石化企业设备管理平台GIS系统的应用研究

安智琮，刘文彬，杨剑锋，龚华伟，陈良超（北京化工大学机电工程学院，北京100029）



石化企业设备管理平台GIS系统的应用研究

安智琮，刘文彬，杨剑锋，龚华伟，陈良超
（北京化工大学机电工程学院，北京100029）

摘要：将GIS（“地理信息系统Geographic Information System”简称）技术应用于石化企业设备管理，从系统的需求分析、总体设计、技术实现以及系统功能和应用等方面阐述了石化企业设备管理平台GIS系统应用的解决方案，实现了石化企业设备的可视化管理。

关键词：GIS；石化企业；设备管理；可视化

我国石化企业设备众多，危险性较大，设备管理水平相对落后，开发出适用于企业员工使用的设备管理平台是极其迫切的。石化企业设备管理平台GIS系统的应用研究，就是研究如何将炼化装置设备管理平台上大量复杂的设备信息以“地图”的形式呈现出来，实现设备管理的可视化。它依据地图及其应用的概念、采用办公自动化的操作、集成多种数据库数据、融合计算机地图方法、使用地理数据库技术、加入了地理信息系统分析功能，形成了极具实用价值的可视化设备管理系统［1］。

1　系统总体设计

系统在石化设备可靠性管理的思想下以GIS“地图”的形式呈现出来，界面简洁、明目，功能全面且易于操作，正好符合目前我国石化企业的需求。石化企业设备按大类分，主要有动、静设备，设备可靠性管理就是在这种分类方法的依据下按照不同设备的特点，确立不同的监管路线，采集设备的动、静态数据，近而通过计算机进行运算处理，分析运行趋势，诊断可能出现的故障，采取科学、有效的方法进行预防维修。因此，设备监管路线的确立，即GIS呈现方式的有效选择显得非常重要，该系统因监管目标的不同，在不同层次的GIS呈现下，划分为静设备腐蚀监测、LDAR泄漏检测、动设备振动监测等子系统，系统包含GIS基本操作、查询和定位、数据管理、数据统计、专题应用、输出、系统管理等功能模块［2］。

1.1系统需求分析

国内外企业管理软件纷繁众多，其中如ERP、MES、PCMS等优秀管理软件在某方面都取得了成功，但对于我们的现状来说，即使引进到企业，也不能很好地发挥其作用，这主要是我们的企业员工计算机能力欠缺、信息化观念不强等原因。针对这种情况，利用GIS技术实现管理型软件的可视化，是很有必要的。我国大型石化企业一般都有若干子公司，公司各部门对设备信息关注的侧重点不同。在设计GIS系统时，首先使用mark在拥有地理位置的全国地图中标示出母公司和若干子公司的所在位置，方便公司各个阶层的员工快速进入系统管理界面；然后，呈现的是各子公司的厂区分布情况，厂区装置如常减压、加氢裂化等在不同styles的渲染下，以热区的形式呈现在厂区图中；另外，根据动、静设备使用的监测手段和评估方法的差异，以工艺流程图、风险风布图等形式呈现出专业分析结果；最后，全方位地呈现每台设备的详细结构和运行情况，做到无死点、无遗漏。

根据以上需求分析，本系统实现4级界面的逐层呈现，第一级为总公司级，该级通过包含基本属性要素的中国地图以瓦片的形式呈现，见图1。

图1　系统全貌图Fig.1 System up view

在中国地图上标记出某石化集团公司及其所辖炼化分公司的大致位置，方便不同权限的管理人员、操作人员、系统维护人员快速进入分公司界面；第二级为分公司级，该级呈现的是厂区分布图，各装置位置容易辨别，用鼠标点击装置名称即可进入装置层级，另外，此层级可以在不同呈现方式间切换，厂区矢量图、厂区卫星图、厂区影像以及三维虚拟图从不同方位呈现厂区的全貌；第三级为单元装置级，该级通过改变流程图各部分的样式，实现装置整体运行状态（如正常运转、异常报警、事故报警等状态）的实时监测；第四级为设备级，该级通过在设备装配图、零件图、三维立体图、影像图之间切换，可以查看设备运行状态，检测介质泄漏情况、动设备发生故障部位、转轴受力分析以及静设备腐蚀防护情况等。

1.2系统设计

设备管理平台GIS系统，建立了准确、全面的设备信息资源共享空间数据库，采用ArcGIS、Eclipse、Tomcat应用开发平台，结合geoserver、SketchUp、 Udig、CAD及PostGIS空间数据库和海量数据压缩技术，实现各种管理信息（包括设备基本信息、设备运行监测数据、设备备品配件信息、设备检维修案例数据、设备空间数据等）的动态提交、检校及转换入库、管理数据共享及查询、数据统计和专题应用等功能。

1.2.1系统总体架构平台采用三层系统架构，通过B/S结构实现。主要包含数据服务层、后台管理层、应用层。平台基本框架详见图2。

（1）数据服务层数据服务层，在应用开发与集成框架的支持下，负责提供应用系统和各类服务，主要包括GIS图形、表单、报表、工作流、查询分析等服务，支持完整的可视化应用及其一体化协同运行，采用ArcGIS Server和Web Service技术结合发布空间数据和影像服务、分析成果服务。系统管理人员需要利用ArcMap将入库的空间数据分专题进行符号化，将图层保存为mxd.文件后，利用ArcGISServer发布为空间数据服务，将分析成果利用Web Service技术进行上传和发布。

图2　平台总体构架Fig.2 platform overall framework

（2）后台数据管理层后台数据管理层是整个平台的核心，是平台的信息资源中心，系统利用后台管理模块为系统管理员提供整个数据库的维护管理界面，实现对后台管理层的用户信息、元数据、各类统计分析工具插件、数据服务、成果服务、ArcGISServer服务器、基础空间数据的统一管理，同时还可以设置不同信息的各类操作权限。该层采用Geodatabase技术管理了ArcGIS Server服务器的连接信息、管理基础数据编目信息、管理编目下的空间数据表信息和空间数据服务信息、分析成果服务等信息。其核心是规划综合数据库，它是在统一的数据标准与技术规范的规定下，由系统数据、元数据、专题数据和GIS数据等组成。在该层中还将部署统一信息交换平台，以实现各类信息资源在平台其他系统之间的共建共享。

（3）平台应用层平台应用层，是应用系统的实现及表现层，包含数据浏览、数据编辑和前台应用模块。该层建立在“应用开发与集成框架”基础之上，与具体应用需求相结合，开发并集成各类规划应用功能，主要包含GIS基本操作、检索和查询、数据管理、数据统计、专题应用、输出、系统管理这7个功能模块。

1.2.2系统运行环境的搭建系统硬件采用阿里云的云服务器，简单高效，处理能力强，可弹性伸缩的计算服务可以快速构建更稳定、安全的应用。另外，运维效率高，价格合理，操作系统纯净、方便自己定制，这些都成为系统开发的有力保障。

系统采用Microsoft公司的windows操作系统，服务器使用开源的tomcat web应用服务器和esri公司的ArcGis Server的GIS服务器，使用eclipse作为开发工具。

系统所需空间数据庞大，选择PostGIS空间数据库，具有使用方便、特性丰富、功能强大、与相关软件集成程度高等优点，可跨越从运行Microsoft Windows 98的膝上型电脑到运行Microsoft Windows 2000的大型多处理器的服务器等多种平台的使用，可以满足系统要求。

1.3系统实现

设备可靠性管理平台通过GIS门户系统，实现“一站式”登录，即可以使用其权限所含的所有应用系统，提供个性化的应用界面［3］。平台软件环境应用服务器和数据库服务器的操作系统平台采用Windows Server 2008，客户端操作系统可选用Windows XP或Windows 7，PostGIS空间数据库、ArcGIS、ArcGIS Server+OpenLayers是构建“设备管理平台GIS系统”解决方案的核心。

系统通过ArcGIS系列桌面软件实现“地图”的创建和使用、编辑和管理以及分析建模等功能，再通过WebGIS系列软件实现“地图”的发布、共享和显示［4］。所开发的WebGIS是在原有的GIS系统的基础上所做的网络化开发，把WebGIS框架分为三个部分：基于OpenLayers开发的地图客户端和Web浏览器为展示层；以ArcGIS Server地图服务器和Web服务器作为处理层，选用Tomcat作为Web服务器；最后以文件系统与PostGIS空间数据库作为数据层［5］。

系统首先通过客户端输入信息或请求并提交给处理层，处理层再通过Web服务器处理客户端的请求，并通过地图服务器ArcGIS Server提供的接口与数据层（存储空间数据、系统数据等）通信，将最终查询到的结果通过地图服务器ArcGIS Server、Web服务器Tomcat、地图客户端OpenLayers，显示在浏览器上［6］。

2　系统功能

根据业务需求，结合系统基础平台的特点，本系统划分了多个功能模块，各个功能模块由数个子功能组成，如图3所示，下面分别叙述各个模块的详细功能：

＞GIS基本操作包括图形的放大、缩小、全屏显示、漫游、刷新、动态标注等基本显示功能和图形间的切换功能。

＞查询和定位包括对图形名称和编码、设备属性、文档信息、设备运行记录报表等的多条件多组合模糊查询功能，并对整个系统四层界面进行分级定位。

图3　系统功能图Fig.3 System function chart

＞数据管理数据的获取与预处理：系统接收测绘数据、设计图纸、属性表格等基础空间数据，并进行适当的预处理，特别注意对数据质量的检查和错漏的处理；数据入库：将接受到的数据，如测绘数据、设计图纸、电子表格、其它格式的电子地图等经接口软件处理后进入到数据库中；数据更新与维护：主要分为图形编辑、历史数据库建立、数据更新升级、数据添加等内容；影像、矢量数据的叠加显示：对遥感影像、矢量数据进行配准，并通过叠加（影像图层在底部、矢量图层在上部）的方式显示。

＞数据统计数据统计包括设备和管线的分类统计、监测点及其报警统计、风险等级统计等，统计结果可制作成各种统计图（如立体图、柱图、饼图）或表格等。

＞专题应用提供高级的分析功能，包括：危险化学品泄漏应急方案制定、监测点分布和状态统计分析、装置腐蚀回路图和风险分布图的动态显示、虚拟厂区建模等。

＞输出包括图形输出、文档资料输出、各类专题地图输出等。

＞系统管理系统设定系统管理员，由系统管理员对使用本系统的用户、角色进行管理控制，对于每一个用户，系统管理员细致地设置其使用权限。另外，系统管理员还需对系统运行模块进行维护、备份数据、对规则流程进行配置等。

这些功能实现了对设备的专业化信息管理，为企业的规划、设计、生产、运行、维护等部门提供快速、可靠的信息服务［7］。

3　系统应用

＞危险化学品泄漏应急方案通过对石化企业各装置产生的有毒、有害物质泄漏监测数据的提取，建立有毒、有害物质的扩散缓冲区模型。解决在突发灾害时，通过快速定位事故现场和对泄漏物质污染范围的确定，便于救援人员能够按照事故的影响范围，准确、及时的制定出救援方案，安排最佳的人员撤离路线，合理调配各种资源，减少财产的损失［8］。

＞监测点的分布、状态及运行趋势统计分析用于监测石化装置运行状态的仪器种类较多，有用于监测动设备的振动传感器，用于监测静设备腐蚀状况的探针，也有用于监测危险化学品泄露的气体检测仪，等等。监测点的分布统计是指对全厂各装置同类型监测点进行数量上的统计，通过统计图（如立体图、柱图、饼图）或表格形式显示；监测点的状态通常为离线、正常、报警；运行趋势是对长期监测数据的预测估计。对监测点的分布情况、状态及运行趋势进行统计分析，为装置运行状况进行风险分析提供依据。

＞装置腐蚀回路图的动态显示装置在运行过程中，介质成分和各工艺参数在时刻变化，设备的腐蚀因子也在变动着，这将对设备的腐蚀形态产生影响，从而有可能造成腐蚀机理的改变。通过对介质成分和工艺参数等数据的提取，对比阀值，对数据差异较大设备腐蚀情况再次进行分析，更新GIS数据库数值，呈现新的腐蚀回路图。

＞装置风险分布图的动态显示同腐蚀回路图的动态显示，通过后台对监测数据变化的判断，更新设备的风险等级数据，呈现新的风险分布图。

＞建立虚拟厂区数字厂区是真实厂区的虚拟对照体，如图4所示，利用ArcGIS和SketchUp进行的厂区三维建模及其可视化展示，建立了三维数字化厂区，摆脱了二维的厂区管理系统无法真实再现装置全景的弊端，实现多角度浏览。

图4　虚拟厂区图Fig.4 Virtual factory figure

4　结语

GIS管理系统在石化企业中的成功应用，简化了系统操作界面，方便了企业员工的操作，直接提高了企业的设备管理水平。另外，基于可靠性管理思想的融入使企业风险管理能力同时也得到了提升。

参考文献

［1］牟乃夏，刘文宝，王海银，等. ArcGIS10地理信息系统教程［M］.北京：测绘出版社，2012.

［2］马玉洁. GIS在石化装置信息管理中的应用研究［D］.大庆：大庆石油学院，2006.

［3］何正国，杜鹃，毛海亚.精通ArcGIS Server应用与开发［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

［4］刘吉夫，陈颐，陈棋福，等.WebGIS应用现状及发展趋势［J］.地震，2003，23（4）：10-20.

［5］武艺.基于开源GIS的网络地理数据查询与管理功能的实现［J］.科技信息，2011（12）：235-238.

［6］李丹.基于开源软件的WebGIS框架设计［J］.计算机时代，2013 （12）：45-47.

［7］陈会利.石化企业总图三维GIS系统的建设实践［J］.石油化工建设，2010，32（2）：54-56.

［8］李宁，王晓宇.石化企业重大泄漏事故建模及GIS图形模拟的研究［J］.东华理工学院学报，2005，28（3）：273-277.

生产与技术改造

导师简介：刘文彬（1979-），男，北京人，博士、副教授，现为北京化工大学机电工程学院硕士生导师，主要研究方向：设备的智能化诊断。

Applied research of GIS system for equipment management platform in petrochemical enterprises

AN Zhi-cong，LIU Wen-bin，YANG Jian-feng，GONG Hua-wei，CHEN Liang-chao
（Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Abstract：The GIS（Geographic Information System）technology is used in equipment management of the petrochemical enterprises. From the aspects of requirement analysis, overall design, technical realization of the system as well as system functions and applications, elaborates the solutions of GIS system application of equipment management platform in petrochemical enterprises, and achieves the visualization management of equipment in petrochemical enterprises.

Key words：GIS；petrochemical enterprises；equipment management；visualization.

中图分类号：TP31

文献标识码：B

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160448

收稿日期：2016-03-02

作者简介：安智琮（1991-），男，硕士研究生，主要从事炼化设备信息化管理研究。