基于三维GIS的化工园区公共管廊数字化管理平台研究

孙柏，张涛，常松，刘旭，马伟

(正元地理信息集团股份有限公司，北京 101300)

0 引言

化工园区内公共管廊用于敷设各个厂际间管道，是各厂区之间管道连接的”桥梁”，多由园区管理部门或委托专业的管廊运营公司组织规划、设计、建设及运营工作。化工园区一方面面临减量淘汰、重新认定的时代变革，另一方面也面临提质升级的历史机遇。为避免化工园区在发展过程中出现管道“蜘蛛网”，及危险化学品输送管道散乱分布导致的安全隐患突出的问题，行业提倡有条件的化工园区发展公共管廊基础设施建设。按照行业数字化发展和智慧化工园区建设要求，结合GB/T 36762—2018，应用地理信息(GIS)、三维模型、AI智能算法、导航定位、视频智能分析等先进技术，研究探索化工园区智慧公共管廊数字化管理平台建设，致力于提高公共管廊管理的科学性、规范性和有效性。

1 化工园区公共管廊管理面临的问题

由于化工园区公共管廊在园区范围分散布设，廊上多种危化品输送管道汇聚，直接服务于园区企业的日常生产，围绕已经入廊及新入廊管道的日常施工及运维经常出现，如何提高公共管廊管理水平，保障安全运行、增强服务能力、落实安全作业将是化工园区公共管廊管理面临的重点问题。

1.1 管廊上敷设的化工管道多，一旦发生事故容易引发多米诺效应

很多管道在公共管廊上集中敷设，其输送的物料多为易燃易爆或有毒有害的危化品，一旦有管道发生泄漏、火灾、爆炸等事故，容易引发周边其他管道失效，形成多米诺效应[1]，造成园区大面积停工停产，从而导致园区安全环境灾难、造成重大经济损失。

有研究表明，化工管廊发生火灾时，管道失效时间与管道材质、管径、输送介质、输送流量等因素有关；事故管道及时关阀，有助于阻断事故沿管道传播的机会，降低化工园区事故扩大化的风险。根据对事故案例统计和研究，火灾发生的2～10 min内，入廊管道就会陆续失效，在此时间范围内采取有效的应急救援措施可以及时控制事故态势。

1.2 公共管廊服务园区所有企业，服务对象多、协同管理的要求高

公共管廊需要服务园区内所有有需要的企业，为企业提供基础设施保障服务。公共管廊服务对象众多，其中入廊管道的权属单位是企业，管廊主体结构的权属单位是管廊运营公司或园区管委会，进入管廊区域作业的单位多是第三方施工服务单位。由此可知，化工园区公共管廊管理涉及对象多，工作协同度高，管理难度大。公共管廊管理工作需要明确责任主体，落实管理边界，实现权责清晰的专业化运营。

1.3 公共管廊区域临时施工和特种作业多，边运行边施工导致管理难度大

公共管廊作业活动涉及高处作业、电工作业、焊接与热切割作业、危险化学品安全作业等多种特种作业，危险程度高，施工关联度大。随着入廊管道数量增多，廊上管道长距离集聚，维修清洗置换难度大[2]。一条入廊管线的施工作业，需要尽量避免其对周边其他工作管道的安全运行造成影响。公共管廊及工作管道在工作状态下，周边同时施工作，规范施工管理和管廊安全保障，工作难度相对较大。

1.4 公共管廊建设不是一次性建设的，要整体规划、按需分步实施，对建设管理要求高

化工园区公共管廊规划设计一般应纳入园区总体规划，根据园区规划的总平面图来进行规划，结合园区入驻企业的需求分步、分期来组织实施。而且由于入驻园区的企业和企业对公共管廊的需求存在不确定性，因此一般会在已有企业入驻的区域先施工以满足企业生产需求。按照需求变化情况，灵活组织安排管廊建设实施[3]。另外，由于企业搬迁、停产、转产、扩大产能等原因，需要及时跟踪、妥善处置、合理规划已入廊和即将入廊的管道。

2 公共管廊数字化管理平台总体设计

为了解决上述问题，通过依托三维地理信息技术发展，研究发展了一套适用于公共管廊管理服务的数字化管理平台，提升管廊管理公司数字化管理能力，保障管廊及入廊管道安全运行，同时用数字化建设推动管廊公司管理革新。

化工园区公共管廊数字化管理平台利用二三维地理信息技术、大数据物联网技术、5G通讯、导航定位技术等，以公共管廊基础数据为支撑，以物联网实时感知监测为基础，围绕管廊安全运行在线监管、日常巡检维护、运营服务管理、应急资源管理等具体需求，打造综合型的一体化管理平台，从而保证公共管廊健康稳定的运行，通过高效科学的管理，降低事故发生的可能性[4]。公共管廊数字化管理平台业务架构如图1所示。

图1 公共管廊数字化管理平台业务架构

前端感知层：通过布设廊体沉降、表面应变、廊体震动等廊架结构稳定性监测设备，边界入侵、视频监控、气象环境等管廊周边环境监测设备，接入入廊管道监测设备信息等，提供全面的管廊运行状态实时监管能力。

通讯传输层：指定统一的物联网通讯协议，并提供企业信息接入接口，管委会平台对接接口；建立信息通讯网。

数据资源层：建立地理信息库、三维模型库、管廊基础信息库、地下管线基础信息库、在线监测数据库、业务数据库、分析数据库等。

应用支撑层：科学实现数据资源管理和应用，提供基础平台级的支撑服务。具体包括时空数据管理服务、物联网统一接入服务、视频管理分析服务。

业务应用层：包括公用管廊安全运行在线监管系统、公共管廊日常巡检维护管理系统、公用管廊运营服务管理系统、公共管廊应急资源管理系统、建设项目全生命周期管理系统等。

应用服务层：主要包括园区管委会、管廊运营企业、管道入廊企业、第三方服务单位。

3 公共管廊数字化管理平台具体内容

3.1 管廊前端感知体系建设

前端感知体系建设从管廊结构稳定、管道运行安全、周边环境情况、日常管理与应急需要等方向整体考虑。

为保障管廊结构安全稳定，考虑地面沉降可能给管廊结构稳定性带来的破坏，采用压差式沉降监测设备监测廊体沉降情况[5]。对管廊关键承重构件进行应力应变监测，并通过温度补偿校核，实时反应承重构件应力应变情况，避免局部过载造成的管廊结构破坏。分析管道压力变化、风力影响等因素，可能引起廊体震动，为避免过度震动带来的破坏，设计安装震动传感器，实时监测廊体震动频率和震动幅度。

为了解管廊周边环境情况，及时判断危险因素可能对管廊造成的影响，在管廊周边设置视频监控，并通过视频智能分析，及时判断人员、车辆等进入管廊区域情况。同时，通过高空热成像视频监控，可以及时发现廊体火灾和高温管道运行情况。通过安装光纤入侵监测设备，能在管廊周边布置周界监测，第一时间判断外物进入管廊区域情况。通过风速风向监测和气体特征污染物监测，分析周边环境气象情况及气体泄漏情况。进而从管廊周边环境方面确保管廊安全。

对入廊管道的运行状态进行实时监测，及时了解管线运行的压力、流量、温度等指标信息，从而能第一时间判断入廊管道、尤其是危化品输送管道的状态及安全性。

为确保现场落实管廊公司管理要求、方便入廊作业人员工作、规范日常巡检工作，在公共管廊区域采用物理标签(不锈钢板)和RFID电子标签相结合的方式，发布管廊管线信息及提示警告等。同时，考虑采用无人机巡检、融合通讯等设备，提高管廊事故应急处置能力。

3.2 管廊数据资源体系建设

按照时空数据库建设及三维模型数据标准要求，构建结构严谨数据资源管理体系，结合三维GIS平台基础数据管理、可视化呈现效果等方面的优势，实现化工园区管廊数据管理“一张图”。公共管廊数据资源统一采用CGGS2000(国家大地2000坐标系统)、1985国家高程基准坐标，为数据资源统一管理提供条件。在基础地理数据、管廊基础数据的支撑条件下，将三维GIS平台与管廊三维模型充分融合，为管廊数字化管理提供全面可视化的基础数据支撑，如图2所示。结合物联网监测数据、业务管理数据、数据挖掘分析数据，打造化工园区公共管廊数据资源中心。

图2 化工园区公共管廊三维模型

公共管廊三维地理信息平台，在公共管廊三维模型与入廊管道三维模型数据融合的基础上，可进行全面的三维地图操作和三维空间分析，包括净距分析、管位分析等，如图3所示。

图3 化工园区公共管廊的入廊管道三维模型

3.3 基础应用支撑体系建设

基础应用支撑体系是业务应用的综合支撑和平台保障。其中，时空大数据服务系统是在二维地理信息服务和三维地理信息服务的基础上，进行全面的时空信息管理，提供基础地图数据应用和模型数据应用等功能。物联网统一接入系统是对所有的物联网设备进行管理，建立清晰的物联感知设备清单，提供标准的通信传输协议接口及非标准协议转换工具。平台通过直接调用视频智能分析软件提供的服务，实现视频监控越界报警和火灾、温感监测等内容。

3.4 管廊业务应用系统设计

围绕公共管廊运营管理单位业务需求，为便于应用，业务系统均采用B/S架构设计，其中，日常巡检维护管理系统采用桌面端+移动端的方式设计。系统具体应用及功能如表1所示。

表1 公共管廊综合业务应用系统功能描述

4 结语

基于三维GIS的化工园区公共管廊数字化管理平台是在公共管廊及入廊管道三维模型数据和在线监测数据的基础上，通过将物理空间中的真实管廊全面一一映射到虚拟的数字空间，从而探索建设一座“数字孪生”管廊，为打造化工园区公共管廊精细化管理方式和管理单位数字化改革奠定了坚实基础。充分考虑公共管廊安全运行与企业服务的实际作用，有针对性的按需建立各业务应用系统，将会进一步提升化工园区公共管廊管理单位的管理能力。