基于WebGIS的數(shù)字管道信息系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

歐新偉,李洋,徐杰,劉亮

(1.中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.中國石油濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000)

基于WebGIS的數(shù)字管道信息系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

歐新偉1,李洋2,徐杰1,劉亮1

(1.中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.中國石油濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000)

在管道完整性管理過程中，需要處理各種數(shù)據(jù)，尤其是空間數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的方式無法滿足空間數(shù)據(jù)管理和分析的需求。闡述了基于Web地理信息系統(tǒng)(WebGIS)的數(shù)字管道信息系統(tǒng)創(chuàng)建的總體設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計，并對系統(tǒng)的功能進行了分析，該系統(tǒng)能較好地滿足在空間范圍內(nèi)對管道進行管理，彌補了傳統(tǒng)方式管理的不足?；赪ebGIS的數(shù)字管道信息系統(tǒng)充分發(fā)揮了地理信息系統(tǒng)(GIS)在數(shù)據(jù)管理和空間分析領(lǐng)域的優(yōu)勢，能有效提高管道完整性管理的水平和運營效率。

Web地理信息系統(tǒng) 數(shù)字管道信息系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

長輸管道作為石油和天然氣行業(yè)的主要輸送工具，具有點多、線長、面廣及網(wǎng)絡(luò)化的特點[1]，其輸送的介質(zhì)具有易燃、易爆等特點，并且管道途經(jīng)沿線有村莊和河流等，地理環(huán)境復(fù)雜多變，一旦發(fā)生事故，有可能引起爆炸或燃燒事故，將造成嚴重的人員傷亡、經(jīng)濟損失和環(huán)境污染等，對管道周邊信息的掌握，越來越引起油氣輸送企業(yè)的高度重視。同時隨著大地測量、遙感技術(shù)、計算機和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為人們積累了大量的地理空間數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)系統(tǒng)已無法滿足對管道管理的需求[2]。針對管道完整性管理過程中海量數(shù)據(jù)需要處理和數(shù)據(jù)可視化的實際需求，地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)在管道完整性管理中的作用越來越大[3-4]。

數(shù)據(jù)是管道完整性管理的基礎(chǔ)[5]，在建立GIS時，需要對海量的數(shù)據(jù)進行有效地提取和組織，建立合理的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫[6-8]。APDM(ArcGIS pipeline data model)數(shù)據(jù)模型是ESRI公司開發(fā)的地理數(shù)據(jù)模型，支持模型的自定義擴展[9]。依托APDM數(shù)據(jù)模型并在其基礎(chǔ)上進行擴展，建立滿足中石油管道管理實際需求的PIDM(pipeline integrity data model)數(shù)據(jù)模型，對信息系統(tǒng)的建立起到基礎(chǔ)性的作用。通過借助GIS的數(shù)據(jù)處理、空間分析等功能[10]，建立強大的數(shù)字管道信息系統(tǒng)，為管道巡線、風(fēng)險評價、移動巡線監(jiān)控、應(yīng)急搶險、管道維護等提供強有力的支持，能有效提高管道完整性管理的水平和運營效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 技術(shù)選擇

基于Web地理信息系統(tǒng)(WebGIS)的數(shù)字管道信息系統(tǒng)基于HTML5，客戶端圖形界面開發(fā)采用ArcGIS API for JavaScript，地理服務(wù)、要素服務(wù)和地理分析工具使用ArcGIS Server發(fā)布，接口采用Webservice服務(wù)。管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)管道管理的實際需求和系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，系統(tǒng)建立在ArcGIS平臺之上，結(jié)合WebGIS技術(shù)，采用B/S模式，使用HTML5等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了基于GIS的數(shù)字管道系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)主要包括3部分:客戶端、服務(wù)器端和數(shù)據(jù)庫部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計示意

1) 數(shù)據(jù)庫為Oracle數(shù)據(jù)庫，涵蓋管道完整性管理所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、評價數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)源接口供外界訪問。在系統(tǒng)中將管道中心線及其附屬設(shè)施基本信息、各類風(fēng)險評價和分布信息、巡檢信息和管道沿線環(huán)境地質(zhì)條件等各類信息以空間位置為紐帶進行集成，為管道巡線、應(yīng)急搶修和風(fēng)險識別提供數(shù)據(jù)支持。

2) 服務(wù)器端包括Web服務(wù)器、地圖應(yīng)用服務(wù)器ArcIMS和ArcSDE，負責(zé)接收和處理客戶端提交的請求，從數(shù)據(jù)庫中查詢和抽取所需數(shù)據(jù)，并能向庫中存儲數(shù)據(jù)，用以支持GIS的空間分析功能。

3) 客戶端從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)并進行處理，然后發(fā)布成Server服務(wù)，并對顯示結(jié)果進行查看，其中ArcGIS桌面主要完成數(shù)據(jù)處理、編輯、制圖、地理分析等。

該系統(tǒng)把分布式數(shù)據(jù)填報與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同辦公相結(jié)合，將日常管理工作與現(xiàn)場操作相結(jié)合，做到移動巡線任務(wù)的隨時分配和巡線結(jié)果的及時上報，隨時掌握巡線人員的巡線狀況和管道的運行狀態(tài)，實現(xiàn)了管道風(fēng)險動態(tài)監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)與決策支持。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)是完整性管理的基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)特點、數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中所起的作用和實際業(yè)務(wù)需求，可將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫劃分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫和管道專業(yè)數(shù)據(jù)庫兩部分。

1) 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫主要包括各種比例地形圖、河流水系圖、各種道路交通圖、遙感影像圖、DEM數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像以及地震帶[11]，主要為油氣管道的規(guī)劃設(shè)計、運營管理和管理部門的分析決策提供必要的空間數(shù)據(jù)支持，是管道完整性管理各種評價模型建立的基礎(chǔ)。

2) 管道專業(yè)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫主要用于儲存和管理與管道相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，包括管道中心線、站場、閥室等數(shù)據(jù)，采用了廣泛使用的ArcGIS管道數(shù)據(jù)模型APDM。該模型通過在空間數(shù)據(jù)庫中嵌入線性參考系，使地理要素能在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中操作、存儲和管理，很好地實現(xiàn)了地理數(shù)據(jù)和線性管道專業(yè)數(shù)據(jù)的融合[12-13]。

結(jié)合管道完整性管理的內(nèi)涵和特點，在APDM模型的基礎(chǔ)上，通過擴充建立了PIDM模型，PIDM分為邏輯模型和物理模型，其中邏輯模型描述數(shù)據(jù)庫包含內(nèi)容，物理模型通過建模工具導(dǎo)出XML文件創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫[4]。在該模型中增加了區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、地形地貌、降雨、降雪、地質(zhì)災(zāi)害影響段、防腐層、陰極保護、雜散電流干擾與防護、管體腐蝕等信息，以滿足管道完整性管理的需求。

2 系統(tǒng)功能及技術(shù)支持

2.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計原則，根據(jù)結(jié)構(gòu)清晰和擴展性強等要求，將系統(tǒng)功能分為:基礎(chǔ)操作、專題圖瀏覽和數(shù)據(jù)可視化3個模塊，系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

1) 基礎(chǔ)操作。主要包括地圖瀏覽、地圖定位、設(shè)備信息空間查詢、地圖測量等功能，并可以進行地圖縮放、漫游及圖層控制顯示，地圖標(biāo)注，設(shè)備設(shè)施查詢和緩沖區(qū)查詢等。

2) 專題瀏覽。主要包括風(fēng)險專題、巡檢專題、內(nèi)檢測專題、外檢測專題和應(yīng)急支持專題等。風(fēng)險專題加載管道風(fēng)險評價中、高風(fēng)險在地圖上顯示，從地圖上能直觀瀏覽管道風(fēng)險分布情況；巡檢專題中可以查看巡檢人員信息，回放該巡檢人巡檢軌跡，了解巡檢情況，巡檢點定位可以對巡檢人員巡檢過程中的位置點進行定位；問題上報是針對巡檢過程中碰到的可能對管道安全有影響的活動進行上報，比如第三方施工、滑坡等，緊急上報是有緊急情況能直接往上級進行上報，提前采取措施，避免意外發(fā)生；應(yīng)急專題中可以生成應(yīng)急方案，在發(fā)生管道泄漏時，能根據(jù)預(yù)案采取相應(yīng)的措施，并能提供數(shù)據(jù)支持，導(dǎo)航可以根據(jù)起始位置和終止位置獲取推薦路徑，災(zāi)害推演根據(jù)算法計算在發(fā)生沖管時，管道所能承受的最大懸浮長度，氣象信息查看可以查看全國范圍內(nèi)降雨、降雪等情況，并能查看定位點未來3d和過去10d降雨、降雪情況。

圖2 基于WebGIS的數(shù)字管道信息系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)示意

3) 數(shù)據(jù)可視化。利用可視圖形展示管道相應(yīng)屬性信息，比如高程、埋深、內(nèi)檢測信息等，在一維維度內(nèi)對數(shù)據(jù)進行展示，很好地彌補了管道數(shù)據(jù)在地圖上進行展示方面的不足。

2.2 技術(shù)支持

1) Webservice接口技術(shù)。在管道完整性管理過程中，涉及各種數(shù)據(jù)，用戶在系統(tǒng)使用過程中，會根據(jù)業(yè)務(wù)的需求進行數(shù)據(jù)查詢，比如在應(yīng)急方案生成時，需要知道管線基本信息、上下游閥室信息、巡線工信息等，通過調(diào)用Webservice接口能在較少改動原有系統(tǒng)的情況下，進行數(shù)據(jù)調(diào)用。并且，使用Webservice接口有2方面的優(yōu)點:Webservice可以在不修改防火墻設(shè)置的情況下，直接使用；降低了耦合，系統(tǒng)在調(diào)用其他系統(tǒng)比如生產(chǎn)系統(tǒng)或SCADA數(shù)據(jù)時，直接通過接口就能調(diào)用。

2) SOE(server object extenstion)服務(wù)支持。SOE服務(wù)是通過采用ArcObjects的相關(guān)接口、類庫對ArcGIS Server的基本功能進行擴展，使那些通過Web API 不能或者不易實現(xiàn)的功能，可以通過SOE的形式，進行功能實現(xiàn)。為了數(shù)據(jù)保密的需要，在管道專業(yè)數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)沒有坐標(biāo)信息，而是以里程值的形式進行存儲，當(dāng)在地圖上進行點擊操作時，獲取的是當(dāng)前操作點的二維坐標(biāo)，為了能獲取當(dāng)前操作位置的管道信息，需要將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)為里程值，通過里程值從數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)查詢，實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 SOE實現(xiàn)流程

3 應(yīng)用實例

目前，基于WebGIS的數(shù)字管道信息系統(tǒng)已經(jīng)在中國石油天然氣集團公司所轄管道上推廣應(yīng)用，用戶通過統(tǒng)一的身份驗證進入系統(tǒng)后，會根據(jù)用戶權(quán)限加載顯示相應(yīng)的功能模塊并加載權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行可視化顯示。通過配置相應(yīng)的專題圖，能夠把管段基礎(chǔ)信息、風(fēng)險評價信息、內(nèi)檢測、外檢測、設(shè)備設(shè)施信息、管道修復(fù)等信息通過位置定位加載在地圖上進行顯示，從空間位置上對數(shù)據(jù)進行定位、查看。通過加載風(fēng)險專題，如圖4所示，能從地圖上查看風(fēng)險分布區(qū)域，并通過配置不同的顏色區(qū)分中、高風(fēng)險等，管理部門針對高、中風(fēng)險，提前采取措施，避免風(fēng)險事故的發(fā)生以及可能帶來的后果。

油氣管道巡檢作為管道保衛(wèi)的重要方式，能極大地降低管道故障率、失竊率，并會降低石油線路運營成本，提高管網(wǎng)維護工作效率，變故障處置為隱患控制。在系統(tǒng)中對各地區(qū)公司巡線任務(wù)進行統(tǒng)計顯示，可以看到巡檢覆蓋率，并在地圖上能查看各巡線工當(dāng)前所處巡線位置，對每個人的巡線路徑進行回看顯示，如圖5所示。

圖4 風(fēng)險專題

圖5 巡線路徑回看

空間分析是數(shù)字管道信息的核心功能，系統(tǒng)實現(xiàn)了緩沖區(qū)分析、縱斷面顯示、距離量算、面積量算等功能。數(shù)據(jù)可視化能將數(shù)據(jù)以圖形化的方式進行顯示，使數(shù)據(jù)更加客觀、更具說服力，可以作為數(shù)據(jù)在地圖上顯示的一種補充。通過可視化能直觀顯示數(shù)據(jù)的變化趨勢，找到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，能為決策提供強有力的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)束語

基于WebGIS的數(shù)字管道信息系統(tǒng)，充分發(fā)揮了GIS的空間分析、空間數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)展示功能，為管理部門提供了一個良好平臺，從平臺上能快速、直觀查看各管段專業(yè)數(shù)據(jù)和沿線相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了管道空間信息與屬性信息共享、可視化顯示、數(shù)據(jù)編輯、查詢與分析，為管道完整性管理提供了一個新的思路。隨著應(yīng)用的不斷深入，需求的不斷完善以及GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)性能會不斷優(yōu)化，功能會不斷完善，結(jié)構(gòu)會更加合理，以滿足用戶使用的需要，為管道完整性管理提供數(shù)據(jù)和決策支持，提高工作效率，推動完整性管理水平向更高層級邁進。

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DesignandApplicationofWebGISBasedDigitalPipelineInformationSystem

Ou Xinwei1, Li Yang2, Xu Jie1, Liu Liang1

(1.PetroChina Pipeline R & D Center, Langfang, 065000,China; 2.PetroChina Ji’nan Oil and Gas Branch, Ji’nan, 250000, China)

s：In the process of pipeline integrity management, a variety of data need to be dealt with, especially spatial data.Traditional means can’t meet the need of the management and analysis for spatial data.The overall design and database design of WebGIS-based digital pipeline information system are expounded.The system function is discussed.The system can better meet the pipeline management in space, and make up deficiency of traditional management.The WebGIS-based digital pipeline information system gives full play to advantages of GIS in data management and spatial analysis.Pipeline integrity management and operational efficiency can be effectively improved.

WebGIS; digital pipeline information system; database design; system architecture design

稿件收到日期：2017-08-03，修改稿收到日期2017-09-22。

歐新偉(1984—)，男，河南周口人，2009年畢業(yè)于武漢大學(xué)攝影測量與遙感專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事完整性管理研究工作，任工程師。

TE832.2

B

1007-7324(2017)06-0037-04