件，再構建出管道網絡數據，通過管道網絡文件及其拓撲數據情況可設置斷點信息并且將閥門和調壓器做切斷和氣源參與數據分析。在管道泄漏時通過GIS拓撲技術為客戶提供需要切斷的設備和影響用戶為應急指揮提供有力的數據應用。鑒于 GIS 強大的網絡分析功能，通過構建幾何網絡，利用 ArcGIS 的幾何網絡分析接口及爆管算法等，可實現停氣過程的程序自動預測分析。替代了傳統工作模式下的肉眼識別判斷，可自動提取停氣和恢復過程中受影響的建筑物并生成預測報告，降低了勞動強度，提升了準確性和工作效率，實現了分析過程的客觀和規范化，具有很好的經濟價值和實用價值[8]。

4 結語

在實際應用中，GIS在城鎮燃氣管理中的效果也是顯著的。通過GIS系統的建立和應用，可以提高管網數據的可靠性和完整性，優化巡檢和維護計劃，提高維護效率和降低成本，實現對管道的實時監控和預警，保障燃氣供應的安全和穩定。GIS的應用使得管道管理變得更加智能化、精細化和高效化。

參考文獻

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