基于WebGIS的数字管道信息系统的设计与应用

欧新伟,李洋,徐杰,刘亮

(1.中国石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.中国石油济南输油气分公司，山东 济南 250000)

基于WebGIS的数字管道信息系统的设计与应用

欧新伟1,李洋2,徐杰1,刘亮1

(1.中国石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000；2.中国石油济南输油气分公司，山东 济南 250000)

在管道完整性管理过程中，需要处理各种数据，尤其是空间数据，传统的方式无法满足空间数据管理和分析的需求。阐述了基于Web地理信息系统(WebGIS)的数字管道信息系统创建的总体设计、数据库设计，并对系统的功能进行了分析，该系统能较好地满足在空间范围内对管道进行管理，弥补了传统方式管理的不足。基于WebGIS的数字管道信息系统充分发挥了地理信息系统(GIS)在数据管理和空间分析领域的优势，能有效提高管道完整性管理的水平和运营效率。

Web地理信息系统 数字管道信息系统 数据库设计 系统架构设计

长输管道作为石油和天然气行业的主要输送工具，具有点多、线长、面广及网络化的特点[1]，其输送的介质具有易燃、易爆等特点，并且管道途经沿线有村庄和河流等，地理环境复杂多变，一旦发生事故，有可能引起爆炸或燃烧事故，将造成严重的人员伤亡、经济损失和环境污染等，对管道周边信息的掌握，越来越引起油气输送企业的高度重视。同时随着大地测量、遥感技术、计算机和网络等技术的飞速发展和广泛应用，为人们积累了大量的地理空间数据，传统系统已无法满足对管道管理的需求[2]。针对管道完整性管理过程中海量数据需要处理和数据可视化的实际需求，地理信息系统(GIS)技术在管道完整性管理中的作用越来越大[3-4]。

数据是管道完整性管理的基础[5]，在建立GIS时，需要对海量的数据进行有效地提取和组织，建立合理的数据模型和数据库[6-8]。APDM(ArcGIS pipeline data model)数据模型是ESRI公司开发的地理数据模型，支持模型的自定义扩展[9]。依托APDM数据模型并在其基础上进行扩展，建立满足中石油管道管理实际需求的PIDM(pipeline integrity data model)数据模型，对信息系统的建立起到基础性的作用。通过借助GIS的数据处理、空间分析等功能[10]，建立强大的数字管道信息系统，为管道巡线、风险评价、移动巡线监控、应急抢险、管道维护等提供强有力的支持，能有效提高管道完整性管理的水平和运营效率。

1 系统总体设计

1.1 技术选择

基于Web地理信息系统(WebGIS)的数字管道信息系统基于HTML5，客户端图形界面开发采用ArcGIS API for JavaScript，地理服务、要素服务和地理分析工具使用ArcGIS Server发布，接口采用Webservice服务。管道基础数据、业务数据和地理信息数据存储在Oracle数据库中。

1.2 系统架构设计

根据管道管理的实际需求和系统建设目标，系统建立在ArcGIS平台之上，结合WebGIS技术，采用B/S模式，使用HTML5等网络技术，建立了基于GIS的数字管道系统，系统架构主要包括3部分:客户端、服务器端和数据库部分，系统架构如图1所示。

图1 系统架构设计示意

1) 数据库为Oracle数据库，涵盖管道完整性管理所需的各类基础数据、属性数据、评价数据和地理空间数据等，通过数据源接口供外界访问。在系统中将管道中心线及其附属设施基本信息、各类风险评价和分布信息、巡检信息和管道沿线环境地质条件等各类信息以空间位置为纽带进行集成，为管道巡线、应急抢修和风险识别提供数据支持。

2) 服务器端包括Web服务器、地图应用服务器ArcIMS和ArcSDE，负责接收和处理客户端提交的请求，从数据库中查询和抽取所需数据，并能向库中存储数据，用以支持GIS的空间分析功能。

3) 客户端从数据库中获取数据并进行处理，然后发布成Server服务，并对显示结果进行查看，其中ArcGIS桌面主要完成数据处理、编辑、制图、地理分析等。

该系统把分布式数据填报与网络协同办公相结合，将日常管理工作与现场操作相结合，做到移动巡线任务的随时分配和巡线结果的及时上报，随时掌握巡线人员的巡线状况和管道的运行状态，实现了管道风险动态监控、应急响应与决策支持。

1.3 数据库设计

数据是完整性管理的基础，根据系统建设特点、数据在系统中所起的作用和实际业务需求，可将系统中的数据库划分为基础地理数据库和管道专业数据库两部分。

1) 基础地理数据库。该数据库主要包括各种比例地形图、河流水系图、各种道路交通图、遥感影像图、DEM数据、数字正射影像以及地震带[11]，主要为油气管道的规划设计、运营管理和管理部门的分析决策提供必要的空间数据支持，是管道完整性管理各种评价模型建立的基础。

2) 管道专业数据库。该数据库主要用于储存和管理与管道相关的属性数据，包括管道中心线、站场、阀室等数据，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操作、存储和管理，很好地实现了地理数据和线性管道专业数据的融合[12-13]。

结合管道完整性管理的内涵和特点，在APDM模型的基础上，通过扩充建立了PIDM模型，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[4]。在该模型中增加了区域地质环境、地形地貌、降雨、降雪、地质灾害影响段、防腐层、阴极保护、杂散电流干扰与防护、管体腐蚀等信息，以满足管道完整性管理的需求。

2 系统功能及技术支持

2.1 系统功能

该系统按照模块化设计原则，根据结构清晰和扩展性强等要求，将系统功能分为:基础操作、专题图浏览和数据可视化3个模块，系统功能模块如图2所示。

1) 基础操作。主要包括地图浏览、地图定位、设备信息空间查询、地图测量等功能，并可以进行地图缩放、漫游及图层控制显示，地图标注，设备设施查询和缓冲区查询等。

2) 专题浏览。主要包括风险专题、巡检专题、内检测专题、外检测专题和应急支持专题等。风险专题加载管道风险评价中、高风险在地图上显示，从地图上能直观浏览管道风险分布情况；巡检专题中可以查看巡检人员信息，回放该巡检人巡检轨迹，了解巡检情况，巡检点定位可以对巡检人员巡检过程中的位置点进行定位；问题上报是针对巡检过程中碰到的可能对管道安全有影响的活动进行上报，比如第三方施工、滑坡等，紧急上报是有紧急情况能直接往上级进行上报，提前采取措施，避免意外发生；应急专题中可以生成应急方案，在发生管道泄漏时，能根据预案采取相应的措施，并能提供数据支持，导航可以根据起始位置和终止位置获取推荐路径，灾害推演根据算法计算在发生冲管时，管道所能承受的最大悬浮长度，气象信息查看可以查看全国范围内降雨、降雪等情况，并能查看定位点未来3d和过去10d降雨、降雪情况。

图2 基于WebGIS的数字管道信息系统功能模块结构示意

3) 数据可视化。利用可视图形展示管道相应属性信息，比如高程、埋深、内检测信息等，在一维维度内对数据进行展示，很好地弥补了管道数据在地图上进行展示方面的不足。

2.2 技术支持

1) Webservice接口技术。在管道完整性管理过程中，涉及各种数据，用户在系统使用过程中，会根据业务的需求进行数据查询，比如在应急方案生成时，需要知道管线基本信息、上下游阀室信息、巡线工信息等，通过调用Webservice接口能在较少改动原有系统的情况下，进行数据调用。并且，使用Webservice接口有2方面的优点:Webservice可以在不修改防火墙设置的情况下，直接使用；降低了耦合，系统在调用其他系统比如生产系统或SCADA数据时，直接通过接口就能调用。

2) SOE(server object extenstion)服务支持。SOE服务是通过采用ArcObjects的相关接口、类库对ArcGIS Server的基本功能进行扩展，使那些通过Web API 不能或者不易实现的功能，可以通过SOE的形式，进行功能实现。为了数据保密的需要，在管道专业数据库中存储的数据没有坐标信息，而是以里程值的形式进行存储，当在地图上进行点击操作时，获取的是当前操作点的二维坐标，为了能获取当前操作位置的管道信息，需要将二维坐标转为里程值，通过里程值从数据库中进行数据查询，实现流程如图3所示。

图3 SOE实现流程

3 应用实例

目前，基于WebGIS的数字管道信息系统已经在中国石油天然气集团公司所辖管道上推广应用，用户通过统一的身份验证进入系统后，会根据用户权限加载显示相应的功能模块并加载权限范围内的数据进行可视化显示。通过配置相应的专题图，能够把管段基础信息、风险评价信息、内检测、外检测、设备设施信息、管道修复等信息通过位置定位加载在地图上进行显示，从空间位置上对数据进行定位、查看。通过加载风险专题，如图4所示，能从地图上查看风险分布区域，并通过配置不同的颜色区分中、高风险等，管理部门针对高、中风险，提前采取措施，避免风险事故的发生以及可能带来的后果。

油气管道巡检作为管道保卫的重要方式，能极大地降低管道故障率、失窃率，并会降低石油线路运营成本，提高管网维护工作效率，变故障处置为隐患控制。在系统中对各地区公司巡线任务进行统计显示，可以看到巡检覆盖率，并在地图上能查看各巡线工当前所处巡线位置，对每个人的巡线路径进行回看显示，如图5所示。

图4 风险专题

图5 巡线路径回看

空间分析是数字管道信息的核心功能，系统实现了缓冲区分析、纵断面显示、距离量算、面积量算等功能。数据可视化能将数据以图形化的方式进行显示，使数据更加客观、更具说服力，可以作为数据在地图上显示的一种补充。通过可视化能直观显示数据的变化趋势，找到数据之间的关系，能为决策提供强有力的数据支持。

4 结束语

基于WebGIS的数字管道信息系统，充分发挥了GIS的空间分析、空间数据管理和空间数据展示功能，为管理部门提供了一个良好平台，从平台上能快速、直观查看各管段专业数据和沿线相关数据，实现了管道空间信息与属性信息共享、可视化显示、数据编辑、查询与分析，为管道完整性管理提供了一个新的思路。随着应用的不断深入，需求的不断完善以及GIS技术的不断发展，系统性能会不断优化，功能会不断完善，结构会更加合理，以满足用户使用的需要，为管道完整性管理提供数据和决策支持，提高工作效率，推动完整性管理水平向更高层级迈进。

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DesignandApplicationofWebGISBasedDigitalPipelineInformationSystem

Ou Xinwei1, Li Yang2, Xu Jie1, Liu Liang1

(1.PetroChina Pipeline R & D Center, Langfang, 065000,China; 2.PetroChina Ji’nan Oil and Gas Branch, Ji’nan, 250000, China)

s：In the process of pipeline integrity management, a variety of data need to be dealt with, especially spatial data.Traditional means can’t meet the need of the management and analysis for spatial data.The overall design and database design of WebGIS-based digital pipeline information system are expounded.The system function is discussed.The system can better meet the pipeline management in space, and make up deficiency of traditional management.The WebGIS-based digital pipeline information system gives full play to advantages of GIS in data management and spatial analysis.Pipeline integrity management and operational efficiency can be effectively improved.

WebGIS; digital pipeline information system; database design; system architecture design

稿件收到日期：2017-08-03，修改稿收到日期2017-09-22。

欧新伟(1984—)，男，河南周口人，2009年毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业，获硕士学位，现主要从事完整性管理研究工作，任工程师。

TE832.2

B

1007-7324(2017)06-0037-04