基于ArcGIS的输气站场管道信息系统开发

秦建安，李文锦，吴 博，张凤丽

（1.中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北廊坊 065201；2.中国石油大学（北京），北京 102249）

0 引言

作为当今世界广泛使用的能源，油气在国民生产、生活中具有不可替代的地位。油气管道是石油石化行业油气运输过程中的主要工具，随着中国经济的快速发展，目前油气管道运输已经发展成了我国五大交通运输业之一[1]，在我国国民经济和社会发展中发挥着重要作用，被誉为国民经济的大动脉。输气站场（以下简称“站场”）是长输管线的枢纽。近些年来，全国各地越来越呈现出站场被“居民区”包围的现象，而且大部分的站场经过多次改扩建工程后，造成地下管网铺设复杂、分布密集，并且相当一部分管道运输的是易燃易爆介质，安全风险系数较高，给站场日常的施工作业、管理培训带来了较大难度，同时也给周围的居住民带来了一定的隐患[2]。在这一背景前提下，站场亟需一套直观高效的系统，来整合站场内外各管线、设备、建筑的信息数据，与目前分散且孤立的各监测、检测系统如数据采集与监控系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）互联，全面提高站场大数据分析水平及站场管理决策能力，确保安全输气生产。因此以ArcGIS作为工具来对站场设备及管线进行建模，并通过数据库对站场设备及管线所产生的各种数据进行存储，不仅对提高站场现有安全水平、突破原有管理瓶颈具有重要意义，同时也是站场实现“智慧站场”三步走发展战略“全面感知—集成可视—智能决策/预警”中承上启下的关键环节[3]。

本系统可实现二维图层展示、地图图层管理、管线标注、管道信息查询、数据维护、管线添加删减、管道生产厂商、使用年限、地图输出等功能，对于整个输气站场来说[4]，在一定程度上保障了站场的安全生产，也能对管道运行进行一定的预测维护，从而为输气站场的运行管理提供决策支持，而且数字管道系统有效提高了管道信息管理的效率。在此基础上，可以进一步为下一阶段应用人工智能技术开展数据挖掘、智能决策及预测预警等研究提供必要的数据基础。

1 ArcGIS概述

地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是从地图中产生的，集数据采集、存储、显示、管理分析与应用地理信息为一体的计算机系统，具有分析处理海量地理数据的通用技术，主要由ArcGIS Desktop，ArcGIS Engine，服务端 GIS和移动GIS组成。其中，ArcGIS中组件都是基于通用组件库实现的，这些组件被称为ArcObjects[5]。

在Internet上发布的地理信息是存储在空间数据库（即Geodatabase）中，Geodatabase是获取和管理GIS数据的全面的应用逻辑和工具，其地理数据分为几何和属性数据。几何数据由点、线、面等基本类型，体现地理空间实体的位置、方向、大小、形状以及拓扑关系等内容；属性数据作为空间地理数据的组成部分，是在空间特性之外对地理要素具体的定性和定量描述[6]。系统的建立分为4个阶段，其基本技术流程如图1所示。在这一过程中，最重要的部分是建立系统数据库来实现对地理空间数据的管理。系统数据库是关于区域内地理信息和地理要素的集合，主要针对图形数据和属性数据的组织和管理，具有明显的空间特征。将各种数据信息等录入计算机建立数据库，当外界信息变换时，只需变动局部数据就能保证数据库的更新[7]。

2 系统设计

2.1 系统架构

信息系统的发展经历了3个阶段：从文件/服务器体系，到客户机/服务器（C/S）体系，再到浏览器/服务器（B/S）体系结构。其中，二层C/S模式是一种基于客户与数据源服务器分散独立的分布式结构系统。客户机和服务器通过“问答”形式进行交互，客户机提出请求，由应用服务响应用户需求，通过对数据库进行数据访问并按用户请求返回客户端。客户端软件一般是由软硬件系统及相应的数据库连接程序组成。而服务器端软件也就是后端一般是某种数据库系统。该模式主要优点是交互性强、安全性高、速度快等。

图1 建立地理空间数据库流程

考虑到站场基础资料的多样、多量性，该GIS系统的体系结构采用二层客户端/服务器（C/S）模式。逻辑结构分为业务应用层和基础数据层2个层次：业务应用层是该系统核心，通过数据库引擎SDX实现用户和数据库之间的交互和通信；基础数据层实现数据资源的存储管理，由空间数据库和属性数据库组成。系统架构如图2所示。业务规则放在客户端，由管网管理、维护、规划、管道施工监测等部分构成。

图2 输气站场管道信息系统总体架构

2.2 输气站场信息系统建立

模型构建是信息系统搭建的前提，为数字展现的需要，可以使用的数据主要有矢量数据（基础地理数据）、地形数据（数字高程模型（Digital Elevation Mode，DEM））、影像数据以及厂区以前的模型粗略图等。数据准备工作可分为地形建模和建筑物建模2部分。通过电磁感应和全球地位系统（Global Positioning System，GPS）对站场基础设施有一定掌握，然后通过站场施工图、管线安装竣工图等对站场管线进行精确的数据采集，然后通过处理形成ArcGIS能够加载的数据格式，再经过修模、校正等过程形成合理的数据，最后导入Geodatabase。模型在构建过程中，需注意地下含有埋深信息的管线数据和含有高度的桥架数据，且管线数据和桥架数据的空间参考必须一致。

模型构建完成后，采用数据库SQLServer2012存储系统的空间和属性数据等，将不同类型的矢量数据、数字高程模型数据、遥感影像数据和站场管线管材、尺寸数据等实行一体化存储、管理和调度。技术路线如图3所示。

图3 GIS系统实现技术路线

3 输气站场管道信息系统实现

3.1 模型构建

通过前期的站场实地测量及站场各路管线设备安装及地下管线的铺设采集到的数据分为两部分。

将已经获取的站场数据通过创建图层的方式导入ArcMap，首先要设置默认地理数据库用来存储绘图过程中的地理空间信息，而每个地图文档都有一个默认地理数据库，作为地图空间内容的本地位置，此位置可用于添加数据集和保存各种编辑操作和地理处理操作生成的结果数据集。然后通过Catalog创建需要的点线面要素，按照实体数据添加要素内容，如站场设施属性信息，包括管道的基本参数和管道的生产日期、使用年限、生产厂商和维修次数等。要素编辑完成后，可以在二维场景中点击图层进行属性查看。最后，通过“图层打包发布”工具打包场景，并在ArcGIS Online发布为服务。

图4 站场二维地图场景

3.2 数据库搭建

数据库是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库，在近几十年才开始兴起，特别是21世纪初，数据管理不再仅仅是存储和管理数据，而转变成用户所需要的各种数据管理的方式。数据库有很多种类型，从最简单的存储有各种数据的表格到能进行海量数据存储的大型数据库系统，在各个方面得到了广泛的应用[8]。

按照需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行和维护6个方面考虑来设计数据库，先了解用户的要求，根据用户需求进行归纳汇总，形成一个独立的概念模型，将概念结构转换为支持的数据模型，并对其进行优化；然后为逻辑数据模型选取一个适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）；之后运用SQL数据语言及其他语言，根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行试运行。在数据库建好后，就需要对数据库进行日常运行和维护，数据库系统运行过程中对其进行评价修整。输气站场管道信息系统数据库如图5所示。

图5 SQL Server创建地理信息数据库

数据交互功能是实现信息系统数据分析和处理的基础，Web前后台数据交互有4种方式：利用cookie对象、利用session对象、利用request重定向设置setAttribute、利用Ajax进行异步数据请求。其中，Ajax是当下实现数据交互最简便的方式。Ajax全称是异步的JavaScript和XML。而JavaScript是一种直译式脚本语言，是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，内置支持类型。它的解释器被称为JavaScript引擎，又称为编译器为浏览器的一部分，最早是在html网页上用来给网页增加动态功能。用JavaScript编程的优点是，可以直接在记事本等文本文件中直接编辑，不需要专门的软件来编程，而JavaScript也从过去的鸡肋发展成现在浏览器主流的开发语言，可以和各种浏览器进行无缝连接。实现前后端数据交互方式如图6所示。

4 结论

目前，探索“智慧站场”逐渐成为应对新一轮工业化、信息化建设的有效途径。本系统将传统地形图与现代遥感技术、地理信息技术结合，实现了计算机上的数字管道信息管理，可以快速、准确、形象地显示输气站场和管线地形的电子地图，节省工作人员查阅海量图纸文件和计算分析的时间和精力，采用遥感和地理信息技术实现对管道资源、环境、社会、经济等信息的获取，建立数字管道系统，提取方法先进，使得管道管理人员可以方便地获取管道信息，突破了靠人工管理管道信息的局限性，有效提高管道信息管理水平，进而提高管道运营管理水平、安全生产水平，进一步为管道运营提供决策支持和服务，为数字管道新的运行模式提供有力的技术支持。

图6 实现前后端数据交互的流程