淺談燃氣搶修輔助決策系統(tǒng)中GPS點的導(dǎo)入

上海大眾燃氣有限公司 王海寧

淺談燃氣搶修輔助決策系統(tǒng)中GPS點的導(dǎo)入

上海大眾燃氣有限公司 王海寧

介紹了利用GPS RTK技術(shù)進行地下燃氣管網(wǎng)測繪、繪圖的優(yōu)勢。現(xiàn)有搶修輔助決策系統(tǒng)的功能，探討在現(xiàn)有功能下導(dǎo)入GPS坐標(biāo)進行繪圖的可行性和今后系統(tǒng)發(fā)展方向。

燃氣管網(wǎng) 搶修決策系統(tǒng) GPS RTK技術(shù) GPS坐標(biāo)導(dǎo)入

0 概述

隨著時代的進步和信息技術(shù)的普及，地下燃氣管網(wǎng)的信息化已經(jīng)從初步形成向著更高的臺階邁進。由于管網(wǎng)的復(fù)雜性和隱蔽性，給燃氣管網(wǎng)的管理和維護增加了很大的難度。測量技術(shù)從過去的卷尺測量、手工成圖，到現(xiàn)在利用全球定位儀器測量后導(dǎo)入GIS系統(tǒng)自動初步成圖，使管線和設(shè)備圖形的準(zhǔn)確度，都有了顯著的提高。所以原本只要求具備邏輯正確的地理信息系統(tǒng)也應(yīng)有GPS點導(dǎo)入功能。

1 GPS RTK與GIS術(shù)在地下燃氣管線成圖中的應(yīng)用

1.1 GPS RTK技術(shù)

GPS即全球定位系統(tǒng)，它主要由地面監(jiān)控、空間星座和用戶接受器三個部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位監(jiān)測，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候服務(wù)，急時地收集地形數(shù)據(jù)信息，為地形測量工作提供方便。RTK技術(shù)(Real-time kinematic)實時動態(tài)差分法，是一種新的常用的GPS測量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。利用GPS RTK技術(shù)在進行地形測繪時，測站之間不需要同時進行，這是其方便之處，但是需要保證測量上方具有較為開闊的空間。傳統(tǒng)的測繪技術(shù)主要是通過大量人力物力進行的人工測量，不可避免的會造成測量工作的繁瑣復(fù)雜，但隨著新型測繪技術(shù)GPS RTK技術(shù)以及GIS技術(shù)等應(yīng)用，管線測量工作效率得到了提升，測量的過程也更加簡單。應(yīng)用先進的測量技術(shù)，能夠避免測量誤差和勞動工作強度，而且數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)后自動生成該管線圖形走向，這樣的應(yīng)用會讓測繪工作變得簡潔方便。

1.2 GIS技術(shù)

GIS即地理信息系統(tǒng)，利用計算機存儲的地理信息數(shù)據(jù)庫，將地理環(huán)境中的各個要素轉(zhuǎn)化為相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，并且對數(shù)據(jù)進行分析處理，GIS技術(shù)在地形測量中被廣泛的應(yīng)用。利用該技術(shù)進行地形測量，需要建立地圖掃描、野外數(shù)字采集等數(shù)字地圖，然后通過收集的數(shù)據(jù)和相關(guān)地形信息繪制出完整的地圖，幫助測量人員更好的了解當(dāng)?shù)氐牡匦?，提高測量的準(zhǔn)確性。

1.3 利用GPS RTK設(shè)備測量的過程

由負責(zé)該工程的測量人員到施工現(xiàn)場，利用GPS RTK進行測量。首先打開手持(見圖1)檢測衛(wèi)星信號強度，當(dāng)信號滿足一定強度時，符合條件可以進行GPS RTK測繪。在手持內(nèi)新建文件夾可以是工程編號和測繪日期或道路名和測繪日期；比較大或復(fù)雜的工程一天不能結(jié)束，可以自己備注，避免下次漏測或不必要的重復(fù)測量。把接收機(見圖1)放在需要測量的管線或設(shè)備上，如閥門、犧牲陽極、三通及彎管等設(shè)備上，保存此時的三維坐標(biāo)，這樣一個點就測量完成了。重復(fù)上述過程完成整個工程的測量工作。

圖1 GPS RTK測量儀器

2 搶修輔助決策系統(tǒng)的功能

燃氣管網(wǎng)搶修輔助決策系統(tǒng)是按實際地下埋設(shè)的燃氣高壓、中壓、低壓的管網(wǎng)、設(shè)施，縮小到1:10 000的比例，繪制于電腦上(簡稱1:10 000系統(tǒng))，從而給查閱、檢修、施工、搶修和維護等事項提供方便。因為萬分之一圖與五百分之一圖相比出圖速度更快，而且不需要建筑地形圖，能宏觀顯示各壓力級別的管網(wǎng)邏輯和氣源走向，給急搶修、天然氣置換等需要局部宏觀邏輯圖的工程及時地提供參考，所以公司要求在管線通氣十個工作日內(nèi)完成圖形繪制。

系統(tǒng)運用分析算法實現(xiàn)了管網(wǎng)搶修輔助決策分析功能，提高了搶修方案的及時性、直觀性和科學(xué)性，滿足日常應(yīng)急管理的要求。搶修輔助決策系統(tǒng)是綜合反映地下管網(wǎng)的管線走向、氣流方向、壓力級別、各種重要設(shè)施、管理區(qū)域、巡檢樣板、重要用戶的一個多用途系統(tǒng)，主要功能有以下幾點：

2.1 直觀反映某燃氣管道內(nèi)氣源走向

搶修輔助決策系統(tǒng)可以直觀反映地下管網(wǎng)的宏觀邏輯關(guān)系，氣源走向(由氣源點經(jīng)過高壓管道——調(diào)壓器(高轉(zhuǎn)中)——中壓管道——調(diào)壓器(中轉(zhuǎn)低)——低壓管道——用戶)，圖形在放大或縮小的顯示狀態(tài)下根據(jù)全景圖和局部圖(見圖2，圖3)加以判斷，就可以對氣流方向了如指掌。這個功能是其它現(xiàn)有系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為繁復(fù)的，甚至不可能實現(xiàn)的。

圖2 管網(wǎng)全景截屏

圖3 管網(wǎng)局部截屏

2.2 分析爆管后關(guān)閉的閥門和受影響的調(diào)壓器

發(fā)生爆管漏氣事故后，從事故點得到事故發(fā)生的一段管線，然后從這段管線的兩端出發(fā)確定控制此段管線氣流的所有閥門，通過管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，找到最小的管線封閉區(qū)域，就可以分析出應(yīng)該關(guān)閉的閥門位置、編號及因為關(guān)閉了閥門后造成停氣的調(diào)壓器位置和編號。如遇到的調(diào)壓器為門站，則以此調(diào)壓器為氣源點，進行下一級壓力管網(wǎng)邏輯分析。根據(jù)以上分析結(jié)果可以得出專用、街坊、地區(qū)及各種類型的調(diào)壓器的相應(yīng)用戶數(shù)量，從而采取停氣供氣的預(yù)案，見圖4。

圖4 爆管分析截屏

這樣一方面提高了急搶修的速度和準(zhǔn)確性，另一方面給鑲接停氣降壓提供了多方位的參考圖，減少了事故影響范圍，降低停氣受害率。

2.3 動態(tài)顯示閥門和調(diào)壓器及所需數(shù)據(jù)與圖形

對預(yù)定義的管線設(shè)施和面圖層進行空間查詢和屬性查詢。GIS 1:10 000系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分類，根據(jù)不同圖層顯示出所要查詢的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)總和。并且可以點擊查看每一個數(shù)據(jù)的具體空間位置。這樣就可以根據(jù)查詢要素的屬性，判斷發(fā)生事故的影響范圍，用戶類型，做出相應(yīng)的急搶修處理方案?？梢越y(tǒng)計不同年份的管線、設(shè)施的數(shù)量、位置，并且對閥門的開關(guān)情況動態(tài)顯示。這樣就可以為急搶修、施工、天然氣置換、管道設(shè)備維護等工作提供參考圖。

點擊統(tǒng)計結(jié)果列表中任意一條要素，則在地圖上閃爍該要素，如圖5所示。

圖5 要素查詢截屏

2.4 燃氣管線、設(shè)施及背景數(shù)據(jù)

燃氣管線、設(shè)施及背景數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入、導(dǎo)出，數(shù)據(jù)格式可以轉(zhuǎn)換，對閥門、調(diào)壓器等檔案信息可以批量導(dǎo)入導(dǎo)出，也可以單一錄入，批量導(dǎo)入導(dǎo)出的同時可以進行錯誤檢查和專題檢查，去除明顯錯誤。

2.5 圖形、屬性打印輸出

圖形、屬性輸出。包括地圖的輸出和管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)及其表卡的輸出，能對各種輸出數(shù)據(jù)進行版面的編輯處理、排版，最終輸出到各種輸出設(shè)備上。

2.6 提供突發(fā)事件應(yīng)急查閱地下管網(wǎng)設(shè)施

對地下管線設(shè)施，進行核查，保證所有邏輯關(guān)系正確。對調(diào)壓器，立管用戶和類型、數(shù)量進行普查、輸入，并編制重要用戶應(yīng)急搶修預(yù)案，確保燃氣用氣安全。

3 利用GPS RTK點繪制搶修輔助決策系統(tǒng)

由于測繪技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在大部分郊區(qū)工程都采用GPS RTK進行測繪，因此提供給繪圖員的管線設(shè)備資料都是三維數(shù)據(jù)，不再是過去的點或線段連接的尺寸，由于這種原因，繪圖的系統(tǒng)如果沒有GPS點導(dǎo)入的功能，繪圖的過程會非常繁瑣而且誤差會很大，所以GIS搶修輔助決策系統(tǒng)如果有GPS點導(dǎo)入的功能，將能更好的發(fā)揮作用。因為搶修輔助決策系統(tǒng)內(nèi)的圖形沒有具體的定位尺寸，但是存在網(wǎng)格圖，每個網(wǎng)格都有相應(yīng)統(tǒng)一的網(wǎng)格編號。但是傳統(tǒng)的測量繪制方法，在繪制管線、設(shè)備時換算具體的尺寸比例誤差比較大，存在網(wǎng)格偏差，久而久之偏差會日趨嚴(yán)重。在相應(yīng)的網(wǎng)格內(nèi)會出現(xiàn)不一樣的管線邏輯和設(shè)備。如果用GPS點導(dǎo)入就可以提高精準(zhǔn)率，避免偏差。

3.1 GPS點導(dǎo)入的問題

在市中心地段，地下管網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成熟，雖然有些管線已經(jīng)步入百年，但是在天然氣置換和承插管改造等工程中已經(jīng)對高齡高危管線進行了更換和改造。大部分都是原拆原位和小距離改動，而且地勢處于建筑擁擠范圍，不符合GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用要求，所以采用測距儀和皮尺測量后的數(shù)據(jù)搶修輔助決策系統(tǒng)還能滿足功能進行繪制。

在中環(huán)、外環(huán)及以外等空曠地區(qū)，管網(wǎng)發(fā)展量比較大，地勢環(huán)境符合GPS RTK測量的技術(shù)要求，因此這部分工程都是采用GPS測量技術(shù)，為了提高搶修輔助決策系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，繪圖時需要用GPS點進行繪制，但是由于系統(tǒng)為早期開發(fā)，搶修輔助決策系統(tǒng)導(dǎo)入GPS點無法實現(xiàn)，不能形成初步的點圖形數(shù)據(jù)。

3.2 現(xiàn)階段繪制搶修輔助決策精確位置的方法

目前在繪制圖形時用系統(tǒng)原來存在的X、Y坐標(biāo)輸入來一個一個定位管線和設(shè)備在網(wǎng)格內(nèi)的坐標(biāo)位置。確定到坐標(biāo)點以后，用不需要定位管線的輔助設(shè)施代替坐標(biāo)圓點加以標(biāo)記，直到一個工程的管線邏輯形成。然后用相應(yīng)壓力的管線連接并且添加設(shè)備、文本標(biāo)注等，最后刪除輔助X、Y坐標(biāo)定位點。這樣的方法遇到大工程缺點就非常明顯，如2014年竣工的馬橋地區(qū)0.4 MPa天然氣排管工程，有兩百多個閥門、管線長度達到22 km，都是手工一個一個點輸入——定位——添加輔助點——繪制——標(biāo)注——檢查邏輯連接——成圖，見圖6。

圖6 馬橋地區(qū)搶修輔助決策管網(wǎng)截屏

3.2.1 耗費時間長

這樣所需時間要將近兩周，而且長時間輸入繁瑣的X、Y數(shù)字坐標(biāo)容易產(chǎn)生錯誤導(dǎo)致管線偏差，從而造成重復(fù)勞動。如果運用GPS導(dǎo)入功能，則會瞬間成圖，后續(xù)只需要稍作連接和標(biāo)注，一幅高準(zhǔn)確率的萬分之一管線圖，在一天內(nèi)就能高效率完成。這樣利用GPS點導(dǎo)入成圖的優(yōu)點是非常明顯的。

3.2.2 管線閥門位置誤差大

如果不采用人工輸入X、Y坐標(biāo)定位點的方式，放棄管線在網(wǎng)格圖上的絕對位置的準(zhǔn)確性，只確保管線的相對位置間的邏輯關(guān)系正確。這樣的繪制方式只能保證地下燃氣管網(wǎng)整體宏觀的走向和邏輯關(guān)系，要單獨對某一坐標(biāo)點或圖版網(wǎng)格內(nèi)的具體內(nèi)容進行體現(xiàn)就有很大的誤差(見圖7搶修輔助決策相對位置)。如果現(xiàn)場操作人員對閥門設(shè)備的具體位置不夠了解，不利用小比例的圖形(見圖8中1:500上管線閥門位置)進行判斷，不查設(shè)備編號，直接用搶修輔助決策圖紙進行定位，就會造成判斷錯誤，出現(xiàn)不可設(shè)想的嚴(yán)重后果。

圖7 搶修輔助決策相對網(wǎng)格位置截屏

圖8 1:500上管線閥門位置截屏

3.2.3 管線閥門之間的邏輯關(guān)系需要人工判斷

由于客觀原因造成部分管線設(shè)備沒有用GPS坐標(biāo)點進行繪制，然而后續(xù)施工的管網(wǎng)都是要有氣源連通的，那么這個連接點的位置就要進行邏輯上面的判斷，尤為重要的是閥門、道路、三通幾個重要點附近的相接點，如果繪制時判斷錯誤就會造成搶、檢修時開關(guān)閥門錯誤，延誤時間、擴大事故影響范圍，增加停氣受害率，見圖9。如果管線全部采用測量的X、Y坐標(biāo)導(dǎo)入繪制，隨著時間的變化管線的積累，管線設(shè)備的相對位置邏輯關(guān)系發(fā)生人為判斷錯誤的幾率就很低。因為管線、設(shè)備每一次繪制都是和實際空間的坐標(biāo)一致，那么長久以往，繪制時不需要人工判斷，他們之間的邏輯關(guān)系應(yīng)該都是正確的。