基于大數據地理信息系統的油氣管道泄漏分析研究

王萍利

(西安職業技術學院，陜西 西安 710077)

石油與天然氣對民眾生活的穩定和現代經濟的發展均具有重大的影響。如何安全可靠地運輸石油與天然氣是石油天然氣物流發展的首要問題，油氣管道為輸送大批量石油與天然氣基本方式之一[1]。油氣管道輸送石油與天然氣優勢不僅體現在運輸成本低、占用空間小、運輸量大并且可實現自動控制，因此成為油氣輸送較為有效的方式。全球油氣管道的建設已經進入了快步伐、大規模和高水平的時代，國外油氣管道的建設為國際能源市場的進一步發展提供了物質基礎[2]。

1 定位技術

20世紀90年代后期，國內各科研小組及科研人員不再拘泥于實驗室內部的模擬管線，研究的對象逐漸演變為油氣輸送的長輸管道、城市的供水管網以及大型重裝設備[3]。經過幾十年的發展，目前國內各科研研究小組已經完全有能力解決實時監控油氣輸送管線以及泄漏報警問題。國內多所知名院校如清華大學、北京大學、中國石油大學以及天津大學等都深入研究過該領域的問題[4]。檢測系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 油氣管道二三維表達平臺

2.1 數據采集及組織

柵格數據易于實現、操作簡單，有利于數據處理，如計算面積、土方等數據有非常明顯的優勢[5]。因此，想要將表達精度提高1倍，相應地就要提高數據量，就會出現數據冗余。矢量數據的特點是數據點位置比較清晰，但是其屬性不夠明顯。矢量數據的操作比柵格數據的操作相對復雜，許多功能(如數據疊加等)難以實現。但它的精度高，占用空間小，輸出圖形美觀且工作效率高[6]。兩者比較見表1。

表1 數據類型

2.2 數據獲取

(1)應用高倍數字攝像機進行高空提取地物地形數據。應用高倍數字攝像機進行高空提取地物地形數據是現在地理數據的重要來源之一。為了簡化操作，在航拍影像過程中采用幾何約束手段來提取地物數據，也就是人工選用大小合適的矩形作為建筑物的識別區域，而不必標定每個房屋位置的關鍵點[7]。由于計算機無法判斷建筑物影像的邏輯關系，數據采集人員可以干預計算機的邏輯判斷，以大大提高模型數據的提取精度和效率[8]。

(2)相關建筑物數據的獲取。獲取建筑物高度的方式主要有：①應用研究算法。②應用激光探測儀直接獲取。雖然這種方法獲取數據的速度很快，但是前期需要準確的數據基礎，后期也需要進行大量數據處理，不太適合大批量的數據獲取。③結合空中影像和研究算法提取高程數據[9]。④在二維地圖上直接人工加載建筑物的高度。其特點是人工根據地物的層數估計高度，誤差較大。

(3)應用全站儀等數字測量工具進行野外數據采集。根據外測數據應用ArcMap等處理軟件生成二維地物，如河流、稻田、馬路、荒地等。同時應用sketchup軟件基于外測數據建立三維地物模型，如泵站、架空管道、穿越點、拐點、居民房屋、生產工廠、農業大棚等。故采用高精度數字全站儀野外測量數據，通過嚴密計算已知點坐標得到滿足需求的南輸管線的地理信息數據[10]。

2.3 測繪數據

對管道沿線左右50 m范圍內的地物、地形及管道附屬設施進行定位和數據收集。

(1)測繪儀器。拓普康(TOPCON)全站儀[11]。

(2)獲取的數據。①點狀數據：管線拐點、公里樁、通信塔、電線桿、穿越點等；②線狀數據：通信線路、輸電線路、等高線、油氣管道、鐵路、各級公路、河流、高速圍欄等；③面狀數據：遼寧省區域、池塘、水庫、橋梁、工廠、果園、養殖廠、大棚、村莊以及各種耕地等。

(3)注意事項。①及時處理當天的測繪數據，能夠回憶起當時測繪時的場景，再現所測地物具體狀況[12]；②測繪與管線安全運行相關的信息，可以減少測繪工作量；③保存好當天測繪最后的測繪點，以便第2天以此為參考點繼續測繪，進而減小測繪中的誤差；④盡量多的測繪工具并排前進，對面積較大的地物測取較多的數據，以便建模時確定其形狀和所占面積。

2.4 數據組織

地形測點數據生成TIN格式的三維地形，通過局域網內的客戶端和服務器端共享進行三維地圖訪問。2種數據通過管道平面坐標(X，Y)相關聯，在GIS中顯示管道完整性評價的結果[13]。數據組織如圖2 所示。

圖2 數據組織

3 系統設計與實現

3.1 總體設計

數據管理模塊主要檢測數據、管節數據、運營參數、維搶修記錄數據、新地物與特殊點等數據的入庫、維護、查詢；二三維表達模塊基于管道物理數據和檢測數據，進行管道周邊環境50 m范圍內地形地貌的直觀表達、道路導航、三維管網與場地站模擬、空間數據查詢等功能、維搶修點定位等。系統總體結構如圖3所示[14]。

圖3 系統總體結構

3.2 地圖繪制及三維建模

(1)地圖繪制。二維地圖以市域圖為背景圖，在ArcMap中疊加各種管道沿線地物的shapefile文件，存儲為.mxd地圖文件。

(2)三維建模。把測繪數據按不同的要素類型分類，然后在ArcMap中導入，如圖4所示。

圖4 地物不同要素

把外測管道沿線地形數據點連線形成高程線，面要素數據點連線生成面，如連接站不同邊角點構成的圖。站場模型如圖5所示。

圖5 站場模型

在ArcScene中把高程線生成TIN格式的三維地形并做檢查、補充、修改等工作[15]。把不同地物因素根據浮動高度，調整到三維地形表面，最后把用sketchup制作的三維立體模型，根據專題要素的空間數據，加載到對應的三維地形上的要素類型[16]。建模展示如6所示。

圖6 建模展示

(3)系統功能。系統功能大體分為管道完整性評價模塊、基于GIS管道運行管理模塊、數據庫管理模塊[17]。各模塊功能如圖7所示。

圖7 系統功能

4 油氣管道泄漏檢測與定位分析

4.1 定位成品油管道泄漏點

成品油管道輸送方式大都采用埋地等溫輸送。管道埋深處地溫相對穩定，假定為溫度恒定，壓力變化對其參數的影響可以忽略。由此認為，負壓波在成品油管道中的傳播速度是恒定的，如式(1)所示：

(1)

彈性系數與其組成、溫度和壓力有關，在實驗室中可以測定。但當壓力低于4.0 MPa時，彈性系數隨壓力變化不大，隨溫度變化較大。20 ℃條件下，汽油的體積彈性系數為9 160×105Pa；煤油的體積彈性系數為13 600×105Pa。

4.2 天然氣管道泄漏點確定

確定泄漏點的基本公式，對于天然氣來說，如式(2)所示：

(2)

其中，P為壓強；T為溫度。

管道中氣體流速相對較大，不宜忽略。設管道內的氣體流速為u，波的絕對速度為a，則壓力波傳播到上游接收器時的相對速度為a-u，傳播到下游接收器時的傳播速度為a+u。

4.3 系統采集時差確定

由在使用負壓波方法確定管道管道泄漏位置時，計算結果受2個參數影響：①上下游檢測器檢測到負壓波的時間差t；②負壓波的絕對速度a。因為檢測系統自身存在誤差，所以t會受系統誤差的影響產生誤差。若系統采樣頻率為10 Hz，則t的固有誤差約為100 ms，代入公式計算得到的泄漏位置X就有50～60 m的定位誤差。與此同時，系統采集數據時差與噪聲干擾問題都會對t將產生影響，最后導致t誤差比較大。管道內介質密度隨溫度與壓力變化是導致誤差的主要因素，但從上述3種輸送介質的負壓波傳播速度分析可得出，a所引起的誤差要比t更小，即泄漏定位誤差的主要因素是t。

油氣管道站間跨越距離比較大，一般在上百千米，最大可達400 km。如何實現泄漏點上、下游檢測信號裝置對應同步的關鍵在于系統采集數據的時差問題。為使2個數據采集裝置同步檢測的壓力信號，運用GPS統一兩裝置的工控機的系統時鐘。但是GPS的時間控制也不是絕對準確的，主要是接收機時鐘會產生誤差。好在這個誤差并不是很大，例如定位型接收機的時鐘誤差一般可以控制在毫秒級別。在國內，大多油氣管道管理系統的數據傳輸采用專線。如圖8所示，這種方式不需要安裝GPS，傳輸條件比較穩定，采集數據時，具有較小的時差內并且不用花費資金購置GPS。

圖8 系統數據采集示意

要獲取準確的時間差t，應當保證2個傳感器采集同步的壓力信號序列、能夠準確地確定壓力信號的拐點。

5 基于小波分析的泄漏定位檢測實例

5.1 工況概要

假設實驗管道長為500 m，首端監測點距離管道起點50 m處，末端監測點距離管道起點250 m處，泄漏閥距離管道起點108 m處，壓力波傳播速度為1 158 m/s。

5.2 對泄漏定位計算

由工況可得兩壓力傳感器之間的距離為200 m，管道泄漏點(即泄漏閥)距離首端監測點58 m。對首末兩泄漏監測點采集的壓力信號進行小波分析處理、去噪后，可以計算出負壓波傳播到首末端泄漏監測點的時間差為：Δt=t1-t2=-0.058 s；利用管道泄漏定位公式定位為：x=66.418 m；定位相對誤差：e=4.21%。

把此空間信息映射到平面坐標內，進而求取其平面坐標然后在GIS二維表達和三維表達模塊中進行展示(圖9)。GIS平臺中基于小波分析的泄漏點檢測與定位分析模塊中獲得泄漏點距離管線起點的里程長度。通過封裝函數把線性坐標轉化為空間坐標，利用空間坐標作為參數傳遞給GIS的表達模塊進行定位。

圖9 平面坐標在二維和三維GIS表達主界面

6 結論

地理信息技術是當今主流的多媒體跨平臺技術，它必將促使管道管道泄漏檢測盒定位分析向著數字化、形象化、可視化方向發展。利用VS2010開發平臺配以空間數據庫并結合地理信息系統提供的GIS插件、工具、組件庫搭建了油氣管道及其附屬設施的基于GIS的二、三維表達平臺。采用壓力傳感器接收壓力波信號后對其進行小波變換、去噪處理，檢測分辨出負壓波并記錄其傳播至上、下游兩傳感器的時間。根據負壓波傳播到上下游傳感器的時間差與傳播速度，實現對管道泄漏目標點的定位并在第一時間做出應急響應。