一種GIS輔助油氣管道高后果區(qū)識別研究模型

劉振東 宋婷婷

（1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，濟(jì)南250000;2.山東省國土測繪院，濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，油氣管道鋪設(shè)速度大幅提升，已基本形成全國油氣管網(wǎng)［1］。同時(shí)，管道敷設(shè)路由與城鄉(xiāng)建設(shè)、高鐵高速公路建設(shè)、輸電線路等其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)交叉日益頻繁，自然因素與社會因素共同導(dǎo)致管道沿線的人口密集區(qū)、特定場所形成高后果區(qū)。

管道高后果區(qū)作為油氣輸送管道安全管理的關(guān)鍵區(qū)域，一旦發(fā)生管道破裂或油氣泄漏，將對公共安全、環(huán)境和財(cái)產(chǎn)造成巨大影響和損失。高后果區(qū)作為管道完整性管理重點(diǎn)關(guān)注對象，提高高后果區(qū)識別的效率和準(zhǔn)確率，制定針對性管理對策，擺脫事件發(fā)生后的被動應(yīng)對局面，使影響管道安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因素得到有效管控，已成為當(dāng)前油氣管道保護(hù)工作的重點(diǎn)［2-3］。

1 高后果區(qū)識別現(xiàn)狀

1.1 高后果區(qū)國內(nèi)外識別技術(shù)現(xiàn)狀

歐美國家于2000年左右開始對管道高后果區(qū)識別及相關(guān)政策的制定進(jìn)行研究。其中，美國早在2001年已經(jīng)提出了液體和氣體管道的完整性管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，隨后成為多國普遍認(rèn)同的先進(jìn)管理方式［4-6］。目前，美國運(yùn)輸部的管道安全局已經(jīng)建成全美管道繪圖系統(tǒng)（簡稱NPMS）［7］，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲了油氣管線、場站、液化站等空間數(shù)據(jù)，同時(shí)也對管道沿線周邊設(shè)施環(huán)境、居民地分布、特定場所分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了集成，對油氣管道高后果區(qū)特定區(qū)域進(jìn)行了標(biāo)識，顯著提升了高后果區(qū)的識別效率以及準(zhǔn)確性。

1.2 高后果區(qū)識別準(zhǔn)則

《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》對輸油管道和輸氣管道高后果區(qū)識別準(zhǔn)則進(jìn)行了明確的定義。輸油管道識別范圍主要在50~200 m，以管道中心線為中心，在50 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)有高速公路、國道、省道、鐵路及易燃易爆場所，在200 m范圍內(nèi)有水源、河流、大中型水庫、國家自然保護(hù)地區(qū)以及聚集戶數(shù)在50戶以上的村莊、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等人口稠密區(qū)都被識別為高后果區(qū)；輸氣管道的高后果區(qū)判定條件主要在于管道是否經(jīng)過三、四級地區(qū)以及潛在影響區(qū)域內(nèi)是否存在特定場所，管道的潛在影響范圍依據(jù)潛在影響半徑計(jì)算，潛在影響半徑計(jì)算式為：

式中，d為管道外徑，mm；p為管段最大允許操作壓力，MPa；r為受影響區(qū)域的半徑，m；系數(shù)0.099只適用于天然氣管道計(jì)算。

2 GIS輔助高后果區(qū)識別方法

油氣管道高后果區(qū)的識別主要內(nèi)容是對管道沿線一定距離范圍內(nèi)的人員密集區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)等空間區(qū)域進(jìn)行識別劃分，而GIS（Geographic Information System）作為一門集地圖學(xué)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)操作于一體的空間處理工具，可以用于空間數(shù)據(jù)的采集、管理、分析、顯示和描述［8］?？臻g信息分析作為GIS的重點(diǎn)功能，能進(jìn)一步提取、統(tǒng)計(jì)分析管道空間信息，本文通過對線性的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS緩沖區(qū)分析、空間疊加以及空間統(tǒng)計(jì)分析，快速識別出管線高后果區(qū)并對高后果區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 GIS空間信息分析

本文主要利用緩沖區(qū)分析、空間疊置和空間統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行高后果區(qū)的識別以及統(tǒng)計(jì)。

2.1.1 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是以點(diǎn)、線、面地物實(shí)體為基礎(chǔ)，在其周邊拓展一定半徑而生成的緩沖區(qū)多邊形，從而實(shí)現(xiàn)地物實(shí)體在周邊鄰域的拓展分析，常見點(diǎn)線面緩沖區(qū)示意如圖1所示。油氣管道為線性實(shí)體，以管道中心線為中心軸，距中心軸50 m或100 m生成平行條帶多邊形。

圖1 緩沖區(qū)示意

2.1.2 疊加分析

譯文：布宜諾斯艾利斯的一些地區(qū)也嘗試實(shí)行路邊拾取可回收物的措施。但是據(jù)報(bào)道，因?yàn)檫@樣的收集方式成本較高，政府決定不提供補(bǔ)貼，所以該項(xiàng)措施以失敗告終。

疊加分析在GIS中的概念是將分散在不同圖層中的地物圖層在統(tǒng)一的空間參考坐標(biāo)系前提下，按照相同的空間位置進(jìn)行疊加，產(chǎn)生新的空間要素，新要素包含新的空間關(guān)系以及新的屬性關(guān)系，從而可對新生成的圖層按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行疊加分析［9］。本文采用的空間疊加操作主要包括點(diǎn)與多邊形、線與多邊形、多邊形與多邊形疊加。點(diǎn)與多邊形疊加示意如圖2所示，主要用于管線緩沖區(qū)與點(diǎn)狀實(shí)體（加油站、水庫、倉庫等）的疊加分析；線與多邊形的疊加示意如圖3所示，主要用于管線緩沖區(qū)與線狀實(shí)體（高速公路、高壓線等）的疊加分析。

圖2 點(diǎn)與多邊形疊加

圖3 線與多邊形疊加

多邊形與多邊形疊加結(jié)果需要根據(jù)數(shù)據(jù)的要求和疊加分析的具體需求進(jìn)行空間特征的提取，多邊形疊加操作一般提供并、疊合、交等3種類型，如圖4所示，油氣管道的空間疊加操作主要以疊合操作為主，主要用于管線緩沖區(qū)與面狀實(shí)體（居民區(qū)、保護(hù)地等）的疊加分析。

圖4 多邊形與多邊形疊加

2.1.3 空間統(tǒng)計(jì)

本文涉及到的空間統(tǒng)計(jì)是將空間關(guān)系（長度、面積、臨近關(guān)系等）關(guān)聯(lián)到經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析中，統(tǒng)計(jì)高后果區(qū)空間分布位置、長度、比例等相關(guān)參數(shù)。

2.2 高后果區(qū)識別流程

利用GIS空間分析與統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行高后果區(qū)的識別流程，如圖5所示，主要步驟包括：

圖5 高后果區(qū)識別流程

1）油氣管道空間位置獲?。和ㄟ^RTK設(shè)備現(xiàn)場獲取管道中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：將管道中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為shp數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入PostGIS空間數(shù)據(jù)庫，入庫時(shí)對管線數(shù)據(jù)地理和投影坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一。

3）DOM影像數(shù)據(jù)獲取：通過天地圖網(wǎng)站獲取管道沿線DOM數(shù)據(jù)，選取分辨率優(yōu)于0.5的影像，并將影像加載到arcgis軟件中。

4）居民地、建筑物等地物shp數(shù)據(jù)提?。和ㄟ^管道沿線的遙感數(shù)據(jù)提取居民地、建筑物、特定場所shp數(shù)據(jù)信息。

5）shp數(shù)據(jù)地區(qū)等級劃分：結(jié)合環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)研報(bào)告（包括水文環(huán)境信息、社會經(jīng)濟(jì)信息等）和《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50251—2015）中的地區(qū)等級劃分及設(shè)計(jì)系數(shù)作為shp數(shù)據(jù)地物數(shù)據(jù)的地區(qū)等級屬性數(shù)據(jù)。

6）GIS空間分析：GIS空間分析主要是通過對管線進(jìn)行緩沖區(qū)分析以及對管線與周邊地物進(jìn)行空間疊加分析進(jìn)行高后果區(qū)的判別。

a.緩沖區(qū)分析：依據(jù)管道類型、管道級別以及管道沿線地區(qū)級別分別做50、200 m及特定影像半徑的緩沖區(qū)分析，以確定管道中心線兩側(cè)的緩沖地塊。例如：對于輸油管道，只需要對延管線做50、200 m的緩沖區(qū)分析即可獲取緩沖地區(qū)。

b.空間疊加分析：空間疊加分析是GIS輔助管道高后果區(qū)識別的核心關(guān)鍵技術(shù)。將標(biāo)準(zhǔn)化后的矢量shp數(shù)據(jù)與上一步驟中獲得的緩沖區(qū)地塊進(jìn)行空間“并”操作，其中shp數(shù)據(jù)包含點(diǎn)狀地物（加油站、油庫）、線狀地物（高速路、光纜、高鐵線）、面狀地物（居民地、人口密集區(qū)等）。在執(zhí)行空間“并”操作時(shí)，同時(shí)還需根據(jù)管道屬性信息、shp數(shù)據(jù)地物屬性信息，執(zhí)行相關(guān)空間算子。以輸氣管道為例，空間算子如圖6所示。

圖6 輸氣管道空間算子

7）空間檢索統(tǒng)計(jì)：由步驟（6）可獲得空間疊加后的數(shù)據(jù)，對疊加數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)利用SQL語句檢索統(tǒng)計(jì)，分別統(tǒng)計(jì)出I級、II級、III級高后果區(qū)、非高后果區(qū)的長度。

8）高后果區(qū)復(fù)核：將通過GIS緩沖區(qū)分析及空間疊加操作識別出的高后果區(qū)管線，結(jié)合管道沿線的遙感影像數(shù)據(jù)，對高后果區(qū)管線進(jìn)行人工復(fù)核，最后確認(rèn)管線在高后果區(qū)的級別和長度。

3 GIS輔助高后果區(qū)識別案例

3.1 工程背景

將基于GIS的高后果區(qū)識別方法用于國內(nèi)某條管道進(jìn)行工程試驗(yàn)，通過對管線數(shù)據(jù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的采集與整理，共錄入5條管線，如表1所示，總長度為26.1 km，空間數(shù)據(jù)庫采用PostGIS。

表1 管線基本情況

3.2 GIS高后果區(qū)識別

依據(jù)PCM設(shè)備檢測到5條管線的中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入PostGIS數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。首先對管線執(zhí)行緩沖區(qū)操作，在其鄰域擴(kuò)展出距管線中心線兩側(cè)50、200 m的平行多邊形區(qū)域；然后將管線沿線DOM遙感影像通過遙感智能解譯功能，識別出管線緩沖區(qū)范圍內(nèi)的點(diǎn)狀、線狀以及面狀重要地物特征，并生成shp數(shù)據(jù)；再將空間shp數(shù)據(jù)以及緩沖區(qū)數(shù)據(jù)按高后果區(qū)識別流程執(zhí)行油氣管道空間識別算子，依據(jù)識別規(guī)則判別出高后果區(qū)管段，對不能確定的高后果區(qū)進(jìn)行人工現(xiàn)場勘察，最終確認(rèn)管道高后果區(qū)的級別以及長度。以4#管線為例，管道空間分析示意如圖7所示。

圖7 管道空間分析示意

4#管線長度為5.3 km，共發(fā)現(xiàn)高后果區(qū)管段7處，其中I級高后果區(qū)1處，長度為149 m；II級高后果區(qū)4處，長度為912 m；III級高后果區(qū)2處，長度為632 m。

3.3 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過對項(xiàng)目中5條管線數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)整合入庫，并對管線及空間數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析和SQL空間統(tǒng)計(jì)分析，共得出高后果區(qū)段43處，如圖8所示，其中I級高后果區(qū)9處，長度為2.02 km；II級高后果區(qū)21處，長度為4.71 km；III級高后果區(qū)13處，長度為2.91 km；高后果區(qū)管線總長度為9.64 km，占管道總長度的37%。

圖8 高后果區(qū)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語

1）在高后果區(qū)識別準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以GIS空間分析為核心關(guān)鍵技術(shù)的油氣管道高后果區(qū)識別流程，該方法具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

2）通過數(shù)據(jù)采集及整合，建立了高后果區(qū)的識別流程模型，能滿足當(dāng)前管道高后果區(qū)的識別需求，工程應(yīng)用效果良好。

3）隨著AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)、智能管網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，今后可以對高后果區(qū)的識別與判斷流程進(jìn)一步完善，提高系統(tǒng)的智能化水平。