秦建安，李文錦，吳 博，張鳳麗

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北廊坊 065201；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

0 引言

作為當(dāng)今世界廣泛使用的能源，油氣在國民生產(chǎn)、生活中具有不可替代的地位。油氣管道是石油石化行業(yè)油氣運(yùn)輸過程中的主要工具，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，目前油氣管道運(yùn)輸已經(jīng)發(fā)展成了我國五大交通運(yùn)輸業(yè)之一[1]，在我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，被譽(yù)為國民經(jīng)濟(jì)的大動脈。輸氣站場（以下簡稱“站場”）是長輸管線的樞紐。近些年來，全國各地越來越呈現(xiàn)出站場被“居民區(qū)”包圍的現(xiàn)象，而且大部分的站場經(jīng)過多次改擴(kuò)建工程后，造成地下管網(wǎng)鋪設(shè)復(fù)雜、分布密集，并且相當(dāng)一部分管道運(yùn)輸?shù)氖且兹家妆橘|(zhì)，安全風(fēng)險系數(shù)較高，給站場日常的施工作業(yè)、管理培訓(xùn)帶來了較大難度，同時也給周圍的居住民帶來了一定的隱患[2]。在這一背景前提下，站場亟需一套直觀高效的系統(tǒng)，來整合站場內(nèi)外各管線、設(shè)備、建筑的信息數(shù)據(jù)，與目前分散且孤立的各監(jiān)測、檢測系統(tǒng)如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）互聯(lián)，全面提高站場大數(shù)據(jù)分析水平及站場管理決策能力，確保安全輸氣生產(chǎn)。因此以ArcGIS作為工具來對站場設(shè)備及管線進(jìn)行建模，并通過數(shù)據(jù)庫對站場設(shè)備及管線所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，不僅對提高站場現(xiàn)有安全水平、突破原有管理瓶頸具有重要意義，同時也是站場實現(xiàn)“智慧站場”三步走發(fā)展戰(zhàn)略“全面感知—集成可視—智能決策/預(yù)警”中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)二維圖層展示、地圖圖層管理、管線標(biāo)注、管道信息查詢、數(shù)據(jù)維護(hù)、管線添加刪減、管道生產(chǎn)廠商、使用年限、地圖輸出等功能，對于整個輸氣站場來說[4]，在一定程度上保障了站場的安全生產(chǎn)，也能對管道運(yùn)行進(jìn)行一定的預(yù)測維護(hù)，從而為輸氣站場的運(yùn)行管理提供決策支持，而且數(shù)字管道系統(tǒng)有效提高了管道信息管理的效率。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步為下一階段應(yīng)用人工智能技術(shù)開展數(shù)據(jù)挖掘、智能決策及預(yù)測預(yù)警等研究提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 ArcGIS概述

地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）是從地圖中產(chǎn)生的，集數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、管理分析與應(yīng)用地理信息為一體的計算機(jī)系統(tǒng)，具有分析處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)，主要由ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，服務(wù)端 GIS和移動GIS組成。其中，ArcGIS中組件都是基于通用組件庫實現(xiàn)的，這些組件被稱為ArcObjects[5]。

在Internet上發(fā)布的地理信息是存儲在空間數(shù)據(jù)庫（即Geodatabase）中，Geodatabase是獲取和管理GIS數(shù)據(jù)的全面的應(yīng)用邏輯和工具，其地理數(shù)據(jù)分為幾何和屬性數(shù)據(jù)。幾何數(shù)據(jù)由點(diǎn)、線、面等基本類型，體現(xiàn)地理空間實體的位置、方向、大小、形狀以及拓?fù)潢P(guān)系等內(nèi)容；屬性數(shù)據(jù)作為空間地理數(shù)據(jù)的組成部分，是在空間特性之外對地理要素具體的定性和定量描述[6]。系統(tǒng)的建立分為4個階段，其基本技術(shù)流程如圖1所示。在這一過程中，最重要的部分是建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)對地理空間數(shù)據(jù)的管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是關(guān)于區(qū)域內(nèi)地理信息和地理要素的集合，主要針對圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織和管理，具有明顯的空間特征。將各種數(shù)據(jù)信息等錄入計算機(jī)建立數(shù)據(jù)庫，當(dāng)外界信息變換時，只需變動局部數(shù)據(jù)就能保證數(shù)據(jù)庫的更新[7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

信息系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：從文件/服務(wù)器體系，到客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系，再到瀏覽器/服務(wù)器（B/S）體系結(jié)構(gòu)。其中，二層C/S模式是一種基于客戶與數(shù)據(jù)源服務(wù)器分散獨(dú)立的分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?？蛻魴C(jī)和服務(wù)器通過“問答”形式進(jìn)行交互，客戶機(jī)提出請求，由應(yīng)用服務(wù)響應(yīng)用戶需求，通過對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問并按用戶請求返回客戶端?？蛻舳塑浖话闶怯绍浻布到y(tǒng)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫連接程序組成。而服務(wù)器端軟件也就是后端一般是某種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該模式主要優(yōu)點(diǎn)是交互性強(qiáng)、安全性高、速度快等。

圖1 建立地理空間數(shù)據(jù)庫流程

考慮到站場基礎(chǔ)資料的多樣、多量性，該GIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用二層客戶端/服務(wù)器（C/S）模式。邏輯結(jié)構(gòu)分為業(yè)務(wù)應(yīng)用層和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層2個層次：業(yè)務(wù)應(yīng)用層是該系統(tǒng)核心，通過數(shù)據(jù)庫引擎SDX實現(xiàn)用戶和數(shù)據(jù)庫之間的交互和通信；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的存儲管理，由空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。業(yè)務(wù)規(guī)則放在客戶端，由管網(wǎng)管理、維護(hù)、規(guī)劃、管道施工監(jiān)測等部分構(gòu)成。

圖2 輸氣站場管道信息系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 輸氣站場信息系統(tǒng)建立

模型構(gòu)建是信息系統(tǒng)搭建的前提，為數(shù)字展現(xiàn)的需要，可以使用的數(shù)據(jù)主要有矢量數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)）、地形數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型（Digital Elevation Mode，DEM））、影像數(shù)據(jù)以及廠區(qū)以前的模型粗略圖等。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作可分為地形建模和建筑物建模2部分。通過電磁感應(yīng)和全球地位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）對站場基礎(chǔ)設(shè)施有一定掌握，然后通過站場施工圖、管線安裝竣工圖等對站場管線進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)采集，然后通過處理形成ArcGIS能夠加載的數(shù)據(jù)格式，再經(jīng)過修模、校正等過程形成合理的數(shù)據(jù)，最后導(dǎo)入Geodatabase。模型在構(gòu)建過程中，需注意地下含有埋深信息的管線數(shù)據(jù)和含有高度的橋架數(shù)據(jù)，且管線數(shù)據(jù)和橋架數(shù)據(jù)的空間參考必須一致。

模型構(gòu)建完成后，采用數(shù)據(jù)庫SQLServer2012存儲系統(tǒng)的空間和屬性數(shù)據(jù)等，將不同類型的矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和站場管線管材、尺寸數(shù)據(jù)等實行一體化存儲、管理和調(diào)度。技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 GIS系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)路線

3 輸氣站場管道信息系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 模型構(gòu)建

通過前期的站場實地測量及站場各路管線設(shè)備安裝及地下管線的鋪設(shè)采集到的數(shù)據(jù)分為兩部分。

將已經(jīng)獲取的站場數(shù)據(jù)通過創(chuàng)建圖層的方式導(dǎo)入ArcMap，首先要設(shè)置默認(rèn)地理數(shù)據(jù)庫用來存儲繪圖過程中的地理空間信息，而每個地圖文檔都有一個默認(rèn)地理數(shù)據(jù)庫，作為地圖空間內(nèi)容的本地位置，此位置可用于添加數(shù)據(jù)集和保存各種編輯操作和地理處理操作生成的結(jié)果數(shù)據(jù)集。然后通過Catalog創(chuàng)建需要的點(diǎn)線面要素，按照實體數(shù)據(jù)添加要素內(nèi)容，如站場設(shè)施屬性信息，包括管道的基本參數(shù)和管道的生產(chǎn)日期、使用年限、生產(chǎn)廠商和維修次數(shù)等。要素編輯完成后，可以在二維場景中點(diǎn)擊圖層進(jìn)行屬性查看。最后，通過“圖層打包發(fā)布”工具打包場景，并在ArcGIS Online發(fā)布為服務(wù)。

圖4 站場二維地圖場景

3.2 數(shù)據(jù)庫搭建

數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫，在近幾十年才開始興起，特別是21世紀(jì)初，數(shù)據(jù)管理不再僅僅是存儲和管理數(shù)據(jù)，而轉(zhuǎn)變成用戶所需要的各種數(shù)據(jù)管理的方式。數(shù)據(jù)庫有很多種類型，從最簡單的存儲有各種數(shù)據(jù)的表格到能進(jìn)行海量數(shù)據(jù)存儲的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在各個方面得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

按照需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫實施、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)6個方面考慮來設(shè)計數(shù)據(jù)庫，先了解用戶的要求，根據(jù)用戶需求進(jìn)行歸納匯總，形成一個獨(dú)立的概念模型，將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為支持的數(shù)據(jù)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化；然后為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲結(jié)構(gòu)和存取方法）；之后運(yùn)用SQL數(shù)據(jù)語言及其他語言，根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應(yīng)用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進(jìn)行試運(yùn)行。在數(shù)據(jù)庫建好后，就需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行日常運(yùn)行和維護(hù)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行過程中對其進(jìn)行評價修整。輸氣站場管道信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫如圖5所示。

圖5 SQL Server創(chuàng)建地理信息數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)交互功能是實現(xiàn)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和處理的基礎(chǔ)，Web前后臺數(shù)據(jù)交互有4種方式：利用cookie對象、利用session對象、利用request重定向設(shè)置setAttribute、利用Ajax進(jìn)行異步數(shù)據(jù)請求。其中，Ajax是當(dāng)下實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互最簡便的方式。Ajax全稱是異步的JavaScript和XML。而JavaScript是一種直譯式腳本語言，是一種動態(tài)類型、弱類型、基于原型的語言，內(nèi)置支持類型。它的解釋器被稱為JavaScript引擎，又稱為編譯器為瀏覽器的一部分，最早是在html網(wǎng)頁上用來給網(wǎng)頁增加動態(tài)功能。用JavaScript編程的優(yōu)點(diǎn)是，可以直接在記事本等文本文件中直接編輯，不需要專門的軟件來編程，而JavaScript也從過去的雞肋發(fā)展成現(xiàn)在瀏覽器主流的開發(fā)語言，可以和各種瀏覽器進(jìn)行無縫連接。實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)交互方式如圖6所示。

4 結(jié)論

目前，探索“智慧站場”逐漸成為應(yīng)對新一輪工業(yè)化、信息化建設(shè)的有效途徑。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)地形圖與現(xiàn)代遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了計算機(jī)上的數(shù)字管道信息管理，可以快速、準(zhǔn)確、形象地顯示輸氣站場和管線地形的電子地圖，節(jié)省工作人員查閱海量圖紙文件和計算分析的時間和精力，采用遙感和地理信息技術(shù)實現(xiàn)對管道資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)等信息的獲取，建立數(shù)字管道系統(tǒng)，提取方法先進(jìn)，使得管道管理人員可以方便地獲取管道信息，突破了靠人工管理管道信息的局限性，有效提高管道信息管理水平，進(jìn)而提高管道運(yùn)營管理水平、安全生產(chǎn)水平，進(jìn)一步為管道運(yùn)營提供決策支持和服務(wù)，為數(shù)字管道新的運(yùn)行模式提供有力的技術(shù)支持。

圖6 實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)交互的流程