曹闖明，顧曉婷中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京

2長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

數(shù)字化技術(shù)在城市天然氣管網(wǎng)中應(yīng)用研究

曹闖明1，顧曉婷2
1中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京

2長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢

基于二三維一體化GIS技術(shù)，將管網(wǎng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息集成到二三維一體化GIS系統(tǒng)中，創(chuàng)新性地建立了新型城市數(shù)字化天然氣管網(wǎng)信息系統(tǒng)。將天然氣管網(wǎng)生產(chǎn)信息與空間信息有效整合，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化管理，確保了城市管網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)及高效運(yùn)行，進(jìn)而為高效管理和科學(xué)決策提供可靠的相關(guān)信息，進(jìn)一步固化管理流程，改變管理方式，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)管理水平。

數(shù)字化技術(shù)，城市天然氣管網(wǎng)，GIS技術(shù)

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1. 引言

中國(guó)海油“十二五”規(guī)劃提出啟動(dòng)“數(shù)字油田”“數(shù)字工廠”的試點(diǎn)工作，同時(shí)在試點(diǎn)的基礎(chǔ)上推進(jìn)“數(shù)字管網(wǎng)”[1]建設(shè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字海油”的建設(shè)愿景。

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱“氣電集團(tuán)”)是中國(guó)海洋石油總公司(簡(jiǎn)稱“總公司”)經(jīng)營(yíng)與管理城市燃?xì)獾?大板塊業(yè)務(wù)的全資子公司，在響應(yīng)總公司建設(shè)“數(shù)字海油”的基礎(chǔ)上，提出建設(shè)“數(shù)字管網(wǎng)”“數(shù)字場(chǎng)站”等“數(shù)字氣電”的目標(biāo)。

“數(shù)字管網(wǎng)”是以信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，按照數(shù)字地球的構(gòu)想，以多尺度、多種類的基礎(chǔ)空間地理信息為支撐，構(gòu)筑一個(gè)數(shù)字化管網(wǎng)信息綜合管理平臺(tái)，它集成管道本體及沿線周邊的各種信息，為管道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)與管理提供一個(gè)高效的、直觀可視的管理工具[2]。

天然氣生產(chǎn)存在點(diǎn)多、面廣、管線的日常巡護(hù)、管理工作量大等特點(diǎn)[3]，氣電集團(tuán)管理多個(gè)天然氣公司，管網(wǎng)分布在城市各地，管理起來(lái)難度會(huì)更大。為此需建立起一個(gè)能將城市燃?xì)夤芫W(wǎng)集中管理的新型城市天然氣管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)，使管理可視化，確保城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)及高效運(yùn)行，達(dá)到科學(xué)、規(guī)范和及時(shí)的運(yùn)營(yíng)管理，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)人員的管理意識(shí)和管理水平的提高，并為高效管理和科學(xué)決策提供科學(xué)的、可靠的相關(guān)信息。

2. 城市管網(wǎng)的現(xiàn)狀與特點(diǎn)

2.1. 城市管網(wǎng)特點(diǎn)

城市管網(wǎng)一般具有隱蔽性和復(fù)雜性的特點(diǎn)：

1) 城市管網(wǎng)大部分管線都埋設(shè)于地下，具有隱蔽性，標(biāo)記、標(biāo)志相對(duì)稀少，對(duì)管線的日常維護(hù)管理既需要有準(zhǔn)確的管線資料又要求相對(duì)完整。

2) 城市管網(wǎng)是一個(gè)宏大的地上、地下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有復(fù)雜性，當(dāng)其中一處發(fā)生故障時(shí)，將對(duì)周圍管網(wǎng)或系統(tǒng)等產(chǎn)生重大影響。

3) 城市發(fā)展日新月異，城市管網(wǎng)也在不斷地改建、擴(kuò)建和更新，尤其是城鎮(zhèn)化進(jìn)程神速，城市管網(wǎng)的布設(shè)范圍、密度不斷增大，因此管網(wǎng)數(shù)據(jù)也要?jiǎng)討B(tài)更新。

2.2. 城市管網(wǎng)管理現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，城市管網(wǎng)管理工作取得了明顯進(jìn)展，但由于種種原因，城市管網(wǎng)管理仍滯后于信息化發(fā)展水平，無(wú)法與目前城市建設(shè)水平相適應(yīng)。傳統(tǒng)城市管網(wǎng)管理方式主要存在以下不足：

1) 長(zhǎng)期以來(lái)，城市管網(wǎng)的建設(shè)與運(yùn)維由于管理理念和職責(zé)不清等因素，普遍存在重視管網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)建設(shè)完成后的管網(wǎng)維護(hù)管理卻拿不出科學(xué)有效的管理工具，對(duì)地上看得見(jiàn)的可通過(guò)巡檢等手段進(jìn)行管理，對(duì)地下看不見(jiàn)的管線幾乎無(wú)計(jì)可施，這些已不能滿足現(xiàn)代化城市對(duì)管網(wǎng)要求達(dá)到安全生產(chǎn)的基本管理需要。

2) 城市管網(wǎng)缺乏統(tǒng)一管理。城市管網(wǎng)檔案資料目前仍以圖紙、圖表等紙質(zhì)介質(zhì)記錄保存和管理為主，普遍存在查詢不便、資料不全、更新慢的天然缺陷，歸口部門信息化利用程度不足，再加上地下管網(wǎng)信息不能合理地分類，又很難以直觀的形式表達(dá)管網(wǎng)的綜合狀況，容易造成信息與現(xiàn)狀不符；管理的管線種類繁多，產(chǎn)權(quán)與管理復(fù)雜，各部門又缺乏統(tǒng)一溝通與協(xié)調(diào)，易造成道路重復(fù)開(kāi)挖，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)城市管網(wǎng)的規(guī)劃與管理也提出了挑戰(zhàn)。

3) 城市管網(wǎng)的監(jiān)管缺乏有效力度。企業(yè)按主管部門規(guī)定移交相關(guān)資料，但資料的完整性方面缺乏有效監(jiān)管手段，難以對(duì)現(xiàn)有的信息進(jìn)行深層次的挖掘、分析，表面上已經(jīng)形成統(tǒng)一的城市管網(wǎng)信息檔案，但還缺乏數(shù)據(jù)挖掘分析隊(duì)伍，不足以給決策部門提供全面的決策信息。

城市一旦發(fā)生突發(fā)性爆炸、火災(zāi)等災(zāi)害，往往會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。如何減小城市管網(wǎng)發(fā)生事故的幾率和影響范圍，已經(jīng)擺在每個(gè)城市管理者的面前，借助現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)來(lái)提高城市管網(wǎng)的管理水平成為必由之路。

2.3. 國(guó)內(nèi)外城市管網(wǎng)數(shù)字化的發(fā)展

2.3.1. 國(guó)外城市管網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀

管網(wǎng)信息化在國(guó)外開(kāi)展的比較早，20世紀(jì)80年代，東京煤氣公司率先利用GIS軟件TUMSY中的燃?xì)饽K對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行管理，隨后大阪煤氣公司開(kāi)發(fā)出 Master-Mapping軟件對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行管理。此后，日本的大中型燃?xì)馄髽I(yè)都逐漸開(kāi)始在天然氣管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)中應(yīng)用GIS軟件，大大提高了管理效率。

數(shù)字化管道技術(shù)早已在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。美國(guó)交通運(yùn)輸部管道安全局建立了“全國(guó)管道制圖系統(tǒng)”(NPMS)，該系統(tǒng)包含全美所有油氣長(zhǎng)輸管道與LNG設(shè)施的位置和屬性數(shù)據(jù)，以及交通網(wǎng)絡(luò)、人口分布、高后果區(qū)、水文地質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。美國(guó)ESRI公司推出了ArcFM (Arc Facility Manager)，該軟件可以為市政科學(xué)的管理、維護(hù)和設(shè)計(jì)煤氣、給水等管網(wǎng)提供方便；InterGraph公司專門開(kāi)發(fā)了用于城市地下管線信息管理的系統(tǒng)FRAME [5]將其開(kāi)發(fā)的管線管理模塊稱作自動(dòng)制圖和設(shè)施管理系統(tǒng)AM／FM (automated mapping/facility management)。

2.3.2. 我國(guó)城市管網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)許多天然氣公司在開(kāi)展項(xiàng)目建設(shè)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)的同時(shí)，也建設(shè)了包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)在內(nèi)的各種生產(chǎn)系統(tǒng)，營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理系統(tǒng)等。雖然這些獨(dú)立的系統(tǒng)在城市管網(wǎng)管理過(guò)程中起到了一定的作用，但同時(shí)也存在著一些問(wèn)題。

1) 數(shù)據(jù)完整性方面存在的問(wèn)題

這些系統(tǒng)自成系統(tǒng)，以單一業(yè)務(wù)部門需求為導(dǎo)向，互不通聯(lián)，形成了一些“數(shù)字孤島”；不同的系統(tǒng)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述時(shí)的力度不同、丈量尺度不同，造成許多數(shù)據(jù)在使用時(shí)通用性差，可用性不足；在進(jìn)行綜合分析與決策時(shí)，有關(guān)施工建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)需要通過(guò)人工處理、層層上報(bào)的方式匯交到集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)、有關(guān)部門手中，導(dǎo)致集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)、有關(guān)部門無(wú)法及時(shí)、全面掌握集團(tuán)項(xiàng)目建設(shè)、生產(chǎn)狀況，不便于及時(shí)決策。

2) 數(shù)據(jù)使用效率方面存在的問(wèn)題

天然氣公司構(gòu)建的信息系統(tǒng)龐雜，每個(gè)信息系統(tǒng)都需要維護(hù)，不僅需要較高的維護(hù)成本，而且使用效率低。

另一方面，我國(guó)在管網(wǎng)綜合管理方面也進(jìn)行了很多探索。楊伯剛等論述了北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)的《城市綜合管網(wǎng)信息系統(tǒng)》[6]，采用管理信息系統(tǒng)的思路，對(duì)綜合管線資料進(jìn)行整理并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，這種方式可有效管理地下管線屬性數(shù)據(jù)和資料。數(shù)據(jù)庫(kù)具有常規(guī)的屬性數(shù)據(jù)管理功能，如錄入、修改、查詢分類等，但不具備管理圖形的能力，不能對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。肖中勝等在分析供水管網(wǎng)信息系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上應(yīng)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，集成了管網(wǎng)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SCADA)、自來(lái)水營(yíng)業(yè)抄表計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等信息化技術(shù)和現(xiàn)代化管理手段開(kāi)發(fā)了一套城市供水管網(wǎng)信息系統(tǒng)[7]。王琦依據(jù)大慶市天然氣管網(wǎng)的特點(diǎn)，以ESRI的IMS (IP多媒體子系統(tǒng))為天然氣管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)建立了一個(gè)以地理空間數(shù)據(jù)管理體系為基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)體系為主要結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)測(cè)繪資料為主要內(nèi)容的數(shù)字化天然氣管網(wǎng)GIS系統(tǒng)[8]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和分析，但數(shù)據(jù)的表達(dá)采用二維的表達(dá)方式，信息的高效理解和傳達(dá)能力不足。周齡以敖漢旗的地下給、排水管線為研究對(duì)象，進(jìn)行了三維地理信息系統(tǒng)在城市管網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[9]。該系統(tǒng)提出了構(gòu)建三維信息平臺(tái)，將管線進(jìn)行三維可視化管理。雖然提出了理論基礎(chǔ)，但并沒(méi)有實(shí)踐。

結(jié)合上述我國(guó)城市管網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展的現(xiàn)狀，筆者提出了一個(gè)不僅能夠?qū)⒏魈烊粴夤惊?dú)立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、可視，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)城市管網(wǎng)的三維可視，并能將各天然氣公司實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，同步三維展示的解決方案。

3. 城市數(shù)字化天然氣管網(wǎng)信息系統(tǒng)建設(shè)解決方案

3.1. 系統(tǒng)構(gòu)建思路

3.1.1. 數(shù)據(jù)集成可視化管理

1) 數(shù)據(jù)集成

統(tǒng)一平臺(tái)，集成并兼容其他系統(tǒng)，即將企業(yè)現(xiàn)有的各類常規(guī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入到平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)信息的一站式獲取。

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)可視化交互表現(xiàn)較弱的缺點(diǎn)，城市數(shù)字化天然氣管網(wǎng)信息系統(tǒng)將數(shù)據(jù)重新組織，并基于二三維一體化場(chǎng)景提升應(yīng)用的可視化能力及綜合分析應(yīng)用能力，以擴(kuò)大原系統(tǒng)的使用范圍及應(yīng)用深度。

2) 數(shù)據(jù)可視

采用具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成熟引擎，建立城市管網(wǎng)真實(shí)二三維場(chǎng)景，提高信息傳遞效率。城市數(shù)字化天然氣管網(wǎng)信息系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)信息的快速傳達(dá)與快速理解，結(jié)合城市管網(wǎng)海量數(shù)據(jù)、管線裝置密集復(fù)雜的情況，采用成熟引擎產(chǎn)品，構(gòu)建與真實(shí)管網(wǎng)完全一致的可視化場(chǎng)景，滿足流暢的二維和三維運(yùn)行效率與顯示效率。

3.1.2. 業(yè)務(wù)流程與生產(chǎn)工藝集成管理

1) 業(yè)務(wù)流程可視化管理

將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后，可視化顯示是“外表”，業(yè)務(wù)邏輯是“內(nèi)在”。業(yè)務(wù)邏輯即各種業(yè)務(wù)流程、相關(guān)部門人員、報(bào)表數(shù)據(jù)、事項(xiàng)以及這些業(yè)務(wù)之間的聯(lián)系。生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合旨在根據(jù)不同系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯建立數(shù)據(jù)的連接關(guān)系，將數(shù)據(jù)內(nèi)部邏輯關(guān)系連接起來(lái)。

以三維模型為統(tǒng)一載體，多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)三維模型，消除信息孤島；三維模型之間互相關(guān)聯(lián)，業(yè)務(wù)信息互相連通，貫穿各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)；三維場(chǎng)景、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)工作流關(guān)聯(lián)，根據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)驅(qū)動(dòng)信息的主動(dòng)顯示。

2) 生產(chǎn)工藝可視化管理

城市管網(wǎng)較為復(fù)雜，通過(guò)竣工圖紙生成管線、站場(chǎng)、設(shè)備的真實(shí)三維信息，同時(shí)，將實(shí)時(shí)生產(chǎn)等各類動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)掛接到相關(guān)三維模型上，實(shí)現(xiàn)三維信息、動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備上下游參數(shù)的聯(lián)通關(guān)系、工藝流程圖、工藝流程監(jiān)控與管理等信息的綜合管理，使設(shè)備模型、物理屬性和生產(chǎn)工藝流程充分整合，實(shí)現(xiàn)工藝流程在城市管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)中同步虛擬運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1.3. 管理層與移動(dòng)端管理支持

1) 領(lǐng)導(dǎo)儀表盤設(shè)計(jì)

注重?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)提煉，根據(jù)不同層級(jí)管理需要，進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)可視化分類管理。通過(guò)“決策者駕駛艙”的管理模式：將各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)有效整合，同時(shí)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的挖掘、抽取與統(tǒng)計(jì)分析，將城市管網(wǎng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)以報(bào)表、圖表、地圖的形式直觀展現(xiàn)，便于機(jī)關(guān)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)時(shí)掌握企業(yè)整體生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況，為決策分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2) 移動(dòng)終端應(yīng)用設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支持移動(dòng)終端管理模式。通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程磋商、移動(dòng)辦公等可視化管理需求。利用WEBGIS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持通過(guò)PAD、手機(jī)等移動(dòng)終端以WEBGIS方式查看管線分布、周邊環(huán)境、設(shè)備設(shè)施分布、工藝流程組態(tài)以及管網(wǎng)各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.2. 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)建設(shè)采用北京中盈安信技術(shù)服務(wù)股份有限公司完全自主3D GIS平臺(tái)，該系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放性的二維/三維一體化系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

3.2.1. 外部系統(tǒng)

城市管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)將城市燃?xì)夤芫W(wǎng)企業(yè)現(xiàn)有的各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，信息系統(tǒng)主要包括企業(yè)門戶網(wǎng)站、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理、營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理、ERP、客戶管理等幾個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。

1) 客戶管理

客戶管理的核心是服務(wù)，客戶服務(wù)中心是企業(yè)與用戶面對(duì)面的窗口，包括業(yè)務(wù)申報(bào)受理、業(yè)務(wù)咨詢等是信息化工程中的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)為每一個(gè)燃?xì)庥脩艚⒁唤M檔案，并保存用戶的活動(dòng)記錄。城市天然氣管網(wǎng)數(shù)字化信息系統(tǒng)將把這些數(shù)據(jù)整合進(jìn)去。

2) 營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理系統(tǒng)

營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理系統(tǒng)是天然氣企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)非常重要組成部分，系統(tǒng)涵蓋了企業(yè)直接面對(duì)的中小用戶包括收費(fèi)、記賬等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。是天然氣用戶數(shù)據(jù)庫(kù)最基本也是最主要數(shù)據(jù)來(lái)源。系統(tǒng)在營(yíng)業(yè)收費(fèi)的管理同時(shí)，也將有關(guān)數(shù)據(jù)共享與到城市數(shù)字化天然氣管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的其它應(yīng)用系統(tǒng)中。

Figure 1. The overall framework for city pipeline network management system of natural gas圖1. 城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)管理平臺(tái)整體架構(gòu)

3) 生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)

生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)由SCADA系統(tǒng)、GPS監(jiān)控管理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)和智能抄表系統(tǒng)構(gòu)成。它以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)地管理生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。系統(tǒng)依托生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)天然氣輸配全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度管理。生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)一起作為共享信息成為創(chuàng)建企業(yè)管網(wǎng)模型的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。管網(wǎng)模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以科學(xué)地排產(chǎn)并指導(dǎo)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，發(fā)揮現(xiàn)有管網(wǎng)的運(yùn)行效率，并對(duì)后期管網(wǎng)的建設(shè)和規(guī)劃提供依據(jù)。

● 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)

監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA [10])系統(tǒng)是生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)控制與調(diào)度自動(dòng)化信息管理系統(tǒng)為一體應(yīng)用系統(tǒng)，SCADA在天然氣輸配氣調(diào)度管理中的應(yīng)用日益深入。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各儲(chǔ)配站、閥室、門站、調(diào)壓站等站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，使天然氣輸配系統(tǒng)始終在安全、可靠的狀態(tài)下運(yùn)行。其中的調(diào)度信息管理子系統(tǒng)，還可以根據(jù)用戶的用氣行為數(shù)據(jù)進(jìn)行用氣趨勢(shì)分析并預(yù)測(cè)，達(dá)到優(yōu)化調(diào)度等調(diào)度業(yè)務(wù)管理。

● 地理信息系統(tǒng)(GIS)

目前GIS在天然氣管道建設(shè)、運(yùn)維中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，GIS不僅可以用于管道圖檔等的電子化和日常生產(chǎn)運(yùn)行管理，而且逐漸向管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)搶維修管理延伸中。尤其采用二、三維一體化GIS對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的管理也在逐步地深入并廣泛應(yīng)用中。它提高了燃?xì)馄髽I(yè)服務(wù)質(zhì)量、管理水平。依托信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸和資源共享增強(qiáng)了天然氣生產(chǎn)調(diào)度和突發(fā)事件處置能力，尤其是城市燃?xì)馄髽I(yè)開(kāi)展管道、設(shè)施完整性管理的必備技術(shù)手段之一。

● GPS系統(tǒng)

GPS車輛跟蹤定位指揮系統(tǒng)是企業(yè)實(shí)時(shí)管理日常與應(yīng)急調(diào)度輸配車輛必要手段，通過(guò)GPS網(wǎng)絡(luò)對(duì)車輛的跟蹤定位，為日常車輛的調(diào)度管理和應(yīng)急搶維修提供可視化服務(wù)。

● 智能抄表系統(tǒng)

智能抄表系統(tǒng)主要包括IC卡表及其管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。是企業(yè)順應(yīng)電子商務(wù)大潮、實(shí)現(xiàn)電子支付與管理的必由之路。

燃?xì)膺h(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，它通過(guò)定期采集燃?xì)獗頂?shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)供氣管網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4) ERP系統(tǒng)

ERP系統(tǒng)是企業(yè)規(guī)范經(jīng)營(yíng)、優(yōu)化管理的必然選擇。針對(duì)燃?xì)獯罂蛻?，通過(guò)ERP系統(tǒng)的銷售(SD模塊)，系統(tǒng)生成銷售詳單傳給資金平臺(tái)，資金平臺(tái)錄入生成結(jié)算單并核銷，通過(guò)銀行收費(fèi)返回ERP形成核算賬單，從而完成整個(gè)計(jì)費(fèi)收費(fèi)鏈。

3.2.2. 基礎(chǔ)設(shè)施層建設(shè)

IT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是數(shù)字管道的基礎(chǔ)，是支撐智能化系統(tǒng)應(yīng)用的重要支撐，是對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)所需設(shè)施資源的集中設(shè)計(jì)和管理。全面支撐數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)管理需要，系統(tǒng)應(yīng)用的需要，支持瀏覽器端和移動(dòng)端的應(yīng)用需要。

3.2.3. 數(shù)據(jù)中心建設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化集成管理，建立數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心為不同類型的數(shù)據(jù)資源提供相關(guān)的數(shù)據(jù)錄入方式和接口，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，以建設(shè)完整性數(shù)據(jù)庫(kù)為目標(biāo)，提供高效便捷的數(shù)據(jù)錄入和查詢服務(wù)是其基本功能。數(shù)據(jù)庫(kù)層包括管道本體、基礎(chǔ)地理、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急資源、圖檔設(shè)計(jì)資料等幾類。

3.2.4. 服務(wù)層建設(shè)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的三維平臺(tái)來(lái)進(jìn)行城市管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，融合空間 GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)及模擬仿真技術(shù)，依托標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)對(duì)外接口、對(duì)應(yīng)用層提供性能卓越、功能豐富的支撐服務(wù)。服務(wù)層具備以下特點(diǎn)：

1) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)安全、訪問(wèn)控制機(jī)制。在一個(gè)信息平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用和輔助與決策支持系統(tǒng)并行運(yùn)行；通過(guò)中心數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用和輔助與決策支持兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的雙向互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享滿足各類客戶端信息訪問(wèn)機(jī)制等，消除管網(wǎng)集成平臺(tái)與其它系統(tǒng)及以后新增系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成障礙，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成及平滑過(guò)渡。

2) 實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)系統(tǒng)的三維展示，將二維的圖表，二維地理信息等轉(zhuǎn)化為三維立體可視化的表達(dá)形式；能夠?qū)ID圖紙、PID流程等轉(zhuǎn)變成能夠基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真模擬，能夠360度旋轉(zhuǎn)，自由漫游查看各類信息；能夠?qū)鹘y(tǒng)GIS+MIS的信息收集、記錄、管理、查詢方式轉(zhuǎn)變?yōu)樯砼R其境的全息化使用方式，面向設(shè)備對(duì)象關(guān)聯(lián)查詢各類信息；能夠?qū)㈧o態(tài)描繪狀態(tài)或過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空結(jié)合動(dòng)態(tài)方式。具體如圖2所示。

3.2.5. 應(yīng)用層

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了三維GIS及場(chǎng)景全息化管理，管道完整性管理，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理，應(yīng)急搶險(xiǎn)管理4大模塊的功能。

4. 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1. 系統(tǒng)應(yīng)用可行性分析

1) 系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)與應(yīng)用基礎(chǔ)

氣電集團(tuán)項(xiàng)目公司各業(yè)務(wù)部門都建立了相對(duì)完善的信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)豐富，同時(shí)各業(yè)務(wù)部門對(duì)數(shù)據(jù)整合、信息互訪有比較深刻的認(rèn)識(shí)，且在數(shù)據(jù)整合方面有一定成功經(jīng)驗(yàn)。

2) 系統(tǒng)具有良好的技術(shù)基礎(chǔ)

氣電集團(tuán)許多項(xiàng)目公司在前期構(gòu)建了三維應(yīng)急系統(tǒng)充分體現(xiàn)了還原現(xiàn)實(shí)、超越現(xiàn)實(shí)的特征，而且三維應(yīng)急系統(tǒng)支持多企業(yè)、多部門超大數(shù)據(jù)量的流暢顯示，并支持多級(jí)異地的協(xié)同管理模式。

3) 系統(tǒng)具有良好的實(shí)踐基礎(chǔ)

氣電集團(tuán)總部在前期開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與展示平臺(tái)，對(duì)幾十家項(xiàng)目公司進(jìn)行了全息化和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了天然氣分公司的三維場(chǎng)景構(gòu)建、數(shù)字化管道成果接入、宏觀生產(chǎn)數(shù)據(jù)展示功能，打破了項(xiàng)目公司與集團(tuán)公司間“數(shù)字孤島”的現(xiàn)象。

4.2. 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用案例

在前期研究的基礎(chǔ)上，將氣電集團(tuán)幾家項(xiàng)目公司的數(shù)據(jù)整合到城市數(shù)字化天然氣管網(wǎng)信息系統(tǒng)上，不僅可以宏觀查看整個(gè)城市天然氣管網(wǎng)的布局，還可以微觀定位到具體的企業(yè)生產(chǎn)流程，實(shí)時(shí)查看企業(yè)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

4.2.1. 三維全息化管理

系統(tǒng)搭建三維全息平臺(tái)，納入氣電集團(tuán)管網(wǎng)路由及項(xiàng)目公司位置信息。將集團(tuán)所有已建、在建規(guī)劃中的管線、場(chǎng)站集成在全息平臺(tái)上，通過(guò)全息平臺(tái)，可清楚地了解、查看集團(tuán)業(yè)務(wù)分布情況。實(shí)現(xiàn)了對(duì)集團(tuán)公司及下屬項(xiàng)目公司的分布情況的宏觀掌控，如圖3所示。

系統(tǒng)能夠快速定位到各項(xiàng)目公司，查看各項(xiàng)目公司的三維場(chǎng)景。通過(guò)多種方式在三維場(chǎng)景中漫游，可以全方位、多視角、立體化的觀察廠區(qū)、設(shè)備、工藝流程等三維場(chǎng)景信息，實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中查詢?cè)O(shè)備設(shè)施的地理位置、基本屬性等信息，如圖4所示。

4.2.2. 管道完整性管理

系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)等手段，對(duì)管道資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化等信息集成整合[11]，實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)的三維可視化管理，具體實(shí)現(xiàn)了如下功能。

Figure 2. The panoramic view of the city pipeline network system圖2. 城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)三維綜合展示

Figure 3. The 3D panoramic display of the pipeline routes圖3. 長(zhǎng)輸管道路由三維全景展示

1) 管道走向信息三維展示

系統(tǒng)通過(guò)整合管道的走向數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)融入遙感影像數(shù)據(jù)，宏觀上能夠展現(xiàn)整個(gè)管道設(shè)施在地理上的分布位置及走向，包括途經(jīng)的行政區(qū)域、河流、山脈等情況，如圖5所示。

2) 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)三維可視化查看

通過(guò)整合管道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在微觀上能夠以俯視剖切、側(cè)面剖切和自定義剖切等多種方式展現(xiàn)具體某段管線在地下埋設(shè)的管體情況(如焊縫、彎管、埋深等)、三樁一牌等情況，如圖6所示。

Figure 4. A close-up sequence of the 3D terminal based on the digital earth圖4. 基于數(shù)字地球的三維終端放大顯示

Figure 5. The 3D demo of the pipeline routes information圖5. 長(zhǎng)輸管道路由信息三維展示

Figure 6. The 3D demo of the pipeline business attribute integrated query圖6. 長(zhǎng)輸管道業(yè)務(wù)屬性信息查詢?nèi)S展示

3) 管道穿跨越及其他附屬工程可視化監(jiān)查

提供對(duì)隧道、穿跨越、水工保護(hù)及其他重點(diǎn)附屬工程的三維可視化查詢，將穿跨越工程圖紙和施工數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字化手段轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的三維模型，可通過(guò)剖切查看其工程尺寸、埋設(shè)情況、多層地質(zhì)等信息，如圖7所示。

4) 管道業(yè)務(wù)屬性三維可視化管理

通過(guò)整合管道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對(duì)于大量的管線及設(shè)施數(shù)據(jù)，按照線路關(guān)系、行政區(qū)劃、組織機(jī)構(gòu)、施工標(biāo)段在三維場(chǎng)景中查詢管線、閥門、焊縫、站場(chǎng)、隧道、穿越、三樁一排、水工保護(hù)、固定墩、絕緣接頭、違章占?jí)旱刃畔?，?shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得的關(guān)聯(lián)查詢，并能將查詢結(jié)果以表格、圖形等方式進(jìn)行顯示，支持打印或?qū)С觯鐖D8所示。

5) 管線設(shè)施綜合查詢

實(shí)現(xiàn)綜合查詢功能，可以通過(guò)查詢范圍、起始點(diǎn)、里程等信息查詢所需信息，在顯示的結(jié)果列表里直接點(diǎn)擊管線設(shè)施名稱，就能直接定位到三維場(chǎng)景里，顯示其詳細(xì)屬性信息，如圖9所示。

4.2.3. 生產(chǎn)運(yùn)行整合管理

城市管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)將幾家天然氣分公司的SCADA系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、智能抄表系統(tǒng)等生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合實(shí)現(xiàn)可視化多層級(jí)監(jiān)控管理，如圖10所示。

1) 實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控

一方面，基于三維可視化平臺(tái)，可通過(guò)列表方式展現(xiàn)氣電集團(tuán)各企業(yè)整合的各類生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可按照企業(yè)、專業(yè)系統(tǒng)、所屬區(qū)域、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)項(xiàng)等分類方式進(jìn)行查詢與管理。

Figure 7. The 3D demo of the pipeline crossing and other ancillary works圖7. 管道穿跨越及其他附屬工程三維展示

Figure 8. The 3D demo of the pipe service attribute integrated query圖8. 站場(chǎng)管道業(yè)務(wù)屬性查詢?nèi)S展示

Figure 9. The 3D demo of the pipeline information integrated query圖9. 長(zhǎng)輸管線信息綜合查詢?nèi)S展示

Figure 10. Multi-level monitoring and management of pipeline information圖10. 管線信息多層級(jí)監(jiān)控管理

另一方面，在三維場(chǎng)景中點(diǎn)擊任一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即可實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前監(jiān)測(cè)信息，如圖11所示。

2) 場(chǎng)站生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理

● 設(shè)備裝置查詢管理

系統(tǒng)可對(duì)氣電集團(tuán)各個(gè)場(chǎng)站內(nèi)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行分類管理，并可在三維場(chǎng)景中，采用所見(jiàn)即所得的方式查詢?cè)O(shè)備設(shè)施的基本屬性信息。

● 工藝流程參數(shù)管理

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)目公司主要工藝流程的可視化管理，將紙質(zhì)PID圖紙中的工藝流經(jīng)過(guò)程動(dòng)態(tài)展示，包括管線流動(dòng)效果的動(dòng)態(tài)展示、流經(jīng)設(shè)備的工作參數(shù)和狀態(tài)管理等。系統(tǒng)支持暫停功能，可以實(shí)時(shí)改變觀察角度，對(duì)場(chǎng)景中流經(jīng)裝置設(shè)備的名稱和屬性參數(shù)進(jìn)行查詢，如圖12所示。

● 監(jiān)控報(bào)警管理

系統(tǒng)可對(duì)主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如：壓力、流量等參數(shù)設(shè)置上下閾值，當(dāng)超過(guò)或低于臨界量時(shí)，系統(tǒng)能迅速在三維場(chǎng)景中定位異常點(diǎn)所在工藝區(qū)域及設(shè)備，并發(fā)出報(bào)警，如圖13所示。系統(tǒng)還可自動(dòng)彈出相關(guān)異常處理方法等信息。

3) 工業(yè)視頻監(jiān)控整合管理

系統(tǒng)將各項(xiàng)目公司的視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，用戶能夠在三維場(chǎng)景中對(duì)廠區(qū)所有攝像頭分布情況一目了然。選擇某一攝像頭，不僅可以彈出窗口，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻畫(huà)面，并控制云臺(tái)，調(diào)整攝像頭的轉(zhuǎn)向、景深、焦距等，還可以根據(jù)當(dāng)前該視頻設(shè)備的云臺(tái)參數(shù)，模擬顯示與視頻監(jiān)控對(duì)應(yīng)范圍和內(nèi)容的三維全息畫(huà)面，用戶可以將視頻畫(huà)面與三維全息場(chǎng)景進(jìn)行比對(duì)，如圖14所示。

Figure 11. The 3D demo of the real-time production data monitoring圖11. 實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控三維展示

Figure 12. The 3D demo of the process flow圖12. 工藝流程三維展示

Figure 13. The 3D demo of the monitoring alarm圖13. 監(jiān)控報(bào)警三維展示

Figure 14. The 3D demo of embedded CCTV圖14. 工業(yè)視頻監(jiān)控三維展示

5. 結(jié)論

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)數(shù)字化是未來(lái)管網(wǎng)管理的發(fā)展趨勢(shì)，燃?xì)夤芫W(wǎng)及生產(chǎn)信息與空間信息有效整合即借助二三維一體化GIS，集成管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化管理，把生產(chǎn)、調(diào)度、監(jiān)控、搶維修、營(yíng)業(yè)、辦公審批等各項(xiàng)業(yè)務(wù)流程電子化，進(jìn)一步固化管理流程，改變管理方式，形成管網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)、服務(wù)系統(tǒng)的大集成，為高效管理和科學(xué)決策提供可靠的相關(guān)信息，提升了企業(yè)資產(chǎn)的完整性管理水平。管道管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)要以業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以集成為目標(biāo)，以管理為根本，以服務(wù)為橋梁，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值為宗旨，全面推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，提高城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)與經(jīng)營(yíng)管理的水平，確保城市管網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)及高效運(yùn)行。

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[編輯] 黃鸝

文章引用: 曹闖明, 顧曉婷. 數(shù)字化技術(shù)在城市天然氣管網(wǎng)中應(yīng)用研究[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2017, 39(1): 63-75. https://doi.org/10.12677/jogt.2017.391009

The Application of Digitalized Technology in the City Pipe Network of Natural Gas

Chuangming Cao1, Xiaoting Gu2
1CNOOC Gas and Power Group Ltd., Beijing
2School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan Hubei

Received: Mar. 28th, 2016; accepted: Jun. 14th, 2016; published: Feb. 15th, 2017

Based on the 2D and 3D integrated GIS technology, the real time production data were integrated into the 2D and 3D integrated GIS; a new digitalized city gas pipeline network data system was innovatively built. The network production data were effectively integrated with special information, by which the visualized management was realized for the city gas pipeline network to guarantee the safety, high quality and efficient operation of the city gas pipeline network achieves. It provides reliable information for a high efficient management and scientific decision-making for further solidifying the management process and improving the ways of management and improving the management level of the gas pipeline networks.

Digitalized Technology, City Pipeline Network of Natural Gas, GIS Technology

曹闖明(1966-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事LNG接收站和天然氣管網(wǎng)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化方向的研究和應(yīng)用工作。

2016年3月28日；錄用日期：2016年6月14日；發(fā)布日期：2017年2月15日