基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的雙模數(shù)傳輸鹵管道巡檢系統(tǒng)

喻海榕 陳鈞 李蓮香 顧漢清

1江蘇油田信息化管理中心

2大港油田采油一廠

江蘇油田地處蘇北黃淮平原和長江三角洲平原，埋地管道多處于水網(wǎng)地帶，穿孔、腐蝕現(xiàn)象常有發(fā)生，隨著油田開采規(guī)模和范圍的不斷擴(kuò)大，管道保護(hù)及礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境保護(hù)成為迫在眉睫的工作。因為管線的損壞，不僅會對生態(tài)壞境造成影響，也會給企業(yè)自身帶來經(jīng)濟(jì)損失，并會引起諸多社會、經(jīng)濟(jì)矛盾。

為避免或減少管道安全環(huán)保事件的發(fā)生，對礦區(qū)管道的巡檢工作顯得十分重要，目前采用的是開放式的巡檢工跑線模式，由于沒有巡檢系統(tǒng)，無法實時掌握巡檢人員的行蹤；也沒有管道設(shè)施運行狀態(tài)的實時監(jiān)控手段及后期的巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，巡檢管理方式相對落后；特別是泄漏報警、現(xiàn)場隱患及坐標(biāo)定位等信息分散，無法全面掌握現(xiàn)場情況，更無法準(zhǔn)確、迅速地對隱患及事故點進(jìn)行及時的處置。因此，為了保障礦區(qū)生產(chǎn)和環(huán)境安全，提升管道監(jiān)管水平，對事故及時響應(yīng)、科學(xué)決策，急需整合現(xiàn)有資源，建立一套科學(xué)、準(zhǔn)確、完整的管道巡檢綜合管理系統(tǒng)[1]。

江蘇油田在“十一五”期間建成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的集成化大型綜合數(shù)據(jù)資源管理平臺（EPBP），形成了包括管道動靜數(shù)據(jù)、北斗終端定位實時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息化實時數(shù)據(jù)在內(nèi)的核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)資源中心，江蘇油田還在國內(nèi)率先探索實現(xiàn)了北斗指揮機(jī)、北斗移動終端、北斗短報文通訊等技術(shù)在油田的應(yīng)用。這些都為油田管道巡檢系統(tǒng)的建立奠定了堅實的數(shù)據(jù)及技術(shù)基礎(chǔ)。

以江蘇油田一條長途輸鹵管線的巡檢管理為試點，通過北斗定位技術(shù)，對實時數(shù)據(jù)采集分析開發(fā)了油田管道巡檢系統(tǒng)，對管道進(jìn)行實時高效巡檢管理。后續(xù)根據(jù)應(yīng)用情況對系統(tǒng)進(jìn)行完善并推廣到油田其他長輸管道的巡檢應(yīng)用[2]。

1 研究內(nèi)容

整合現(xiàn)有系統(tǒng)資源，包括油田勘探開發(fā)業(yè)務(wù)協(xié)同平臺（EPBP）、GIS地理信息系統(tǒng)、在線檢漏系統(tǒng)、陰極保護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)資源。

整合現(xiàn)有硬件資源，包括基于油田北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端開發(fā)巡檢終端，通過北斗/GPS雙星定位技術(shù)實現(xiàn)坐標(biāo)定位，應(yīng)用北斗終端與指揮機(jī)傳輸北斗定位數(shù)據(jù)及短報文數(shù)據(jù)，數(shù)傳通道應(yīng)用北斗數(shù)傳及移動通信實現(xiàn)雙冗余數(shù)傳。

開發(fā)基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的雙模數(shù)傳輸鹵管道巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)了將巡檢人員的行蹤及隱患數(shù)據(jù)、管線陰極保護(hù)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)回傳至平臺；實現(xiàn)了對巡線人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)督考核；實現(xiàn)了對管道運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、隱患管理及設(shè)備管理等功能；實現(xiàn)了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測及在線檢漏系統(tǒng)成果與巡檢業(yè)務(wù)的綜合應(yīng)用[3-4]。

1.1 數(shù)據(jù)處理

在EPBP平臺上建立統(tǒng)一的組織機(jī)構(gòu)及用戶管理機(jī)制，實現(xiàn)對井、站、管網(wǎng)及陰極樁等集輸基礎(chǔ)信息統(tǒng)一管理，在油田GIS地理信息系統(tǒng)中對影像圖成果進(jìn)行空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)建立APDM的管道數(shù)據(jù)模型，完成礦區(qū)管線和輸鹵管線坐標(biāo)、樁數(shù)據(jù)、恒電位儀數(shù)據(jù)、站場數(shù)據(jù)的采集和入庫。購置并處理入庫礦區(qū)衛(wèi)星影像，下載并處理入庫輸鹵管線Google影像。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)并搭建基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的雙模數(shù)傳輸鹵管道巡檢系統(tǒng)，分為WEB端系統(tǒng)和移動APP。其中WEB系統(tǒng)主要功能包括任務(wù)管理、隱患管理、應(yīng)急管理、泄漏監(jiān)測、陰保數(shù)據(jù)管理、檔案管理、數(shù)據(jù)管理、提醒管理、巡檢報表等功能模塊。巡檢APP包括人員巡檢、巡檢任務(wù)、事件上報、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)維護(hù)、巡檢報表、系統(tǒng)配置、指引性導(dǎo)航等功能模塊。

1.3 安全管理

在油田信息安全管理體系下，構(gòu)建系統(tǒng)的安全管理機(jī)制，使數(shù)據(jù)的保密、安全得到有效的保證，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面嚴(yán)格按照網(wǎng)絡(luò)安全要求搭建相應(yīng)的硬件平臺，在EPBP管理系統(tǒng)實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一用戶管理，配合應(yīng)用系統(tǒng)功能對數(shù)據(jù)實行分級、分權(quán)限控制[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過對系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、安全體系的設(shè)計，建立基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的雙模數(shù)傳輸鹵管道巡檢系統(tǒng)，滿足管線巡檢的業(yè)務(wù)需求[6]。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

為保證系統(tǒng)的實施與推廣能夠完全融合，在技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計上采用MVC模式的設(shè)計架構(gòu)。

系統(tǒng)采用四層體系架構(gòu)：界面展示層、控制流轉(zhuǎn)層、業(yè)務(wù)處理層及數(shù)據(jù)存儲層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1 System architecture

2.2 功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計主要包括GIS基本功能、巡檢管理、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)急管理、隱患管理、檔案管理、移動端APP等功能模塊[7]的設(shè)計。

2.2.1 巡檢WEB平臺展示系統(tǒng)功能

如圖2所示，在巡檢管理系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計中，主要以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)作為主背景，同時疊加管線、巡檢信息等多個圖層，可根據(jù)需要實現(xiàn)多個信息的查詢、統(tǒng)計與顯示，實現(xiàn)包括人員考核、隱患管理、指令下達(dá)等巡線工作的管理。

圖2 巡檢WEB平臺功能Fig.2 Function of inspection WEB platform

2.2.2 巡檢手機(jī)軟件APP系統(tǒng)功能

巡檢APP安裝在巡線工使用的北斗終端上用來采集巡線數(shù)據(jù)，如圖3所示。其中陰保采集模塊、指引性導(dǎo)航功能是針對江蘇油田管線管理特點開發(fā)。通過巡檢手持終端的陰保采集模塊實現(xiàn)將陰極樁數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并回傳至平臺；通過平臺向巡檢手持端下發(fā)位置坐標(biāo)，引導(dǎo)巡線工快速到達(dá)隱患點，實現(xiàn)隱患巡查。

圖3 巡檢手機(jī)軟件APP功能Fig.3 Function of inspection mobile application

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用ArcGIS管線數(shù)據(jù)模型，用于存儲、收集與管線有關(guān)的信息。它是通過ESRI公司的ArcGIS和ArcSDE軟件來實現(xiàn)的，為空間數(shù)據(jù)庫而專門設(shè)計的管線數(shù)據(jù)模型。

APDM并不是一個綜合的包含所有方面的數(shù)據(jù)庫模型，是一個數(shù)據(jù)庫模版，各管道公司通過它可以從模型的核心元素開始，通過添加要素或提煉現(xiàn)有要素來修改模型。中石油可根據(jù)自己管線的特點來定義自己的數(shù)據(jù)庫模版，以滿足氣體和液體傳輸管線的需求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，服務(wù)器端采用Java語言開發(fā)， WebGIS部分采用ActionScript和JSP語言開發(fā)，采用MyEclipse集成IDE工具[8]。

3.1 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前用戶所處的角色，加載并顯示出相應(yīng)權(quán)限的地圖信息，包括功能菜單、地圖控制工具欄、比例尺、鷹眼、地圖顯示區(qū)等，如圖4所示。系統(tǒng)基礎(chǔ)輔助功能包括地圖基本功能、圖層管理、測量、打印、書簽定位、管道信息識別等功能模塊。

3.2 功能子系統(tǒng)

各功能子系統(tǒng)可為用戶提供基礎(chǔ)地理功能和專業(yè)分析功能，主要包括綜合查詢子系統(tǒng)、應(yīng)急管理子系統(tǒng)、檔案管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、計劃任務(wù)管理子系統(tǒng)、隱患管理子系統(tǒng)、巡檢管理子系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)的主要功能如下：

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 System main interface

（1）綜合查詢子系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能包含系統(tǒng)登錄、地圖基本工具、分類查詢、地圖氣泡、地圖測量、地圖標(biāo)注、地圖打印，圖層管理等。

（2）巡檢管理子系統(tǒng)系統(tǒng)通過創(chuàng)建巡檢任務(wù)，制定巡檢人員、類型、開始結(jié)束日期、巡檢關(guān)鍵點等，達(dá)到巡檢管理和監(jiān)控的目的。

（3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時查看當(dāng)前人員巡檢時三超（超時、超速、超限）、恒電位儀數(shù)據(jù)、站場閥室數(shù)據(jù)、現(xiàn)場隱患、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)、在線人員信息等功能。

（4）隱患管理子系統(tǒng)實現(xiàn)上報隱患信息，包括上報單位、上報人、發(fā)現(xiàn)時間、上報時間、事件位置、備注、相關(guān)照片、影像資料等功能。

（5）檔案管理子系統(tǒng)是巡檢人員管理入口，能夠?qū)崿F(xiàn)人員的增刪改查操作。

（6）應(yīng)急管理子系統(tǒng)可以準(zhǔn)確分析出周邊應(yīng)急物資情況和地理環(huán)境，通過周邊情況和應(yīng)急資源的分析，為決策者研判提供參考依據(jù)[9]。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的雙模數(shù)傳輸鹵管道巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)了管道的生產(chǎn)管理、安全管控、管道巡檢三位一體的精準(zhǔn)化管理，滿足了油田管道巡檢的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)經(jīng)過一年多的穩(wěn)定運行，發(fā)現(xiàn)隱患582起，處理及時率100%，避免了安全環(huán)保事故的發(fā)生。用戶在導(dǎo)航控制欄中單擊應(yīng)急管理子系統(tǒng)圖標(biāo)，即可進(jìn)入對應(yīng)菜單欄，圖5為動態(tài)標(biāo)注，圖6為路由分析，圖7為空間查詢。

圖5 動態(tài)標(biāo)注Fig.5 Dynamic annotation

圖6 路由分析Fig.6 Route analysis

圖7 空間查詢Fig.7 Spatial query

5 總結(jié)與建議

（1）基于APDM數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了以樁為核心的管道巡檢管理模式。

（2）調(diào)用天地圖云服務(wù)，解決了空間背景數(shù)據(jù)的更新問題。

（3）采集了高分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并以衛(wèi)星影像和百度地圖為參考提取了管道沿線基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，為管道周邊環(huán)境分析奠定了基礎(chǔ)。

（4）實現(xiàn)了第三方數(shù)據(jù)的實時接入和監(jiān)控，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，為應(yīng)對管道數(shù)據(jù)異常提供了技術(shù)保證。

（5）實現(xiàn)了管道巡檢由開放式的巡檢工跑線變革成智能化的管理模式，針對油田長距離管道實現(xiàn)了油田管道分段駐線巡查管理模式。

（6）采用了基于北斗的智能巡檢設(shè)備的雙冗余傳輸方式，保證了巡檢信號傳輸?shù)姆€(wěn)定，對移動信息覆蓋不到的地區(qū)適于采用北斗衛(wèi)星短報文方式進(jìn)行信息傳輸。

（7）與常規(guī)巡檢系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)式管理應(yīng)用功能不同，北斗衛(wèi)星及移動傳輸技術(shù)與地面高后果區(qū)、高風(fēng)險點巡查、地下管道陰極保護(hù)、泄漏監(jiān)測系統(tǒng)運行綜合構(gòu)建了一個三位一體的動態(tài)巡檢評價體系，在大數(shù)據(jù)的分析與支持下，對管道腐蝕情況及運行安全進(jìn)行預(yù)測，科學(xué)地制定巡檢方案，促進(jìn)了油田管網(wǎng)精細(xì)化管理，為企業(yè)減員增效、油田管理體制機(jī)制改革提供了支撐[10]。

（8）目前系統(tǒng)己實現(xiàn)了手持終端及WEB端的巡檢隱患上報功能，并能夠?qū)v史巡檢隱患進(jìn)行檢索和統(tǒng)計。在下一階段的研究中，系統(tǒng)將在WEB端實現(xiàn)隱患時間的閉環(huán)管理，包括隱患上報后根據(jù)等級和類型推送至相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行處理，管理人員能夠?qū)μ幚碇械碾[患進(jìn)行進(jìn)度的跟蹤及處理情況的監(jiān)控。