基于WebGIS 的管道完整性管理系统的设计与实现

沐紫青枫 发表于 2019-01-16 06:48:36 | 打印

引言

管道完整性管理的主要目的是有效预防和控制事故的发生,通过对管道面临的风险因素进行识别和评价,使管道始终处于安全可控的服役状态。长输油气管道具有点多、线长、面广及网络化的特点,管道沿线的地形地貌、生态环境及人文经济环境复杂,管理涉及到地理空间信息、属性信息以及图形信息等,采用传统的管理系统已不能满足管道完整性管理的需求。借助长输管道数据模型APDM(ArcGIS Pipeline DataModel)能对管道多源数据的逻辑关系进行有效处理,依托地理信息系统GIS(Geographic Information System)强大的数据处理、空间分析及可视化功能,建立基于 WebGIS的管道完整性管理系统,为管道巡检、风险识别、设备维护、安全管理提供支持,提高管道的运行效率。

1 系统总体设计

1.1 系统架构设计

根据管道完整性管理系统建设目标和业务的需要,结合 WebGIS技术,采用 B/S模式,使用 Flex等网络技术,建立了基于地理信息系统的油气管道完整性管理系统的设计模式,并设计了系统总体架构。管道完整性管理系统结构上分为数据层、中间件层及业务应用层(图 1):数据层涵盖管道完整性管理所需的各类基础数据、设计专题数据以及工程数据等,作为数据源接口供外界访问,使用 Oracle数据库存储;中间件层是整个架构设计的核心部分,将数据层的各种资源集成到系统中,包括数据验证、事务处理、权限处理等,是系统建设的基础保障;应用层利用集成的资源,实现系统的业务功能,请求数据将结果呈现出来。该系统架构设计极大地提高了应用程序的伸缩性、可维护性、可重用性及可扩展性。

                            

图 1 管道完整性管理系统总体架构示意图

1.2 数据库设计

数据是管道完整性管理的基础工作,管道完整性数据主要包括管道中心线及管道设施数据、管道检测数据、管道失效数据、管道运行数据、管道沿线数据、站场数据、基础专题数据及遥感影像数据。由于管道完整性数据库建立在海量的管道沿线地理信息数据和管道数据的基础上,结合 GIS技术,将管道完整性数据库划分为基础地理数据库和油气管道专业数据库。

(1)基础地理数据库主要包括管道沿线的各比例尺数字线划图、遥感影像图、数字高程模型、数字正射影像与水文、地震带以及道路等专题数据,主要为油气管道的规划设计、安全运行以及分析决策提供空间数据支持。

(2)油气管道专业数据库。采用了广泛使用的 ArcGIS管道数据模型 APDM,该模型通过在空间数据库中嵌入线性参考系使地理要素能在关系数据库中存储、管理,融合了地理数据和线性管道专业数据。根据中国石油管道完整性管理的特点,管道完整性管理系统对 APDM3.0\4.0进行了扩展,通过添加要素或提炼现有要素定制出专门针对管道完整性管理的数据模型 PIDM(Pipeline Integrity Data Model)。 PIDM分为逻辑模型和物理模型,其中逻辑模型描述数据库包含内容,物理模型通过建模工具导出 XML文件创建空间数据库。 PIDM包含以下 12部分内容:抽象和概念类、管道中心线、设施、检测、侵占、运行、阴极保护、管道风险、事件支持、历史记录、基础地理以及工程图。经测试,该模型能够生成数据库,为管道完整性管理提供必要的油气管道专业数据。

1.3 业务功能设计

根据管道完整性管理的需求及其结构化的功能设计方法,遵循每个功能之间逻辑清晰独立、通过接口相联的原则,管道完整性管理系统的业务功能可以划分为信息浏览、管道完整性管理以及辅助模块 3个部分(图 2)。

图 2 管道完整性管理系统功能划分图

(1)信息浏览主要包含地图浏览、地图查询及输出功能,支持地图缩放、漫游及图层控制显示等操作,查询包括属性查图、图查属性及缓冲区查询等,同时支持地图打印输出功能。

(2)管道完整性管理是整个系统功能的支撑,结合 GIS技术,以完整性管理方案计划为依据,实现业务的网上办理。管道完整性方案管理是管道完整性管理的总纲,系统提供完整性方案维护、计划查询等功能;腐蚀控制模块对管道防腐层和阴极保护设施进行维护和管理,实现相关数据的采集、统计分析等;本体管理模块对管道本体状况提供信息化管理,包括检测管理、缺陷管理、修复计划管理等;管道保护模块通过巡线管理等流程使管道免受地质灾害、第三方破坏等因素影响,管道保卫模块则对有关管道保卫的工作进行网络化办理;灾害防治用于对自然灾害预警、管理和效能分析;维修维护模块将维修流程固化,实现管道维修维护的管理;事件管理模块是对管道实效事件提供规范化管理;应急处置模块主要包括应急预案、资源及事件处置结果等信息的管理,处理管道突发事件及处置结果的管理。

(3)辅助模块包括地图要素测量、系统用户管理及权限管理等其他系统功能。

2 关键技术

2.1 多源异构数据无缝聚合技术

长输油气管道数据量非常大,且来源广泛,具有多尺度、多专题、多区域、多级别、多源以及分布式集中管理的特点,为了解决数据冗余、一致性差、共享度低的问题,实现对管道完整性多源异构数据的统一管理和调度,提出了一种多源异构、分布式数据无缝聚合方法。该方法将不同数据类型的多源数据按照 PIDM数据模型要求集成,统一存储至数据库,涵盖地理信息、风险评价、高后果区识别、内外检测评价、巡检信息、灾害预警以及维抢修信息管理等内容,通过标准化流程整合不同来源的服务,最终统一发布成符合 OGC(Open Geospatial Consortium)标准的数据服务供各种客户端使用,为用户提供统一的数据查询、分析服务,实现管道多源异构数据服务的无缝聚合调用。

地图服务聚合了天地图、谷歌地图及本地的管道地图服务,底图可无缝切换天地图和谷歌地图,根据用户数据的请求范围调用所属单位不同的管道数据,智能化选择调用的服务,将各种地图服务资源无缝聚合在一起,对前端用户请求快速响应,及时返回服务结果。此外,通过数据访问接口实现管道完整性数据共享,进一步整合多源数据,提升数据集成效果。

2.2 云部署机制

长输油气管道分布的地域宽广,采用云管理模式可以实现跨区域、跨部门之间的地理信息资源共享。云部署机制主要利用逻辑集中、物理分散的分布式架构,收集数据后由云端统一管理,对分布式服务器进行物理虚拟化,并将数据集中发布成服务,实现一体化的数据统一管理和共享。根据管道完整性管理的需要,系统采用虚拟化和云计算的方式,将服务中心部署的服务器虚拟化后,实现集中和分布相结合的服务共享管理体系,建立满足云计算服务发布的网络体系,提高了服务器的效率,减少了机器维护工作量,为管道完整性管理系统提供高速、稳定、安全的网络支撑。

2.3 基于 SOA地理信息服务架构技术

管道完整性管理涉及的业务复杂,处理的数据各不相同,需要与其他业务系统集成交互,但由于系统的异构性、多源数据的差异性问题,导致管道完整性管理系统缺乏统一平台共享信息[9]。而传统的地理信息系统耦合度强、互操作性差,为了满足管道完整性业务的快速发展,系统采用 SOA架构,通过服务之间定义的接口对粗粒度的应用组件进行分布式部署、组合及使用。SOA的功能实体包括服务提供者、服务使用者及服务代理,三者是松耦合关系,服务提供者将不同模块整合成低耦合、高内聚的不同服务,服务使用者向注册中心发送服务请求,使用服务时与服务的提供者绑定,实现交互,且支持重用,可扩展性强。

管道完整性管理系统以服务化的方式实现对系统业务流程的支持,基于 SOA地理信息服务包含服务端、服务注册中心及客户端。客户端根据完整性的具体业务到注册中心查询所需服务,注册中心返回相关的服务接口,然后向服务端请求服务,服务端执行对应服务向客户端返回结果,实现对特定业务的服务过程。管道完整性管理系统对外提供多种数据服务,如业务数据服务、基础数据服务及地图服务等。

3 实例应用

目前,基于 WebGIS的管道完整性管理系统已在中国石油所辖管道上得到推广应用,管道公司、西气东输管道公司等 5个地区公司已先后开展了试点工作,搭建完成了管道地理信息基础数据库,可对外提供多种数据服务(图 3)。用户进入基于 WebGIS的管道完整性管理系统,根据所有权限使用相应的功能模块,实现了管道完整性数据的网上发布、浏览及查询,借助 GIS空间分析功能将产生的数据直观地展示在地图上。同时,该系统实现了管道基础信息、沿线环境、管道设施、管道内检测、管道外检测、管道修复、管道风险、管道巡检等数据的入库、发布,可供用户查询分析;中国石油某长输管道用户根据管道空间数据及管道风险专题数据进行管道高后果区管理(图 4),大大缩短了人员现场调查时间,节约了成本,提高了高后果区的识别效率。同时随着时间推移,系统积累的历史数据为管道完整性管理提供了强有力的决策支持。

图 3 某长输管道基于 WebGIS的管道完整性管理系统风险专题数据成果地图

图 4 某长输管道基于 WebGIS的管道完整性管理系统高后果区查询结果

在基于 WebGIS的管道完整性管理系统试点工作中,该系统在保障管道安全运营方面发挥了重要作用:在管道风险控制方面,实现对内检测、外检测覆盖率的统计查询,根据管道腐蚀数据集制定维修计划,消除安全隐患;在管道巡检方面,通过移动端实时监控管道周边环境变化,管道公司实现巡检计划覆盖率 100%;在灾害风险预防方面,通过风险评估指标体系,生成应急预案。该系统结合 GIS空间分析技术,在地图上以可视化的方式展示管道专题信息,实现了 GIS与管道完整性管理系统的有机集成,并在实际工作中得到很好的展示与应用。

4 结论

基于 WebGIS的管道完整性管理系统充分发挥了GIS空间分析和空间数据管理的功能,为管道完整性管理工作提供了一个基于 B/S架构的实用平台,使得管道完整性管理的水平、工作效率得到极大提升,积累了海量管道完整性管理数据资料,应用效果良好,在长输油气管道管理领域具有较好的推广价值。随着应用的不断深入及 GIS技术、管道完整性管理理论的不断发展,将逐步优化和不断完善其功能,为中国石油管道完整性业务提供更多服务,为管理和决策提供依据,实现管道完整性管理的智能化。


作者:徐杰 刘亮 郭磊 高海康 欧新伟 韩文超,中国石油管道科技研究中心


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