燃氣—蒸汽聯合循環供熱機組綜合管網地理信息系統應用

陳慧麗+趙昊楠

摘 要：燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組主要為城市電廠，占地面積較小，各種管網設計較復雜。由于管網設計的要求均為地下布置，以減少占地，因此城市電廠地下綜合管網的管理和維護比較復雜，而通過綜合管網地理信息系統的應用使布置于地下的綜合管網實現可視化，管理可控化，保證地下設備出現問題時可及時處理和防護。

關鍵詞：綜合管網；地理信息；探測；數據庫

中圖分類號：TP311；TU990.0 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-06

0 引 言

隨著近年我國電力工業的持續快速發展，新建火力發電廠單元機組容量和參數不斷提高。單元機組的熱力系統日趨龐大和復雜。管網是一個縱橫交錯的巨大網絡，具有復雜的空間和非空間屬性，管網圖紙和設備資料繁多。在傳統工作方式中，由于各種原因，圖檔的更新和歸檔無法做到迅速及時；屬性數據的采集、存儲亦不能跟上發展的需要；數據無法綜合利用，導致調度、指揮、決策缺乏科學、及時、有效的支持。基于上述原因，對旨在提高管理、決策、服務水平，創造良好經濟效益和社會效益的電力企業而言，綜合管網信息系統的建設勢在必行。

目前電力企業對綜合管網的信息化管理水平普遍較低，但這也為綜合管網信息系統建設帶來了新的機遇和挑戰。正是基于這一點，電力企業才可更加方便地在建設綜合管網基建工程的同時，同步進行綜合管網數據建設，確保數據具有高精度、全覆蓋等特點，同時還可避免今后再度進行綜合管網普查，可有效節省資金投入。建立綜合管網信息系統能夠對電廠綜合管網資源進行統一配置，實現最優的生產調度管理與綜合管網資產的瀏覽、查詢、維護，具有實時性、可靠性、先進性、安全性、經濟性、操作簡便易用等特點，有利于工作人員及時了解綜合管網的情況并做出相應的控制和管理。利用GIS技術構建高效、合理、實用的管網信息系統，增強對管網的運營和監管能力已成為電力企業發展的必然選擇。

1 京西熱電綜合管網地理信息系統介紹

1.1 機組及綜合管網地理信息系統介紹

北京京西燃氣熱電有限公司（以下簡稱京西公司）工程建設3臺9F（350 MW級）燃氣輪機組成的燃氣—蒸汽聯合循環供熱機組，采用1套“二拖一”+ 1套“一拖一”聯合循環熱電聯產機組。單元機組容量大，熱力管網系統復雜。龐大而復雜的管網系統對電廠建設設計和運行維護都提出了較高的要求。

綜合管網地理信息系統是以計算機網絡為載體，利用地理信息系統實現地下供水管線及其附屬設施空間和屬性信息的輸入、編輯、存儲、查詢統計、維護更新和輸出的計算機管理技術系統，為電力企業規劃、建設和管理提供技術決策支持。本項目利用三維數字電廠系統的檔案管理、視圖注釋等功能可以繼續強化設計院三維設計的優勢，將平面設計的內容轉化為三維立體，更加人性化且便于操作，同時還可把三維設計的副產品變成一個數字化工廠，創造直接的效益增長點。運用本系統可完成電廠在計算機環境下的重現，其建設期與運行期的數據維護、檔案管理、人員培訓、檢修計劃的制訂等均可在本系統中實現，極大地提高了管理效益和管理水平。

京西燃氣熱電廠地下管線地理信息是集中利用GIS技術、WebGIS技術、地理數據庫等新興技術，基于面向服務的SOA松耦合構架建立的綜合管網一體化解決方案。通過本項目的實施，能降低各類管網的管理成本，加快巡檢維修養護工作的處理速度，提高電廠的信息化水平。

1.2 系統設計

1.2.1 體系構架

系統采用面向服務的體系架構（Service Oriented Architecture，SOA）進行建設。系統各管網業務功能以“服務”形式提供給不同的業務應用，各功能之間相互獨立，以“松耦合”協議機制進行組合。基于管網信息服務建立的豐富的應用功能模塊可提供應用搭建和業務協同機制，支持用戶對應用模型進行定義，并可靈活配置、擴展系統，實現數據與功能共享。

采用層次化體系結構進行建設，系統體系結構如圖1所示。

（1）軟硬件基礎

主要包括系統建設所需的軟硬件設備，是系統建設的基礎，包括操作系統、數據庫管理系統、MapGIS K9平臺、安全防護軟件及VPN、無線網、服務器等軟硬件設施。

（2）管網信息服務

管網數據中心主要承擔了數據資源的配置、管理與維護，通過元數據管理實現數據的分類與定制，通過功能倉庫對功能單元集中管理，為業務應用提供可配置式搭建平臺。不僅解決了多源異構數據的處理難題，還可以充分利用現有系統資源，減少浪費。以管網數據中心為基礎，管網信息服務可提供符合Web Service和Web2.0的標準。提供符合W3C標準（提供WSDL接口描述）的Web服務接口，如地理信息服務、管網業務信息服務、服務管理、運維管理等，為不同的管網業務功能模塊建設提供豐富的服務資源和實現手段。

（3）搭建配置式開發平臺

搭建平臺系統通過各基礎模塊（功能模塊、頁面模塊、流程模塊）組成最基本的服務模塊，作為最底層的支持，進而完成各子功能的封裝，由子功能的疊加使用形成各業務線，并最終形成功能完整的業務系統。

（4）系統應用

以管網信息服務為基礎搭建配置豐富的綜合管網信息系統，為綜合管網管理單位創造管網信息的信息化管理平臺。

（5）組織領導與運營機制

管網管理單位組建信息化管理中心，通過系統的運行，歸納總結真正適合綜合管網管理單位的運營管理機制。

（6）標準規范體系與安全保障體系

以國家和行業標準規范為基礎，結合管網管理單位實際的管理規范、運營機制，制定一套符合管網管理單位運行的標準規范體系和安全保障體系，主要包括數據處理規范、接口規范、數據系統使用規范、服務器管理規范等來保證系統安全穩定的運行。

1.2.2 軟件架構

為擴大綜合管網信息系統建設的影響力，在與企業內網進行充分融合的基礎上，基于C/S模式構建面向管理人員應用B/S模式。同時，在各GIS系統進行門戶集成的基礎上，外網用戶可通過權限控制實現對系統的訪問。

C/S：面向綜合管網管理單位的專業管理人員，提供專業而強大的數據錄入、數據管理、數據分析、數據維護、系統維護等功能，確保數據的完整性、正確性，為綜合管網業務信息化奠定數據基礎。

B/S：采用Flex技術集成大量的綜合管網業務功能，管理單位用戶可通過瀏覽網頁的方式，簡單快捷地瀏覽、查詢、分析綜合管網數據，實現管網信息的共享，降低系統使用復雜度，提升用戶工作效率。

相對單獨采用C/S或B/S模式，本方案采用C/S與B/S混合模式進行建設。該模式的優點在于可經濟有效地利用內部計算機資源，簡化部分可簡化的客戶端，既保證了復雜功能的交互性，又保證了一般功能的易用與統一，且系統維護簡便，布局合理，網絡效率高。

1.3 數據建庫

分析評估數據源，明確數據源后再對數據建庫的技術方案進行選擇。各專題數據庫中的數據按其性質可分為空間數據和屬性數據，二者可以統一建庫，即在建空間數據庫時，同時錄入屬性數據，也可將空間數據建庫、屬性數據錄入分開進行，最后建立關聯，統一管理。

綜合管網數據建庫方案包括地形圖數據處理和管網數據處理。

1.4 系統功能實現

系統功能實現見表1所列。

2 具體方案實施

2.1 現場應用

系統現場應用分為如下三個階段：

（1）數據建設，將京西公司紙質圖信息錄入管網GIS系統中建庫，實現電子存檔，智能管理；

（2）專業系統建設，與互聯網結合，主要針對巡檢維修和管網的二次管理；

（3）信息化集成共享，強調實時數據的展示分析和歷史數據的挖掘，在各業務之間共享信息，全面實現智能化辦公。

現場應用流程圖如圖2所示。

對廠區建筑進行三維建模，廠區景觀采用PDMS三維建模，使用3DMAX做后期處理。不僅能夠顯示并查詢廠區內的樓宇和主要設備的位置，還能夠與地下三維GIS系統有機結合，確保數字三維效果的連續性和完整性。

外業探測得到的點表和線表建網入庫，并將點表和線表中記錄的管件設備的屬性根據用戶需要自動導入管網中，以達到管網圖形和屬性的統一管理。范圍包括綜合管線隧道、生活給水管線、補充水管、天然氣管、事故排油管、循環水管、生產排水管、服務水管、生產/生活排水管、熱網隧道、雨水排水管、消防水供水管、氫氣管、電纜溝（隧道）、采暖制冷管、生產給水管、酸管、壓縮空氣管、地下接地網管線、地下部分的閥門井、直埋電纜等電廠施工過程涉及的地下隱蔽管道、管線、井和閥門等。

2.2 實地探測

2.2.1 探測范圍及分類

以圖紙為依據，經實地探測后，將北京京西燃氣熱電廠面積約158畝范圍內的地下管道及管線進行分類。并查明各類管線的走向、埋深、管徑，標明特征點，包括管線起止點、閥井、分支點、拐點等。將管線性質特征點編制成“管線點成果表”，以便建立管網數據庫，方便計算機繪圖使用。現場管線分類見表2所列。

探測采用先進的RD4000系列探測儀和先進的探測方法，詳細查明了京西燃氣熱電廠的地下管網分布情況，把測量范圍內所有使用的管線都由源頭追測到入戶或出戶，形成了完整的管網綜合網絡，為今后的管理工作提供了一份翔實的基礎資料，并最終實現計算機管理。本次探測結果經京西熱電廠有關部門驗證，達到了合同規定的要求，外業探測工作可較好完成。

2.2.2 探測方法及質量評述

本次管線探測采用英國雷迪公司生產的RD4000系列探測儀兩臺，分兩組進行。該儀器具有連續追蹤、多頻發射、聲響提示、表頭指示、抗干擾能力強及測深直讀等優點，是目前國際上較理想的通用儀器。在管線簡單的情況下，平面定位誤差≤15 cm，埋深定位誤差≤0.15 H。其探測深度對鋼質管道可達5～8 m，鑄鐵管道達3～8 m。由于院內地形復雜、管線類型和管材性質多樣，為保證質量，分別采用有源方式和無源方式進行探測。有源方式又分為感應法、直接連接法和夾鉗法。無源方式主要采用工頻法。

（1）感應法：將發射機置于被探測管線上方或旁側，作水平發射或垂直發射，接收機在地面追索管線的走向和定位。這種方法適用于干擾較小、未埋深的金屬管道的追蹤；

（2）直接連接法：將發射機的輸出訊號接在被探測管道的出露點并構成訊號回路，以增強目標管線檢測信號，提高探測深度；

（3）夾鉗法：利用一個閉合的夾鉗套在被測管道上，發射信號通過夾鉗中的線圈耦合于被測管道。該法適用于前兩種情況之間的管道探測；

（4）工頻法：在輸電電纜的探測中，通過測量交流電所產生的交變電磁場或其高次諧波成份以達到定位目的；

（5）信號檢測方式分為水平分量檢測，垂直分量檢測與水平分量垂直梯度檢測。

2.2.3 特征點的確定

特征點是管線探測結果的重要資料。對于有露頭的地方首先探測，然后揭露實測，確定其深度、性質和管徑等。對于沒有露頭的拐點、三通、四通則進行反推，最后匯聚并在其最近的露頭點確認。在實地用紅漆做“十”字標記，并記錄各種屬性信息。

2.2.4 圖件的編制

本次外業探測主要提供原始基礎資料，為后階段的計算機成圖建立數據庫所用。鑒于此目的，將成果資料以1：500地形圖作為底圖，地面上的建筑物及標志均以底圖為準，僅增加繪制探明的各類管線、管道。

2.2.5 生產和管理的實際應用

地下管線探測的準確性為之后的三維建模提供了準確、可靠的數據：

（1）利于規劃設計：地下管線的準確性具有準確的參考數據，對管線的三維建模地下管線的碰撞分析起到決定性作用，為管道設計提供了極大方便；

（2）提供工作建議：地下管線因為具有隱蔽性，即使專業人員也無法完全準確掌握地下管線的情況，若遇到不清楚的廠區地域，可以通過外業探測數據迅速掌握情況，為日常工作帶來很大便利。

3 具體實施情況

3.1 建立電廠管網數據庫

實現從源頭到用戶的管網相關資料的統一信息化管理，如管道、閥門資料及相關施工、維修、養護資料等。改變了電廠管網資料傳統的管理方式，所有資料電子化存檔，可有效改善紙質資料混亂的情況與人員流動產生的資料斷檔等情況，既方便了電廠人員對廠內管網資料的管理，又有利于資料的延續。根據其他電廠對該系統的使用情況統計，每年節省紙質資料費用與資料人工管理費用數十萬元。

管網數據庫完成了22種管網數據入庫，管線總長超過29 700 m，完成了補充水、工業廢水、暖氣等七種管網設備供55張照片的入庫工作。具體如圖3和圖4所示。

3.2 系統綜合信息生成

系統能夠對管網數據進行拓撲完整性和數據一致性檢查，提供拓撲連接檢查、字段值重復檢查及孤立點、孤立管段、超近點、超近點線、重疊管段、管徑異常、飛點等一系列檢查工具，能夠對數據的錯誤進行檢查和自動校正，保證數據的完整性。圖5所示為類似CAD編輯的管網設計圖。圖6所示為點擊查詢污水管網屬性信息。

系統可根據統計條件快速生成多種形式的統計圖表，對任意范圍內的管網進行統計，如屬性統計、區域統計、條件統計、管網資料統計、專向統計等，并可將統計結果生成各種直觀的統計結果圖，還可將統計結果保存為統計方案，以便下次快速查詢統計信息。閥門統計結果如圖7所示。生活水全設備匯總結果如圖8所示。

系統可自動繪制出符合規范的橫、縱斷面圖，顯示電廠管網的地下分布狀態或坡度狀態。并可在斷面圖與管線地圖之間進行聯動操作，查詢管線和剖點處的屬性信息。極大地方便了工作人員對電廠管線的數據管理。橫斷面三維圖如圖9所示。

二維地圖僅能夠直觀展現綜合管網的平面位置，而管網的埋深等相對地面的高程信息無法直觀展現。系統支持綜合管網的三維建模與展示，可生成電廠任意范圍內的管線三維立體圖，輔助電廠工作人員了解廠內管網的分布、走向、埋深等，同時系統提供基本的三維操作和查詢功能，方便電廠工作人員查看數據。系統爆管分析圖如圖10所示。

當廠內突發爆管事故時，工作人員可以利用系統智能分析出最佳的關閥方案，并將需要關閉的閥門、停水范圍、停水用戶等重要信息以圖形和報表的形式及時反饋。同時還可生成、打印閥門啟閉通知單、用戶停水通知單、現場維修圖等，協助搶修人員施工。

3.3 綜合管網地理信息系統的創新點

北京京西燃氣熱電有限公司開發的綜合管網信息系統以外業科學實地探測獲得的數據為依據，以計算機技術為基礎，以數據庫技術為核心，達到了國內外先進水平。

合理規劃資源的使用，充分利用現有系統資源，建設一個全面、完善的管網信息系統，以實現發電企業生產期間的“生產過程自動化，經營管理科學化，企業辦公網絡化，崗位人員全能化”，提高企業的核心競爭力。

（1）電廠管網數字化：建立電廠管網數據庫，實現從源頭到用戶的管網相關資料的統一信息化管理。

（2）管網管理動態化：系統可以實現電廠管網資料的動態管理，能夠方便地將改擴建工程的管網資料添加到數據庫中，結合GPS和其他測繪數據，實現管網數據的同步更新。保證管網空間數據的拓撲完整性、屬性數據的準確性、現勢性。

（3）電廠管網可視化：系統實現管網及相關資料在地圖上的可視化查詢、統計、打印及輸出，提供對地下管線的橫、縱斷面圖查詢及三維可視化瀏覽，為管網的規劃、設計、改擴建、維修提供準確翔實的管網資料。

（4）決策支持智能化：使用管網地理信息系統進行管網數據的管理，可有效減少管網事故的發生，同時對于地下管網發生故障后的搶修決策提供快速準確的判斷和處理措施。

（5）管網信息集成化：可實現綜合管網信息的有效集成，在地圖上直觀展現實時監測的綜合管網屬性信息，結合手持系統，可以在線查看當前巡線人員的位置等，為領導全面準確掌握廠區綜合管網系統的運行狀況提供支持。

4 結 語

通過綜合管網信息系統項目的實施，可全面整合和集成綜合管網信息資源，全面掌握綜合管網信息資源的類型、數量等，摸清電廠綜合管網系統的建設情況，促進各部門資源共享，為綜合管網信息化的可持續發展打下堅實基礎，實現對綜合管網信息資源的科學化和規范化管理。系統建成后，可以在該系統上進行相應的管網分析，輔助提供科學決策依據，優化管網設計，有效節約公司后期維修改建成本。綜合管網信息系統可根據事故報告位置，快速在地圖上實現定位，進行網絡分析，使運行人員能快速到達現場，提高搶修效率，縮短故障時間，減少公司的經濟損失。

綜合管網信息系統更進一步促進了企業管理模式的轉變，從傳統的依靠經驗管理轉變為依靠精確的數字分析管理。為京西公司現場管網系統提供完整、全面的信息化解決方案。針對現場管網的實際業務需求，基于GIS、數據庫、數據中心、通信等先進技術，以基礎地形圖和綜合管網數據為基礎，注重綜合管網管理業務移動化、綜合信息集成化、運營管理服務化，實現綜合管網空間、屬性數據和業務數據的統一動態管理。

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