三维输油管线信息管理与安全预警系统研究

曹端广 张子民 周 英 李 锦 邢华桥

1山东建筑大学测绘地理信息学院，山东 济南，250101

随着城市化的快速发展，城镇基础设施越来越完善，输油管道穿越人口密集区、环境敏感区的情况日益突出，给管道企业安全平稳运营提出了严峻的挑战。计算机技术和测绘技术的快速发展，地下管线数据管理也面临着由二维平面向三维空间的转变。地下管线三维模型能够直观再现地下管线纵横交错的空间位置关系，为辅助规划建设、合理集约利用地下空间、保障管线安全提供有效技术支撑［1，2］。对于三维管线管理系统来讲，目前国内外普遍采用GIS技术、仿真技术，通过建立数学模型进行管线的模拟和分析处理［3］。国内外三维GIS软件产品繁多，选择合适的平台至关重要，关系着模型精度和显示速度，在WEB端实现海量三维数据存储和快速显示是目前国内外学者的研究热点［4］。卢丹丹等［1］在进行武汉市地下管线三维模型建设工作中研究出一种利用OpenGL实时绘制三维管线段的高精度自动三维建模技术；Mathias等［5］采用GPU射线投射的方式研究出基于体素（Voxel）的大型三维管线渲染方式；马波等［6］基于地图符号化思想，研究出一套适合城市地下管线二三维一体化存储、更新、展示和应用的数据库设计；毕天平等［7］采用视点相关球面LOD（levels of detail）算法和面向服务的架构进行三维管线系统的开发。本文利用SuperMap开发平台，搭载倾斜摄影和三维输油管线等模型，设计和实现了三维输油管线信息管理与安全预警系统。在系统设计与实现的过程中解决了3个主要技术问题：一是选择出最合适的三维管线建模方法；二是实现大数据量倾斜摄影实景三维模型在浏览器快速加载与显示；三是利用缓冲区分析和Dijkstra算法结合实时交通信息数据进行安全预警。系统的设计与实现帮助油气运输企业进行信息化管理并在发生安全事件时提供决策支持。

1 系统设计与实现

1.1 系统总体结构

系统层次架构分为应用层、服务层、业务逻辑层和数据层。应用层有WEB服务接口、GIS服务系统和离线应用子系统；服务层包括WEB Service服务、GIS接口和ADO（active data objects）对象模型。业务逻辑层有GIS基础平台、工作流和中间件；数据层中包含3种数据，分别为基础地理数据、倾斜摄影数据和三维管线数据。

系统技术架构采用SpringMVC作为总体架构，使用SuperMap iServer和Tomcat7.x作为WEB服务器引擎，前端渲染使用了Webgl和Echarts，地图渲染使用了Cesium和SuperMap。数据库使用了Oracle 11g数据库。

1.2 系统功能

系统设计实现了图层控制功能模块、数据浏览功能模块、查询定位功能模块、数据分析功能模块、动态标注功能模块和系统管理功能模块，图1为系统功能模块图。

图1 系统功能模块图Fig.1 System Function Block Diagram

图层控制功能模块用于控制系统中不同图层的开启与关闭。图层类型分为基础图层和三维要素图层，基础图层包含影像图层、矢量图层、注记图层等，三维要素图层包含三维管线管点、倾斜摄影实景模型、三维地形模型。

数据浏览功能实现以不同方式浏览查看系统中的数据，其中包含分屏对比、场景卷帘、飞行漫游和VR展示。分屏对比可以实现二分屏、三分屏和四分屏；场景卷帘实现上下和左右卷帘；飞行漫游沿设置好的不同航线进行飞行浏览；VR展示功能可以查看系统中的VR场景数据。

查询定位功能模块可以进行属性查询和阀室定位。属性查询可以查询管线的属性信息也可以查询倾斜摄影模型单体化信息，属性查询可以查询管线的类型、材质、形状、尺寸等属性，双击查询结果列表可以定位管线所在位置。阀室定位功能通过阀室编号快速定位阀室所在位置。倾斜摄影单体化之后的模型属性包含名称、行政隶属、人口数、所属单位等信息。

数据分析功能模块中包含空间量算和空间分析两个子功能模块。空间量算功能可以实现距离量算、面积量算和高度量算，距离量算通过点击选取三维空间中两个坐标点位并计算其空间距离；面积量算是计算空间中3个及以上点位形成的平面的面积；高度量算是计算空间中两个点位的垂直高度。空间分析功能模块包含横断面分析、开挖分析、缓冲区分析和应急预案模拟4个子功能，横断面分析是在管线区域画一条横截面线，使其与地下管线相交，根据相交情况获得地下管线横截面和埋深等信息，此功能可以为道路施工等相关单位提供决策支持［8］。开挖分析进行倾斜摄影开挖，将选中区域的倾斜摄影模型隐藏，显示模型下方的管线管点模型。缓冲区分析是以点或线为基础，建立周围一定宽度范围内的缓冲区图层并查询此范围内的管线管点信息。

动态标注功能模块是用户对风险性高、容易发生安全事故的POI（point of interest）信息进行标注入库，在后期的运维过程中用户重点关注这部分信息，从而提高信息管理的效率，其中包括标注信息的展示和标注信息的管理。

系统管理功能模块是对系统用户和系统使用的说明指导，包括系统用户管理和系统帮助文档两部分。系统用户管理可以对系统用户基本信息进行增删改查等基本操作，同时可以对不同用户的权限进行设置，以满足不同用户角色的需求。点击系统帮助文档可以在线查看系统的操作说明。

2 系统实现的关键技术

2.1 输油管线的精细化三维建模技术

当前三维建模技术主要有两种：一是数字表面模型集成地物手工三维模型，即在包含了地表建筑设施、水系、植被等的数字表面模型上叠加研究所需的地物手工三维模型［9］；二是倾斜摄影模型结合地物单体化操作，将倾斜摄影实景三维模型进行切割单体化，使地物成为带有属性信息的个体［10］。系统集成了多种三维模型，综合各种建模技术特点，考虑到建模工作量和投入，对于大场景采用数字表面模型，输油管线沿线地物采用倾斜摄影模型，输油管线设施设备采用手工三模模型。

三维管线管点建模方法种类繁多，大致可分为以下3种类型：手工精细化建模、基于规则的建模和符号化建模。综合三种管线建模方法，系统采用符号化建模方法。利用SuperMap符号化建模方法对部分管线管点二维矢量数据进行建模流程如2所示。首先将矢量数据导入软件中，利用数据类型转换功能将二维点和二维线转换为三维管点管线，转换依据为点数据高程值和线数据的起始点、终止点高程值，通过拓扑构网方式将三维管点管线构建三维网络并将生成的三维网络数据集添加到三维场景中；然后使用制作专题图实现三维数据符号化，将符号风格、符号颜色、符号大小与数据属性表中相应的字段进行关联，关联成功之后按符号风格进行显示，图3为显示效果；最后将配图好的三维场景生成场景缓存，如果需要在前端调用，则使用SuperMap iServer将场景发布为服务。

图2 管线管点建模流程图Fig.2 Flow Chart of Pipeline Point Modeling

图3 管线管点建模效果图Fig.3 Pipeline Point Modeling Effect Diagram

2.2 倾斜摄影实景三维模型的快速可视化技术

倾斜摄影实景三维模型是使用Smart3D软件（即ContextCapture）对倾斜摄影所得影像数据进行实景建模，生成的三维模型数据为三维引擎定义的osgb格式。实景三维模型具有数据获取效率高、模型显示效果逼真等特点。模型的空间分辨率很高，可达0.1 cm甚至更高，因此其数据量巨大，如何在浏览器中快速加载和显示倾斜摄影模型，是需要解决的一个重要问题［11］。为解决此问题，系统在加载实景三维模型前对模型进行压缩，在不影响显示效果的前提下提高加载速度，压缩使用了合并根节点和纹理压缩两种压缩方法。

合并根节点压缩技术：倾斜摄影模型数据通常采用分块（Tile）方式存储，即在一定空间范围的模型划为一个块并存储在一个文件夹中，每个文件夹下包含一个根节点文件和若干子节点文件［12］。系统通过索引文件记录根节点相对路径加载模型。当模型空间范围广、数据量庞大，使得模型被划分为很多个根节点，读取这些根节点花费时间较长导致加载模型较慢，通过合并根节点来提升加载效率。合并根节点是将相邻一定空间范围的根节点合并为一个根节点，即向上抽稀形成一层更为粗糙的LOD层级，每合并一次，模型根节点数量减少为原始数量的1/4，合并根节点后示意图如图4所示。

图4 合并根节点后示意图Fig.4 Schematic Diagram After Merging Root Nodes

倾斜摄影纹理压缩技术：纹理压缩是将倾斜摄影切片的纹理压缩成适合特定设备的纹理格式从而优化倾斜摄影数据在三维场景中的渲染功能。根据适用设备，纹理压缩分为3种压缩类型：DDS（direct draw surface）是以定长压缩形式存储图形数据，在PC端直接被显卡支持，从而节省大量的显存。iOS系列设备移动端压缩纹理是针对iOS系列设备的压缩纹理格式，压缩比高达16∶1，在该比例下仍然保持较好的贴图质量，由于移动设备资源有限，其显存往往与内存共用，此压缩方式可以在不损失贴图质量的情况下节省大量的内存。Android系列设备移动端压缩纹理是针对Android系列设备的压缩纹理格式，在OpenGL ES 2.0中定义，适用于所有支持OpenGL ES 2.0的Android平台设备［13］。

2.3 输油管线的安全预警技术

当输油管线某处发生泄露或火灾情况时，系统可以进行应急预案模拟。在地图中添加事故点位置，系统首先通过缓冲区分析，查询出距离事故点最近的安全巡检工人和此管线上游阀室，系统从数据库中调出巡检工人的个人信息，管理员拨打巡检工人电话通知其去关闭上游阀室。同时缓冲区分析还查询出距离事故点最近的消防队、医院和警察局的坐 标位 置，系 统基 于Dijkstra算 法［14，15］计 算 出消防车、救护车和警车到达事故点的最短路径，系统在选择最佳路径时，除了要考虑路线长短，还要考虑每段道路的拥堵程度，所以利用通行时间最短作为选择依据最为合理。通行时间属性通过距离和通行速度的商值确定，系统通过解析实时交通信息（real-time information of China，RTIC）数据获取道路的通行速度，以道路网中路段长度作为通行距离［16］。如图5所示，在地图中展示3种车辆按照此路径模拟从出发到抵达事故点进行救援的行驶路线。

图5 应急预案模拟效果图Fig.5 Emergency Plan Simulation Effect Diagram

3 结束语

三维输油管线信息管理与安全预警系统的开发为石油运输企业提供了更加科学、直观的管理手段，在发生管线泄漏、火灾等安全事件时能够辅助管理者进行决策。对比分析不同三维管线建模方法，找出以SupMap软件为代表的符号化建模方法更加适用于城市级别的三维管线批量快速建模。通过合并根节点和纹理压缩技术将倾斜摄影实景模型进行压缩，可以有效提高模型的显示速度。利用缓冲区分析和最短路径Dijkstra算法的安全预警技术，生动形象地进行应急预案模拟，为管理者提供直观、可靠的决策依据。