基于GIS天然氣管道安全管理系統建設方案

姜頑強，趙攀，劉金明

（蘭州石化公司研究院，蘭州 730060）

基于GIS天然氣管道安全管理系統建設方案

姜頑強，趙攀，劉金明

（蘭州石化公司研究院，蘭州 730060）

通過探測、測量等手段獲取家屬區地面空間對象、地下天然氣管道及其他管道的地理數據，利用GIS技術建立空間對象三維模型及地下管網模型，準確表達其拓撲關系，并在ArcGIS平臺中實現多源數據的存儲與管理，借助GIS功能展開綜合分析，為小區天然氣管道系統安全管理提供可靠數據，同時，利用系統中現有數據，還可開展其他專題應用。

GIS；天然氣管道；安全管理

1 前言

隨著“天然氣直通到戶”工程的開展，家屬區天然氣管道鋪設工作已完成，小區管道鋪設以直埋為主，地面和空中分布為輔。由于小區地下已有前期鋪設的各類管線和電纜，地下建構筑物有車庫、管溝、水泵房、換熱站等設施，以及地勢差異的影響，致使天然氣管道鋪設過程中無法嚴格按照天然氣管道設計圖紙進行施工，同時后期的竣工圖紙也未跟上。按照礦區服務事業部的要求，將小區內天然氣管道分布及輔助物的位置與周邊地上地下其他設施相結合，利用GIS技術建立以天然氣管道為主、地下其他管網為輔、地上地下建構筑物和地面對象為參照的天然氣管道安全管理系統。

GIS（Geographic Information System，地理信息系統）是指在計算機軟件及硬件的支持下，把各種地理信息按照空間分布及屬性，以一定的格式輸入、存貯、檢索、更新、顯示、制圖、綜合分析的計算機技術系統［1］。GIS具有顯著的三大特性：地域性、多維結構、時序特征。GIS的技術優勢在于它的混合數據結構和有效的數據集成、獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的查詢功能、強大的圖形創造和可視化表達手段，以及地理過程的動態模擬和空間決策支持功能等［2］。

目前，GIS在我國安全管理、環境監測、城市規劃、基礎管理等方面得到了廣泛應用，尤其是在我國城市地下管網和煤礦安全管理、煉化企業廠區挖掘作業等方面發揮了重要作用。因此，利用GIS技術建立家屬區天然氣管道安全管理系統，可以精確展現地下天然氣管道及其他管道與地上地下建構筑物、地面對象之間的位置關系，利用GIS可視化、量測、查詢、統計、空間分析等功能，為小區規劃改造、地下管道檢修管理、隱患治理、運行調度、應急管理等方面提供準確信息，保障天然氣管道安全運行，整體提升小區安全管理水平。

2 家屬區天然氣管道系統現狀

家屬區天然氣管道系統主要包括管道、小區接入井（或調壓柜接出井）、各級閥門、調壓柜等，大部分部分均采用直埋方式，其直埋管線走向、埋深、分支接點等均不明確，天然氣管道埋設深度一般在1米至2米之間，2米以下及附近是否有管溝、電纜、其他管線等不得而知。

家屬區天然氣管道建設分兩種情況。第一種是，后期增加鋪設的天然氣管道系統，由于小區路面、樓房、綠化、地下管網已鋪設完畢并使用多年，天然氣管道鋪設只有重新開挖地溝，而進入同一戶型各住戶的樓房天然氣管道主干線只能在樓房外側（如圖1），樓房外側主干線上控制閥只有一個，一般離地面較近。第二種是，小區建設時期已鋪設了天然氣管道，與其他地下管道一并埋入地下，而進入同一戶型各住戶的天然氣主干管道位于樓房內（如圖2），高層樓房內的主干線上一般按照每十層布設一個分級控制閥。

新建小區地下結構復雜，地下設施一般有換熱站、水泵房、車庫、變電所、綜合管溝、化糞池、各類管線及電纜等，埋地天然氣管道一般在地下建構筑物以上、地表面以下，由于地下建構筑物及地勢的影響，二維設計圖紙無法完全展現地下管網的實際分布，地下管網分布不明確。老區新增的天然氣管道系統，由于鋪設的時間不長，地面填埋痕跡清晰，天然氣管道走向基本明確；鋪設時開挖地溝過程中，偶爾遇到地下已有其他管道致使埋設天然氣管道的管溝另行改道，其結果是日常管理所采用的設計圖紙與實際分布不符。

3 建設方案

家屬區地上地下空間對象較多，地下管網分布復雜；由于地勢的局限，地下建構筑物呈多層結構分布；位于地上的管線只有天然氣管道，同時小區內地上地下管網需要地上地下建構筑物作為參照；為了直觀展現天然氣管道上各級控制閥及管道分布的具體位置，同時考慮項目費用和工期，系統采用二維GIS、仿真三維GIS、三維GIS相結合的方式實現空間對象數據的可視化，老區住宅樓房采用仿真三維GIS、新建區域宅樓房采用三維GIS、地面其他空間對象采用2.5維GIS、電纜線采用2維GIS、地下建構筑物及管線采用3維GIS實現。

該系統選用ArcGISDesktop為數據處理軟件、ArcGISServer為服務發布平臺、ArcGISEngine為開發平臺、ArcSDE和Oracle為空間數據庫管理系統。地理數據通過現場實地探測、測量獲得。基于GIS的天然氣管道安全管理系統建設主要包括數據采集、三維模型建立、系統設計、數據集成等方面。

3.1 數據采集

數據采集包括空間數據和屬性數據采集。空間數據分地上地面可見設施和地下不可見設施等與地理位置相關的數據，主要用于三維模型建立；地上地面可見設施包括房屋、道路、圍墻、廣場、路燈、地下車庫、休閑娛樂文化設施、攝像頭、水泵房、換熱站、變電所、天然氣調壓柜、各類井、地下建構筑物地面通風設施、景觀水渠等；地下不可見設施包括各類水管線及附屬設施、各種電纜通訊線、管溝、化糞池等。屬性數據包括空間對象的基本參數和描述性的信息，便于查詢、統計、分析時使用；如管線屬性有名稱、埋深、管徑、材質、壓力、溫度、保溫措施、埋設年代、最近更換時間、閥門個數、其他信息等。

空間數據的采集分探測、定位測量、紋理數據獲取等三部分完成。第一步，使用探測設備探明地下見管線和電纜的走向和埋深。第二步，在同一坐標系下，使用全站儀、GPS、三維掃描儀等測量設備獲取地下管線位置數據、地上地下可見建構筑物的尺寸及位置數據。對于有地下車庫的小區，整個小區地面及地下車庫采用三維掃描儀獲取整個空間的點云數據，實現地上地下建構筑一體化；對于沒有地下車庫的小區，使用全站儀和GPS完成地面空間對象的位置及尺寸數據的采集。第三步，使用照相機獲取樓房、標識牌、商鋪等紋理數據。

3.2 三維模型建立

空間對象三維建模主要是完成地面空間對象和地下建構筑物及管線的三維圖形化，利用測量獲得的數據，分別采用Cyclone、3DMAX、Sketchup等專業建模軟件完成三維模型建立。對于采用三維掃描儀獲取的點云數據，使用Cyclone軟件完成多站點云數據的拼接及空間對象粗略模型形成，再利用3DMAX和Sketchup軟件對粗略模型進行分塊精細化建模。對于規則的空間對象，根據尺寸及位置數據在Sketchup中直接建立模型；對于不規則的空間對象，根據尺寸和特征點坐標在3DMAX中完成模型建立。

仿真三維模型建立一般不考慮樓房的窗戶、內部結構及每層高度，只需以樓房外墻壁數據和樓房整體高度為準建立模型；對于用于地下管網位置參照的綠化、路面、電燈、井等空間對象的模型建立，可以根據空間對象類別定制統一的標準符號庫，同類的空間對象模型采用相同的符號表示即可。

3.3 系統設計

家屬區天然氣管道安全管理系統系統設計包括數據庫設計和功能設計。

3.3.1 數據庫設計

GIS對圖形數據的存儲與管理采用圖層技術實現，屬性數據采用表結構存儲，屬性表結構與空間對象模型一一關聯。根據地下管網管理需要，可將空間數據分為房屋（樓房、商鋪、水泵房、換熱站、天然氣調壓柜、變電所等）、地面（道路、水池、圍墻、廣場、路燈、休閑文化設施、攝像頭等）、地下空間（地下車庫、管溝、管溝井等）、電纜、綠化、天生活水管線、暖氣管線、消防水管線（消防水管線、消防接合器及附屬設施等）、生活污水（生活污水管線、生活污水井、化糞池等）、雨排水管線（雨排水管線、雨水井、雨篦子等）、然氣管道（天然氣管線、各級閥門、天然氣井等）等11個圖層，后期也可根據專業管理實際需求繼續進行細分。3.3.2功能設計

該系統除了滿足日常的瀏覽、增加、刪除、修改、查詢、統計、打印功能外，還應該具有放大縮小、屬性字段自定義擴展、圖文數據裁剪輸出、量算、信息標注、數據自定義分層、路徑分析、緩沖區分析、泄露擴散模擬、追蹤分析、設施連通分析、預警提示、管線碰撞檢測、橫斷面分析、場景漫游、視頻輸出、支持空間模型數據可掛接常用文檔圖片圖紙音像資料、支持EXCEL折線圖和柱形圖分析等功能。

3.4 數據集成處理

該系統核心數據主要由三維模型數據、紋理數據、屬性數據、基礎資料數據、標準符號數據等五部分數據組成，數據集成處理主要是建立前四部分數據之間的關聯關系，利用圖層實現四部分數據的管理，通過多個圖層的疊加實現不同圖層數據集中展現與應用，為查詢、統計、綜合分析奠定基礎。

4 天然氣管道系統安全管理方面的應用

基于GIS技術建立的家屬區天然氣管道安全管理系統，通過實地獲取家屬區地理數據，精確地表達了天然氣管道與其他地下管網、地上地面地下空間對象之間的拓撲關系，實現地下管網的可視化；利用GIS多源不同格式數據的集成功能，將設計圖、基本參數、日常維護資料等與天然氣管道實際位置相結合，為天然氣管道安全管理提供可靠的數據來源。具體可以開展如下一些應用：（1）利用可視、量測、管線碰撞檢測等功能將橫跨管溝、與其他管線較近的天然氣管道進行標注，設置預警提示；（2）對局部易發生事故區域（如天然氣管道上方的小區路面出現下沉部位、學校附近等）和重點關注部分開展一些泄露擴散模擬，分析事故可能造成的影響，為應急預案編制及準備提供可靠數據；（3）利用地下管網可視化功能，為小區規劃改造、挖掘作業、地下管道檢修等方面提供準確的地下管網位置圖，防止天然氣管道遭到人為破壞。

5 結語

基于GIS技術建立的家屬區天然氣管道安全管理系統，通過實地才采集地理數據，精確地表達了天然氣管道與其他地下管網、地上地面地下空間對象之間的拓撲關系，實現地下管網的可視化；利用GIS多源數據的集成功能，將設計圖、基本參數、日常檢修等資料與地下管道實際位置相結合，通過綜合分析，為地下管網基礎管理提供完整、可靠的數據來源。

該系統不僅可以用于天然氣管道安全管理方面，還可以開展一些如消防水、生活水、生活污水、電纜等系統的專業管理；同時，該系統也為“數字礦區”建設提供一個基礎平臺；隨著物聯網技術的發展與應用，后期可將壓力表、溫度計、計量表等實時數據接入該系統中，通過實時數據的變化分析，對波動較大部位設置預警提示，利用追蹤分析功能準確判斷發生異常的具體位置，為搶修、緊急處置提供參考。

［1］中華人民共和國環境保護部.HJ/T 416-2007，環境信息術語［S］. 2007.

［2］黃杏元，馬勁松.地理信息系統概論［M］.北京：高等教育出版社，2008.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.041

F232；F234.3

A

1673-0194（2015）19-0075-03

2015-07-28