基于ArcGIS的輸氣站場管道信息系統(tǒng)開發(fā)

秦建安，李文錦，吳 博，張鳳麗

（1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北廊坊 065201；2.中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

作為當今世界廣泛使用的能源，油氣在國民生產(chǎn)、生活中具有不可替代的地位。油氣管道是石油石化行業(yè)油氣運輸過程中的主要工具，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，目前油氣管道運輸已經(jīng)發(fā)展成了我國五大交通運輸業(yè)之一[1]，在我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，被譽為國民經(jīng)濟的大動脈。輸氣站場（以下簡稱“站場”）是長輸管線的樞紐。近些年來，全國各地越來越呈現(xiàn)出站場被“居民區(qū)”包圍的現(xiàn)象，而且大部分的站場經(jīng)過多次改擴建工程后，造成地下管網(wǎng)鋪設復雜、分布密集，并且相當一部分管道運輸?shù)氖且兹家妆橘|(zhì)，安全風險系數(shù)較高，給站場日常的施工作業(yè)、管理培訓帶來了較大難度，同時也給周圍的居住民帶來了一定的隱患[2]。在這一背景前提下，站場亟需一套直觀高效的系統(tǒng)，來整合站場內(nèi)外各管線、設備、建筑的信息數(shù)據(jù)，與目前分散且孤立的各監(jiān)測、檢測系統(tǒng)如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）互聯(lián)，全面提高站場大數(shù)據(jù)分析水平及站場管理決策能力，確保安全輸氣生產(chǎn)。因此以ArcGIS作為工具來對站場設備及管線進行建模，并通過數(shù)據(jù)庫對站場設備及管線所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行存儲，不僅對提高站場現(xiàn)有安全水平、突破原有管理瓶頸具有重要意義，同時也是站場實現(xiàn)“智慧站場”三步走發(fā)展戰(zhàn)略“全面感知—集成可視—智能決策/預警”中承上啟下的關鍵環(huán)節(jié)[3]。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)二維圖層展示、地圖圖層管理、管線標注、管道信息查詢、數(shù)據(jù)維護、管線添加刪減、管道生產(chǎn)廠商、使用年限、地圖輸出等功能，對于整個輸氣站場來說[4]，在一定程度上保障了站場的安全生產(chǎn)，也能對管道運行進行一定的預測維護，從而為輸氣站場的運行管理提供決策支持，而且數(shù)字管道系統(tǒng)有效提高了管道信息管理的效率。在此基礎上，可以進一步為下一階段應用人工智能技術開展數(shù)據(jù)挖掘、智能決策及預測預警等研究提供必要的數(shù)據(jù)基礎。

1 ArcGIS概述

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）是從地圖中產(chǎn)生的，集數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、管理分析與應用地理信息為一體的計算機系統(tǒng)，具有分析處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術，主要由ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，服務端 GIS和移動GIS組成。其中，ArcGIS中組件都是基于通用組件庫實現(xiàn)的，這些組件被稱為ArcObjects[5]。

在Internet上發(fā)布的地理信息是存儲在空間數(shù)據(jù)庫（即Geodatabase）中，Geodatabase是獲取和管理GIS數(shù)據(jù)的全面的應用邏輯和工具，其地理數(shù)據(jù)分為幾何和屬性數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)由點、線、面等基本類型，體現(xiàn)地理空間實體的位置、方向、大小、形狀以及拓撲關系等內(nèi)容；屬性數(shù)據(jù)作為空間地理數(shù)據(jù)的組成部分，是在空間特性之外對地理要素具體的定性和定量描述[6]。系統(tǒng)的建立分為4個階段，其基本技術流程如圖1所示。在這一過程中，最重要的部分是建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)對地理空間數(shù)據(jù)的管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是關于區(qū)域內(nèi)地理信息和地理要素的集合，主要針對圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織和管理，具有明顯的空間特征。將各種數(shù)據(jù)信息等錄入計算機建立數(shù)據(jù)庫，當外界信息變換時，只需變動局部數(shù)據(jù)就能保證數(shù)據(jù)庫的更新[7]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構

信息系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：從文件/服務器體系，到客戶機/服務器（C/S）體系，再到瀏覽器/服務器（B/S）體系結構。其中，二層C/S模式是一種基于客戶與數(shù)據(jù)源服務器分散獨立的分布式結構系統(tǒng)?？蛻魴C和服務器通過“問答”形式進行交互，客戶機提出請求，由應用服務響應用戶需求，通過對數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)訪問并按用戶請求返回客戶端?？蛻舳塑浖话闶怯绍浻布到y(tǒng)及相應的數(shù)據(jù)庫連接程序組成。而服務器端軟件也就是后端一般是某種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該模式主要優(yōu)點是交互性強、安全性高、速度快等。

圖1 建立地理空間數(shù)據(jù)庫流程

考慮到站場基礎資料的多樣、多量性，該GIS系統(tǒng)的體系結構采用二層客戶端/服務器（C/S）模式。邏輯結構分為業(yè)務應用層和基礎數(shù)據(jù)層2個層次：業(yè)務應用層是該系統(tǒng)核心，通過數(shù)據(jù)庫引擎SDX實現(xiàn)用戶和數(shù)據(jù)庫之間的交互和通信；基礎數(shù)據(jù)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的存儲管理，由空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫組成。系統(tǒng)架構如圖2所示。業(yè)務規(guī)則放在客戶端，由管網(wǎng)管理、維護、規(guī)劃、管道施工監(jiān)測等部分構成。

圖2 輸氣站場管道信息系統(tǒng)總體架構

2.2 輸氣站場信息系統(tǒng)建立

模型構建是信息系統(tǒng)搭建的前提，為數(shù)字展現(xiàn)的需要，可以使用的數(shù)據(jù)主要有矢量數(shù)據(jù)（基礎地理數(shù)據(jù)）、地形數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型（Digital Elevation Mode，DEM））、影像數(shù)據(jù)以及廠區(qū)以前的模型粗略圖等。數(shù)據(jù)準備工作可分為地形建模和建筑物建模2部分。通過電磁感應和全球地位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）對站場基礎設施有一定掌握，然后通過站場施工圖、管線安裝竣工圖等對站場管線進行精確的數(shù)據(jù)采集，然后通過處理形成ArcGIS能夠加載的數(shù)據(jù)格式，再經(jīng)過修模、校正等過程形成合理的數(shù)據(jù)，最后導入Geodatabase。模型在構建過程中，需注意地下含有埋深信息的管線數(shù)據(jù)和含有高度的橋架數(shù)據(jù)，且管線數(shù)據(jù)和橋架數(shù)據(jù)的空間參考必須一致。

模型構建完成后，采用數(shù)據(jù)庫SQLServer2012存儲系統(tǒng)的空間和屬性數(shù)據(jù)等，將不同類型的矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和站場管線管材、尺寸數(shù)據(jù)等實行一體化存儲、管理和調(diào)度。技術路線如圖3所示。

圖3 GIS系統(tǒng)實現(xiàn)技術路線

3 輸氣站場管道信息系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 模型構建

通過前期的站場實地測量及站場各路管線設備安裝及地下管線的鋪設采集到的數(shù)據(jù)分為兩部分。

將已經(jīng)獲取的站場數(shù)據(jù)通過創(chuàng)建圖層的方式導入ArcMap，首先要設置默認地理數(shù)據(jù)庫用來存儲繪圖過程中的地理空間信息，而每個地圖文檔都有一個默認地理數(shù)據(jù)庫，作為地圖空間內(nèi)容的本地位置，此位置可用于添加數(shù)據(jù)集和保存各種編輯操作和地理處理操作生成的結果數(shù)據(jù)集。然后通過Catalog創(chuàng)建需要的點線面要素，按照實體數(shù)據(jù)添加要素內(nèi)容，如站場設施屬性信息，包括管道的基本參數(shù)和管道的生產(chǎn)日期、使用年限、生產(chǎn)廠商和維修次數(shù)等。要素編輯完成后，可以在二維場景中點擊圖層進行屬性查看。最后，通過“圖層打包發(fā)布”工具打包場景，并在ArcGIS Online發(fā)布為服務。

圖4 站場二維地圖場景

3.2 數(shù)據(jù)庫搭建

數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結構來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫，在近幾十年才開始興起，特別是21世紀初，數(shù)據(jù)管理不再僅僅是存儲和管理數(shù)據(jù)，而轉變成用戶所需要的各種數(shù)據(jù)管理的方式。數(shù)據(jù)庫有很多種類型，從最簡單的存儲有各種數(shù)據(jù)的表格到能進行海量數(shù)據(jù)存儲的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在各個方面得到了廣泛的應用[8]。

按照需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、數(shù)據(jù)庫實施、數(shù)據(jù)庫運行和維護6個方面考慮來設計數(shù)據(jù)庫，先了解用戶的要求，根據(jù)用戶需求進行歸納匯總，形成一個獨立的概念模型，將概念結構轉換為支持的數(shù)據(jù)模型，并對其進行優(yōu)化；然后為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個適合應用環(huán)境的物理結構（包括存儲結構和存取方法）；之后運用SQL數(shù)據(jù)語言及其他語言，根據(jù)邏輯設計和物理設計的結果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進行試運行。在數(shù)據(jù)庫建好后，就需要對數(shù)據(jù)庫進行日常運行和維護，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行過程中對其進行評價修整。輸氣站場管道信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫如圖5所示。

圖5 SQL Server創(chuàng)建地理信息數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)交互功能是實現(xiàn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和處理的基礎，Web前后臺數(shù)據(jù)交互有4種方式：利用cookie對象、利用session對象、利用request重定向設置setAttribute、利用Ajax進行異步數(shù)據(jù)請求。其中，Ajax是當下實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互最簡便的方式。Ajax全稱是異步的JavaScript和XML。而JavaScript是一種直譯式腳本語言，是一種動態(tài)類型、弱類型、基于原型的語言，內(nèi)置支持類型。它的解釋器被稱為JavaScript引擎，又稱為編譯器為瀏覽器的一部分，最早是在html網(wǎng)頁上用來給網(wǎng)頁增加動態(tài)功能。用JavaScript編程的優(yōu)點是，可以直接在記事本等文本文件中直接編輯，不需要專門的軟件來編程，而JavaScript也從過去的雞肋發(fā)展成現(xiàn)在瀏覽器主流的開發(fā)語言，可以和各種瀏覽器進行無縫連接。實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)交互方式如圖6所示。

4 結論

目前，探索“智慧站場”逐漸成為應對新一輪工業(yè)化、信息化建設的有效途徑。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)地形圖與現(xiàn)代遙感技術、地理信息技術結合，實現(xiàn)了計算機上的數(shù)字管道信息管理，可以快速、準確、形象地顯示輸氣站場和管線地形的電子地圖，節(jié)省工作人員查閱海量圖紙文件和計算分析的時間和精力，采用遙感和地理信息技術實現(xiàn)對管道資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟等信息的獲取，建立數(shù)字管道系統(tǒng)，提取方法先進，使得管道管理人員可以方便地獲取管道信息，突破了靠人工管理管道信息的局限性，有效提高管道信息管理水平，進而提高管道運營管理水平、安全生產(chǎn)水平，進一步為管道運營提供決策支持和服務，為數(shù)字管道新的運行模式提供有力的技術支持。

圖6 實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)交互的流程