基于GIS的管道高后果區(qū)管理升級(jí)及其實(shí)踐

高?？?戴連雙,賈韶輝,劉天堯,徐杰,劉亮,吳官生

1.中國(guó)石油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）2.中油管道有限責(zé)任公司 （北京 100016）

0 引言

2016年國(guó)家發(fā)展改革委等五部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院安委會(huì)工作要求全面推行油氣輸送管道完整性管理的通知》，2017年國(guó)家安全監(jiān)管總局等部門(mén)再次發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)油氣輸送管道途經(jīng)人員密集場(chǎng)所高后果區(qū)安全管理工作的通知》。石油、成品油和天然氣屬于易燃易爆輸送介質(zhì)，人員密集型高后果區(qū)油氣管道發(fā)生泄漏，對(duì)社會(huì)和環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，管道高后果區(qū)是油氣長(zhǎng)輸管道管理的重點(diǎn)，也是政府監(jiān)管部門(mén)重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象。隨著地方政府及油氣管道企業(yè)對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道安全的要求日漸嚴(yán)格，油氣管道高后果區(qū)識(shí)別工作周期的要求逐漸縮短，甚至在管道途經(jīng)關(guān)鍵區(qū)域要求實(shí)時(shí)獲取高后果區(qū)周邊環(huán)境、人口分布等數(shù)據(jù)，以支撐油氣管道高后果區(qū)管理的時(shí)效性。針對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道高后果區(qū)，油氣管道企業(yè)采取了相應(yīng)技術(shù)手段和管理措施進(jìn)行有效管理。一方面，采用三維GIS技術(shù)[1-2]輔助油氣管道高后果區(qū)進(jìn)行識(shí)別與分析工作減少了管理人員75%左右的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)間，很大程度上提高了企業(yè)完整性管理水平。但是，受限于三維衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)更新頻次和成本，GIS技術(shù)在高后果區(qū)識(shí)別時(shí)效性上還存在一定差距。另一方面，通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3-4]，監(jiān)控人員可實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)視頻監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的車(chē)輛、人員等情況。但是，面對(duì)分散的視頻影像，長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷的觀察和判斷會(huì)導(dǎo)致人員疲勞，反應(yīng)能力下降，極易發(fā)生工作疏漏和失誤。

為了適應(yīng)當(dāng)前不斷提升的政府監(jiān)管和管道高后果區(qū)管理需求，采用GIS技術(shù)對(duì)高后果區(qū)進(jìn)行可視化管控，制定了5項(xiàng)原則，堅(jiān)持全面開(kāi)放共享，以達(dá)到各層級(jí)用戶(hù)最佳使用體驗(yàn)為目標(biāo)，保持持續(xù)更新和相關(guān)功能的完善。同時(shí)，依托GIS和視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程接入技術(shù)，開(kāi)展了基于衛(wèi)星影像的高后果區(qū)自動(dòng)識(shí)別和視頻GIS融合研究，為實(shí)現(xiàn)油氣長(zhǎng)輸管道完整性管理核心業(yè)務(wù)鏈的管理價(jià)值提供了有力的技術(shù)支撐。

1 高后果區(qū)升級(jí)管理的原則

為了落實(shí)高后果區(qū)升級(jí)管理要求，進(jìn)一步提升油氣管道高后果區(qū)識(shí)別的質(zhì)量，綜合考慮政府監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和體系文件的要求與規(guī)定，緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)高后果區(qū)識(shí)別和評(píng)價(jià)工作的業(yè)務(wù)需求，保障高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果的連續(xù)性和傳承性，制定了中油管道高后果區(qū)升級(jí)管理的5項(xiàng)原則。

1）誰(shuí)填報(bào)誰(shuí)負(fù)責(zé)的原則。只有高后果區(qū)填報(bào)人才能對(duì)所負(fù)責(zé)高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果擁有新增、修改、刪除等操作權(quán)限，由填報(bào)人負(fù)責(zé)維護(hù)高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果，其他用戶(hù)只有查看的權(quán)限。堅(jiān)決落實(shí)高后果區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人責(zé)任，誰(shuí)填報(bào)誰(shuí)負(fù)責(zé)，嚴(yán)格把控高后區(qū)識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。

各分公司管道科、站隊(duì)基層用戶(hù)可將動(dòng)態(tài)識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)填報(bào)，填報(bào)頻次不限，并按照系統(tǒng)內(nèi)部約定的編碼規(guī)則自動(dòng)生成惟一標(biāo)識(shí)的高后果區(qū)編號(hào)。高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果實(shí)現(xiàn)了高后果區(qū)識(shí)別項(xiàng)與高后果區(qū)類(lèi)型和高后果區(qū)等級(jí)的自動(dòng)計(jì)算及管道管材、管徑、設(shè)計(jì)壓力等基本信息的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，還支持“一區(qū)一案”等相關(guān)附件的上傳功能。

系統(tǒng)還提供了高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果模板，內(nèi)置高后果區(qū)識(shí)別項(xiàng)、高后果區(qū)類(lèi)型和高后果區(qū)等級(jí)的自動(dòng)計(jì)算功能及數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則，便于用戶(hù)統(tǒng)一整理，節(jié)省填錄時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)高效的批量入庫(kù)。

2）扁平化管理的原則。工作流程在一定程度上制約了業(yè)務(wù)開(kāi)展的時(shí)效性，高后果區(qū)管理要求扁平化管理，即除填報(bào)人之外其他用戶(hù)可對(duì)高后果區(qū)記錄提出修改意見(jiàn)，所有修改意見(jiàn)將反饋至填報(bào)人并實(shí)時(shí)提醒，填報(bào)人經(jīng)過(guò)核實(shí)后選擇是否采納。通過(guò)去工作流程的扁平化管理，減免業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)時(shí)間，利于高后果區(qū)管理業(yè)務(wù)的開(kāi)展。

高后果區(qū)主管單位用戶(hù)可對(duì)識(shí)別結(jié)果提出修改意見(jiàn)，修改意見(jiàn)反饋至高后果區(qū)填報(bào)人，由填報(bào)人核實(shí)修改意見(jiàn)后選擇是否采納。填報(bào)人采納修改意見(jiàn)后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄修改內(nèi)容并形成修訂記錄，實(shí)現(xiàn)操作留痕，為后期問(wèn)題追溯提供依據(jù)，修訂意見(jiàn)和記錄功能對(duì)各層級(jí)用戶(hù)可見(jiàn)。

針對(duì)不同層級(jí)用戶(hù)能夠快速檢索和查詢(xún)符合相應(yīng)條件的高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果記錄，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了樹(shù)形組織機(jī)構(gòu)區(qū)和多條件查詢(xún)區(qū)。高層級(jí)用戶(hù)可通過(guò)樹(shù)形組織結(jié)構(gòu)菜單快速檢索其下屬單位的高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果記錄，或在查詢(xún)區(qū)設(shè)置不同的篩選條件對(duì)高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果記錄查詢(xún)過(guò)濾，滿(mǎn)足用戶(hù)快速檢索與查詢(xún)的需求。除此之外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高后果區(qū)結(jié)果信息、修訂意見(jiàn)、一區(qū)一案、附件等多種導(dǎo)出功能，為業(yè)務(wù)人員的日常管理提供高效的技術(shù)支持。

3）實(shí)時(shí)更新和惟一標(biāo)識(shí)的原則。每條填報(bào)的高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果，自填報(bào)或重新確認(rèn)之日起，1年內(nèi)打開(kāi)1次確認(rèn)和維護(hù)即可，每年不需要重新填寫(xiě)記錄，若有新增的高后果區(qū)只需在系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)奈恢迷黾蛹纯?；每條高后果區(qū)在系統(tǒng)按照規(guī)定的編碼規(guī)則進(jìn)行編號(hào)，且惟一標(biāo)識(shí)。采用實(shí)時(shí)更新和惟一標(biāo)識(shí)的原則，提升高后果區(qū)管理的時(shí)效性。

隨著高后果區(qū)識(shí)別工作的開(kāi)展，高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果會(huì)動(dòng)態(tài)變化，比如現(xiàn)在的高后果區(qū)可能會(huì)變?yōu)榉歉吆蠊麉^(qū)，系統(tǒng)針對(duì)高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果變更業(yè)務(wù)，提供了相應(yīng)的管理功能和追溯手段，全面提升了高后果區(qū)管理的能力。

針對(duì)高后果區(qū)新增識(shí)別結(jié)果、超期識(shí)別、修訂意見(jiàn)的記錄，系統(tǒng)均有消息提醒并優(yōu)先顯示，提升系統(tǒng)交互體驗(yàn)。其中包括：①新增識(shí)別提醒，即自創(chuàng)建開(kāi)始1個(gè)月內(nèi)默認(rèn)為新增數(shù)據(jù)，1個(gè)月過(guò)后提醒自動(dòng)消失；②修訂意見(jiàn)的記錄，即其他用戶(hù)對(duì)高后果區(qū)提出修改意見(jiàn)，需填報(bào)人核實(shí)高后果區(qū)信息，填報(bào)人選擇是否采納后，提醒自動(dòng)消失；③超期提醒，即高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果已超過(guò)1年未確認(rèn)，需用戶(hù)重新確認(rèn)。

4）合規(guī)管理的原則。高后果區(qū)報(bào)備管理按照各地方政府相關(guān)部門(mén)要求，對(duì)行政區(qū)劃內(nèi)的高后果區(qū)及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告和油氣泄漏事故應(yīng)急預(yù)案等信息資料進(jìn)行定期報(bào)備，配合政府部門(mén)全面掌握本地區(qū)人員密集型高后果區(qū)現(xiàn)狀，建立有效的更新機(jī)制和政企聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

報(bào)備內(nèi)容包含各層級(jí)單位向當(dāng)?shù)卣块T(mén)報(bào)備的高后果區(qū)信息及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告和油氣泄漏事故應(yīng)急預(yù)案等信息資料，為有效管理報(bào)備信息創(chuàng)造了更好的條件，報(bào)備的高后果區(qū)編號(hào)與高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果的閉環(huán)管理。

除此之外，系統(tǒng)落實(shí)了向各地方政府相關(guān)部門(mén)定期報(bào)備要求，高后果區(qū)報(bào)備管理增加了修訂意見(jiàn)和提醒功能，實(shí)現(xiàn)了敦促用戶(hù)定期報(bào)備的合規(guī)管理。

5）全面開(kāi)放共享的原則。用戶(hù)可以查看和分享所有上傳的相關(guān)高后果區(qū)地方政府文件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告、應(yīng)急預(yù)案等資料，且上傳的各類(lèi)資料全員可見(jiàn)，以便實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部資源開(kāi)放共享、全員提高的目標(biāo)。

2 高后果區(qū)識(shí)別與管理技術(shù)升級(jí)

2.1 高后果區(qū)自動(dòng)識(shí)別

中油管道為了實(shí)現(xiàn)高后果區(qū)快速識(shí)別，基于高清衛(wèi)星影像采用GIS技術(shù)，開(kāi)展高后果區(qū)的自動(dòng)識(shí)別模型研究及應(yīng)用（圖1）。高后果區(qū)自動(dòng)識(shí)別模型以建筑物、水系、道路等樣本數(shù)據(jù)，采用圖形圖像識(shí)別算法，對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，輔以人工校驗(yàn)，識(shí)別出高后果區(qū)管段的起止位置，并以高亮條帶直觀展現(xiàn)（圖2），管理者對(duì)管理范圍內(nèi)的高后果區(qū)分布及變化情況一目了然。

圖1 高后果區(qū)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)路線

圖2 高后果區(qū)管段可視化

2.2 高后果區(qū)視頻監(jiān)控接入

中油管道為了實(shí)現(xiàn)對(duì)人員密集型高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)管控，在高后果區(qū)模塊中實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控接入功能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)控油氣管道高后果區(qū)的人員、車(chē)輛、占?jí)旱葘?shí)時(shí)視頻畫(huà)面，同時(shí)可將安全威脅報(bào)警畫(huà)面推送到管理者（圖3）。隨著AI芯片技術(shù)的快速發(fā)展，攝像頭已內(nèi)置AI識(shí)別芯片，可識(shí)別過(guò)往車(chē)輛、警戒區(qū)域入侵、機(jī)械施工和簡(jiǎn)單活動(dòng)行為并抓拍當(dāng)時(shí)視頻和圖像，及時(shí)傳輸?shù)焦芾砣藛T設(shè)備終端，管理人員甄別報(bào)警信息后，可遠(yuǎn)程聲、光警告現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)作出響應(yīng)。

2.3 高后果區(qū)視頻GIS融合研究

在視頻監(jiān)控接入基礎(chǔ)上，開(kāi)展了視頻GIS融合技術(shù)研究，提升人員密集型高后果區(qū)綜合可視化分析能力。系統(tǒng)通過(guò)三維影像地圖，融合監(jiān)控視頻影像，建立基于三維GIS與視頻融合的人口密集型高后果區(qū)管理現(xiàn)代化模式，可從不同視角動(dòng)態(tài)展現(xiàn)管體缺陷、管道風(fēng)險(xiǎn)、周邊環(huán)境發(fā)育情況、總體態(tài)勢(shì)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，強(qiáng)化管道風(fēng)險(xiǎn)的防控。

圖3 人口密集型高后果區(qū)視頻監(jiān)控

視頻GIS融合基礎(chǔ)是三維場(chǎng)景建模，針對(duì)人員密集型高后果區(qū)，采用基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維真實(shí)場(chǎng)景建模技術(shù)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影[5]是通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，其中一個(gè)鏡頭獲取地面目標(biāo)物的正射影像，其余4個(gè)鏡頭采集地面目標(biāo)物前、后、左、右4個(gè)方向的傾斜影像，并可在拍攝瞬間獲取包含影像位置、高度、姿態(tài)等信息的POS數(shù)據(jù)，可以更加清晰地反映地面實(shí)物的實(shí)際情況。

目前，GIS與實(shí)時(shí)視頻融合在行業(yè)中的應(yīng)用相對(duì)較弱。如文獻(xiàn)[6]所提出的點(diǎn)擊地圖上監(jiān)控點(diǎn)彈出視頻窗口，顯示相應(yīng)監(jiān)控畫(huà)面。文獻(xiàn)[7]所提出的通過(guò)指定紋理坐標(biāo)，在GIS三維模型中疊加視頻影像畫(huà)面，達(dá)到一定的融合效果，但是存在視頻圖像邊界與三維模型邊界吻合度不高的缺陷，以至于整體視覺(jué)性較差。

為了真正實(shí)現(xiàn)視頻融合，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果，重點(diǎn)解決兩方面問(wèn)題：

1）快速實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的三維可視化，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維真實(shí)場(chǎng)景建模技術(shù)快速建模，導(dǎo)入三維GIS平臺(tái)。

2）建立實(shí)時(shí)視頻圖像與三維GIS場(chǎng)景模型融合算法。采用基于投影紋理映射的視頻與三維GIS融合技術(shù)[8-9]。投影紋理映射核心是利用三維模型中某點(diǎn)的世界坐標(biāo)與紋理矩陣計(jì)算得到紋理坐標(biāo)，見(jiàn)公式（1），實(shí)現(xiàn)紋理與空間頂點(diǎn)的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)，不需要預(yù)先指定紋理坐標(biāo)，從而避免紋理扭曲的情況。

為了準(zhǔn)確匹配視頻影像和GIS中三維模型，可結(jié)合攝像機(jī)成像的數(shù)學(xué)模型[10]，求解空間中任何一點(diǎn)在圖像中的成像坐標(biāo)，采用針孔成像數(shù)學(xué)模型近似表示。因此，根據(jù)視頻采集攝像頭標(biāo)定的內(nèi)外參數(shù)求出紋理矩陣，可將采集到的視頻影像準(zhǔn)確地投影到三維模型中，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控畫(huà)面與三維模型的高吻合度融合，達(dá)到了三維GIS增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果（圖4）。

圖4 高后果區(qū)視頻GIS融合效果

2.4 高后果區(qū)識(shí)別結(jié)果的管理與應(yīng)用

基于GIS的高后果區(qū)管理模塊以信息平等共享、多維統(tǒng)計(jì)分析與可視化、用戶(hù)體驗(yàn)至上為設(shè)計(jì)理念，由主管業(yè)務(wù)人員和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)各項(xiàng)功能、流程和詳細(xì)字段的設(shè)計(jì)，共同編制《油氣長(zhǎng)輸管道高后果區(qū)管理信息系統(tǒng)升級(jí)開(kāi)發(fā)方案》，方案編寫(xiě)人員向軟件開(kāi)發(fā)人員交底關(guān)鍵功能，由主管業(yè)務(wù)人員負(fù)責(zé)測(cè)試、上線和推廣應(yīng)用。

自高后果區(qū)管理系統(tǒng)上線以來(lái)，主要使用單位包括中油管道及下屬管道分公司、西部管道分公司、西氣東輸管道分公司、北京天然氣管道有限公司和西南管道分公司5家公司，已實(shí)現(xiàn)中油管道6 000多處高后果區(qū)的動(dòng)態(tài)管理，在保持高后果區(qū)識(shí)別實(shí)時(shí)更新、保障高后果區(qū)管理的傳承性和連續(xù)性、共享高后果區(qū)管理信息和資源以及有效管理高后果區(qū)“一區(qū)一案”和相關(guān)信息資源等方面取得了良好的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)油氣管道高后果區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)高時(shí)效管理要求，提出了基于GIS的高后果區(qū)升級(jí)管理原則，開(kāi)展了高后果區(qū)模塊的升級(jí)與應(yīng)用，在保持高后果區(qū)識(shí)別實(shí)時(shí)更新、保障高后果區(qū)管理的傳承性和連續(xù)性、共享高后果區(qū)管理信息和資源以及有效管理高后果區(qū)“一區(qū)一案”和相關(guān)信息資源等方面取得了良好的效果。同時(shí)提出了基于高清衛(wèi)星影像的高后果區(qū)自動(dòng)識(shí)別及視頻GIS融合的研究思路及成果，為智能管道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)提出了一種高后果區(qū)管理的現(xiàn)代化模式，提升了油氣管道企業(yè)管理的智能化水平。