油田管網(wǎng)應(yīng)急指揮關(guān)鍵技術(shù)研究

霍鳳財(cái) 劉 洋 杜 穎 姜淑環(huán) 楊 迪

(1. 東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414)

油田管網(wǎng)應(yīng)急指揮關(guān)鍵技術(shù)研究

霍鳳財(cái)1劉 洋1杜 穎1姜淑環(huán)2楊 迪2

(1. 東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江 大慶 163414)

采用分層疊加、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、穿孔管網(wǎng)關(guān)聯(lián)閥門和地圖數(shù)據(jù)分時(shí)修正技術(shù)構(gòu)建了油田應(yīng)急指揮系統(tǒng)，其中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)緯度到西安80坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，為穿孔管網(wǎng)關(guān)聯(lián)閥門定位事故點(diǎn)做好了準(zhǔn)備；穿孔管網(wǎng)關(guān)聯(lián)閥門技術(shù)通過管網(wǎng)與閥門之間的拓?fù)潢P(guān)系實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)與閥門之間的智能查詢，完成對(duì)應(yīng)急事件的處理；地圖數(shù)據(jù)分時(shí)修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地圖文件的修正維護(hù)。通過應(yīng)用這4種技術(shù)，在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到地圖上事故點(diǎn)定位、關(guān)聯(lián)到離事故點(diǎn)最近的閥門和調(diào)用應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案處理事故管網(wǎng)的目的，解決了以往管網(wǎng)、閥門等基礎(chǔ)設(shè)施的具體位置靠人工經(jīng)驗(yàn)定位的問題，同時(shí)在對(duì)地圖數(shù)據(jù)維護(hù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了地圖數(shù)據(jù)的安全性和統(tǒng)一性。

油田管網(wǎng) 應(yīng)急指揮系統(tǒng) WebGIS 分層疊加 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 管網(wǎng)關(guān)聯(lián)閥門 地圖數(shù)據(jù)分時(shí)修正

針對(duì)油田企業(yè)注水管網(wǎng)、油管網(wǎng)、氣管網(wǎng)的穿孔問題以及目前管網(wǎng)位置、相關(guān)聯(lián)的切斷閥位置等重要信息主要依靠人工記憶、憑經(jīng)驗(yàn)處理且處理效率不高的情況，建立了油田管網(wǎng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了地圖數(shù)據(jù)修正、數(shù)據(jù)模型查詢定位及調(diào)用應(yīng)急指揮預(yù)案等功能，依靠Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境和地理信息系統(tǒng)，完成了該系統(tǒng)的建立。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是通過集成計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和數(shù)據(jù)庫(kù)來直觀表述空間信息的新技術(shù)，它將空間位置和地理信息有效地結(jié)合，向用戶提供直觀、準(zhǔn)確的位置信息及其屬性信息的圖件。GIS的主體構(gòu)架、應(yīng)用的技術(shù)手段、成果的展示均已觸及到各信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿。而與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用為GIS的發(fā)展帶來了新契機(jī)，改變了傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、發(fā)布、共享、應(yīng)用及可視化等方式[1]。GIS互聯(lián)網(wǎng)Internet操作平臺(tái)——WebGIS已成為目前GIS發(fā)展的新趨勢(shì)。

筆者根據(jù)目前油田企業(yè)業(yè)務(wù)部門的需求，針對(duì)注水管網(wǎng)、油管網(wǎng)及氣管網(wǎng)穿孔等情況，通過C#語言和WebGIS、以Web瀏覽器為主的基于B/S(Browser/Server)模式(即瀏覽器和服務(wù)器模式)[2]以及分層疊加、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、管網(wǎng)關(guān)聯(lián)閥門和地圖數(shù)據(jù)分時(shí)修正4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)來解決這些實(shí)際問題。

利用Arcgis Desktop[3]將地理信息數(shù)據(jù)以圖層記錄的方式對(duì)注水管網(wǎng)、油管網(wǎng)、氣管網(wǎng)的閥門及其相關(guān)附屬設(shè)施、設(shè)備的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改及刪除等維護(hù)工作。地理信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，以Web Service[4]的方式將地理信息數(shù)據(jù)發(fā)布到地圖服務(wù)器Arcgis Server Manager上。在集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建窗體、編譯代碼和發(fā)布網(wǎng)頁(yè)，即系統(tǒng)的服務(wù)器部分；用戶通過登錄應(yīng)急指揮系統(tǒng)進(jìn)入油田管網(wǎng)應(yīng)急指揮這一子系統(tǒng)，此時(shí)用戶看到的界面就是客戶端界面；客戶端中包含注水管網(wǎng)查詢模塊、油氣管網(wǎng)查詢模塊、查詢定位模塊、分時(shí)數(shù)據(jù)修正維護(hù)模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、應(yīng)急預(yù)案查詢模塊。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1分層疊加

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的層次化管理，根據(jù)注水管網(wǎng)、油管網(wǎng)、氣管網(wǎng)、各管網(wǎng)的閥門及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)備、設(shè)施等的功能特點(diǎn)，通過分層這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地圖分層顯示。分層這一理論是人們探索認(rèn)知現(xiàn)實(shí)世界的重要理論之一。層是GIS中基本的概念之一，分層是目前GIS數(shù)據(jù)組織中最基本、最重要的方法之一。注水管網(wǎng)這一圖層中對(duì)應(yīng)的是管網(wǎng)名稱、輸送介質(zhì)及管網(wǎng)長(zhǎng)度等信息，而閥門這一圖層對(duì)應(yīng)閥門編號(hào)、坐標(biāo)位置及所在管網(wǎng)等信息，也就是說每一圖層對(duì)應(yīng)相應(yīng)的屬性信息和空間數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)由各類管網(wǎng)、閥門、道路及湖泊等空間數(shù)據(jù)圖層及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)組成，一個(gè)空間數(shù)據(jù)圖層又是以若干個(gè)空間坐標(biāo)或柵格像元的形式存儲(chǔ)的，這一邏輯組織模型即為疊加。一個(gè)空間對(duì)象及其屬性信息在這一模型中相當(dāng)于金字塔的根基，而地圖則是這個(gè)模型中的塔尖。對(duì)于這一邏輯組織模型中的信息可以分為3類:第一類是地理數(shù)據(jù)組織中的頂層信息——地圖集，它管理所有地圖，并對(duì)每個(gè)地圖進(jìn)行處理，識(shí)別各種地圖信息(地圖引用、地圖坐標(biāo)、地圖描述)；第二類是多空間圖層組成的圖層集合——圖層集，它包括組成圖層集的圖層引用、圖層空間索引、圖層顯示及圖層坐標(biāo)范圍等信息；第三類是由多個(gè)具有相同或相似特性的同類型的空間對(duì)象組成的集合——圖層，它包含空間對(duì)象的標(biāo)識(shí)、空間對(duì)象的描述和空間對(duì)象的幾何表示。

2.2坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)[5]，因?yàn)槔肎PS手持器等設(shè)備測(cè)得實(shí)地坐標(biāo)為經(jīng)緯度，而系統(tǒng)中是西安80坐標(biāo)，所以只有進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后才能確定精確的事故地點(diǎn)。本技術(shù)中不僅實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了度、分、秒的轉(zhuǎn)換，并且能夠完成坐標(biāo)的批量轉(zhuǎn)換。技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依靠投影和基本的數(shù)學(xué)原理，將計(jì)算轉(zhuǎn)換過程寫入代碼中。

在控制測(cè)量中，通過應(yīng)用表征地球旋轉(zhuǎn)的地球橢球作為地球的數(shù)學(xué)符號(hào)。橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成的幾何體就是旋轉(zhuǎn)橢球，而地球橢球?qū)嶋H上就是一個(gè)合適的旋轉(zhuǎn)橢球，它包括橢球中心、旋轉(zhuǎn)軸、長(zhǎng)半軸和短半軸。包含旋轉(zhuǎn)軸的平面與橢球平面相截所得的橢圓叫子午橢圓，所有子午橢圓的面積都相等；垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面與橢球平面相截所得的橢圓叫緯圈。

為了表示橢球面上點(diǎn)的位置，必須建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，大地坐標(biāo)系是其中的一種重要方法。如圖2所示，P點(diǎn)的子午面NPS與起始子午面NGS構(gòu)成的二面角L為P點(diǎn)的大地經(jīng)度。從起始子午面起算，向東為正，東經(jīng)(0～180°)，向西為負(fù)，西經(jīng)(0～180°)。P點(diǎn)的法線Pn與赤道面的夾角B為P點(diǎn)的大地緯度。從赤道面起算，向北為正，北緯(0～90°)，向南為負(fù)，南緯(0～90°)。在這套坐標(biāo)系中，用L、B表示P點(diǎn)位置。如果點(diǎn)不在橢球面上，則用L、B、H來表示該點(diǎn)的位置(H為大地高)。

圖2 大地坐標(biāo)系示意圖

上面的方程式建立了橢球面上一點(diǎn)與投影面上相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的解析幾何關(guān)系，稱為坐標(biāo)投影方程，F(xiàn)1和F2稱為投影函數(shù)。

該項(xiàng)技術(shù)中應(yīng)用了高斯投影，并按照3°進(jìn)行投影分帶。高斯投影為假設(shè)有一橢圓柱體橫套在地球橢球體外面，并相切于其中一條子午線(此子午線稱為中央子午線或軸子午線)，橢圓柱的中心軸通過橢球體中心，應(yīng)用數(shù)學(xué)上的投影方法，將中央子午線兩側(cè)各一定經(jīng)度范圍內(nèi)的區(qū)域投影到球圓柱面上再展開即為投影面。

2.3穿孔管網(wǎng)閥門關(guān)聯(lián)

在生產(chǎn)過程中，注水管網(wǎng)在外力或其他條件的影響下出現(xiàn)漏點(diǎn)，這時(shí)就需要工作人員及時(shí)、準(zhǔn)確地找到該漏點(diǎn)，以減少損失或避免造成大的危害。因此，建立管網(wǎng)與閥門之間對(duì)應(yīng)關(guān)系是至關(guān)重要的。

根據(jù)閥門和管網(wǎng)的關(guān)系建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，建立管網(wǎng)與閥門的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，為數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)備。在GeoDatabase中引入了拓?fù)潢P(guān)系規(guī)則，拓?fù)潢P(guān)系規(guī)則可作為同一要素?cái)?shù)據(jù)集中的不同要素類或者同一要素類中的不同要素，管網(wǎng)與閥門的關(guān)系類別屬于前者。指定空間數(shù)據(jù)必須滿足的拓?fù)潢P(guān)系約束，例如，要素之間的相鄰關(guān)系、連接關(guān)系、覆蓋關(guān)系、相交關(guān)系及重疊關(guān)系等。系統(tǒng)中的管線與閥門為重疊關(guān)系，該重疊關(guān)系對(duì)應(yīng)點(diǎn)加線的拓?fù)渲丿B約束。通過編輯工具檢查、維護(hù)空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系的正確性，通過對(duì)空間數(shù)據(jù)特定拓?fù)潢P(guān)系規(guī)則編輯能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)拓?fù)潢P(guān)系中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在拓?fù)潢P(guān)系類中，除了拓?fù)潢P(guān)系規(guī)則，還有必要的規(guī)定，如：參與拓?fù)浼s束的各要素類的容限值和精度等級(jí)。其中，容限值是指落在以此值為半徑的圓形范圍內(nèi)的所有被看成是一致的點(diǎn)，約束合一；精度級(jí)別則表示參與拓?fù)浼s束的每個(gè)要素類都可以根據(jù)實(shí)際情況賦予一個(gè)精度級(jí)別，精度級(jí)別越高，在容限值范圍內(nèi)移動(dòng)就越穩(wěn)定，這就需級(jí)別低的靠攏級(jí)別高的，當(dāng)不同的要素類數(shù)據(jù)精度有差別時(shí)，通常將精度較高者設(shè)為精度級(jí)別。通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)糾正了管網(wǎng)與閥門之間的誤差，使最終的地圖數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

然后在集成開發(fā)環(huán)境中編譯代碼，根據(jù)管網(wǎng)與閥門的屬性字段來讀取這兩個(gè)圖層，利用鼠標(biāo)的單擊事件，根據(jù)注水管網(wǎng)事故點(diǎn)的地理位置信息，以建立好管網(wǎng)與閥門對(duì)應(yīng)關(guān)系模型的地圖為基礎(chǔ)，通過程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)該位置的優(yōu)化檢索，將該注水管網(wǎng)事故點(diǎn)位置上/下游閥門進(jìn)行分段顯示，并將閥門的屬性信息(編號(hào)、所屬管網(wǎng)及坐標(biāo)等基本信息)也顯示出來，為應(yīng)急快速響應(yīng)提供技術(shù)保障。

2.4地圖數(shù)據(jù)分時(shí)修正

以圖層記錄的方式對(duì)注水管網(wǎng)、油管網(wǎng)、氣管網(wǎng)、各管網(wǎng)的閥門及相關(guān)附屬設(shè)備、設(shè)施的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改及刪除等維護(hù)工作，從而為數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用提供基礎(chǔ)。地圖數(shù)據(jù)修正流程如圖3所示，通過數(shù)據(jù)庫(kù)加鎖實(shí)現(xiàn)了用戶登錄權(quán)限的設(shè)置。為保證并行用戶在存取同一數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)象數(shù)據(jù)的正確性和多用戶情況下數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性、統(tǒng)一性，采用數(shù)據(jù)加鎖機(jī)制管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的鎖用來處理多用戶使用同一數(shù)據(jù)的軟件機(jī)制，指示某個(gè)用戶已經(jīng)占用了某種資源(數(shù)據(jù)段、數(shù)據(jù)表及元組等)，從而保證可順利執(zhí)行事務(wù)和數(shù)據(jù)的完整性、統(tǒng)一性。所有數(shù)據(jù)對(duì)象的副本也應(yīng)加鎖，確保事務(wù)的 ACID特性。假設(shè)某作業(yè)區(qū)的工作人員正在對(duì)地圖數(shù)據(jù)修正維護(hù)，另一作業(yè)區(qū)工作人員就不能下載地圖文件，某作業(yè)區(qū)工作人員完成地圖數(shù)據(jù)維護(hù)，上傳地圖文件以后，另一作業(yè)區(qū)工作人員才能開始進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)維護(hù)，這就實(shí)現(xiàn)了分時(shí)維護(hù)。

圖3 地圖數(shù)據(jù)修正流程

地圖數(shù)據(jù)維護(hù)完成之后，將該圖形以Web Service的方式發(fā)布。在Web Service中實(shí)現(xiàn)了對(duì)歷史地圖文件的保存，用戶還可以下載歷史地圖文件，為地圖數(shù)據(jù)更新提供了便利。同時(shí)Web Service中會(huì)顯示地圖文件的名稱和上傳時(shí)間。上傳文件時(shí)，通過程序?qū)⒕W(wǎng)頁(yè)與本機(jī)連接起來，用戶可以鏈接到想要上傳的地圖文件，實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的更新，同時(shí)歷史地圖文件會(huì)被保存。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示，當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)穿孔時(shí)，單擊穿孔管網(wǎng)，事故地點(diǎn)閥門會(huì)分段顯示，同時(shí)把光標(biāo)移到閥門上，會(huì)顯示出閥門的坐標(biāo)、名稱等信息(圖5)。地圖文件分時(shí)下載并修正如圖6所示。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換效果

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)應(yīng)用分層疊加技術(shù)清晰明了地顯示地圖信息，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度到西安80坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、穿孔管網(wǎng)關(guān)聯(lián)閥門技術(shù)通過管網(wǎng)與閥門之間的拓?fù)潢P(guān)系實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)與閥門之間的智能查詢、地圖數(shù)據(jù)分時(shí)修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地圖文件的維護(hù)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。最終實(shí)現(xiàn)了油田企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)也推動(dòng)了油田企業(yè)的信息化建設(shè)。

圖6 地圖分時(shí)下載修正效果

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KeyTechnologyResearchforEmergencyCommandinOilFieldPipeNetwork

HUO Feng-cai1, LIU Yang1, DU Ying1, JIANG Shu-huan2, YANG Di2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China; 2.NO.2OilProductionPlant,DaqingOilFieldCo.,Ltd.,Daqing163414,China)

Having technologies of layered superposition, coordinate transformation, associating perforated pipelines with valves and the map data correction at various times adopted to construct the emergency command system for the oil field was implemented, in which, the coordinate transformation technology can achieve conversion of the latitude and longitude to the Xi′an 80 coordinate and this makes ready for locating the fault valve

TH165+.3

A

1000-3932(2016)06-0619-05

2016-04-19(修改稿)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61374127)；國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61422301)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013D-5006-0209)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M550180)；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(LBH-Q12143)；東北石油大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2013NQ105)