基于三維GIS的燃氣管網安全評估探討

（重慶燃氣設計研究院有限責任公司，重慶400020）

基于三維GIS的燃氣管網安全評估探討

易明華

（重慶燃氣設計研究院有限責任公司，重慶400020）

城市地下管線分布廣泛，燃氣管道所處區域復雜異常，使得燃氣輸配系統存在諸多運行方面的安全問題。傳統的二維平面圖形難以描述管網的復雜空間結構。該文探討了三維GIS系統的可實現性，在此基礎上進行安全評價將有效提高企業安全管理的水平。

燃氣管網；安全管理；GIS；安全評估；三維；預測風險；管道風險評價方法；模糊綜合評估法

0 前言

我國燃氣行業已走過了1個世紀，新材料、新技術、新產品、新工藝和新方法的應用以及國家對清潔、高效能源的渴求使得燃氣行業進入了快速發展時期。截至2010年，我國天然氣消費總量已達到1069億m3，天然氣管道總長度（包括輸、配氣管道）達到25.6萬km。根據全國城鎮燃氣發展“十二·五”規劃指標，“十二·五”供氣總量大概要達到1782億m，較“十一·五”末增加67%；新建管道25萬km，比“十一·五”末翻一番。但是隨著行業特別是管道天然氣的快速發展，燃氣安全事故屢有發生。據中國城市燃氣協會統計，2011年全國共發生燃氣事故514起，傷亡人數919人，不僅給國家和社會帶來了數十億的巨額經濟損失，還嚴重地威脅到了公民的生命財產安全，也給政府主管部門、相關管理單位以及城市燃氣經營企業造成了嚴重的社會不良影響?！案叨戎匾暟踩a，保護國家財產和人民生命的安全”是我國一貫的安全生產策略。為積極響應國家《城鎮燃氣發展“十二五”規劃》大力拓展和科技創新、促進行業發展的號召，要求必須用更先進的技術手段對燃氣信息系統進行科學管理，確保燃氣輸配系統更加安全、高效、穩定地運行。

1 安全管理現狀

燃氣行業屬于高危行業，有著易燃、易爆、易中毒等特點。燃氣管道大多穿行于市區人口密集的區域，管網的安全生產運營不僅直接影響著城市發展和社會穩定，也關系到千家萬戶的生命財產安危。確保燃氣管網的安全運行和穩定供氣是每個燃氣企業永恒的主題。完善企業安全管理，強化安全運營能力，對企業的發展有著重要的意義，是企業賴以生存發展的基石。為加強企業的安全管理水平，各燃氣運營企業都從本質抓起，把安全管理工作規范化、信息化、制度化、標準化。

1.1 GIS系統

燃氣管網是城市基礎設施建設的重要內容，加強燃氣管網資料的管理對城市燃氣行業和城市安全的發展具有重大意義。隨著電子信息科學技術水平的快速提升，電子信息技術也得到全面應用。地理信息系統（GIS）技術的不斷成熟，為燃氣管網規范化、自動化、科學化、數字化的管理創造了條件。GIS系統以城市地理空間數據庫作為基礎，疊加燃氣公司的燃氣管網圖，并勾連其對應的管道及設備屬性，將這些同一空間、不同層的圖形信息和數據庫信息疊加在一起，使儲存的數據更全面、更準確、更系統[1]。作為智能化管理技術，GIS已被眾多燃氣運營企業所引進和應用，擺脫了過去傳統的管理方式，改變了以往燃氣企業紙張儲存量大、精度低、更新困難、查詢和檢索不便的情況。燃氣企業運用該系統，能夠準確掌握燃氣輸配網絡的狀況，一旦出現問題能及時查詢和采取措施，能運用數據統計和分析進行維護和更換，并結合相應的理論進行決策。

1.2 安全評估

隨著燃氣行業的發展和城鎮化過程不斷推進，天然氣管網規模在不斷擴大，管網的安全管理已經引起了全世界的廣大關注，如何有效防止輸送管道事故的發生，如何在增強管道運行安全性的同時合理地利用資源獲取最大的經濟利益，已成為世界管道運輸界的中心話題。為了保障燃氣管網的安全運行，各燃氣企業的傳統做法是按照國家和行業規范設計施工，按計劃進行巡檢，近些年來也開始做一些管道外防腐層的檢測工作。但總體而言都屬于“事后管理”，未將企業的資源最優化利用。

為轉變目前安全管理的被動局面，把事故隱患解決在事故發生之前，部分燃氣企業引入了安全評價對燃氣管網的現狀或近期狀況進行評估。安全評估是以實現工程、系統安全為目的，應用安全系統工程的原理和方法，對系統中的危險因素、發生事故可能性及損失與傷害程度進行調查研究和分析論證，從而評估總體的安全性以及為制定基本預防措施提供科學的依據。管道安全評估技術發展到今天，經歷了定性、半定量到定量的三個發展階段，現在已經有了集中比較成熟的安全評估模型，其中最完備的兩個模型為：W.Kent.Muhlbauer的管道風險評價方法和模糊綜合評估法。為實現安全技術、安全管理的標準化、科學化創造條件，住建部和中國燃氣協會組織編寫的《燃氣系統運行安全評價標準》，對燃氣系統的每一個單元的安全要求作出了具體的規定，能夠大幅度提高燃氣企業的安全管理水平和實際效果，降低事故率，減小安全風險，提示安全保障對策，優化企業對輸配網絡的安全管理，降低事故率和安全成本，可以作為燃氣企業的日常安全管理工具。

2 基于三維GIS的安全評估系統的建立

燃氣輸配管網的安全評估是綜合考慮輸配管網的設計、施工、運行過程中的自身屬性、環境參數等各個方面的情況，對輸配管網的安全性進行評估。安全評估的難點是實現失效可能性和后果嚴重程度的定量評價，建立基于三維GIS系統的定量安全評價，需要在現有二維GIS系統的基礎上豐富、優化數據庫系統，并與之建立數據接口，調用GIS數據進行管網安全評估，并將評價結果在GIS系統中表征，顯示安全經濟損失估計值、安全等級、危險范圍、主要危險因素、安全對策等。

2.1 三維GIS系統的建立

目前眾多燃氣GIS系統在運行使用，但是由于其開發者多為信息公司，缺乏燃氣行業的從業經驗，使得GIS系統實際使用中顯得力不從心。而且隨著社會的進步和人類的發展，城市規模不斷增大、城市功能不斷增強，傳統的二維GIS已逐漸暴露出不適性，不能滿足日益增長的需求。

腐蝕和第三方破壞是燃氣管道失效的主要原因，腐蝕與土壤理化性質聯系緊密，第三方破壞大多是由于施工單位對地下管線分布不清楚造成的。因此對燃氣管網進行安全評估，掌握全面準確的管網地理信息至關重要?，F有GIS系統僅包含燃氣管網本身點（指定設施或地點）、線（管道、管線）、面（管網或區域）的數據庫，并沒有將空間信息作為一個整體加以研究。而我們需要的是能夠支持真三維、面向對象的數據庫體系。城市地下三維數據所涉及的信息眾多且來源廣泛，包括4類：地質勘察數據；管網勘察數據；地下水系勘察數據；工程相關數據。上述數據是典型的空間數據，其屬性與位置相關且在三維方向上發生變化。三維GIS系統城市地下空間數據庫以地質和管網數據為其核心部分，各類數據庫又包括了圖形數據、屬性數據兩大類。三維GIS系統的建立，就是利用已有工程勘探建設資料，將地鐵、地下街、地下管線等構筑物信息在計算機里實現幾何建模并可視化顯示所進行分析的過程[2]。要滿足三維GIS各種實時應用(包括地理協同操作)的需要，一方面要對多種類型、多種尺度的三維數據進行精心的組織，以提供高效的數據檢索機制，同時，還需要優化設計現有的各種數據庫管理系統，以提供快速的數據動態存取服務。

城市燃氣管網失效的后果嚴重程度與失效所處地域有重要聯系。據研究，街道兩側建筑物對埋地天然氣管道泄漏擴散的濃度分布和變化具有很強的影響，泄漏時的射流軸線會偏向埋地管道一側的建筑物，該側建筑物離地5m的范圍內天然氣濃度大于15%，且緊貼靠近泄漏口的建筑物壁面向上擴散，若從開啟的門窗進入到居民住宅內，可能造成室內爆炸，具有很大的安全隱患。因此，評估管道泄漏造成的危害，需要調查管道經過區域的建筑物類型與間距、人口密度、經濟密度等。目前的GIS系統均未建立該項數據庫，但隨著技術的不斷發展，國內外很多城市都在努力探索和積極實現數字城市。高分辨率對地觀測技術、北斗衛星導航系統和遙感科學與技術極大地提高了地理信息獲取和更新的能力；分布式數據庫和共享技術的發展，極大地提高了信息存儲和管理能力；虛擬仿真技術的成熟，促進了信息應用技術領域的變革。這些先進的技術都將見證三維管網時代的到來。

由于城市地下管線種類繁多、分布廣泛，管道所處區域復雜異常，各類數據的整合與更新將需要政府相關職能部門與企業的協調與互動，三維GIS需要利用國家共用數據通訊平臺，建成一個集城市規劃、建設、管理和服務于一體的智能化信息系統，為國家各級行政主管部門、企業、公眾提供及時、準確、有效和權威的信息服務。

2.2 安全評估模型的建立

由于當前燃氣事業發展迅速，大中型城市天然氣的管道發展歷時長，管道危險程度存在著巨大的差別?，F有的安全評估模型并不具有通適性，需根據城市規模、管材種類、燃氣種類、地理區位、地形地貌、管道系統運行時間等幾方面因素建立具有自適性的安全評估模型。

城市燃氣管網安全評價體系如圖1所示。本文以層次分析法和模糊綜合評判建立管道安全評價模型，該模型包含數據庫、計算分析兩大核心部分[4]。數據庫用來儲存安全評價和風險預控所需的基礎數據，包括安全管理數據庫、管網屬性及其環境數據庫、管道失效與事故數據庫和風險控制數據庫，其中管網屬性及其環境數據庫接口于三維GIS系統；計算分析是綜合考慮特定管段的情況，評估其失效概率、危害事件概率與事故后果并得到安全評估終值，采用風險計算的反向算法，尋找對風險貢獻最大的因素，最后制定風險減緩措施以供搶險人員參考。

圖1 城市燃氣管網安全評價體系[3]

3 結語

三維GIS系統綜合了地下管線及地面環境等數據信息，真實地反映了三維空間地物的分布情況。該系統的應用以虛擬場景的方式直觀準確地呈現管網的空間分布和工作狀態，為管理部門自動化管理提供技術支持。該系統可通過信息共享機制為政府管理部門、市政相關設計與施工單位反復聯機查詢，避免盲目施工，杜絕事故，節省大量人力、物力，能有效地提高工程建設速度和企業綜合經濟效益。

基于GIS的燃氣管網安全評估，借助三維GIS的理論和方法，在三維虛擬場景中實現管網空間數據和屬性數據可視化、動態化管理。借助遙感影像、GPS等技術實時更新及城市建設各部門及企業間的資源共享，保證資料始終處于完整和最新階段。在此系統上建立適用于燃氣企業的安全評估系統，評價不斷變化的管道系統安全風險因素，在GIS系統中表征管道安全等級，均衡安排在役燃氣管網中嚴重腐蝕管段的年度大修計劃。通過安全評估使安全管理由被動變主動，由局部維護變整體預控、事先預控，由抵擋風險變預測風險、削減風險，能有效提高企業綜合經濟效益，并推動城市的安全建設。

城市燃氣的安全管理關系到城市及社會的發展，系統的安全運行受到政府和社會的日益關注。鑒于目前國內大多數燃氣企業的輸配管網安全檢查、維護管理工作尚未進入到信息化階段，研究基于三維GIS的燃氣管網安全評估對于燃氣經營企業是必要的和急需的，具有廣闊的應用前景。

[1]陳晟，朱慶.三維城市地質地理信息系統數據庫設計[J].鐵道勘察，2005（1）：56-59.

[2]張芳，朱合華，吳江斌.城市地下空間信息化研究綜述[J].地下空間與工程學報，2006，2(2)：5-9.

[3]萬禮鋒，尹貽林，張麗君，等.城市燃氣管網安全分析體系[J].煤氣與熱力，2007，27（11）:50-53.

[4]黃小美.城市燃氣管道系統定量風險評價及其應用研究[D].重慶：重慶大學，2008.

責任編輯：孫蘇，李紅

Discussion on Security Assessment of Three-dimensional GIS-based Gas Pipeline Net

The widely applied underground pipelines and complex geographical conditions cause many security hazards in gas transmission and distribution system.The conventional two-dimensional figure can hardly demonstrate the complicated special structure of pipeline net.This paper discusses the feasibility of GIS system and its security is assessed in hope of enhancing security management level of the enterprise.

gas pipeline net;security management;GIS;security management;three-dimensional;risk forecast;assessment method for pipeline risk; comprehensive vague assessment method

TU996.9

A

1671-9107（2014）07-0058-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.058

2014-02-25

易明華（1967-），女，重慶人，本科，高級工程師，主要從事城市燃氣輸配工程的規劃、設計工作。