滄州高后果區三維可視化研究

劉鳳杰，于 瀅

（國家管網集團東部原油儲運有限公司，河北 滄州 061000）

自中國能源行業“十三五”規劃頒布開始，我國能源改革更具針對性，發展方向更加明確，以先進的改革思路加大改革力度。2016-2018 年，油氣管道行業率先展開行動，以油氣改革政策為前提，落實管網體制改革，具體從以下幾項內容展開工作：管輸運銷分離、管輸定價體系改革、油氣管網信息公開和市場化改革。近幾年，隨著社會對油氣能源的需求與日俱增，我國逐漸增加油氣管網范圍，將管道建設施工質量作為工作重點，不斷提高管理水平。于2017 年末，經過對陸上油氣管道的建設，其總里程累計已超出12 萬km，貫穿我國31 個省市自治區，標志著油氣管網在我國已實現[1]，擴大了長輸油氣管道規模，共計13.14 萬km，其長度在全球位居第三，其中天然氣管道最長，約占長輸油氣管道55.25%，其次是原油管道，約占長輸油氣管道23.52%，最后為成品油管道，約占長輸油氣管道21.23%。將《中長期油氣管網規劃》作為行動標準，到2020 年，其范圍達到16.9 萬km；到2025 年，其范圍預計達到24 萬km，當實現最終預期范圍時，即證明成品油、天然氣干線管網已完成預期覆蓋面，貫穿我國各個區域，我國管道發展進入高峰階段。油氣管道將成為新的經濟增長點，推動我國經濟發展。

隨著油氣管道的迅速發展和擴張，因油氣管道易腐蝕以及在承受外力破壞情況下易泄露、爆炸的特性，大概率會威脅到鄰近居民的生命財產安全，并對社會生活、自然環境造成嚴重損害。尤其是相關事故發生頻率較高，對社會以及生態環境已經產生了不同程度的危害，在居民生活區附近發生的事故也導致了嚴重的人員傷亡，同時造成了無法修復的環境污染，嚴重影響社會的發展和公眾的生存生活。

歐美發達國家最先針對高后果區進行了研究，相關研究成果較為成熟，如美國最早頒布相關規定及多部法案，在管道管理方面也出臺了相關政策，制定了方案、細則和標準[2]。我國在GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》中針對“高后果區”進行了具體界說，概括為管道發生泄漏后，將會危害公眾及環境的區域。因此，關于油氣管道可能發生事故需要對高后果區段進行迅速、精準識別，整合資源，經優化后再利用，其中關鍵的是相關管理人員的工作，需要有針對性地制定管理方案，重視防護與監管，在運營過程中保障管道的安全性、穩定性、持續性，以防重大事故和環境污染發生，降低危險系數，減少沿線人員傷亡以及財產損失。高后果區分級標準見表1。

表1 高后果區分級標準

1 滄州輸油處高后果區現狀

滄州輸油處包含石家莊站、安平站、河間站、滄州站4 個輸油站場和滄河線（83.2 km）、津滄線（35.1 km）、臨滄線（181.3 km）、河石線（146.5 km）4 條輸油管道。滄州輸油處依據GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》因地制宜建立符合當地的標準，將企業管道管理作為制定標準的基礎，根據當地社會發展程度將附近環境、人口納入考慮范圍，制定符合需求的識別與分級準則，并對其范圍內的高后果區進行識別。滄州Ⅲ級高后果區識別見表2。

表2 滄州Ⅲ級高后果區識別（截取部分）

2 三維高后果區技術

油氣管道屬于線性工程，其高后果區識別實際上是對地理空間的分析，主要運作范疇為識別管道附近一定距離與空間區域內的自然及社會因素點，其中包括人員聚集地、關鍵設施、環境敏感點等[2]。

隨著信息化時代興起和科學技術的迭代，滄州三維高后果區采集內容主要包含輸油管道兩側20 m 范圍內的市政管線采集、0.03 m 傾斜攝影模型建模、閥室360°VR 虛擬現實的建設，以及周邊因素（包括：小區、醫院、消防、河流流速、流向）等數據的采集。

2.1 管道測量

工作內容主要包括：

（1）收集資料。主要有控制測量資料、地下管線調繪資料（以實際情況為準）、1∶500 數字化地形圖。

（2）探測、調查地下管線。為保證數據真實、事實有據進行實地調查，對地下管線主要探明其平面位置、埋深、走向、規格等。

（3）測量地下管線。為保障數字地形圖質量，選用全野外數字化采集法，利用全站儀觀測、內存記錄，主要勘測地下管線點數據及修測地形圖。

2.2 傾斜攝影

GIS（Geographic Information System）作為計算機操作工具，具有多種功能，其中包括數據采集、管理、分析、輸入和輸出[3]，GIS 是集各領域科學為一體，其中包括計算機科學、地理學、環境科學、空間科學、測繪遙感學、城市科學、信息科學和管理科學，通過數字地圖記錄現實中的地理數字信息[4]，并進行處理、分析、展示。

近些年，國際測繪在該領域中不斷發展進步，傾斜攝影技術就是其中一類新興技術，屬于高新技術，突破了最初正射影像的困境，可以多角度進行拍攝，除垂直角度拍攝外，還可以通過不同的角度采集攝像，只需要在一個平臺連接多臺傳感器，便可以增加4 個傾斜角度，該項技術按照人眼視覺研發，其效果能夠將用戶帶到類似直觀世界，感受真實氛圍，如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影航飛圖

從傾斜攝影測量技術發展現狀來看，達到了同一時間對5 個不同的角度采集影像的標準，通過該項高新技術構建城市三維模型，有望將建模成本最小化[5]。

主要體現以下4 個特點：

（1）反映地物周邊真實情況：相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了正射影像應用的不足。

（2）傾斜影像可單張影像量測：只需要一項條件就能夠直接開展測量工作，即配套軟件。其條件以成果影像為基礎，對高度、長度、面積和角度等進行作業，擴展了傾斜攝影技術的應用。

（3）建筑物側面紋理可采集：現如今三維數字城市應用廣泛，種類較多，利用航空攝影的獨有特性，可以大規模成圖，再采用傾斜影像批量提取及貼紋理模式，在城市三維建模中可以提高工作效率，進而降低建模成本。

（4）數據量小易于網絡發布：傾斜攝影技術與三維GIS 技術數據相比，其具備獨特優勢，最重要的一點是獲取攝影數據量較小，因此，將完整技術融入影像數據格式，用以加快網絡發布速度，實現共享應用。傾斜攝影整體作業流程如圖2-圖4 所示。

圖2 傾斜攝影測量影像處理流程圖

圖3 無人機數據處理流程

圖4 傾斜攝影數據整體流程

2.3 VR 技術

20 世紀科學技術發展迅猛，虛擬現實技術便是此時興起的新型實用技術。其利用計算機模擬虛擬環境，使人們產生身臨其境的感受，達到環境沉浸的效果。科學技術的進步促進社會生產力發展，許多行業都涉及了VR 技術，對其需求越來越多，VR 技術逐漸成為一個新的科學技術領域。

2.4 周邊因素采集

高后果區周邊要素采集主要包括人口信息、建筑物、周邊醫院、醫院床位、河流流向、河流沿線的水壩、鐵路每天經過的車輛以及經過時間信息等。

3 高后果區三維可視化成果

依據最新可視化分析技術，此次項目成果主要包括傾斜攝影模型的建設、三維虛擬閥室、周邊要素調查結果表、三維可視化分析系統4 個內容。

3.1 傾斜攝影模型

傾斜攝影模型主要按照河流中心線兩側200 m 進行數據采集，人口密集區按照管道中心線左右各250 m范圍進行數據采集，如圖5 所示；河流區域按照上游1 km 下游7 km 采集，如圖6 所示。

圖5 人口密集區采集圖

圖6 穿越河流采集圖

3.2 三維虛擬閥室

對滄州閥室周邊地物地貌按照以閥室為中心點500 m 緩沖區范圍、室內全視角進行虛擬三維閥室的建設，如7 圖所示，并對室內閥門、管道進行獨立信息標注和說明，如8 圖所示。

圖7 洪橋閥室近景圖

圖8 洪橋閥室VR 實景圖

3.3 周邊要素調查

對輸油管道緩沖500 m 范圍內的人群、居民樓、學校、商業區等信息實現三維可視化。

3.4 三維可視化系統

三維可視化系統按照國內軟件優先級別采用國產地理信息支撐平臺Supermap10.1。基于閥室、高后果區三維數據管理與展示平臺實現地理信息、輸油管道2 個層面的應用結合，以及市政、輸油管道、閥室和高后果區等三維測繪展示系統管理平臺的多層面展示，即建立三維輸油管道、閥室和高后果區展示平臺，基于市政管網、輸油管道實現三維管道管理平臺，具體功能如圖9 所示。

圖9 滄州高后果區三維可視化系統功能結構圖

系統功能如圖10、圖11 所示。

圖10 三維管理平臺管理系統

圖11 開挖分析結果展示圖

4 結論

根據目前我國社會經濟的發展形勢推測，在未來發展中，管道輸油成品油將成為經濟點，占據石化行業的主要位置。現在國內油氣管網已基本形成，對后期管道安全運行與維護成為工作重點，避免發生安全事故。就目前而言，對于管道高后果區可視化管理工作和風險預測方面還存在一些缺陷，主要原因在于管理、巡線人員現場勘測，導致工作任務重、效率低。本文結合現行傾斜攝影、GIS 技術、虛擬可視化等技術提出了一種關于管道高后果區三維可視化管理的新方法。實踐證明，基于傾斜攝影三維可視化的高后果區管理可以迅速、精準地進行高后果區的事故推演、事故定位和周邊環境分析，并且效率高，能夠節省大量的人力、資金等資源。

我國是一個地形地貌非常復雜的國家，幾乎擁有所有地形類型，并且管道沿線的自然環境多變，高后果區管理面臨著范圍廣、難度大的問題，未來的管理工作應將地理信息數據及信息化管理技術融入進來，實現高后果區智能化分析、推演和可視化管理。