開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8000

通信作者：石善忠（1993—），男，本科，工程師，研究方向為GIS。E-maik：scg6221@china-gis.com。

摘 ?要：燃氣是人們生產(chǎn)和生活中不可或缺的要素，而燃氣輸配運行過程中在燃氣系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和維護中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著城鎮(zhèn)燃氣的高速發(fā)展，對運行管理提出了更高的要求，對精細化、科學化、規(guī)范化管理需求也不斷的提升。為滿足這些需求，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）在城鎮(zhèn)燃氣地下管網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。運用空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)（Feature Manipulate Engine，F(xiàn)ME）進行數(shù)據(jù)建庫和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ArcMAP用于燃氣管道設(shè)施空間數(shù)據(jù)處理， GeoPandas結(jié)合Sklearn程序包實現(xiàn)巡檢網(wǎng)格制作及動態(tài)分析可實現(xiàn)地下燃氣管道的精細化巡檢，進一步提升輸配管道設(shè)施的運行管理水平，降低事故發(fā)生，提高管網(wǎng)運行效率和安全性。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)燃氣 輸配運行 地理信息系統(tǒng) 空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 精細化巡檢

中圖分類號：P209

隨著快節(jié)奏的城市建設(shè)的不斷更新，對燃氣管網(wǎng)的運行管理提出了更高的要求。我國正處于城市化建設(shè)的高峰期，城市建設(shè)的不斷演進，對燃氣管網(wǎng)的運行管理提出了挑戰(zhàn)。如何精細化管理，以滿足長期發(fā)展需求，成為我國燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的難點。此外，目前我國城市燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)在日常巡檢維護中也面臨諸多問題。由于燃氣管道長度較長、分布范圍廣，管道年限悠久，管道材質(zhì)老化，設(shè)備故障往往難以及時發(fā)現(xiàn)，這對燃氣管道巡檢維護工作提出了更高的要求[1]。

GIS是以地理科學為核心，以計算機科學、計算機技術(shù)、遙感技術(shù)和信息科學為工具的一項技術(shù)；通過建立完善的地理空間數(shù)據(jù)庫，以電子信息相關(guān)工具收集、整理、計算地理空間相關(guān)數(shù)據(jù)并數(shù)據(jù)進行整合與模擬，從而做到對現(xiàn)實地理情況的實時模擬[1]。GIS系統(tǒng)在燃氣建設(shè)及日常工作中具有空間數(shù)據(jù)管理特性，管網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計，空間沖突分析，運行管理和維護，數(shù)據(jù)共享和決策支持。

1技術(shù)特點及優(yōu)勢

GIS是一項新型的計算機技術(shù)，主要功能是用來研究和管理空間數(shù)據(jù)，以提供給人們需要的空間位置或者地理坐標。這項技術(shù)需要借助各種軟硬件設(shè)備的支持，通過對具體的地理位置數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得不同空間之間的關(guān)系[2]。

1.1 GIS軟件處理地理空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢

GIS軟件處理地理信息數(shù)據(jù)具有多種優(yōu)勢特點，使其成為地理信息數(shù)據(jù)處理的重要工具。它能夠整合各種不同格式的地理數(shù)據(jù)，包括CAD、GDB、MDB、SHP等通用格式，還能處理包含空間坐標系統(tǒng)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)。通過將這些數(shù)據(jù)整合到一個統(tǒng)一的空間參考坐標系中。還能夠?qū)崿F(xiàn)二三維一體化的數(shù)據(jù)可視化、管理、分析和發(fā)布。矢量數(shù)據(jù)的三維化可以通過字段拉伸供貨者符號配置，且無縫集成了City Engine的規(guī)則建模，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)從主流數(shù)據(jù)格式到專業(yè)建模軟件的平滑過渡。

1.2 GIS系統(tǒng)具有地理空間分析的特點

GIS系統(tǒng)具有空間分析的特點，這是核心功能之一。首先，可以執(zhí)行各種空間查詢操作，如點在多邊形內(nèi)部，線與面相交等。還可以使用這些查詢操作來解決一些復雜的空間運算，從而進行后續(xù)的分析和處理。其次，具有空間統(tǒng)計和聚類分析比如點模式分析、核密度分析等，這些分析功能可以對探索地理要素的分布和聚集趨勢具有重要意義。同時，還有強大路徑分析功能，可以計算出最佳路徑、最短路徑、服務(wù)區(qū)域等這對于交通路徑規(guī)劃應(yīng)用非常有用。最后，還具有空間插值，空間建模特性，通過空間建?？梢灶A測地理現(xiàn)象，并為決策提供支持。

1.3 GIS具有可視化和制圖的特點

GIS具有可視化和地圖制圖的優(yōu)點，這也使其成為地理信息數(shù)據(jù)處理和展示的重要工具。GIS可以直觀表達地理數(shù)據(jù)能夠?qū)⒌乩頂?shù)據(jù)以地圖、圖表、圖形等形式進行可視化展示，使抽象的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的可視化表達。通過地圖和圖表，用戶可以更容易地理解釋。通過符號化技術(shù)可以將地理數(shù)據(jù)的空間屬性可視化展示。通過選擇合適符號，顏色和漸變等，可以突出地理數(shù)據(jù)的特征和模式。

1.4?GIS在城鎮(zhèn)燃氣系統(tǒng)中的特點和優(yōu)勢

首先，GIS系統(tǒng)可以有效管理和分析大量的空間數(shù)據(jù)，包括管道設(shè)施位置，地形方位等信息。通過GIS系統(tǒng)可以精確的建立地理數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)θ粘９艿姥矙z及搶維修工作帶來極大的幫助，可以快速地到達事故點并迅速地找到問題設(shè)施或管道。

其次，GIS技術(shù)可以幫助進行管網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計，考慮到城市的發(fā)展需求、環(huán)境條件和現(xiàn)有設(shè)施等因素。通過GIS空間分析和動態(tài)模擬技術(shù)可以確定最優(yōu)的管道布局，管容量和連接方式，從而可以提高燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的效率和可靠性，還可以進行空間沖突分析在日常運行管理中難免有建筑物占壓帶來安全隱患。通過GIS空間分析可以做管道與建筑壓蓋分析將壓蓋到管道設(shè)定為隱患管道，可盡早發(fā)現(xiàn)并解決潛在的風險。

可見，將GIS技術(shù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工作中，可以提升規(guī)劃設(shè)計的精度和效率，實現(xiàn)管網(wǎng)運行管理和維護的優(yōu)化，也可以提前發(fā)現(xiàn)管道構(gòu)建筑物占壓的風險。從而提升城市燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的整體水平。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

將GIS應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)工作中涉及到多項關(guān)鍵技術(shù)。其中運用FME轉(zhuǎn)換器可進行數(shù)據(jù)建庫及多格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ArcMAP結(jié)合FME軟件實現(xiàn)Data Interop高效的處理數(shù)據(jù)用于燃氣管道設(shè)施空間數(shù)據(jù)處理；運用GeoPandas結(jié)合Sklearn程序包實現(xiàn)巡檢網(wǎng)格制作及動態(tài)分析。這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用可以快速提高工作效率，減少人工處理的工作量和操作性錯誤。

2.1地下管道的帶屬性數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

地下管道數(shù)字化主要采用CAD進行繪制后，對CAD繪制完的圖形結(jié)合MDB實現(xiàn)數(shù)據(jù)屬性的綁定。原先的CAD和GIS軟件互動操作就顯得比較麻煩，只能單幅處理數(shù)據(jù)量較大時處理效率相對比較低。本文所研究的利用FME對CAD到GIS帶屬性數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換解決了數(shù)據(jù)快速綁定賦值提高工作效率降低數(shù)據(jù)處理錯誤可能。利用Arcpy對CAD標注文本進行處理保證了數(shù)據(jù)無損格式的變換。使用模板化操作可以多次復用工具不用反復人工處理，實現(xiàn)批處理解決數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問題。

2.1.1 利用FME對CAD到GIS帶屬性數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)（ Feature Manipulate Engine， FME）由加拿大 Safe Software 公司開發(fā)，通過提供在轉(zhuǎn)換過程中重構(gòu)數(shù)據(jù)的功能，實現(xiàn)了超過 250 種不同空間數(shù)據(jù)格式（模型）之間的轉(zhuǎn)換，為進行快速、高質(zhì)量、多需求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了高效、可靠的手段[3]。

（1）制訂方案。?通過CAD加MDB表的方法利用FME轉(zhuǎn)換器工具生成ARCGIS-GDB格式數(shù)據(jù)，通過這個格式數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)庫中。

（2）模板制作。在完成 CAD 源數(shù)據(jù)整理和質(zhì)檢后就可以在 FME轉(zhuǎn)換平臺進行模塊化創(chuàng)建，首先需要找到屬性關(guān)聯(lián)的唯一編碼，本文選用 CAD 中 HANDLE 號和 MDB 表中 HANDLE 號做唯一編碼關(guān)聯(lián)方式以實現(xiàn) GIS 數(shù)據(jù)帶有屬性的轉(zhuǎn)換，在 CAD 中 HANDLE 號作為對象要素的唯一識別號只能保證在本圖幅中是唯一的[4]。

利用 FME 加載數(shù)據(jù)后選擇打開相應(yīng)的格式屬性以便后續(xù)做關(guān)聯(lián)。將導入的 CAD 文件打開了autocad_entity_handle、fme_basename 兩個屬性，選擇這 兩項屬性就可以將 CAD 中的 HANDLE 號和文件名的圖幅編號給暴露出來以便后續(xù)轉(zhuǎn)換器獲取并使用[4]。

選用FeatureMerger轉(zhuǎn)換器進行關(guān)聯(lián)，其中左側(cè) Requestor 選擇打開的相應(yīng)屬性格式， 右側(cè) Supplier 選擇MDB 表中對應(yīng)的字段名， 此轉(zhuǎn)換器主要用屬性掛接[4]。

（3）屬性賦值。首先，判斷是否有值，若為空值則需要將編號字段值設(shè)置為-1以免空記錄無法進行后續(xù)操作可以使用AttributeCreator轉(zhuǎn)換器進行設(shè)置；其次可以使用StatisticsCalculator對其編號數(shù)字進行最大值分析輸出complete數(shù)據(jù)；最后如果最大值為-1的話就需要重新編碼可以用Counter轉(zhuǎn)換器從0開始，判斷則使用Test轉(zhuǎn)換器，若最大值不是-1則直接使用_max屬性進行計數(shù)添加。

2.1.2 利用Arcpy對CAD標注文本提取及格式轉(zhuǎn)換

因標注數(shù)據(jù)含標注引線和標注文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS格式對應(yīng)的是Polyline和Annotation格式，處理Annotation格式要保證字體和字體大小不能隨意變換，目前單單運用FME達不到數(shù)據(jù)快速處理的要求。所以本文研究采用ARCMAP結(jié)合FME模式來解決標注文本的提取及格式轉(zhuǎn)換。

ArcPy是 ESRI 提供的一個Python 站點包，提供了多種函數(shù)和類來訪問和處理地理數(shù)據(jù)。使用 Python 和ArcPy，可開發(fā)出大量的實用程序，可用于在 ArcGIS 中通過 Python 執(zhí)行地理數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理和地圖自動化等操作[5]。

本文研究主要在Arcpy采用要素類轉(zhuǎn)Shapefile（conversion.FeatureClassToGeodatabase）和導入CAD注記（ImportCADAnnotation_conversion）兩個模塊將CAD上面的標注文本和引線提取出來，然后使用FME建立快速轉(zhuǎn)換模板對數(shù)據(jù)進行合并，圖幅要素信息更換。利用Arcpy實現(xiàn)代碼如圖1所示。

以上程序需要在安裝ARCGIS軟件到C：＼Python27＼ArcgisX環(huán)境下的python執(zhí)行程序可以生成得到Polyline和Annotation這兩個格式文件。利用上述兩個生成好的gdb數(shù)據(jù)再放到FME環(huán)境下將數(shù)據(jù)進行合并并對屬性進行批量賦值就能得到最后的成果。

2.2 地下管道巡檢網(wǎng)格制作

由于地下管線通常埋在地下，難以直接觀察和檢查，地下管道還存在大量的材質(zhì)，口徑等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，巡檢時通過車輛檢漏設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)大概空間位置。但數(shù)據(jù)上報時無法判斷是哪根管道，傳統(tǒng)的巡檢方法通過車輛檢漏設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)大概的空間位置，但在數(shù)據(jù)上報時無法準確判斷是哪根管道。為了解決這個問題，采用一種新的技術(shù)方法，即網(wǎng)格化巡檢技術(shù)。該技術(shù)將管道進行網(wǎng)格化制作，將區(qū)域和道路進行分割，以將人員巡檢和車輛巡檢分離，從而方便巡檢人員按照每日巡檢樣板進行安排。

本文主要采用了ArGIS結(jié)合FME相關(guān)工具實現(xiàn)巡檢網(wǎng)格制作的方法，利用GeoPandas結(jié)合sklearn程序包來實現(xiàn)巡檢網(wǎng)格的動態(tài)分析，以便更好地管理未入網(wǎng)格的管道情況。通過將管道進行網(wǎng)格化，可以更好地掌握每個網(wǎng)格區(qū)域的管道信息，包括管線的位置、屬性和狀態(tài)等。巡檢人員可以根據(jù)網(wǎng)格分配進行巡檢工作，確保每個區(qū)域的管道得到及時的檢查和維護。

2.2.1網(wǎng)格制作

網(wǎng)格主要分為道路網(wǎng)格和區(qū)域網(wǎng)格，道路網(wǎng)格采用面狀道路數(shù)據(jù)再加上人行道的面數(shù)據(jù)進行合并用ArcGIS工具箱中Merge工具，對交叉口進行面重疊分析使用FME的AreaOnAreaOverlayer后用Dissolver工具并對數(shù)據(jù)進行融合操作。主要是對面積小于2000mm2的進行融合。再使用道路中心線疊加道路網(wǎng)格將道路信息賦值到道路網(wǎng)格中。對面狀道路面積小于50mm2的進行刪除處理。再使用Clip工具將行政區(qū)劃和道路網(wǎng)格進行切割分析即可得出的區(qū)域網(wǎng)格。這樣生成的網(wǎng)格將會全覆蓋管道。

2.2.2 動態(tài)分析

管道數(shù)據(jù)通過數(shù)字化工具實時更新入庫，這樣管道會有增加。隨著城市發(fā)展有些區(qū)域會有新增道路或變成了新的小區(qū)或者廠家，就需要對面的數(shù)據(jù)進行動態(tài)分析是否被有效的包含對應(yīng)的屬性面數(shù)據(jù)。一般道路網(wǎng)格綁定道路管道，區(qū)域網(wǎng)格綁定街坊或區(qū)域管道。然后這邊主要運用GeoPandas程序包中的面與線疊加分析方法取出沒有被網(wǎng)格面疊加的管道再將管道轉(zhuǎn)換成中心點，對點進行相應(yīng)的聚合。本文主要采用DBSCAN聚合方法。對多點進行聚類生成網(wǎng)格輔助點幫助巡檢人員快速定位相關(guān)位置，又不會太多數(shù)據(jù)聚集在一起從而對輔助點進行了優(yōu)化展示。

GeoPandas是一個開源項目，旨在向Pandas類添加對地理數(shù)據(jù)的支持。它目前實現(xiàn)了 GeoSeries 和 GeoDataFrame 的子類的類型。GeoPandas中的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是geopandas.GeoDataFrame，它可以存儲幾何圖形列并執(zhí)行空間操作。這個geopandas.GeoSeries 處理幾何圖形。GeoPandas類可以作用于shapely何對象并執(zhí)行幾何操作。

DBSCAN是一種很典型的密度聚類算法，和K-Means，BIRCH這些一般只適用于凸樣本集的聚類相比，DBSCAN既可以適用于凸樣本集，也可以適用于非凸樣本集。這個DBSCAN聚合方法在Python的sklearn包內(nèi)可以直接運用，前期需導入pandas和geopandas即可。關(guān)鍵代碼如圖2所示。

網(wǎng)格化巡檢技術(shù)可以提高巡檢工作的效率和準確性，減少漏檢和遺漏的情況發(fā)生。同時，通過動態(tài)分析未入網(wǎng)格的管道情況，可以及時發(fā)現(xiàn)并處理未被覆蓋的管道區(qū)域，確保樣板任務(wù)的完整性。通過使用該技術(shù)，地下管道的巡檢工作將變得更加高效和可靠，為管道管理和維護提供了重要的支持。

3應(yīng)用總結(jié)

3.1 GIS技術(shù)在燃氣管網(wǎng)巡檢的應(yīng)用特點

城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)的日常管理和維護非常重要。如果發(fā)生問題，勢必影響燃氣管網(wǎng)的正常使用，對人們的日常生活產(chǎn)生一定的影響，甚至可能引發(fā)安全事故。[6]（1）GIS技術(shù)可提供直觀的管網(wǎng)分布數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)含有空間坐標及位置信息，可以實時提供巡檢人員周邊的管網(wǎng)數(shù)據(jù)，協(xié)助巡檢人員進行快速、精準的設(shè)備定位。（2）GIS技術(shù)可實現(xiàn)管道網(wǎng)格化巡檢，利用精細化網(wǎng)格將管道進行網(wǎng)格化處理，分為道路網(wǎng)格和街坊網(wǎng)格，并統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)的管道總徑數(shù)（即不同壓力、材質(zhì)、口徑的管道長度），巡檢人員通過對管理區(qū)域內(nèi)的道路、街坊網(wǎng)格的巡檢上報完成管道巡檢。（3）GIS技術(shù)可提供實時巡檢軌跡，利用GPS+GIS方式能夠?qū)崟r獲取巡檢車輛和巡檢人員的當前位置和歷史軌跡，并通過軌跡和網(wǎng)格進行比對，自動計算巡檢任務(wù)覆蓋率，提升燃氣管網(wǎng)巡檢效率和質(zhì)量。

3.2 GIS技術(shù)在安全事故與隱患管理的應(yīng)用特點

地下燃氣管網(wǎng)一旦發(fā)生故障，就會產(chǎn)生較大的影響，影響小的出現(xiàn)經(jīng)濟損失，影響大的會出現(xiàn)人員傷亡。所以借助GIS+物聯(lián)感知技術(shù)（IoT）實現(xiàn)調(diào)壓器SCADA監(jiān)控，流量監(jiān)控，利用GIS空間分析及燃氣管網(wǎng)輸送算法計算出管道燃氣的泄漏情況進行三維仿真模擬。可實時監(jiān)控全網(wǎng)區(qū)域的運行情況。第一時間掌握燃氣設(shè)備故障，從而避免事態(tài)的惡化，阻止安全生產(chǎn)事件的發(fā)生。

在城市燃氣急搶修后將維修點及故障信息進行動態(tài)收集，并將故障信息存儲到GIS地理信息數(shù)據(jù)庫中，利用GIS技術(shù)建立重點區(qū)域分布圖能夠針對隱患管道區(qū)域進行重點管理加強巡檢頻次，重新規(guī)劃設(shè)計管道走向，也可以利用GIS空間分析功能對事故點周邊的重點場所如醫(yī)院、化工區(qū)、學校等最近距離分析為疏散居民群眾和應(yīng)急處置救治提供了重要的技術(shù)支撐。

3.3 GIS技術(shù)在爆管分析中的應(yīng)用特點

隨著燃氣信息化程度的不斷提高，數(shù)字化應(yīng)用越來越多。數(shù)字化管道管理是通過將先進的信息化技術(shù)應(yīng)用到燃氣管道日常運維過程中，使得管道日常運維更準確，便于運維人員操作，提高日常運維效率。由于燃氣管道涉及到歷史遺留數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀管道數(shù)據(jù)，以及管道本身的屬性屬與市政工程相關(guān)，大多管道都是埋設(shè)在地下，因此存在許多運維分析缺陷：比如目前管道泄漏都是根據(jù)泄漏位置來主觀判斷對應(yīng)周圍的關(guān)聯(lián)設(shè)施設(shè)備，然后通過人工排摸判斷是否受影響，很大一部分都是靠運維人員經(jīng)驗來判斷關(guān)閉設(shè)施位置，這就導致運維人員經(jīng)常會關(guān)閉不必要的設(shè)備，進而把影響面擴大，造成不必要的受災(zāi)影響面[7]。

GIS技術(shù)可以構(gòu)建管道及設(shè)施的空間索引文件，再構(gòu)建出管道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過管道網(wǎng)絡(luò)文件及其拓撲數(shù)據(jù)情況可設(shè)置斷點信息并且將閥門和調(diào)壓器做切斷和氣源參與數(shù)據(jù)分析。在管道泄漏時通過GIS拓撲技術(shù)為客戶提供需要切斷的設(shè)備和影響用戶為應(yīng)急指揮提供有力的數(shù)據(jù)應(yīng)用。鑒于 GIS 強大的網(wǎng)絡(luò)分析功能，通過構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)，利用 ArcGIS 的幾何網(wǎng)絡(luò)分析接口及爆管算法等，可實現(xiàn)停氣過程的程序自動預測分析。替代了傳統(tǒng)工作模式下的肉眼識別判斷，可自動提取停氣和恢復過程中受影響的建筑物并生成預測報告，降低了勞動強度，提升了準確性和工作效率，實現(xiàn)了分析過程的客觀和規(guī)范化，具有很好的經(jīng)濟價值和實用價值[8]。

4 結(jié)語

在實際應(yīng)用中，GIS在城鎮(zhèn)燃氣管理中的效果也是顯著的。通過GIS系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，可以提高管網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，優(yōu)化巡檢和維護計劃，提高維護效率和降低成本，實現(xiàn)對管道的實時監(jiān)控和預警，保障燃氣供應(yīng)的安全和穩(wěn)定。GIS的應(yīng)用使得管道管理變得更加智能化、精細化和高效化。

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