王 璇

（東方通用航空攝影有限公司，山西 太原 030031）

0.引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，對能源的需求與日俱增，管道作為繼鐵路、公路、水運、航空運輸之后的第五大運輸業(yè)，是保證能源運輸安全、低耗的有效方式，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中起著十分重要的作用。

油氣管道主要用于石油、天然氣的輸送，是國民經(jīng)濟建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備。我國大部分石油、天然氣都是依靠管道來運輸。而油氣管道的安全是建立在與國民經(jīng)濟發(fā)展、社會技術(shù)進步協(xié)調(diào)一致的法規(guī)標準和安全管理水平的基礎(chǔ)之上，常規(guī)手段在其管理中體現(xiàn)出諸多局限。一是缺乏動態(tài)的時空數(shù)據(jù)支持，無法及時反映管道情況；二是無法根據(jù)最新的地理空間信息及多源傳感器實時數(shù)據(jù)進行智能化分析及輔助決策，實現(xiàn)管道的智慧管理。雖然現(xiàn)在已有不少案例將空間信息技術(shù)應(yīng)用于管道管理中，但在智慧管理方面不夠深入，缺乏完善的空間信息系統(tǒng)來整合空間地理信息與實時傳感數(shù)據(jù)，切實保障管道運營安全，這些需要借助科學技術(shù)手段來實現(xiàn)。

1.關(guān)鍵技術(shù)研究

為實現(xiàn)油氣管道的智慧管理，考慮到平臺建設(shè)周期較長、傳感數(shù)據(jù)量較大、空間數(shù)據(jù)類別較多等特點，需要對以下關(guān)鍵技術(shù)進行突破。

1.1 多源傳感器實時數(shù)據(jù)接入

在油氣管道智慧管理平臺的建設(shè)過程中，需要將全方位、多特征的多源傳感器信息轉(zhuǎn)化為有價值的信息，經(jīng)歷從感知到認知的信息抽取與提煉的融合過程。通過基于時間、空間和環(huán)境的認知，進行時空信息自主加載和內(nèi)容融合，可促進當前淺層空間信息處理服務(wù)向深層空間智能服務(wù)的過渡，為進一步地決策分析提供支撐信息。因此傳感器實時數(shù)據(jù)不是簡單地接入而是要進一步完成深入的時空關(guān)聯(lián)、內(nèi)容融合。

實時數(shù)據(jù)的接入與加載主要是針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)難以有效集成來滿足油氣管道運行管理需要的瓶頸問題，完成多源傳感器信息的實時接入與空間關(guān)聯(lián)、多源異構(gòu)信息的自主加載與內(nèi)容融合等功能，以實現(xiàn)支撐油氣管道智慧管理平臺的時空信息實時接入、動態(tài)加載與綜合集成。

傳感器實時數(shù)據(jù)的接入包括傳感器的接入、數(shù)據(jù)的處理和存儲、傳感服務(wù)消息的監(jiān)聽，其中用戶可以自主選擇、修改和刪除接入的傳感器及數(shù)據(jù)的處理方法，同時還能將靜態(tài)數(shù)據(jù)（矢量、柵格、模型）和離線動態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。傳感器與實時接入系統(tǒng)要滿足從傳感器接入系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)并解析和處理，并用統(tǒng)一的方式將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，支持導(dǎo)入靜態(tài)數(shù)據(jù)和批量導(dǎo)入離線動態(tài)數(shù)據(jù)。另外，還要監(jiān)聽傳感網(wǎng)服務(wù)消息（新傳感器注冊、開始觀測、暫停觀測和刪除），并能夠處理消息。傳感器實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖（如圖1 所示）：

圖1 傳感器實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

由于多源傳感器在各自觀測獲取、傳輸與播發(fā)數(shù)據(jù)時的時空參考系統(tǒng)各異，因此接入的觀測數(shù)據(jù)不能直接疊加，需要進行坐標系變換和位置轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一多源傳感器的時空基準，確保多源傳感器信息時空一致性。在時空基準統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，顧及傳感器觀測數(shù)據(jù)的誤差機制，建立誤差模型，采用濾波、聯(lián)合平差、控制點輔助糾正等多種手段，校正原始傳感器數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)精度和可靠性。

1.2 時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)

時空信息數(shù)據(jù)庫需要建設(shè)和整合的主要內(nèi)容包括：元數(shù)據(jù)庫、矢量地形圖、遙感影像圖、數(shù)字高程模型、地理實體數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)空間信息，還有管線自身的相關(guān)數(shù)據(jù)信息、轉(zhuǎn)折點、場站、節(jié)點等數(shù)據(jù)信息以及多源傳感器、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

目前，常見的GIS 系統(tǒng)只支持多維靜態(tài)或準靜態(tài)的地理對象，描述的是數(shù)據(jù)的一個瞬態(tài)，當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，用新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)，系統(tǒng)成為另一個瞬態(tài)，雖然保存了歷史數(shù)據(jù)，但缺乏動態(tài)數(shù)據(jù)組織，難以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的集成分析功能。傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新工藝是一個線性串行的過程，工藝環(huán)節(jié)多、信息損失大、工作效率低、容易引發(fā)數(shù)據(jù)的一致性問題。在數(shù)據(jù)庫更新時，更多的是采用整庫更新方式，用一個時刻的靜態(tài)地理對象，替換更早時期的地理對象，無法完全滿足當前應(yīng)用的需要。

在新技術(shù)條件下，重新審視地理信息的存儲和表達方式，突破傳統(tǒng)地理信息認知，建立面向業(yè)務(wù)和動態(tài)變化的空間對象數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建時空數(shù)據(jù)庫，存儲和管理面向業(yè)務(wù)和動態(tài)變化的實時地理信息，滿足對地理信息業(yè)務(wù)化和實時化的需求。樹立GIS 是一個業(yè)務(wù)過程的理念，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)與更新一體化。業(yè)務(wù)工作產(chǎn)生和引發(fā)的變化，實時體現(xiàn)到時空數(shù)據(jù)庫中。

2.系統(tǒng)建設(shè)

2.1 建設(shè)思路

油氣管道智慧管理平臺的建設(shè)目標是：通過對油氣管道引進科技化技術(shù)手段，結(jié)合之前的人防手段，進行技防加人防相結(jié)合的綜合性檢測管理，實現(xiàn)管線巡檢手段科技化、管線現(xiàn)場視頻監(jiān)控實時化、監(jiān)測圖像清晰化、管線線路GIS 顯示可視化，有效提供對管線的智能化管控平臺建設(shè)的數(shù)據(jù)支撐，為相關(guān)部門應(yīng)急指揮提供必要的輔助決策信息支撐，集火災(zāi)自動探測、熱值超溫報警、三維GIS、聯(lián)動控制、應(yīng)急指揮及輔助決策管理等多功能于一體的智能化綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)管線的安全高效運營管理。

（1）通過無人機智能巡線方法，結(jié)合人工巡線，最大程度減少人力損耗，并能夠?qū)Ω呶ｏL險點實現(xiàn)遠程智能、高效、科學化和可視化監(jiān)測。

（2）通過配置人工巡檢APP，實現(xiàn)對人工巡檢路線記錄、考勤打卡、隱患上報、圖片視頻上傳、坐標定位等功能。

（3）管道沿線設(shè)置熱成像加可見光雙模式的視頻監(jiān)測設(shè)備，通過市電或者太陽能供電方式，采用無線傳輸加有線傳輸相結(jié)合的方式，將管道的視頻監(jiān)控設(shè)備圖像實時傳輸至管道管理監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程的視頻預(yù)警監(jiān)控，同時熱成像技術(shù)可實現(xiàn)管道超溫報警、泄露監(jiān)測、腐蝕監(jiān)測報警等功能。

（4）系統(tǒng)配置層（DBA，即數(shù)據(jù)庫運維管理，核心目標是保證數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、完整性和高性能）：主要功能是數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定制、用戶設(shè)置、流程定制、WEB 發(fā)布管理、綜合管理界面設(shè)置、系統(tǒng)間聯(lián)動設(shè)置、編碼管理、報表格式定義等。

2.2 總體架構(gòu)

油氣管道智慧管理平臺以時空數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)層、信息展現(xiàn)層、數(shù)據(jù)儲存層（數(shù)據(jù)庫）、系統(tǒng)配置層（DBA）、核心應(yīng)用層、數(shù)據(jù)挖掘?qū)印Q策指揮層和WEB 操作層構(gòu)成，實現(xiàn)信息的完全共享和各種業(yè)務(wù)的無縫集成。

（1）數(shù)據(jù)采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)層：主要包括服務(wù)器、交換機、路由器、線路和采集設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)。

（2）信息展現(xiàn)層：主要包括圖形工作站、大屏幕、電視墻、視頻會議、投影設(shè)備、噴繪設(shè)備、3G 智能終端等相關(guān)設(shè)施建設(shè)、基于GIS 的綜合查詢和基于門戶網(wǎng)站建設(shè)的WEB 應(yīng)用。

（3）數(shù)據(jù)儲存層（數(shù)據(jù)庫）：從邏輯上把數(shù)據(jù)庫劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫、時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)分布式管理，其中靜態(tài)數(shù)據(jù)庫存放普通數(shù)據(jù)和靜態(tài)文檔，時空數(shù)據(jù)庫存放監(jiān)測監(jiān)控的實時數(shù)據(jù)以及時空數(shù)據(jù)模型。

（4）系統(tǒng)配置層（DBA）：主要功能是數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)定制、用戶設(shè)置、流程定制、WEB 發(fā)布管理、綜合管理界面設(shè)置、系統(tǒng)間聯(lián)動設(shè)置、編碼管理、報表格式定義等。

（5）核心應(yīng)用層：主要包括油氣管道三維地理信息系統(tǒng)、油氣管道災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)等應(yīng)用系統(tǒng)。

（6）數(shù)據(jù)挖掘?qū)樱褐饕ò踩珯z查、質(zhì)量檢查、查詢結(jié)果的導(dǎo)入導(dǎo)出等，該層主要用于信息的挖掘、分類和匯總。

（7）決策指揮層：主要包括效益分析、計劃制定和調(diào)整、工程進度控制、生產(chǎn)和安全隱患的集體會診、可視化指揮調(diào)度等。

（8）WEB 操作層：通過DBA 的 WEB 發(fā)布設(shè)置，實現(xiàn)Internet 上的遠程操作和信息管理。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.3.1 時空信息數(shù)據(jù)模型

(6)觀察和記錄深、淺標記的連續(xù)讀數(shù)，當數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定水平時，將其作為初始讀數(shù)。之后，開始注水，將水位保持在30～40 cm。為了使每天的用水量都很清楚，該實驗配備了精度為0.1 m3的水表，并運用水平儀進行連續(xù)觀測，通過深淺標點上標尺和基準點讀數(shù)的變化記錄沉降。

時空信息數(shù)據(jù)存儲于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫之中，采用對象版本來表達時空過程，主要支持柵格（影像、地形）、矢量、三維模型、傳感器數(shù)據(jù)和時間序列，也可以擴展支持其他類型數(shù)據(jù)。地理空間對象的內(nèi)部編碼存儲結(jié)構(gòu)，則可引用WKB 方式（開放地理空間聯(lián)盟OGC 規(guī)定的一種以二進制形式描述空間數(shù)據(jù)的格式規(guī)范），直接以二進制進行存儲。

時態(tài)空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組成框架（如圖2 所示）主要有柵格、矢量、模型、傳感器和時間序列五類數(shù)據(jù)，可通過地理過程、圖層和屬性三種入口來訪問，借助于地理過程入口，可獲取地理對象的演化過程；借助于圖層入口，可瀏覽地理對象信息；借助于屬性入口，可從屬性描述檢索到相關(guān)地理對象。

圖2 時空GIS 組成框架圖

在對象模型（如圖3 所示）中，一個地理過程由多個對象版本描述；一個圖層包括多個同類型的地理對象；地理對象包括柵格、矢量、模型、傳感器和時間序列五類，可以有屬性描述和空間數(shù)據(jù)；事件在被觸發(fā)時可以作用于若干對象，而相關(guān)對象也會對事件進行響應(yīng)。

圖3 時空地理信息對象模型

2.3.2 時空信息數(shù)據(jù)管理

時空信息數(shù)據(jù)的管理包括：數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)可視化、查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析、動態(tài)更新、安全管理與維護等工作（如圖4 所示）：

圖4 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯圖

2.4 核心應(yīng)用層

2.4.1 油氣管道三維地理信息系統(tǒng)

2.4.2 油氣管道災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

災(zāi)害預(yù)警是實現(xiàn)安全運營的重要內(nèi)容，根據(jù)各種二維、三維地理信息系統(tǒng)和各種監(jiān)測信息，利用系統(tǒng)提供的水文地質(zhì)模型、地應(yīng)力地質(zhì)模型、地溫分布模型自動進行動態(tài)參數(shù)預(yù)測和異常疊置分析，再結(jié)合各種災(zāi)害發(fā)生的條件和規(guī)律，進行管道泄漏、火災(zāi)等突發(fā)情況進行預(yù)警。

2.4.3 三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

三維監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)以油氣管道三維地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID 網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、無線通訊和工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的深層應(yīng)用，實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控—信息匯集挖掘—分析診斷—預(yù)測預(yù)報—信息發(fā)布（通過計算機屏幕和手機短信）—決策支持的閉環(huán)運行。主要包括安全監(jiān)測子系統(tǒng)、輸配電監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、地面熱源監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、管道壓力監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)、水文監(jiān)測子系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的圖形顯示、報表查詢、聲光報警、快速定位，更重要的是可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)對監(jiān)控信息的真三維模擬。

2.4.4 綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)

綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)可實現(xiàn)地理信息查詢、預(yù)警信息發(fā)布、綜合信息查詢、日常調(diào)度管理、應(yīng)急指揮、應(yīng)急預(yù)案管理和應(yīng)急預(yù)案快速啟動等功能。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)把在C/S 平臺上建立的二維和三維地理信息系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)化為WEB 地理信息系統(tǒng)，通過瀏覽器在B/S 結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了面向位置的生產(chǎn)、安全、管理等信息的查詢、審核和分析，通過短消息平臺、廣播系統(tǒng)和聲光設(shè)備進行信息的定期預(yù)報、超前預(yù)警和快速報警以及應(yīng)急系統(tǒng)的快速反應(yīng)和動態(tài)聯(lián)動，可以通過實時三維模型查詢各種地理信息、地質(zhì)信息、設(shè)備信息和生產(chǎn)信息，集中顯示監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的實際狀態(tài)、以及移動設(shè)備和人員的位置，也可以顯示避災(zāi)線路和救災(zāi)線路，實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實的三維指揮調(diào)度、應(yīng)急指揮和應(yīng)急預(yù)案快速啟動。

3.結(jié)束語

基于時空GIS 的油氣管道智能管理平臺的研究和建設(shè)有利于提升油氣管道安全運營管理水平，為實現(xiàn)油氣管道應(yīng)急救援智能化分析及輔助決策提供了一體化空間信息服務(wù)，對于拓展地理信息應(yīng)用范圍、提升地理信息資源開發(fā)利用水平、發(fā)揮地理信息資源的效益具有重要作用和深遠意義。