海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭慶豐

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司生產(chǎn)部，天津 300459)

郭慶豐.海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,33(2):113-118.

GUO Qingfeng.Design and implementation of submarine pipeline-cable management and warning system[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2018,33(2):113-118.

引言

21世紀(jì)以來， 我國能源戰(zhàn)略逐步從陸地轉(zhuǎn)向海洋， 海底管纜(海底管道與海底電纜)被廣泛應(yīng)用，一些海域海底管纜縱橫交錯(cuò)、網(wǎng)羅密布。海底管纜所處的海洋環(huán)境惡劣，除承受復(fù)雜的工作載荷外，還承受各種確定與非確定性的環(huán)境載荷[1-3]， 致使海底管纜裸露于海床， 甚至呈懸空狀態(tài)。如果海底管纜區(qū)域有船舶拋錨， 海底管纜極易被刮碰而發(fā)生破裂或斷裂事故， 造成電力或通信中斷和重大經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)油氣泄漏污染海洋環(huán)境， 極易造成生態(tài)災(zāi)難。

船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)[4-7]是一種新型的船用助航系統(tǒng)，由基站和船載設(shè)備共同組成，它結(jié)合GPS導(dǎo)航定位技術(shù)，以自組織分時(shí)多址方式將船舶靜態(tài)信息、動態(tài)信息和航行數(shù)據(jù)通過甚高頻(VHF)頻道自動連續(xù)地發(fā)送給周圍船舶，同時(shí)自動接收周圍船舶發(fā)出的信息，并與基站進(jìn)行信息交互。當(dāng)船舶在海底管纜區(qū)域且有拋錨趨勢時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控中心將發(fā)出聲光預(yù)警，使船舶采取必要的避讓行動，從而完成對船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警。但是，對于未按規(guī)定安裝AIS或非法關(guān)閉AIS的船舶無法進(jìn)行自動識別與監(jiān)控預(yù)警，在此工況下無法保證海底管纜的安全。本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)、可靠的海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海底管纜的船舶作業(yè)預(yù)警及其數(shù)據(jù)管理功能，能夠?qū)５坠芾|實(shí)施有效的管理和防護(hù)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的組織模式，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和電子海圖，基于Realspace的組件式SuperMap GIS桌面平臺，在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境下使用C#語言開發(fā)。C/S結(jié)構(gòu)以SuperMap Objects.Net 6R為GIS基礎(chǔ)，采用SuperMap Deskpro 6R擴(kuò)展開發(fā)形式進(jìn)行建設(shè)，每個(gè)功能成為Deskpro中的一個(gè)插件，便于擴(kuò)展升級；B/S結(jié)構(gòu)以SuperMap iServer Java為基礎(chǔ)，iServer為SuperMap的服務(wù)式GIS平臺，后臺使用Java服務(wù)器技術(shù)，使用Flex技術(shù)實(shí)現(xiàn)前臺交互功能。

系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示，包括支撐層、數(shù)據(jù)層、平臺層和應(yīng)用層。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和船舶作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。船舶作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)用于船舶作業(yè)，而數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)成果瀏覽，并為船舶作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1　Architecture of system

1.2　系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1數(shù)據(jù)管理功能海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理具有二三維一體化、可視化的特點(diǎn)，二維和三維共用一套數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了二維海底管纜可以在三維中展示，其分析結(jié)果可在三維中使用。數(shù)據(jù)管理功能見表1。

1.2.2船舶作業(yè)預(yù)警功能船舶作業(yè)預(yù)警是海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)的核心，包含船舶管理、模擬導(dǎo)航、拋錨分析和禁錨區(qū)分析功能。

表1　數(shù)據(jù)管理功能Tab.1　Data management functions

(1)船舶管理。船舶在航行過程中通過GPS實(shí)時(shí)獲取船舶位置，在二維海圖和三維場景中實(shí)時(shí)顯示航行軌跡，當(dāng)船舶進(jìn)入作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)系統(tǒng)會進(jìn)行預(yù)警提示。

(2)模擬導(dǎo)航。通過設(shè)定航線，船舶可以進(jìn)行模擬航行，使船舶作業(yè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)定航線中存在的隱患和作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域，可以給船舶作業(yè)人員進(jìn)行預(yù)警提示。

(3)拋錨分析。以船舶為中心點(diǎn)設(shè)定各錨的水平長度和拋出方位角，系統(tǒng)會計(jì)算出各拋錨點(diǎn)位置并進(jìn)行分析，當(dāng)拋錨點(diǎn)與海底管纜之間的安全距離不足時(shí)系統(tǒng)會進(jìn)行預(yù)警提示。

(4)禁錨區(qū)分析。系統(tǒng)提供了禁錨區(qū)設(shè)定功能，禁錨區(qū)設(shè)定后，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)自動判斷船舶是否處于預(yù)警范圍內(nèi)，當(dāng)船舶進(jìn)入該范圍時(shí)系統(tǒng)會進(jìn)行預(yù)警提示。

1.3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。根據(jù)系統(tǒng)功能對數(shù)據(jù)的要求，建立相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，其中空間數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、海底管纜數(shù)據(jù)庫、三維模型數(shù)據(jù)庫和標(biāo)繪數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Tab.1　Data management function

空間數(shù)據(jù)庫存儲海域行政區(qū)劃、海圖、海底地形、海底管纜、平臺、船舶等空間要素信息，通過空間數(shù)據(jù)庫引擎SuperMap SDX+進(jìn)行存儲，并管理空間矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫以“層”的方式存儲不同的空間要素信息，用每一“層”存放一類空間要素信息，并有一組對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

與空間數(shù)據(jù)相比，屬性數(shù)據(jù)由于不具有空間的概念，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單[8]。屬性數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)模型，每張表格有若干數(shù)據(jù)項(xiàng)描述，以說明相關(guān)聯(lián)的各類空間要素的屬性項(xiàng)和屬性值，處理對象為各種表格信息，數(shù)據(jù)格式為Excel格式。屬性數(shù)據(jù)以空間數(shù)據(jù)為單位進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)庫的屬性項(xiàng)設(shè)計(jì)，屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫通過關(guān)鍵字段連接。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1　SuperMap Objects.Net組件技術(shù)

SuperMap Objects.Net是基于.Net技術(shù)的組件式GIS開發(fā)平臺，采用C++/CLI構(gòu)建，在保證GIS軟件高效運(yùn)行的同時(shí)又具備.Net的組件眾多特性，具有支持所有.Net開發(fā)語言、高效的.Net開發(fā)、高性能的UGC內(nèi)核、靈活實(shí)用的組件結(jié)構(gòu)劃分、簡單易用的開發(fā)接口以及內(nèi)置海量空間數(shù)據(jù)庫引擎等特性。

SuperMap Objects.Net是基于高性能的UGC內(nèi)核進(jìn)行封裝的純.Net組件產(chǎn)品，并重新構(gòu)建框架和規(guī)范接口，具有統(tǒng)一的內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了從Win32平臺向.Net平臺的平穩(wěn)過渡，更適合在Visual Studio 2010等支持.Net的集成環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)。

2.2　插件化開發(fā)模式

在不修改主程序的情況下對軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展。主程序可定義為平臺，是預(yù)先編譯的程序；功能擴(kuò)展模塊可定義為插件，是后來要進(jìn)行安裝的程序，使用平臺+插件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會給所開發(fā)軟件增加新的功能。

插件化開發(fā)模式的優(yōu)點(diǎn)：平臺只需要實(shí)現(xiàn)基本事件調(diào)度、數(shù)據(jù)緩存、插件管理等功能，而相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯可交給插件完成，這樣可很方便地對業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行更新，且不會影響到平臺內(nèi)容；添加和刪除功能簡便，只需對插件進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)各功能模塊的控制，實(shí)現(xiàn)軟件組件的“即插即用”；實(shí)現(xiàn)軟件模塊的分工開發(fā)和代碼隱藏，便于知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。

2.3　二三維一體化的Realspace技術(shù)

相對于二維GIS將真實(shí)空間投影到二維平面進(jìn)行表達(dá)與分析，Realspace技術(shù)無需投影，直接將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)加載到三維球面上顯示，為真正的三維地理空間顯示。Realspace技術(shù)結(jié)合了當(dāng)前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和三維可視化技術(shù)，使功能更強(qiáng)大、性能更優(yōu)越和效果更逼真。

Realspace GIS不僅是三維，而且是二三維一體化。二維和三維在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上保持一體化，所有的二維數(shù)據(jù)無需任何轉(zhuǎn)換處理即可直接在三維場景中高性能可視化；所有二維分析和處理功能均可在三維場景中直接操作與使用，同時(shí)還將以往二維不易實(shí)現(xiàn)的分析功能在三維中得以直觀的展現(xiàn)，如可視域分析、三維量算和挖方分析等。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集是海底管纜管理及預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，采用多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)、淺地層剖面儀等多種海底聲學(xué)探測設(shè)備對海底管纜進(jìn)行探測[9]，得到海底管纜、海底地形、水深等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集后形成標(biāo)準(zhǔn)的交互數(shù)據(jù)表，輸入時(shí)可以對數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)完成后導(dǎo)入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)海底管纜數(shù)據(jù)二維和三維一體化管理功能；當(dāng)船舶作業(yè)時(shí)，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)讀取最新數(shù)據(jù)，導(dǎo)入船舶作業(yè)預(yù)警系統(tǒng)中，在船舶上連接GPS實(shí)現(xiàn)船舶作業(yè)預(yù)警功能。系統(tǒng)典型功能的實(shí)現(xiàn)界面如圖3—圖6所示。

SZ36-1油田位于渤海遼東灣海域，是我國目前最大的海上自營油田，有幾十條海底管道和海底電纜，海底管纜布設(shè)非常密集。本系統(tǒng)在SZ36-1油田進(jìn)行了示范應(yīng)用，效果良好：實(shí)現(xiàn)了海底管道電纜數(shù)據(jù)二維和三維一體化管理，為油田海底管纜的數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)；實(shí)現(xiàn)了作業(yè)船舶預(yù)警功能，預(yù)警效果良好，有效地降低了船舶作業(yè)時(shí)海底管纜被錨刮碰而發(fā)生破裂或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，從本質(zhì)上提升了油田生產(chǎn)的安全性?，F(xiàn)場示范應(yīng)用表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大、性能可靠、操作簡便、界面友好且可視化強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性與推廣性。

圖3　二三維聯(lián)動展示功能界面Fig.3　Display interface of 2D and 3D linkage function

圖4　模擬導(dǎo)航功能界面Fig.4　Interface of simulation navigation function

圖5　拋錨分析功能界面Fig.5　Interface of dropping anchor analysis function

圖6　禁錨區(qū)分析功能界面Fig.6　Interface of Forbidden anchorage zone analysis function

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