石化环保数字化转型中GIS应用与发展探讨

赵欣梅

（石化盈科信息技术有限责任公司，北京 100007）

国家在《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》中提出，“构建生态文明体系，推动经济社会发展全面绿色转型”“以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”[1]。《“十四五”节能减排综合工作方案》发布，进一步标志着我国生态文明建设进入以降碳为重点战略方向、促进经济社会发展全面绿色转型的关键时期[2]。我国石化企业近年已提升环保数字化水平，打造了环保管理新模式。高效环保管理核心驱动力是海量环保数据，而85%以上环保数据与空间位置有关[3]，因此地理信息技术（GIS）能满足更深层次环保应用，助力数字化转型。

1 石化行业GIS应用概况

1.1 GIS技术

GIS是以地理空间数据库为基础，在计算机硬件支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析和模拟演示，并采用地理模型分析方法提供动态的地理信息，服务于地理研究和决策的计算机技术系统，可应用于日常管理和决策。近年信息通信技术（ICT）产业加速创新，为深度挖掘行业应用、探索更高效的行业数字化转型进行积极的技术储备[4]。ICT的发展促使作为地图和信息技术有机结合体的GIS与云计算、大数据、物联网、AI和VR等技术加速融合创新[5]。

GIS与环境科学在研究对象和研究方法上有一定的相似性和互补性，二者结合可应用于环境管理、环境规划、环境影响评价、环境模拟预测、环境应急预警预报、环境工程和环境地球化学等多个领域，GIS强大的专题制图功能和空间分析能力能够有效处理具体环境问题。

1.2 石化行业GIS技术应用

GIS技术已成功应用在我国农业、林业、能源、矿业、气象、军事、城市管理、土地管理、社会调查、环境保护、灾害预报与灾后评估等诸多领域，支持各领域快速发展。GIS技术具有整合海量空间信息的优势，在石化行业也取得了快速的发展应用，大致涵盖了勘探、开发、炼油、销售等4个方向。

1）油气勘探领域：实现了石油勘探综合可视化管理，基于GIS技术建立空间图形数据库，制作专题分析图，支持区域油气勘探部署，辅助评估潜在的石油资源，精准定位油气资源空间分布，监控勘探工程进度。在地质勘探方面可通过在GIS地图上建立区域地质模型，对调查地区地质内容取得综合掌握，提高地质勘探工作效率与成功率；物探、钻探方面可基于GIS建立地震解释资料等的综合空间数据库，实现对地质地层、区域构造及油藏储层的三维空间模拟。

2）油气开发领域：借助GIS技术支持开发管理部门的开发部署工作，实现油气资源空间分布及特征分析，掌握油气开发进展和开发设施维护维修状况，支撑油气开发产量预测。在输油管线利用与维护方面，能够支持相关工作人员合理地进行输油布线、快速定位故障点进行高效维修，控制开发成本。在油气开发服务方面，可支持修井、固井、井下作业等相关生产管理工作。

3）炼油化工领域：实现石化装置各种设备、管线的有效管理，应用在装置安全环保管理、工厂设计施工、控制、规划、生产预测、检修等各方面，为企业生产运行和快速处理各种突发事件提供决策依据。

4）油品销售领域：应用GIS技术分析人口统计和交通等信息，有效选择和建立销售点，通过分析历史数据来决定销售点的仓储及发展规模，并实现基于地理信息的加油站销售网综合运营管控。

2 石化环保领域GIS技术应用

石化行业的环保业务领域涵盖了油气勘探、油气开发、炼油化工、油品销售全产业链，从管理维度上覆盖石化企业集团层面、四大专业板块层面和直属企业层面的环保过程监督管控。

2.1 应用需求

石化企业环保工作按业务链梳理，有计划、监控、统计检查、评价和对标考核的闭环管理特点[6]。其中，环境监测控制体系分布于厂界及生产过程各个环节，源头与过程排污管控、海量环保数据指标均呈地理分布的特点，环保决策支持一定程度上也依托污染排放底数与污染排放分布。由于企业环保业务信息与空间位置相关性程度高，GIS可作为石化企业环境保护工作的有力工具。

1）通过挂接空间数据与数据库，将静态环保数据记录转换为动态地图，以实现快速推送预报警信息、快捷调度环保资源、提高环境风险预报警处置效率等功能。

2）通过查询地图要素，获得环境监测点位、污染源和环境敏感区等空间分布，辅助环保管控。

3）通过对环保数据进行综合统计分析，以丰富直观的表现方式为环保决策提供快捷支持。

2.2 应用目标

应用GIS技术建设石化企业环保动态监控地图，基于全集团环保“一张图”，可实现环保核心业务的可视化管理。通过环保业务场景的三维动态实时实景可视化，可实现环保空间大数据分析和智能决策，提升企业环保数字化水平，促进企业绿色转型升级。

1）在企业层面，通过对GIS技术的应用，对污染物进行“源头—过程—末端”的环保全过程管理，与环保过程管控应用进行数据交互，实现环境监测、污染源产排管理、“三废”管控治理、风险管理等环保核心业务可视化，支持基层单位、二级单位与企业三层级环保组织的环保管控。

2）在集团层面，统筹监管所辖直属企业的环保管理工作，关注环保关键指标、建设项目、重点外排污染源、土壤与地下水、环境敏感区域、环境风险应急和事故下污水管网动态等，以GIS为核心融合多维可视化展示方式，支撑集团、专业板块监管环保主要业务，为决策提供科学支持。

2.3 技术要点

环保动态监控地图解决方案基于工业互联网平台，采用“数据＋平台＋应用”建设理念，开发环保领域地理信息应用，其技术架构如图1所示。充分利用工业互联网平台资源，应用层调用业务组件和技术组件服务，支持通用业务和计算，实现环保管理与GIS应用，即环保过程管控与动态监控地图，并支持两类应用的数据交互。服务层新增环保指标计算、监测计划编制等各项业务组件，并以组件组合方式满足各应用的业务需求。以组件调用方式能够快速响应个性化的环保需求，支持用户订阅多种环保应用，可大幅提高信息化实施效率，降低部署成本和难度。

图1 石化企业环保动态监控地图的技术架构

环保GIS应用通过整合海量环保数据，集成相关地图服务，与环保管理应用互联互通，实现多源数据的统一管理，并支持其他相关业务应用，进行GIS应用服务共享交换。在采集环境监测与环保业务数据基础上，整合实验室管理系统（LIMS）、生产过程执行系统（MES）、实时数据库系统（RTDB）、视频监控等环保关联系统数据，各类数据基于统一的数据标准，通过开放地理空间信息联盟（OGC）进行发布。服务涉及地理信息系统ArcGIS、天地图等地图数据，通过服务聚合器集成整合，按照地图公共标准空间数据供给环保及相关业务系统使用，实现企业公共数据资产的最大化利用。同时，GIS动态聚合服务可根据人体视觉要求，按比例逐级进行海量数据点的快速动态加载，实现环保地图的快速展示。

2.4 主要功能

环保GIS应用涵盖了污染源监控、“三废”管控、环境质量监测、环境风险与敏感目标等，可支撑集团和直属企业两级环保可视化应用，主要分为5类、18项功能，总体功能框架如图2所示。

图2 石化企业环保动态监控地图的总体功能框架

1）污染源监控功能可展示企业生产装置、罐区、污染治理设施等地理信息分布，标识设施运行和停运状态，动态加载污染源“三废”排放信息，实时监控污染源相关监测数据与现场动态。

2）“三废”管控功能实现企业污染源产排与外排监测、挥发性有机物（VOCs）网格监测、固废管控等功能。污染源产排与外排监测功能包括企业废水外环境排放、装置废水分级控制排污、废气排放地理信息监控，VOCs网格监测实现VOCs排放源网格化监测展示、VOCs泄漏与检测（LDAR）管控等。固废管控实现企业固废暂存场地理信息分布、存储动态、视频监控、运输路线跟踪及应急处置措施查询等。

3）环境质量监测功能实现环境大气、厂界噪声与土壤地下水的监控展示。包括企业环境大气监测站地理信息分布、环境大气质量监测数据的动态监测、厂界昼/夜噪声布点及监测、土壤及地下水布点监控。

4）环境风险与敏感目标监控实现企业环境风险源地理信息分布、分类分级展示，风险源周边应急物资和人员分布管控。通过构建企业污水管网支持事故应急响应、污水超标溯源及事故水流向动态监控。实现油田企业矿权区域涉及的环境敏感因素、生产设施环境风险的地理信息分布与更新，支持勘探开发环境敏感目标识别与评估。

5）环保辅助决策涵盖了领导驾驶舱与GIS移动应用，基于海量环保数据、环保业务信息及知识库，融合多维展示方式建设领导驾驶舱，支撑各级管理用户随时随地监管环保主要业务，辅助环保决策，包括在线监测、风险管理、应急支持、环保统计、建设项目环保管理等多个主题。

2.5 应用成效

石化企业利用GIS技术强大的地理信息空间管理分析功能，管理具有空间内涵的环保数据，解决了传统环保信息管理中空间信息展示不直观、互动体验不强等问题，有力支撑环保管理决策。

1）石化企业集团层面应用，环保动态监控地图支持环保业务统筹管理，支撑重点污染源外排达标。某石化集团借助环保“一张图”，对直属企业污染源产排、重点污染源监测、土壤地下水监测、环境风险分布与应急及环境敏感目标识别与避让等进行监控，并建设领导驾驶舱展现该集团的环保管理核心业务，为环保职能部门和油/炼/化/销专业板块各级环保管理者提供可视化的环保决策平台，提高了用户体验和管理效率。如，通过实时实景掌控污染源外排超标情况，监督企业污染物排放达标，大幅减少了超标排放与违规操作。近几年重点污染源废水、废气综合达标率持续达到99.9%和99.8%以上，固体废物妥善处理处置率达到100%。通过整合20多个省、市、自治区敏感因素目标等数据，辅助相关部门对矿权区块的退出、置换和勘探开发投资进行决策。

2）在企业层面，环保动态监控地图助力炼化企业环保精细化管控、油气田企业识别风险与生态红线。利用环保动态监控地图，该石化集团某直属炼化企业可实现厂区及周围5 km范围内环境状况可视化；直观监控污染源产排、污水治理设施运行，重点污染源排污费及外排超标罚款大幅减少，并降低污水处理运行成本；厂区污水雨水管网实时监控，支持雨污分离、应急截流处理；环境风险预报警信息和关键环保数据及时推送装置、设备维护责任人及相关环保管理人员供处置与决策。自2017年部署以来，某直属油气田企业实现了所辖勘探开发矿权区域及周边5 km的环境敏感目标数字化，油气生产设施全部避让生态红线，在方案编制阶段优化环境敏感区域周边的井口坐标，在未勘探开发区块识别出矿权范围与环境敏感区重叠情况，指导相关区块置换或上交，规避了投资风险和环保风险。

3 石化环保领域GIS应用前景

GIS技术在石化企业环保领域更深层次的应用，有赖于微机电传感器（MEMS）、智能摄像头、智能终端等感知设备将环保物理世界数字化，借助物联网、5G通信传输技术进行环保数字化信息的高效采集与共享交互。随着GIS与三维可视化技术、大数据、云计算、AI等新兴技术的快速融合[7]，将赋予石化环保动态监控地图全新的体验，释放数据深层价值。

实景三维数据治理。二维、三维到实景三维的技术更迭，涉及多源异构数据融合能力、实景三维数据治理能力的提升。通过建立二维、三维一体化的石化环保空间三维实景数据库，进行地面、地下环境信息查询、运算、标识与分析，监控视频查询、历史对比等，实现石化企业环保三维动态实景可视化管理。

空间大数据在线分析建模。石化环保数据呈现数据量大、种类多和结构复杂的特点，天然带有空间位置信息，需提升空间分析与计算挖掘能力，实现空间大数据在分布式存储和管理、分布式空间计算、实时大数据可视化展示等深入应用，为石化环保提供基于空间大数据的辅助决策。

空间深度学习。人工智能技术能够对海量空间地理数据中的结构化和非结构化知识进行表达推理，预测未来发展趋势，智能化解决复杂的现实问题。具有代表性的空间深度学习技术[8]，重点在计算机视觉领域实现卫星遥感、航空航天、无人机图像等的推理和识别任务，模型覆盖了图像分类、图像翻译、变化检测、语义分割、影像翻译等，可全方位赋能石化环保业务应用升级。

GIS技术对于石化企业环保工作，将不再停留于直观、高效地支撑业务管理层面，而是力争从本质上促进环保工作的智能化提升、数字化转型。在时空维度上，可打造出数字孪生的三维可视、可追溯、可预测的企业环境。在业务界面上，通过纵深挖掘数据、空间分析机理，可打破业务边界，实现减污降碳、生产优化动态互动。在管控模式上，细微处可抓排污关键环节、重点环境要素，全局上可实现环保空间智能分析与决策，宏观处兼顾人、企业与自然的和谐共处。

4 总结与展望

在石化企业绿色转型的进程中，运用GIS技术，将环保业务和关注信息在环保“一张图”上进行监控，可以提升用户体验，提升业务管理效率，支持企业环保过程管理与统筹决策，有效提升企业环保整体管理水平。随着GIS与ICT新技术的融合创新，其极强的三维实景展示、空间综合分析和动态预测能力，将产生高层次的地理信息，使企业得以进行更深层次的应用，包括石化企业周边环境现状评价与质量预测、环境影响评价[9]、环境污染事故区域预警、危险废物运输路径优化、环保风险应急、“三线一单”管控[10]（生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线及环境负面清单）及环保智能决策等，新技术的引入无疑将加速推动环保管理的数字化转型。