基于WebGIS的管道仿真模型構建

劉天堯，朱 峰，高海康，任學軍

（1. 中國石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000）

我國長輸油氣管道規(guī)模龐大，設計規(guī)格各異，結構復雜，為了保證管道長期穩(wěn)定運行，管道仿真軟件不可或缺[1]。管道仿真軟件市場主要由SPS、REEG和TGNET/TLNET等國外產品壟斷，然而國外軟件在國內存在諸多不適用性，因此中國石油管道公司自主研發(fā)了商業(yè)級管道仿真軟件RealPipe，并在國內油氣管網進行了成功應用[2]。目前，國內外對管道仿真軟件的研究重仿真計算引擎算法的精度和效率問題，輕管道模型建立過程。模型構建方式多為純文本手工編輯，使得管道模型建立過程較為復雜，學習成本高、建模效率低、錯誤率高[3-4]。為了簡化管道仿真軟件建模過程，提高模型直觀效果，本文將WebGIS技術和油氣管道固有的空間屬性引入管道仿真軟件，為管道仿真模型構建提供了一條新思路[5-6]。

1 管道仿真技術分析

1.1 管道仿真流程分析

管道仿真主要是通過水力、熱力計算的方式，模擬管道中介質（液體或氣體）的流動狀態(tài)。總結現有管道仿真軟件工作原理，管道仿真的一般流程如圖1所示。

圖1 管道仿真流程圖

管道仿真流程主要分為4個步驟：

1）管道模型文件的構建。SPS、TGNET等國際主流軟件主要按照其提供的拓撲規(guī)則，通過手工編寫模型文本文件的方式，編寫管道模型文件。

2）管道模型驗證。編寫好管道模型文件后，一般不可避免地存在拓撲或邏輯錯誤，因此需進行模型文件驗證，若模型文件存在錯誤則需返回修改。

3）仿真計算。對管道模型進行驗證后，利用仿真計算引擎對管道模型進行數學解析，構建計算矩陣，進行仿真計算。

4）結果展示。通過報表、圖形、交互動畫等方式展示仿真計算的結果。

管道仿真的核心是仿真計算引擎，其求解方法、求解精度、運算速度等決定了仿真軟件的可用性。隨著仿真計算引擎的成熟，管道模型的規(guī)模與復雜程度的增加，純手工文本編輯的方式不僅費時費力，而且缺乏直觀性，學習成本高，不易排錯，模型構建效率和結果展示效果逐漸成為制約管道仿真計算軟件發(fā)展的瓶頸，急需開發(fā)基于圖形化的仿真模型構建方式。

1.2 管道模型圖形化構建的可行性分析

圖形化建模是否可行，取決于管道模型的數據規(guī)則與內在邏輯是否嚴謹。管道模型是對真實管道簡化抽象后形成的關系模型，其最小單元為元件——管道及其沿線設備的抽象表示。管道仿真模型以元件為基礎，以有向圖的方式對管道進行關聯表達，以SPS模型的組織形式為例，其按照“元件類型 元件ID 第一節(jié)點ID [第二節(jié)點ID] [節(jié)點屬性1] [換行+元件屬性名 屬性值]…”的格式進行記錄，管道模型存儲示例記錄為：

E ES01 ND01 TAKE

+P 10

T PL01,ND01 ND02

B BV01 ND02 ND03

E ED01 ND03 SALE

+Q 80

T PL02 ND01 ND04

B BV02 ND04 ND05

E ED02 ND05 SALE

該存儲格式適合管道模型的線性化數學模型構建，方便手工書寫模型代碼，在管網模型較小時可快速編寫，但隨著模型結構的擴大，其編寫難度和出錯概率會呈倍數增長。

由管道模型有向圖可知，元件與元件以節(jié)點相連構成管道模型，若將節(jié)點歸入元件自身屬性，則可將元件分為單節(jié)點元件（如注入、分輸）和雙節(jié)元件（如管段、閥門）[7]兩大類；若再將管道模型實際坐標位置信息或工藝流程圖空間相對位置信息加入有向圖中，則管道模型存儲示例可表示為圖2的形式。

圖2 管道元件與仿真模型圖示樣例

綜上所述，管道模型圖形化構建不僅可行，而且可加入地理空間信息這一新維度，將管道仿真模型表達得更直觀；同時可引入GIS相關分析功能，使得利用WebGIS技術開發(fā)管道模型構建與展示系統(tǒng)切實可行。

2 基于WebGIS的管道模型構建系統(tǒng)

2.1 架構設計

管道仿真的核心部分是仿真計算引擎，而管道模型構建過程主要是為仿真計算引擎提供初始參數，因此管道仿真系統(tǒng)架構需圍繞仿真計算引擎進行設計。利用現有WebGIS工具，在保證對現有仿真數值計算引擎改動最小的前提下，結合軟件模塊化思想，設計高內聚、低耦合的基于WebGIS的管道模型構建系統(tǒng)架構如圖3所示[8]。

通過B/S模式構建Web應用程序，系統(tǒng)架構由用戶界面、文件通信和后臺模塊3部分構成，各部分功能為：

1）用戶界面。利用開源WebGIS的Openlayers3設計管道模型圖形化構建引擎，用于構建與顯示管道模型，并負責結果顯示與用戶交互。

2）文件通信。系統(tǒng)涉及的主要交互文件和通信過程包括基于GML編寫的管道模型文件，便于快速計算的二進制模型文件，基于網絡常用數據交換格式JSON的仿真結果文件以及管道模型保存和驗證、仿真運行、結果顯示過程等內容[9]。

3）后臺模塊。管道仿真過程涉及兩個核心計算模塊，GML管道模型驗證模塊負責驗證管道模型中管道拓撲的正確性，并將正確的管道模型簡化為二進制數學運算模型；仿真計算引擎模塊負責調用二進制模型文件，根據管網水力熱力學模型構建數學矩陣模型，進行仿真計算并返回結果。

圖3 系統(tǒng)架構圖

用戶通過Openlayers3提供的WebGIS圖形編輯功能構建模型，并以GML格式儲存模型文件；再經過后臺管道模型驗證后生成中間過程的二進制模型文件；最后進行仿真引擎計算，返回結果并顯示。

系統(tǒng)架構通過文件通信的方式保證了用戶界面與后臺功能模塊的高效分離，Openlayers3與GML的結合可保證在Web上提供管道模型的圖形編輯與展示能力，二進制模型文件由傳統(tǒng)模型文件壓縮而來，作為GML模型與傳統(tǒng)模型的中間緩沖，以保證對仿真計算引擎的改動最小。

2.2 管道模型組織方式重構

由于傳統(tǒng)的基于有向圖的管道模型組織方式缺少坐標信息，不利于GIS的編輯和展示，因此需要重新構建。為了便于Openlayers3快速解析，在使用GIS通用數據格式的前提下，選用GML作為存儲格式對管道模型進行全新設計。

管道模型整體呈線狀結構，由兩點可確定一條直線原理可知，雙節(jié)點元件的位置可由前后兩節(jié)點坐標進行定位，單節(jié)點元件由設備符號坐標和節(jié)點坐標進行定位。管道模型元件類型通過GML格式擴展功能進行定義，構建元件類型庫，以節(jié)點為元件的平級標簽，然后在元件標簽內部進行引用嵌套，避免節(jié)點坐

標重復定義，設計的GML管道模型存儲格式為：

＜RP:ND ID=”第一節(jié)點ID”＞

＜coord＞＜X＞x坐標＜/X＞＜Y＞y坐標 ＜/Y＞＜/coord＞

＜/RP:ND＞

[＜RP:ND ID=”第二節(jié)點ID”＞

＜coord＞＜X＞x坐標＜/X＞＜Y＞y坐標 ＜/Y＞＜/coord＞

＜/RP:ND＞]

＜RP:元件類型 ID=”元件ID”＞

＜!—單節(jié)點元件坐標--＞

[＜coord＞＜X＞x坐標＜/X＞＜Y＞y坐標＜/Y＞＜/coord＞]

＜RP:ND ID=”第一節(jié)點ID”＞

[＜RP:ND ID=”第二節(jié)點 ID”＞]

[＜RP:屬性 1 AT=“屬性 1”＞]

＜/RP:元件類型＞

GML管道模型最大程度地保留了傳統(tǒng)管道模型的結構框架，在通過模型驗證后僅需去掉一級節(jié)點標簽和所有坐標標簽，順序解析即可恢復傳統(tǒng)管道模型的數據組織結構；并在二進制壓縮后可被仿真計算引擎直接調用，解決了在保證仿真計算引擎改動最小的前提下對管道模型數據格式的重構問題。

2.3 管道模型圖形化構建引擎設計

為了提高管道模型的構建效率，減少錯誤率，圖形化構建引擎必不可少。Openlayers3不僅具有強大的WebGIS編輯與顯示能力，而且開源易用，是定制開發(fā)管道模型圖形化構建引擎很好的選擇。

由于管道模型由元件組成，選用拖拽式的建模方式更為簡便、快速，因此本文設計的引擎界面（圖4）主要由兩部分組成：①管道模型元件選擇面板，對模型元件進行封裝后提供選擇和拖拽功能；②圖形繪制面板，將從元件選擇面板中拖拽而來的模型元件以圖形的方式進行表示，并提供元件節(jié)點的吸附連接功能，保存時通過解析Openlayers3圖層元素得到GML管道模型文件。除此之外，為了直觀顯示仿真結果，還設計了元件信息展示氣泡用于結果展示。

圖4 管道模型構建界面

2.4 管道模型圖形化建模實用效果

通過實際測試，單從滿足仿真建模的角度來講，基于WebGIS的管道模型構建系統(tǒng)生成的模型文件格式更加清晰，在學習成本、建模效率和模型可靠性等方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)手工模型編寫方式，對比效果如表1所示。

實際上引入WebGIS構建管道仿真模型的好處不僅在于提高了模型的構建效率，更重要的是其引入的空間屬性維度，利用GIS相關分析能力，為管道在空間上的仿真拓展了更多可能。

表1 模型構建對比

3 結 語

通過將WebGIS技術與管道仿真技術相結合，對基于有向圖方式的管道模型數據組織方式進行了基于坐標表示方式的重新構建，設計了基于WebGIS的管道模型構建系統(tǒng)，可有效簡化管道模型構建過程和提升易用性，提高管道仿真建模效率和可靠性。不僅如此，管道仿真模型引入的空間屬性可與GIS有效結合，為管道仿真系統(tǒng)的模型構建以及管道仿真技術的發(fā)展提供了一種新思路。