基于WebGIS的管道仿真模型構(gòu)建

劉天堯，朱 峰，高?？?，任學(xué)軍

（1. 中國(guó)石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000）

我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道規(guī)模龐大，設(shè)計(jì)規(guī)格各異，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證管道長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，管道仿真軟件不可或缺[1]。管道仿真軟件市場(chǎng)主要由SPS、REEG和TGNET/TLNET等國(guó)外產(chǎn)品壟斷，然而國(guó)外軟件在國(guó)內(nèi)存在諸多不適用性，因此中國(guó)石油管道公司自主研發(fā)了商業(yè)級(jí)管道仿真軟件RealPipe，并在國(guó)內(nèi)油氣管網(wǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用[2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)管道仿真軟件的研究重仿真計(jì)算引擎算法的精度和效率問(wèn)題，輕管道模型建立過(guò)程。模型構(gòu)建方式多為純文本手工編輯，使得管道模型建立過(guò)程較為復(fù)雜，學(xué)習(xí)成本高、建模效率低、錯(cuò)誤率高[3-4]。為了簡(jiǎn)化管道仿真軟件建模過(guò)程，提高模型直觀效果，本文將WebGIS技術(shù)和油氣管道固有的空間屬性引入管道仿真軟件，為管道仿真模型構(gòu)建提供了一條新思路[5-6]。

1 管道仿真技術(shù)分析

1.1 管道仿真流程分析

管道仿真主要是通過(guò)水力、熱力計(jì)算的方式，模擬管道中介質(zhì)（液體或氣體）的流動(dòng)狀態(tài)?？偨Y(jié)現(xiàn)有管道仿真軟件工作原理，管道仿真的一般流程如圖1所示。

圖1 管道仿真流程圖

管道仿真流程主要分為4個(gè)步驟：

1）管道模型文件的構(gòu)建。SPS、TGNET等國(guó)際主流軟件主要按照其提供的拓?fù)湟?guī)則，通過(guò)手工編寫(xiě)模型文本文件的方式，編寫(xiě)管道模型文件。

2）管道模型驗(yàn)證。編寫(xiě)好管道模型文件后，一般不可避免地存在拓?fù)浠蜻壿嬪e(cuò)誤，因此需進(jìn)行模型文件驗(yàn)證，若模型文件存在錯(cuò)誤則需返回修改。

3）仿真計(jì)算。對(duì)管道模型進(jìn)行驗(yàn)證后，利用仿真計(jì)算引擎對(duì)管道模型進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，構(gòu)建計(jì)算矩陣，進(jìn)行仿真計(jì)算。

4）結(jié)果展示。通過(guò)報(bào)表、圖形、交互動(dòng)畫(huà)等方式展示仿真計(jì)算的結(jié)果。

管道仿真的核心是仿真計(jì)算引擎，其求解方法、求解精度、運(yùn)算速度等決定了仿真軟件的可用性。隨著仿真計(jì)算引擎的成熟，管道模型的規(guī)模與復(fù)雜程度的增加，純手工文本編輯的方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且缺乏直觀性，學(xué)習(xí)成本高，不易排錯(cuò)，模型構(gòu)建效率和結(jié)果展示效果逐漸成為制約管道仿真計(jì)算軟件發(fā)展的瓶頸，急需開(kāi)發(fā)基于圖形化的仿真模型構(gòu)建方式。

1.2 管道模型圖形化構(gòu)建的可行性分析

圖形化建模是否可行，取決于管道模型的數(shù)據(jù)規(guī)則與內(nèi)在邏輯是否嚴(yán)謹(jǐn)。管道模型是對(duì)真實(shí)管道簡(jiǎn)化抽象后形成的關(guān)系模型，其最小單元為元件——管道及其沿線設(shè)備的抽象表示。管道仿真模型以元件為基礎(chǔ)，以有向圖的方式對(duì)管道進(jìn)行關(guān)聯(lián)表達(dá)，以SPS模型的組織形式為例，其按照“元件類型 元件ID 第一節(jié)點(diǎn)ID [第二節(jié)點(diǎn)ID] [節(jié)點(diǎn)屬性1] [換行+元件屬性名 屬性值]…”的格式進(jìn)行記錄，管道模型存儲(chǔ)示例記錄為：

E ES01 ND01 TAKE

+P 10

T PL01,ND01 ND02

B BV01 ND02 ND03

E ED01 ND03 SALE

+Q 80

T PL02 ND01 ND04

B BV02 ND04 ND05

E ED02 ND05 SALE

該存儲(chǔ)格式適合管道模型的線性化數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，方便手工書(shū)寫(xiě)模型代碼，在管網(wǎng)模型較小時(shí)可快速編寫(xiě)，但隨著模型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，其編寫(xiě)難度和出錯(cuò)概率會(huì)呈倍數(shù)增長(zhǎng)。

由管道模型有向圖可知，元件與元件以節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成管道模型，若將節(jié)點(diǎn)歸入元件自身屬性，則可將元件分為單節(jié)點(diǎn)元件（如注入、分輸）和雙節(jié)元件（如管段、閥門）[7]兩大類；若再將管道模型實(shí)際坐標(biāo)位置信息或工藝流程圖空間相對(duì)位置信息加入有向圖中，則管道模型存儲(chǔ)示例可表示為圖2的形式。

圖2 管道元件與仿真模型圖示樣例

綜上所述，管道模型圖形化構(gòu)建不僅可行，而且可加入地理空間信息這一新維度，將管道仿真模型表達(dá)得更直觀；同時(shí)可引入GIS相關(guān)分析功能，使得利用WebGIS技術(shù)開(kāi)發(fā)管道模型構(gòu)建與展示系統(tǒng)切實(shí)可行。

2 基于WebGIS的管道模型構(gòu)建系統(tǒng)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

管道仿真的核心部分是仿真計(jì)算引擎，而管道模型構(gòu)建過(guò)程主要是為仿真計(jì)算引擎提供初始參數(shù)，因此管道仿真系統(tǒng)架構(gòu)需圍繞仿真計(jì)算引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用現(xiàn)有WebGIS工具，在保證對(duì)現(xiàn)有仿真數(shù)值計(jì)算引擎改動(dòng)最小的前提下，結(jié)合軟件模塊化思想，設(shè)計(jì)高內(nèi)聚、低耦合的基于WebGIS的管道模型構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示[8]。

通過(guò)B/S模式構(gòu)建Web應(yīng)用程序，系統(tǒng)架構(gòu)由用戶界面、文件通信和后臺(tái)模塊3部分構(gòu)成，各部分功能為：

1）用戶界面。利用開(kāi)源WebGIS的Openlayers3設(shè)計(jì)管道模型圖形化構(gòu)建引擎，用于構(gòu)建與顯示管道模型，并負(fù)責(zé)結(jié)果顯示與用戶交互。

2）文件通信。系統(tǒng)涉及的主要交互文件和通信過(guò)程包括基于GML編寫(xiě)的管道模型文件，便于快速計(jì)算的二進(jìn)制模型文件，基于網(wǎng)絡(luò)常用數(shù)據(jù)交換格式JSON的仿真結(jié)果文件以及管道模型保存和驗(yàn)證、仿真運(yùn)行、結(jié)果顯示過(guò)程等內(nèi)容[9]。

3）后臺(tái)模塊。管道仿真過(guò)程涉及兩個(gè)核心計(jì)算模塊，GML管道模型驗(yàn)證模塊負(fù)責(zé)驗(yàn)證管道模型中管道拓?fù)涞恼_性，并將正確的管道模型簡(jiǎn)化為二進(jìn)制數(shù)學(xué)運(yùn)算模型；仿真計(jì)算引擎模塊負(fù)責(zé)調(diào)用二進(jìn)制模型文件，根據(jù)管網(wǎng)水力熱力學(xué)模型構(gòu)建數(shù)學(xué)矩陣模型，進(jìn)行仿真計(jì)算并返回結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

用戶通過(guò)Openlayers3提供的WebGIS圖形編輯功能構(gòu)建模型，并以GML格式儲(chǔ)存模型文件；再經(jīng)過(guò)后臺(tái)管道模型驗(yàn)證后生成中間過(guò)程的二進(jìn)制模型文件；最后進(jìn)行仿真引擎計(jì)算，返回結(jié)果并顯示。

系統(tǒng)架構(gòu)通過(guò)文件通信的方式保證了用戶界面與后臺(tái)功能模塊的高效分離，Openlayers3與GML的結(jié)合可保證在Web上提供管道模型的圖形編輯與展示能力，二進(jìn)制模型文件由傳統(tǒng)模型文件壓縮而來(lái)，作為GML模型與傳統(tǒng)模型的中間緩沖，以保證對(duì)仿真計(jì)算引擎的改動(dòng)最小。

2.2 管道模型組織方式重構(gòu)

由于傳統(tǒng)的基于有向圖的管道模型組織方式缺少坐標(biāo)信息，不利于GIS的編輯和展示，因此需要重新構(gòu)建。為了便于Openlayers3快速解析，在使用GIS通用數(shù)據(jù)格式的前提下，選用GML作為存儲(chǔ)格式對(duì)管道模型進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。

管道模型整體呈線狀結(jié)構(gòu)，由兩點(diǎn)可確定一條直線原理可知，雙節(jié)點(diǎn)元件的位置可由前后兩節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位，單節(jié)點(diǎn)元件由設(shè)備符號(hào)坐標(biāo)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位。管道模型元件類型通過(guò)GML格式擴(kuò)展功能進(jìn)行定義，構(gòu)建元件類型庫(kù)，以節(jié)點(diǎn)為元件的平級(jí)標(biāo)簽，然后在元件標(biāo)簽內(nèi)部進(jìn)行引用嵌套，避免節(jié)點(diǎn)坐

標(biāo)重復(fù)定義，設(shè)計(jì)的GML管道模型存儲(chǔ)格式為：

＜RP:ND ID=”第一節(jié)點(diǎn)ID”＞

＜coord＞＜X＞x坐標(biāo)＜/X＞＜Y＞y坐標(biāo) ＜/Y＞＜/coord＞

＜/RP:ND＞

[＜RP:ND ID=”第二節(jié)點(diǎn)ID”＞

＜coord＞＜X＞x坐標(biāo)＜/X＞＜Y＞y坐標(biāo) ＜/Y＞＜/coord＞

＜/RP:ND＞]

＜RP:元件類型 ID=”元件ID”＞

＜!—單節(jié)點(diǎn)元件坐標(biāo)--＞

[＜coord＞＜X＞x坐標(biāo)＜/X＞＜Y＞y坐標(biāo)＜/Y＞＜/coord＞]

＜RP:ND ID=”第一節(jié)點(diǎn)ID”＞

[＜RP:ND ID=”第二節(jié)點(diǎn) ID”＞]

[＜RP:屬性 1 AT=“屬性 1”＞]

＜/RP:元件類型＞

GML管道模型最大程度地保留了傳統(tǒng)管道模型的結(jié)構(gòu)框架，在通過(guò)模型驗(yàn)證后僅需去掉一級(jí)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽和所有坐標(biāo)標(biāo)簽，順序解析即可恢復(fù)傳統(tǒng)管道模型的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)；并在二進(jìn)制壓縮后可被仿真計(jì)算引擎直接調(diào)用，解決了在保證仿真計(jì)算引擎改動(dòng)最小的前提下對(duì)管道模型數(shù)據(jù)格式的重構(gòu)問(wèn)題。

2.3 管道模型圖形化構(gòu)建引擎設(shè)計(jì)

為了提高管道模型的構(gòu)建效率，減少錯(cuò)誤率，圖形化構(gòu)建引擎必不可少。Openlayers3不僅具有強(qiáng)大的WebGIS編輯與顯示能力，而且開(kāi)源易用，是定制開(kāi)發(fā)管道模型圖形化構(gòu)建引擎很好的選擇。

由于管道模型由元件組成，選用拖拽式的建模方式更為簡(jiǎn)便、快速，因此本文設(shè)計(jì)的引擎界面（圖4）主要由兩部分組成：①管道模型元件選擇面板，對(duì)模型元件進(jìn)行封裝后提供選擇和拖拽功能；②圖形繪制面板，將從元件選擇面板中拖拽而來(lái)的模型元件以圖形的方式進(jìn)行表示，并提供元件節(jié)點(diǎn)的吸附連接功能，保存時(shí)通過(guò)解析Openlayers3圖層元素得到GML管道模型文件。除此之外，為了直觀顯示仿真結(jié)果，還設(shè)計(jì)了元件信息展示氣泡用于結(jié)果展示。

圖4 管道模型構(gòu)建界面

2.4 管道模型圖形化建模實(shí)用效果

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，單從滿足仿真建模的角度來(lái)講，基于WebGIS的管道模型構(gòu)建系統(tǒng)生成的模型文件格式更加清晰，在學(xué)習(xí)成本、建模效率和模型可靠性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)手工模型編寫(xiě)方式，對(duì)比效果如表1所示。

實(shí)際上引入WebGIS構(gòu)建管道仿真模型的好處不僅在于提高了模型的構(gòu)建效率，更重要的是其引入的空間屬性維度，利用GIS相關(guān)分析能力，為管道在空間上的仿真拓展了更多可能。

表1 模型構(gòu)建對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)將WebGIS技術(shù)與管道仿真技術(shù)相結(jié)合，對(duì)基于有向圖方式的管道模型數(shù)據(jù)組織方式進(jìn)行了基于坐標(biāo)表示方式的重新構(gòu)建，設(shè)計(jì)了基于WebGIS的管道模型構(gòu)建系統(tǒng)，可有效簡(jiǎn)化管道模型構(gòu)建過(guò)程和提升易用性，提高管道仿真建模效率和可靠性。不僅如此，管道仿真模型引入的空間屬性可與GIS有效結(jié)合，為管道仿真系統(tǒng)的模型構(gòu)建以及管道仿真技術(shù)的發(fā)展提供了一種新思路。