基于时空GIS 的油气管道智慧管理平台研究

王 璇

（东方通用航空摄影有限公司，山西 太原 030031）

0.引言

随着我国经济快速发展，对能源的需求与日俱增，管道作为继铁路、公路、水运、航空运输之后的第五大运输业，是保证能源运输安全、低耗的有效方式，在国民经济和社会发展中起着十分重要的作用。

油气管道主要用于石油、天然气的输送，是国民经济建设的重要基础设备。我国大部分石油、天然气都是依靠管道来运输。而油气管道的安全是建立在与国民经济发展、社会技术进步协调一致的法规标准和安全管理水平的基础之上，常规手段在其管理中体现出诸多局限。一是缺乏动态的时空数据支持，无法及时反映管道情况；二是无法根据最新的地理空间信息及多源传感器实时数据进行智能化分析及辅助决策，实现管道的智慧管理。虽然现在已有不少案例将空间信息技术应用于管道管理中，但在智慧管理方面不够深入，缺乏完善的空间信息系统来整合空间地理信息与实时传感数据，切实保障管道运营安全，这些需要借助科学技术手段来实现。

1.关键技术研究

为实现油气管道的智慧管理，考虑到平台建设周期较长、传感数据量较大、空间数据类别较多等特点，需要对以下关键技术进行突破。

1.1 多源传感器实时数据接入

在油气管道智慧管理平台的建设过程中，需要将全方位、多特征的多源传感器信息转化为有价值的信息，经历从感知到认知的信息抽取与提炼的融合过程。通过基于时间、空间和环境的认知，进行时空信息自主加载和内容融合，可促进当前浅层空间信息处理服务向深层空间智能服务的过渡，为进一步地决策分析提供支撑信息。因此传感器实时数据不是简单地接入而是要进一步完成深入的时空关联、内容融合。

实时数据的接入与加载主要是针对现有数据难以有效集成来满足油气管道运行管理需要的瓶颈问题，完成多源传感器信息的实时接入与空间关联、多源异构信息的自主加载与内容融合等功能，以实现支撑油气管道智慧管理平台的时空信息实时接入、动态加载与综合集成。

传感器实时数据的接入包括传感器的接入、数据的处理和存储、传感服务消息的监听，其中用户可以自主选择、修改和删除接入的传感器及数据的处理方法，同时还能将静态数据（矢量、栅格、模型）和离线动态数据导入数据库。传感器与实时接入系统要满足从传感器接入系统获取数据并解析和处理，并用统一的方式将数据存入数据库中，支持导入静态数据和批量导入离线动态数据。另外，还要监听传感网服务消息（新传感器注册、开始观测、暂停观测和删除），并能够处理消息。传感器实时数据系统架构图（如图1 所示）：

图1 传感器实时数据系统架构图

由于多源传感器在各自观测获取、传输与播发数据时的时空参考系统各异，因此接入的观测数据不能直接叠加，需要进行坐标系变换和位置转换，统一多源传感器的时空基准，确保多源传感器信息时空一致性。在时空基准统一的基础上，顾及传感器观测数据的误差机制，建立误差模型，采用滤波、联合平差、控制点辅助纠正等多种手段，校正原始传感器数据，提高数据精度和可靠性。

1.2 时空数据库建设

时空信息数据库需要建设和整合的主要内容包括：元数据库、矢量地形图、遥感影像图、数字高程模型、地理实体数据、地名地址数据等基础空间信息，还有管线自身的相关数据信息、转折点、场站、节点等数据信息以及多源传感器、物联网相关数据信息。

目前，常见的GIS 系统只支持多维静态或准静态的地理对象，描述的是数据的一个瞬态，当数据发生变化时，用新数据覆盖旧数据，系统成为另一个瞬态，虽然保存了历史数据，但缺乏动态数据组织，难以实现历史数据的集成分析功能。传统空间数据生产与更新工艺是一个线性串行的过程，工艺环节多、信息损失大、工作效率低、容易引发数据的一致性问题。在数据库更新时，更多的是采用整库更新方式，用一个时刻的静态地理对象，替换更早时期的地理对象，无法完全满足当前应用的需要。

在新技术条件下，重新审视地理信息的存储和表达方式，突破传统地理信息认知，建立面向业务和动态变化的空间对象数据模型，构建时空数据库，存储和管理面向业务和动态变化的实时地理信息，满足对地理信息业务化和实时化的需求。树立GIS 是一个业务过程的理念，实现空间数据生产与更新一体化。业务工作产生和引发的变化，实时体现到时空数据库中。

2.系统建设

2.1 建设思路

油气管道智慧管理平台的建设目标是：通过对油气管道引进科技化技术手段，结合之前的人防手段，进行技防加人防相结合的综合性检测管理，实现管线巡检手段科技化、管线现场视频监控实时化、监测图像清晰化、管线线路GIS 显示可视化，有效提供对管线的智能化管控平台建设的数据支撑，为相关部门应急指挥提供必要的辅助决策信息支撑，集火灾自动探测、热值超温报警、三维GIS、联动控制、应急指挥及辅助决策管理等多功能于一体的智能化综合管理系统，实现管线的安全高效运营管理。

（1）通过无人机智能巡线方法，结合人工巡线，最大程度减少人力损耗，并能够对高危风险点实现远程智能、高效、科学化和可视化监测。

（2）通过配置人工巡检APP，实现对人工巡检路线记录、考勤打卡、隐患上报、图片视频上传、坐标定位等功能。

（3）管道沿线设置热成像加可见光双模式的视频监测设备，通过市电或者太阳能供电方式，采用无线传输加有线传输相结合的方式，将管道的视频监控设备图像实时传输至管道管理监控中心，实现远程的视频预警监控，同时热成像技术可实现管道超温报警、泄露监测、腐蚀监测报警等功能。

（4）系统配置层（DBA，即数据库运维管理，核心目标是保证数据库管理系统的稳定性、安全性、完整性和高性能）：主要功能是数据库结构定制、用户设置、流程定制、WEB 发布管理、综合管理界面设置、系统间联动设置、编码管理、报表格式定义等。

2.2 总体架构

油气管道智慧管理平台以时空数据库为基础，由数据采集和传输网络层、信息展现层、数据储存层（数据库）、系统配置层（DBA）、核心应用层、数据挖掘层、决策指挥层和WEB 操作层构成，实现信息的完全共享和各种业务的无缝集成。

（1）数据采集和传输网络层：主要包括服务器、交换机、路由器、线路和采集设备等网络设施建设。

（2）信息展现层：主要包括图形工作站、大屏幕、电视墙、视频会议、投影设备、喷绘设备、3G 智能终端等相关设施建设、基于GIS 的综合查询和基于门户网站建设的WEB 应用。

（3）数据储存层（数据库）：从逻辑上把数据库划分为静态数据库、时空数据库，实现分布式管理，其中静态数据库存放普通数据和静态文档，时空数据库存放监测监控的实时数据以及时空数据模型。

（4）系统配置层（DBA）：主要功能是数据库结构定制、用户设置、流程定制、WEB 发布管理、综合管理界面设置、系统间联动设置、编码管理、报表格式定义等。

（5）核心应用层：主要包括油气管道三维地理信息系统、油气管道灾害预警系统、三维监测监控系统、综合调度指挥系统等应用系统。

（6）数据挖掘层：主要包括安全检查、质量检查、查询结果的导入导出等，该层主要用于信息的挖掘、分类和汇总。

（7）决策指挥层：主要包括效益分析、计划制定和调整、工程进度控制、生产和安全隐患的集体会诊、可视化指挥调度等。

（8）WEB 操作层：通过DBA 的 WEB 发布设置，实现Internet 上的远程操作和信息管理。

2.3 数据库设计

2.3.1 时空信息数据模型

(6)观察和记录深、浅标记的连续读数，当数据处于稳定水平时，将其作为初始读数。之后，开始注水，将水位保持在30～40 cm。为了使每天的用水量都很清楚，该实验配备了精度为0.1 m3的水表，并运用水平仪进行连续观测，通过深浅标点上标尺和基准点读数的变化记录沉降。

时空信息数据存储于非关系型数据库之中，采用对象版本来表达时空过程，主要支持栅格（影像、地形）、矢量、三维模型、传感器数据和时间序列，也可以扩展支持其他类型数据。地理空间对象的内部编码存储结构，则可引用WKB 方式（开放地理空间联盟OGC 规定的一种以二进制形式描述空间数据的格式规范），直接以二进制进行存储。

时态空间数据库数据组成框架（如图2 所示）主要有栅格、矢量、模型、传感器和时间序列五类数据，可通过地理过程、图层和属性三种入口来访问，借助于地理过程入口，可获取地理对象的演化过程；借助于图层入口，可浏览地理对象信息；借助于属性入口，可从属性描述检索到相关地理对象。

图2 时空GIS 组成框架图

在对象模型（如图3 所示）中，一个地理过程由多个对象版本描述；一个图层包括多个同类型的地理对象；地理对象包括栅格、矢量、模型、传感器和时间序列五类，可以有属性描述和空间数据；事件在被触发时可以作用于若干对象，而相关对象也会对事件进行响应。

图3 时空地理信息对象模型

2.3.2 时空信息数据管理

时空信息数据的管理包括：数据输入输出、数据可视化、查询统计、数据分析、动态更新、安全管理与维护等工作（如图4 所示）：

图4 数据库管理系统业务逻辑图

2.4 核心应用层

2.4.1 油气管道三维地理信息系统

2.4.2 油气管道灾害预警系统

灾害预警是实现安全运营的重要内容，根据各种二维、三维地理信息系统和各种监测信息，利用系统提供的水文地质模型、地应力地质模型、地温分布模型自动进行动态参数预测和异常叠置分析，再结合各种灾害发生的条件和规律，进行管道泄漏、火灾等突发情况进行预警。

2.4.3 三维监测监控系统

三维监测监控系统以油气管道三维地理信息系统为基础，通过传感器网络、RFID 网络、视频监控网络、无线通讯和工业自动化网络等新技术的深层应用，实现监测监控—信息汇集挖掘—分析诊断—预测预报—信息发布（通过计算机屏幕和手机短信）—决策支持的闭环运行。主要包括安全监测子系统、输配电监测监控子系统、地面热源监测监控子系统、管道压力监测监控子系统、水文监测子系统。系统不仅可以实现实时数据的图形显示、报表查询、声光报警、快速定位，更重要的是可以通过虚拟现实技术，实现对监控信息的真三维模拟。

2.4.4 综合调度指挥系统

综合调度指挥系统可实现地理信息查询、预警信息发布、综合信息查询、日常调度管理、应急指挥、应急预案管理和应急预案快速启动等功能。利用该系统可实现把在C/S 平台上建立的二维和三维地理信息系统自动转化为WEB 地理信息系统，通过浏览器在B/S 结构上实现了面向位置的生产、安全、管理等信息的查询、审核和分析，通过短消息平台、广播系统和声光设备进行信息的定期预报、超前预警和快速报警以及应急系统的快速反应和动态联动，可以通过实时三维模型查询各种地理信息、地质信息、设备信息和生产信息，集中显示监测监控系统的实际状态、以及移动设备和人员的位置，也可以显示避灾线路和救灾线路，实现基于虚拟现实的三维指挥调度、应急指挥和应急预案快速启动。

3.结束语

基于时空GIS 的油气管道智能管理平台的研究和建设有利于提升油气管道安全运营管理水平，为实现油气管道应急救援智能化分析及辅助决策提供了一体化空间信息服务，对于拓展地理信息应用范围、提升地理信息资源开发利用水平、发挥地理信息资源的效益具有重要作用和深远意义。