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基于GIS的油气管道选线技术发展现状及建议

2018-03-01雍歧卫段纪淼

关键词:选线遗传算法油气

方 钢,雍歧卫,段纪淼

(陆军勤务学院 油料系, 重庆 401331)

石油、天然气等能源对一个国家的经济发展至关重要,其运输关乎国家的经济命脉,涉及国计民生及社会稳定。目前,我国的油气输送方式主要依靠管道输送[1]。从我国的第1条长输油气管道“大庆—抚顺”输油管道到举世瞩目的“西气东输”长输管道工程,我国的油气管道输送能力实现了质的飞跃,但对油气管道的勘察与设计一直是管线建设工作的难点。由于油气管道纵向距离长、分布范围广、环境复杂,采用传统的人工踏勘选线方式进行管道的选线存在着诸如设计时间长、耗费人力大、踏勘路途险等问题[2]。因此,为解决上述问题,提高油气管道选线效率,需要研究一种基于GIS的油气管道选线技术。

1 GIS选线技术的发展现状

地理信息系统(geographic information system,GIS),是一种综合地理学、测绘学、空间学并融入计算机信息中的学科[3]。GIS技术的首次应用是在上世纪60年代初期,“GIS之父”罗杰·汤姆林森[4]将其用于储存林业、土壤、农业等信息以分析加拿大的农村土地能力。在随后的几年里,GIS技术凭借其强大的数据储存、查询、修改能力逐渐被应用于各行各业。20世纪60年代中期,GIS技术首次在选线设计领域得到应用,然而受当时软硬件技术的制约,该技术仅作为一种地理信息储存工具使用。20世纪60年代末期,美国基于DEM模型开发了一套叫做“The Roads Selected Line Computer-Aided Design System”的辅助选线系统,这套系统可为选线人员的决策提供参考意见,进而推进了GIS技术选线进程[5]。20世纪70年代至80年代,随着计算机技术的发展,许多功能强大的绘图软件(如AutoCAD)相继问世,这使许多选线工作人员从繁重的工作中解放出来,大大提高了选线效率。20世纪90年代至今,计算机的软硬件功能进一步提升,这使得将数字化地面模型应用至计算机中成为可能,因此,一种基于数字地图的人机交互选线方法开始进入人们的视野。这种选线方法以GIS技术为核心,通过无人机等设备搭载数据获取硬件(如数码相机、摄像机、红外摄像仪、多光谱成像仪等)作为数据获取源,随后将获取的数据载入地面控制站并通过GIS软件对获得的数据进行后期处理,最终得到最佳的选线方案[6]。这种选线方法能较好地解决传统选线过程中设计时间长、耗费人力大、踏勘路途险等问题,对我国实现油气管线勘察设计无人化有重要意义。

1.1 国外研究现状

在国外较多的发达地区,油气管道的勘察设计主要是运用航空摄影测量技术、遥感技术对数据进行获取,之后与GIS中的地形、地貌、地质数据库结合进行选线。目前在国外已出现较为完善的GIS软件,辟如ArcGIS、MapInfo[7]等。“阿瓦士—马伦”输油管道[8]位于伊朗西南部,管道全长约34 km,此输油管线的设计阶段采用了GIS最优路径技术,该技术综合了输油管线的长度、地形、地貌、河流、湿地、土地利用等影响因素,建立了管线费用最低模型,并以此为标准进行输油管线线路的勘察设计。最低费用路径方案的管线长度为35 km,相比于该管线原始方案长度34 km,虽然多出1 km,但成本却比原始方案低29%。研究结果表明结合GIS技术进行输油管道的选线是成功的。土耳其作为中东与欧洲之间油料输送的重要纽带,也成功地使用了GIS技术进行输油管道的选线[9]。

Balogun等[10]以马来西亚Baram油田为研究对象,研究了如何通过GIS技术生成最佳的输油管道线路,使其达到对人与自然环境影响最小的效果。结果表明:这种方法显著地降低了油气管道对环境的污染以及对人体健康的损害,取得了良好的效果。Dan等[11]为响应乌干达政府增加能源储备的号召,对Hoima区的一个炼油厂到Buloba配电站的管道进行了管道线路最佳位置的确定。过程采用了基于GIS的标准评估方法,该方法综合考虑了环境、安全、建设等因素,最终选出的线路满足了乌干达政府拟定的费用及长度规格。Gamarra[12]以亚马逊森林至太平洋海岸的一条管线为对象,研究了基于ArcGIS的人机交互迭代选线方法。这种方法先由操作人员选定影响因素,如坡度、高程、穿越保护区、穿越矿山次数等,再由ArcGIS进行线路的预生成,然后通过人员对线路进行评估和干预之后重新生成新的线路,循环往复这个过程直至得到的管道线路满足要求。Omondi[13]以Turkana地区至Isiolo地区的LAPSET输油管道为对象,也开展了基于GIS的选线技术研究。

1.2 国内研究现状

目前,我国的长输油气管道已达到5万km以上,并将在未来的10年内新建油气支线10万km左右[14]。近年来,随着国外数字化选线技术的迅猛发展,我国的油气管道企业和部分的科研院所通过引进国外技术、借鉴国外经验,不断研究数字化选线方法,取得了不错的成绩。国内许多油气管道的建设已逐步采用航空摄影测量技术、遥感技术以及GIS技术,并积累了大量的数字化成果,这些成果对全面实现数字化管道有极大的推动作用。

长输油气管道由于跨度大、规模大、路况复杂、运营时间长等因素,对其进行勘察设计需要提升到一个更高的水平[15]。国内目前运用GIS技术进行的长输油气管道勘察设计项目主要是“西气东输”工程,该工程在油气管道的勘察设计阶段运用了遥感技术、航空摄影测量技术、三维仿真模拟技术,并通过GIS技术建立了油气管道地理信息系统,最终提高了油气管道的科学性和经济性[16]。在忠县—武汉的输气管道工程中,荆州地区湖泊、池塘密布地区的通过方案,兰成渝输油管道工程,西气东输二线工程也运用到了航空摄影技术以及GIS技术。与传统的人工选线方法相比,基于GIS的油气管道选线方法可以将70%的室外工作量转移至室内,缩短勘察周期40%左右,降低成本25%左右,提供的线路选择也具有多样性,使其从单一的地形图变为“4D”(DOM、DEM、DLG、DRG)产品[17]。

在国内,运用GIS技术进行勘察选线目前多用于铁路选线、公路选线等,对油气管道的勘察选线尚处于逐渐发展阶段[18]。但从近期GIS技术在油气管道选线中国内外的发展状况来看,国内外对数字化选线技术都越来越重视。

2 GIS选线技术最优路径方法

传统的选线方法主要依靠设计者的经验和水平,这种方法对各种影响因素难以做到综合权衡,因此,需要一种能综合分析管道线路的选线方法,以达到为我国油气管线建设提供科学依据、全面提高勘察设计水平的目的。现在主要有两种与GIS相结合的油气管道选线方法,即情景选线和模型选线[19]。

2.1 情景选线

所谓情景选线,就是采用无人机航拍等方式对管线经过的区域进行拍摄,并将拍摄所得数据导入GIS软件中,运用GIS软件的仿真功能,将拍摄地区的三维情景直观地展示在选线人员眼前[20]。选线人员可直接在GIS软件中进行虚拟选线,这种选线方法虽节省了人力物力,并提高了选线效率,但是并没有改变选线人员凭借经验主观决定线路走向的实质。

2.2 模型选线

模型选线的原理与情景选线截然不同,模型选线方法是从数学的角度对选线过程中的影响因子进行综合分析,对各个影响因子赋予相应的权重值,对权重大小进行排序,并建立选线费用模型[21]。在此基础之上,通过GIS技术寻找费用最低的方案,即为最优路径方案。相比于情景选线方法,这种方法更具科学性、实用性,只要费用模型构建合理,采用模型选线方法进行油气管道的勘察设计效率更高,也更可靠。目前模型选线方法主要有GIS技术与遗传算法结合的选线方法以及GIS技术与最优路径技术相结合的选线方法。

1) GIS技术与遗传算法相结合

遗传算法在20世纪70年代由美国人John.H.Hellen教授提出,这种算法可以在一定范围内搜寻出最优解,由于它与生物遗传很相似,故将其称之为遗传算法[22]。GIS技术与遗传算法相结合的选线方法是由计算机在管线经过的地形上随机生成若干点,将这若干点连接起来,沿中心线形成一个带状区域。并根据这个区域计算相关成本并将所得数据输入遗传算法程序中,最终通过程序计算并在GIS软件上生成虚拟路径。Jha M.k和Schollfeld.P运用GIS技术与遗传算法相结合的方法,建立了最优路径模型,并结合计算机可视化技术,完成了管线线路的优化,验证了GIS技术与遗传算法相结合的模型选线的可行性和科学性。这种选线方法能全面考虑影响油气管道选线过程中的各个影响因素,科学性毋庸置疑,但是在选线过程中依然存在很多难题,例如综合考虑所有影响因子很难实现,建模过程繁琐,程序设计困难等,因此,需要一种既能综合权衡各个影响因子,选线过程又不复杂的油气管道选线方法。

2) GIS技术与最优路径技术相结合

最优路径算法,即Dijkstra(迪科斯彻)算法[12],它是由荷兰人Edsger Wybe Dijkstra教授提出的,这种算法的核心思想是以最短路径迭代生成最短路径。下面以一个例子简单地对Dijkstra算法进行说明。

现预备在A至F地修建一条输油管线,要求花费最少。图1中的数字代表从一地修建至另一地所需的花费。Dijkstra算法的计算步骤如下:

① A-C的花费为4,A-B的花费为6,A-B-C的花费为6+2>4,因此排除B-C路线。

② A-B-D的花费为6+2=8,A-C-E-D花费为4+2+1=7,A-C-D的花费为4+1=5,故排除B-D、E-D路线。

③ A-C-E-F的花费为4+2+3=9,A-C-D-F的花费为4+1+7=12,故得出费用最短路线为A-C-E-F。

由图2可以清晰地看出从A-F的费用最低路径走向。相比于遗传算法,采用GIS技术与dijkstra算法相结合进行选线可以避免复杂的计算过程,也不需要冗杂的编程,总体实施过程更为便捷,更易于应用在实际工程中,因此,GIS技术与最优路径技术相结合的选线方法目前应用更为广泛。

图1 线路费用示意图

3 发展建议

综上所述,相比于传统的人工选线方法,基于GIS技术的油气管道选线方法可以较好地解决传统选线过程中设计时间长、耗费人力大、踏勘路途险等问题,但目前这种方法仍存在着诸多技术难点,其中需要重点研究的方向为:

1) GIS的空间分析技术,使其更好地对油气管道选线过程中的影响因子按照权重大小进行排序,以提高选线效率。

2) 基于dijkstra最优路径技术的优化算法,以应对在计算过程中产生两条或多条线路无法对比分析的问题。

3) GIS源数据(DEM、DOM、DLG)处理加工方法,使其转化为油气管线选线所需要的数据。

4) 优化GIS软件,对其进行二次开发以实现管线在DEM上虚拟敷设、即时生成纵断面图、快速计算管件数量以及工程造价计算等功能,为油气管线的线路选择提供精确的决策依据。

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