方 鋼，雍歧衛(wèi)，段紀淼

(陸軍勤務學院 油料系， 重慶 401331)

石油、天然氣等能源對一個國家的經(jīng)濟發(fā)展至關重要，其運輸關乎國家的經(jīng)濟命脈，涉及國計民生及社會穩(wěn)定。目前，我國的油氣輸送方式主要依靠管道輸送[1]。從我國的第1條長輸油氣管道“大慶—撫順”輸油管道到舉世矚目的“西氣東輸”長輸管道工程，我國的油氣管道輸送能力實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，但對油氣管道的勘察與設計一直是管線建設工作的難點。由于油氣管道縱向距離長、分布范圍廣、環(huán)境復雜，采用傳統(tǒng)的人工踏勘選線方式進行管道的選線存在著諸如設計時間長、耗費人力大、踏勘路途險等問題[2]。因此，為解決上述問題，提高油氣管道選線效率，需要研究一種基于GIS的油氣管道選線技術。

1 GIS選線技術的發(fā)展現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)，是一種綜合地理學、測繪學、空間學并融入計算機信息中的學科[3]。GIS技術的首次應用是在上世紀60年代初期，“GIS之父”羅杰·湯姆林森[4]將其用于儲存林業(yè)、土壤、農(nóng)業(yè)等信息以分析加拿大的農(nóng)村土地能力。在隨后的幾年里，GIS技術憑借其強大的數(shù)據(jù)儲存、查詢、修改能力逐漸被應用于各行各業(yè)。20世紀60年代中期，GIS技術首次在選線設計領域得到應用，然而受當時軟硬件技術的制約，該技術僅作為一種地理信息儲存工具使用。20世紀60年代末期，美國基于DEM模型開發(fā)了一套叫做“The Roads Selected Line Computer-Aided Design System”的輔助選線系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可為選線人員的決策提供參考意見，進而推進了GIS技術選線進程[5]。20世紀70年代至80年代，隨著計算機技術的發(fā)展，許多功能強大的繪圖軟件(如AutoCAD)相繼問世，這使許多選線工作人員從繁重的工作中解放出來，大大提高了選線效率。20世紀90年代至今，計算機的軟硬件功能進一步提升，這使得將數(shù)字化地面模型應用至計算機中成為可能，因此，一種基于數(shù)字地圖的人機交互選線方法開始進入人們的視野。這種選線方法以GIS技術為核心，通過無人機等設備搭載數(shù)據(jù)獲取硬件(如數(shù)碼相機、攝像機、紅外攝像儀、多光譜成像儀等)作為數(shù)據(jù)獲取源，隨后將獲取的數(shù)據(jù)載入地面控制站并通過GIS軟件對獲得的數(shù)據(jù)進行后期處理，最終得到最佳的選線方案[6]。這種選線方法能較好地解決傳統(tǒng)選線過程中設計時間長、耗費人力大、踏勘路途險等問題，對我國實現(xiàn)油氣管線勘察設計無人化有重要意義。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外較多的發(fā)達地區(qū)，油氣管道的勘察設計主要是運用航空攝影測量技術、遙感技術對數(shù)據(jù)進行獲取，之后與GIS中的地形、地貌、地質(zhì)數(shù)據(jù)庫結合進行選線。目前在國外已出現(xiàn)較為完善的GIS軟件，辟如ArcGIS、MapInfo[7]等?！鞍⑼呤俊R倫”輸油管道[8]位于伊朗西南部，管道全長約34 km，此輸油管線的設計階段采用了GIS最優(yōu)路徑技術，該技術綜合了輸油管線的長度、地形、地貌、河流、濕地、土地利用等影響因素，建立了管線費用最低模型，并以此為標準進行輸油管線線路的勘察設計。最低費用路徑方案的管線長度為35 km，相比于該管線原始方案長度34 km，雖然多出1 km，但成本卻比原始方案低29%。研究結果表明結合GIS技術進行輸油管道的選線是成功的。土耳其作為中東與歐洲之間油料輸送的重要紐帶，也成功地使用了GIS技術進行輸油管道的選線[9]。

Balogun等[10]以馬來西亞Baram油田為研究對象，研究了如何通過GIS技術生成最佳的輸油管道線路，使其達到對人與自然環(huán)境影響最小的效果。結果表明：這種方法顯著地降低了油氣管道對環(huán)境的污染以及對人體健康的損害，取得了良好的效果。Dan等[11]為響應烏干達政府增加能源儲備的號召，對Hoima區(qū)的一個煉油廠到Buloba配電站的管道進行了管道線路最佳位置的確定。過程采用了基于GIS的標準評估方法，該方法綜合考慮了環(huán)境、安全、建設等因素，最終選出的線路滿足了烏干達政府擬定的費用及長度規(guī)格。Gamarra[12]以亞馬遜森林至太平洋海岸的一條管線為對象，研究了基于ArcGIS的人機交互迭代選線方法。這種方法先由操作人員選定影響因素，如坡度、高程、穿越保護區(qū)、穿越礦山次數(shù)等，再由ArcGIS進行線路的預生成，然后通過人員對線路進行評估和干預之后重新生成新的線路，循環(huán)往復這個過程直至得到的管道線路滿足要求。Omondi[13]以Turkana地區(qū)至Isiolo地區(qū)的LAPSET輸油管道為對象，也開展了基于GIS的選線技術研究。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，我國的長輸油氣管道已達到5萬km以上，并將在未來的10年內(nèi)新建油氣支線10萬km左右[14]。近年來，隨著國外數(shù)字化選線技術的迅猛發(fā)展，我國的油氣管道企業(yè)和部分的科研院所通過引進國外技術、借鑒國外經(jīng)驗，不斷研究數(shù)字化選線方法，取得了不錯的成績。國內(nèi)許多油氣管道的建設已逐步采用航空攝影測量技術、遙感技術以及GIS技術，并積累了大量的數(shù)字化成果，這些成果對全面實現(xiàn)數(shù)字化管道有極大的推動作用。

長輸油氣管道由于跨度大、規(guī)模大、路況復雜、運營時間長等因素，對其進行勘察設計需要提升到一個更高的水平[15]。國內(nèi)目前運用GIS技術進行的長輸油氣管道勘察設計項目主要是“西氣東輸”工程，該工程在油氣管道的勘察設計階段運用了遙感技術、航空攝影測量技術、三維仿真模擬技術，并通過GIS技術建立了油氣管道地理信息系統(tǒng)，最終提高了油氣管道的科學性和經(jīng)濟性[16]。在忠縣—武漢的輸氣管道工程中，荊州地區(qū)湖泊、池塘密布地區(qū)的通過方案，蘭成渝輸油管道工程，西氣東輸二線工程也運用到了航空攝影技術以及GIS技術。與傳統(tǒng)的人工選線方法相比，基于GIS的油氣管道選線方法可以將70%的室外工作量轉(zhuǎn)移至室內(nèi)，縮短勘察周期40%左右，降低成本25%左右，提供的線路選擇也具有多樣性，使其從單一的地形圖變?yōu)椤?D”(DOM、DEM、DLG、DRG)產(chǎn)品[17]。

在國內(nèi)，運用GIS技術進行勘察選線目前多用于鐵路選線、公路選線等，對油氣管道的勘察選線尚處于逐漸發(fā)展階段[18]。但從近期GIS技術在油氣管道選線中國內(nèi)外的發(fā)展狀況來看，國內(nèi)外對數(shù)字化選線技術都越來越重視。

2 GIS選線技術最優(yōu)路徑方法

傳統(tǒng)的選線方法主要依靠設計者的經(jīng)驗和水平，這種方法對各種影響因素難以做到綜合權衡，因此，需要一種能綜合分析管道線路的選線方法，以達到為我國油氣管線建設提供科學依據(jù)、全面提高勘察設計水平的目的。現(xiàn)在主要有兩種與GIS相結合的油氣管道選線方法，即情景選線和模型選線[19]。

2.1 情景選線

所謂情景選線，就是采用無人機航拍等方式對管線經(jīng)過的區(qū)域進行拍攝，并將拍攝所得數(shù)據(jù)導入GIS軟件中，運用GIS軟件的仿真功能，將拍攝地區(qū)的三維情景直觀地展示在選線人員眼前[20]。選線人員可直接在GIS軟件中進行虛擬選線，這種選線方法雖節(jié)省了人力物力，并提高了選線效率，但是并沒有改變選線人員憑借經(jīng)驗主觀決定線路走向的實質(zhì)。

2.2 模型選線

模型選線的原理與情景選線截然不同，模型選線方法是從數(shù)學的角度對選線過程中的影響因子進行綜合分析，對各個影響因子賦予相應的權重值，對權重大小進行排序，并建立選線費用模型[21]。在此基礎之上，通過GIS技術尋找費用最低的方案，即為最優(yōu)路徑方案。相比于情景選線方法，這種方法更具科學性、實用性，只要費用模型構建合理，采用模型選線方法進行油氣管道的勘察設計效率更高，也更可靠。目前模型選線方法主要有GIS技術與遺傳算法結合的選線方法以及GIS技術與最優(yōu)路徑技術相結合的選線方法。

1) GIS技術與遺傳算法相結合

遺傳算法在20世紀70年代由美國人John.H.Hellen教授提出，這種算法可以在一定范圍內(nèi)搜尋出最優(yōu)解，由于它與生物遺傳很相似，故將其稱之為遺傳算法[22]。GIS技術與遺傳算法相結合的選線方法是由計算機在管線經(jīng)過的地形上隨機生成若干點，將這若干點連接起來，沿中心線形成一個帶狀區(qū)域。并根據(jù)這個區(qū)域計算相關成本并將所得數(shù)據(jù)輸入遺傳算法程序中，最終通過程序計算并在GIS軟件上生成虛擬路徑。Jha M.k和Schollfeld.P運用GIS技術與遺傳算法相結合的方法，建立了最優(yōu)路徑模型，并結合計算機可視化技術，完成了管線線路的優(yōu)化，驗證了GIS技術與遺傳算法相結合的模型選線的可行性和科學性。這種選線方法能全面考慮影響油氣管道選線過程中的各個影響因素，科學性毋庸置疑，但是在選線過程中依然存在很多難題，例如綜合考慮所有影響因子很難實現(xiàn)，建模過程繁瑣，程序設計困難等，因此，需要一種既能綜合權衡各個影響因子，選線過程又不復雜的油氣管道選線方法。

2) GIS技術與最優(yōu)路徑技術相結合

最優(yōu)路徑算法，即Dijkstra(迪科斯徹)算法[12]，它是由荷蘭人Edsger Wybe Dijkstra教授提出的，這種算法的核心思想是以最短路徑迭代生成最短路徑。下面以一個例子簡單地對Dijkstra算法進行說明。

現(xiàn)預備在A至F地修建一條輸油管線，要求花費最少。圖1中的數(shù)字代表從一地修建至另一地所需的花費。Dijkstra算法的計算步驟如下：

① A-C的花費為4，A-B的花費為6，A-B-C的花費為6+2>4,因此排除B-C路線。

② A-B-D的花費為6+2=8，A-C-E-D花費為4+2+1=7，A-C-D的花費為4+1=5，故排除B-D、E-D路線。

③ A-C-E-F的花費為4+2+3=9，A-C-D-F的花費為4+1+7=12，故得出費用最短路線為A-C-E-F。

由圖2可以清晰地看出從A-F的費用最低路徑走向。相比于遺傳算法，采用GIS技術與dijkstra算法相結合進行選線可以避免復雜的計算過程，也不需要冗雜的編程，總體實施過程更為便捷，更易于應用在實際工程中，因此，GIS技術與最優(yōu)路徑技術相結合的選線方法目前應用更為廣泛。

圖1 線路費用示意圖

3 發(fā)展建議

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的人工選線方法，基于GIS技術的油氣管道選線方法可以較好地解決傳統(tǒng)選線過程中設計時間長、耗費人力大、踏勘路途險等問題，但目前這種方法仍存在著諸多技術難點，其中需要重點研究的方向為：

1) GIS的空間分析技術，使其更好地對油氣管道選線過程中的影響因子按照權重大小進行排序，以提高選線效率。

2) 基于dijkstra最優(yōu)路徑技術的優(yōu)化算法，以應對在計算過程中產(chǎn)生兩條或多條線路無法對比分析的問題。

3) GIS源數(shù)據(jù)(DEM、DOM、DLG)處理加工方法，使其轉(zhuǎn)化為油氣管線選線所需要的數(shù)據(jù)。

4) 優(yōu)化GIS軟件，對其進行二次開發(fā)以實現(xiàn)管線在DEM上虛擬敷設、即時生成縱斷面圖、快速計算管件數(shù)量以及工程造價計算等功能，為油氣管線的線路選擇提供精確的決策依據(jù)。

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