上海大眾燃氣有限公司 王海寧

淺談燃氣搶修輔助決策系統(tǒng)中GPS點的導入

上海大眾燃氣有限公司 王海寧

介紹了利用GPS RTK技術進行地下燃氣管網測繪、繪圖的優(yōu)勢?，F(xiàn)有搶修輔助決策系統(tǒng)的功能，探討在現(xiàn)有功能下導入GPS坐標進行繪圖的可行性和今后系統(tǒng)發(fā)展方向。

燃氣管網 搶修決策系統(tǒng) GPS RTK技術 GPS坐標導入

0 概述

隨著時代的進步和信息技術的普及，地下燃氣管網的信息化已經從初步形成向著更高的臺階邁進。由于管網的復雜性和隱蔽性，給燃氣管網的管理和維護增加了很大的難度。測量技術從過去的卷尺測量、手工成圖，到現(xiàn)在利用全球定位儀器測量后導入GIS系統(tǒng)自動初步成圖，使管線和設備圖形的準確度，都有了顯著的提高。所以原本只要求具備邏輯正確的地理信息系統(tǒng)也應有GPS點導入功能。

1 GPS RTK與GIS術在地下燃氣管線成圖中的應用

1.1 GPS RTK技術

GPS即全球定位系統(tǒng)，它主要由地面監(jiān)控、空間星座和用戶接受器三個部分組成，能夠實現(xiàn)全方位監(jiān)測，該技術能夠實現(xiàn)全天候服務，急時地收集地形數(shù)據(jù)信息，為地形測量工作提供方便。RTK技術(Real-time kinematic)實時動態(tài)差分法，是一種新的常用的GPS測量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。利用GPS RTK技術在進行地形測繪時，測站之間不需要同時進行，這是其方便之處，但是需要保證測量上方具有較為開闊的空間。傳統(tǒng)的測繪技術主要是通過大量人力物力進行的人工測量，不可避免的會造成測量工作的繁瑣復雜，但隨著新型測繪技術GPS RTK技術以及GIS技術等應用，管線測量工作效率得到了提升，測量的過程也更加簡單。應用先進的測量技術，能夠避免測量誤差和勞動工作強度，而且數(shù)據(jù)導入GIS系統(tǒng)后自動生成該管線圖形走向，這樣的應用會讓測繪工作變得簡潔方便。

1.2 GIS技術

GIS即地理信息系統(tǒng)，利用計算機存儲的地理信息數(shù)據(jù)庫，將地理環(huán)境中的各個要素轉化為相關的數(shù)據(jù)資料，并且對數(shù)據(jù)進行分析處理，GIS技術在地形測量中被廣泛的應用。利用該技術進行地形測量，需要建立地圖掃描、野外數(shù)字采集等數(shù)字地圖，然后通過收集的數(shù)據(jù)和相關地形信息繪制出完整的地圖，幫助測量人員更好的了解當?shù)氐牡匦?，提高測量的準確性。

1.3 利用GPS RTK設備測量的過程

由負責該工程的測量人員到施工現(xiàn)場，利用GPS RTK進行測量。首先打開手持(見圖1)檢測衛(wèi)星信號強度，當信號滿足一定強度時，符合條件可以進行GPS RTK測繪。在手持內新建文件夾可以是工程編號和測繪日期或道路名和測繪日期；比較大或復雜的工程一天不能結束，可以自己備注，避免下次漏測或不必要的重復測量。把接收機(見圖1)放在需要測量的管線或設備上，如閥門、犧牲陽極、三通及彎管等設備上，保存此時的三維坐標，這樣一個點就測量完成了。重復上述過程完成整個工程的測量工作。

圖1 GPS RTK測量儀器

2 搶修輔助決策系統(tǒng)的功能

燃氣管網搶修輔助決策系統(tǒng)是按實際地下埋設的燃氣高壓、中壓、低壓的管網、設施，縮小到1:10 000的比例，繪制于電腦上(簡稱1:10 000系統(tǒng))，從而給查閱、檢修、施工、搶修和維護等事項提供方便。因為萬分之一圖與五百分之一圖相比出圖速度更快，而且不需要建筑地形圖，能宏觀顯示各壓力級別的管網邏輯和氣源走向，給急搶修、天然氣置換等需要局部宏觀邏輯圖的工程及時地提供參考，所以公司要求在管線通氣十個工作日內完成圖形繪制。

系統(tǒng)運用分析算法實現(xiàn)了管網搶修輔助決策分析功能，提高了搶修方案的及時性、直觀性和科學性，滿足日常應急管理的要求。搶修輔助決策系統(tǒng)是綜合反映地下管網的管線走向、氣流方向、壓力級別、各種重要設施、管理區(qū)域、巡檢樣板、重要用戶的一個多用途系統(tǒng)，主要功能有以下幾點：

2.1 直觀反映某燃氣管道內氣源走向

搶修輔助決策系統(tǒng)可以直觀反映地下管網的宏觀邏輯關系，氣源走向(由氣源點經過高壓管道——調壓器(高轉中)——中壓管道——調壓器(中轉低)——低壓管道——用戶)，圖形在放大或縮小的顯示狀態(tài)下根據(jù)全景圖和局部圖(見圖2，圖3)加以判斷，就可以對氣流方向了如指掌。這個功能是其它現(xiàn)有系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為繁復的，甚至不可能實現(xiàn)的。

圖2 管網全景截屏

圖3 管網局部截屏

2.2 分析爆管后關閉的閥門和受影響的調壓器

發(fā)生爆管漏氣事故后，從事故點得到事故發(fā)生的一段管線，然后從這段管線的兩端出發(fā)確定控制此段管線氣流的所有閥門，通過管網的網絡拓撲關系，找到最小的管線封閉區(qū)域，就可以分析出應該關閉的閥門位置、編號及因為關閉了閥門后造成停氣的調壓器位置和編號。如遇到的調壓器為門站，則以此調壓器為氣源點，進行下一級壓力管網邏輯分析。根據(jù)以上分析結果可以得出專用、街坊、地區(qū)及各種類型的調壓器的相應用戶數(shù)量，從而采取停氣供氣的預案，見圖4。

圖4 爆管分析截屏

這樣一方面提高了急搶修的速度和準確性，另一方面給鑲接停氣降壓提供了多方位的參考圖，減少了事故影響范圍，降低停氣受害率。

2.3 動態(tài)顯示閥門和調壓器及所需數(shù)據(jù)與圖形

對預定義的管線設施和面圖層進行空間查詢和屬性查詢。GIS 1:10 000系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分類，根據(jù)不同圖層顯示出所要查詢的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)總和。并且可以點擊查看每一個數(shù)據(jù)的具體空間位置。這樣就可以根據(jù)查詢要素的屬性，判斷發(fā)生事故的影響范圍，用戶類型，做出相應的急搶修處理方案?？梢越y(tǒng)計不同年份的管線、設施的數(shù)量、位置，并且對閥門的開關情況動態(tài)顯示。這樣就可以為急搶修、施工、天然氣置換、管道設備維護等工作提供參考圖。

點擊統(tǒng)計結果列表中任意一條要素，則在地圖上閃爍該要素，如圖5所示。

圖5 要素查詢截屏

2.4 燃氣管線、設施及背景數(shù)據(jù)

燃氣管線、設施及背景數(shù)據(jù)可以導入、導出，數(shù)據(jù)格式可以轉換，對閥門、調壓器等檔案信息可以批量導入導出，也可以單一錄入，批量導入導出的同時可以進行錯誤檢查和專題檢查，去除明顯錯誤。

2.5 圖形、屬性打印輸出

圖形、屬性輸出。包括地圖的輸出和管網空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)及其表卡的輸出，能對各種輸出數(shù)據(jù)進行版面的編輯處理、排版，最終輸出到各種輸出設備上。

2.6 提供突發(fā)事件應急查閱地下管網設施

對地下管線設施，進行核查，保證所有邏輯關系正確。對調壓器，立管用戶和類型、數(shù)量進行普查、輸入，并編制重要用戶應急搶修預案，確保燃氣用氣安全。

3 利用GPS RTK點繪制搶修輔助決策系統(tǒng)

由于測繪技術的發(fā)展現(xiàn)在大部分郊區(qū)工程都采用GPS RTK進行測繪，因此提供給繪圖員的管線設備資料都是三維數(shù)據(jù)，不再是過去的點或線段連接的尺寸，由于這種原因，繪圖的系統(tǒng)如果沒有GPS點導入的功能，繪圖的過程會非常繁瑣而且誤差會很大，所以GIS搶修輔助決策系統(tǒng)如果有GPS點導入的功能，將能更好的發(fā)揮作用。因為搶修輔助決策系統(tǒng)內的圖形沒有具體的定位尺寸，但是存在網格圖，每個網格都有相應統(tǒng)一的網格編號。但是傳統(tǒng)的測量繪制方法，在繪制管線、設備時換算具體的尺寸比例誤差比較大，存在網格偏差，久而久之偏差會日趨嚴重。在相應的網格內會出現(xiàn)不一樣的管線邏輯和設備。如果用GPS點導入就可以提高精準率，避免偏差。

3.1 GPS點導入的問題

在市中心地段，地下管網已經發(fā)展成熟，雖然有些管線已經步入百年，但是在天然氣置換和承插管改造等工程中已經對高齡高危管線進行了更換和改造。大部分都是原拆原位和小距離改動，而且地勢處于建筑擁擠范圍，不符合GPS RTK技術的應用要求，所以采用測距儀和皮尺測量后的數(shù)據(jù)搶修輔助決策系統(tǒng)還能滿足功能進行繪制。

在中環(huán)、外環(huán)及以外等空曠地區(qū)，管網發(fā)展量比較大，地勢環(huán)境符合GPS RTK測量的技術要求，因此這部分工程都是采用GPS測量技術，為了提高搶修輔助決策系統(tǒng)的準確率，繪圖時需要用GPS點進行繪制，但是由于系統(tǒng)為早期開發(fā)，搶修輔助決策系統(tǒng)導入GPS點無法實現(xiàn)，不能形成初步的點圖形數(shù)據(jù)。

3.2 現(xiàn)階段繪制搶修輔助決策精確位置的方法

目前在繪制圖形時用系統(tǒng)原來存在的X、Y坐標輸入來一個一個定位管線和設備在網格內的坐標位置。確定到坐標點以后，用不需要定位管線的輔助設施代替坐標圓點加以標記，直到一個工程的管線邏輯形成。然后用相應壓力的管線連接并且添加設備、文本標注等，最后刪除輔助X、Y坐標定位點。這樣的方法遇到大工程缺點就非常明顯，如2014年竣工的馬橋地區(qū)0.4 MPa天然氣排管工程，有兩百多個閥門、管線長度達到22 km，都是手工一個一個點輸入——定位——添加輔助點——繪制——標注——檢查邏輯連接——成圖，見圖6。

圖6 馬橋地區(qū)搶修輔助決策管網截屏

3.2.1 耗費時間長

這樣所需時間要將近兩周，而且長時間輸入繁瑣的X、Y數(shù)字坐標容易產生錯誤導致管線偏差，從而造成重復勞動。如果運用GPS導入功能，則會瞬間成圖，后續(xù)只需要稍作連接和標注，一幅高準確率的萬分之一管線圖，在一天內就能高效率完成。這樣利用GPS點導入成圖的優(yōu)點是非常明顯的。

3.2.2 管線閥門位置誤差大

如果不采用人工輸入X、Y坐標定位點的方式，放棄管線在網格圖上的絕對位置的準確性，只確保管線的相對位置間的邏輯關系正確。這樣的繪制方式只能保證地下燃氣管網整體宏觀的走向和邏輯關系，要單獨對某一坐標點或圖版網格內的具體內容進行體現(xiàn)就有很大的誤差(見圖7搶修輔助決策相對位置)。如果現(xiàn)場操作人員對閥門設備的具體位置不夠了解，不利用小比例的圖形(見圖8中1:500上管線閥門位置)進行判斷，不查設備編號，直接用搶修輔助決策圖紙進行定位，就會造成判斷錯誤，出現(xiàn)不可設想的嚴重后果。

圖7 搶修輔助決策相對網格位置截屏

圖8 1:500上管線閥門位置截屏

3.2.3 管線閥門之間的邏輯關系需要人工判斷

由于客觀原因造成部分管線設備沒有用GPS坐標點進行繪制，然而后續(xù)施工的管網都是要有氣源連通的，那么這個連接點的位置就要進行邏輯上面的判斷，尤為重要的是閥門、道路、三通幾個重要點附近的相接點，如果繪制時判斷錯誤就會造成搶、檢修時開關閥門錯誤，延誤時間、擴大事故影響范圍，增加停氣受害率，見圖9。如果管線全部采用測量的X、Y坐標導入繪制，隨著時間的變化管線的積累，管線設備的相對位置邏輯關系發(fā)生人為判斷錯誤的幾率就很低。因為管線、設備每一次繪制都是和實際空間的坐標一致，那么長久以往，繪制時不需要人工判斷，他們之間的邏輯關系應該都是正確的。