基于GIS在油气站场管理解决方案.docx
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基于GIS在油气站场管理解决方案
基于GIS在油气站场管理解决方案
目录
基于GIS在油气站场管理解决方案1
1.概述3
2.三维GIS用于油气站场管理的优势3
3.GIS关键技术4
3.1APDM模型4
3.2站场完整性管理5
3.3ISPPDM模型6
4.三维GIS在油气站场中的应用7
4.1场景浏览7
4.2站内巡检8
4.3工艺流程9
4.4与工控系统融合9
4.5管道检测10
4.6风险评价11
5.结束语11
1.概述
管道系统包括管道、站场、通信系统等，是一项巨大而复杂的工程.其中油气站场按照输送介质的不同，分为输油站和输气站。
输油站包括首站、中间站、末站。
中间站按照功能的不同分为，加热站、泵站、加热泵站、输入站、分输站、减压站。
输气站包括：
输气首站、输气末站、气压站、气体接收站、分输站、清管站、计量站、管线截断阀室等。
其中，首站、末站、分输站按照设计工艺流程较多，相对其他站场，设备设施更多，管理和控制相对复杂。
我国现行数字油气管道调度一般分为三级控制系统：
1、第一级为中心调度指挥。
从控制中心实现监视和控制。
由调度控制中心对全线运行实行统一调度管理，监视管线沿线各站的运行参数和状态。
2、第二级为站控系统。
集中监视控制。
3）第三级就地手动控制。
站场阀门可由现场人员就地进行开、关操作。
随着数字管道技术的发展，我国油气管线站场正向“有人值守、无人操作、远程控制”的方向发展。
2007年3月18日北京油气调控中心正式接管陕京线、陕京二线及西气东输管道，以后还将陆续负责调度、监控和管理中国石油现有和新建的油气管道，并最终实现中国石油国内所有长输油气管道站场“有人值守、无人操作、远程控制”的目标。
目前，油气站场管理中存在的主要问题如下：
1、缺少统一的信息管理平台。
站场建设的各类资料都以图纸的形式存在，如工程设计图纸，工艺流程图，线路设计分布图等。
由于信息分散，数据可交换性差，不利于站场完整性管理的实施。
2、由于某些站场的工艺流程复杂，站场内管线错综交织，工艺流程图与站场设备的空间分布没有建立有效的联系，站场调度人员对工艺流程的实际流向缺少直观的感受和认知，难以达到科学有效的管理。
3、由于站场工艺管线的流程早在建站前就已设定。
故对流程本身可能存在的缺陷认识不足。
当阀门错误开关，引起的流向变化，而造成误操作时，缺乏早期的认知和后果预测。
从而难以达到防患于未然的管理理念。
4、站场的设备和管线很多埋藏在地下，由于图纸丢失或者站场改造，或建站施工未按照预定的图纸要求施工等原因，造成地下信息掌握不足，当开挖地下管道和设备时，容易使埋地管线和设备遭到破坏。
5、站内设备种类繁多，站场管理人员对设备内部的构造和结构认缺乏，不利于站场设施的维修与维护。
6、工艺管道上的位置难以描述和确定。
不利于管道缺陷的记录的管理，给管道的维护工作到来很大困难。
本文通过运用三维GIS技术,提出了一种构建三维油气场站GIS系统的方法,并在实际的工程中得到了实现。
2.三维GIS用于油气站场管理的优势
三维GIS系统是计算机技术与数字仿真技术发展的产物，通过DEM数据来描述地质、地貌，重建真实地形，通过三维建模再现建筑、道路，植被等环境因素，将空间地物以虚拟的形式表达。
用户通过对场景的操作能够对站场环境及其设备进行查看，从而产生直观的感受和认知。
三维GIS在油气站场的建设、施工、运营和维护的各个阶段都有其应用的价值。
将三维GIS应用与站场管理中，可以将业务数据、实时数据、空间数据结合，对站场的科学管理，安全运营做出贡献。
原因如下：
三维GIS是有效的信息展示平台。
不但能够将设备等空间地物的位置信息与属性信息联系在一起，而且三维GIS突破了二位平面的局限，表达了设备管线的平面关系和垂向关系；三维GIS是最有效的信息集成平台。
它不但可以将设备的名称、型号、报废日期等、故有信息与维修记录使用状况做关联，作为设备运行状态的参考》也可以将埋地设备管道与周边土壤类型、湿度等信息综合起来，作为设备管道外腐蚀预测的重要依据；三维GIS是虚拟信息平台。
三维GIS表达的是虚拟的空间，可以将我们难以直接观测的信息方便的展现出来。
例如：
展现埋藏在地下的管线和设备、展现设备的内部构造、展现在管道中流动的液体和气体，通过颜色来反映设备的压力和运行状态。
三维GIS与SCADA系统结合，可以将SCADA系统中实时数据在三维场景中展示，给人直观的感受。
三维GIS可以用于规划巡检路线，制定巡检规划，加强管理水平。
三维GIS可以应用于站场员工的培训，将站场现有工艺流程与实际设备一一对应起来，将现有设备的内部结构展现出来，为设备的维修提供依据。
三维GIS将设备管道的缺陷和维修记录保存下来，能够进行疲劳寿命预测，管道裂纹扩展的寿命预测，管道腐蚀寿命预测，更重要的是根据评估和预测的结果，以可视化的方式与实际管线对应起来。
综上所述，三维GIS技术应用于站场管理运营管理具有如下核心优势：
1、展示站场的工艺区的空间分布、站场内设备设施的状况，包括展示埋藏在地下的设施和管线，以及站场周边的自然环境，地理位置等信息等。
提供查询设备的属性信息，将设备，工艺，消防，建筑的等多种信息统一管理和查询，便于信息的更新和使用。
2、三维GIS辅助其他功能模块,提供准确的三维地理数据,运用三维虚拟技术展现系统成果;提供相应的三维分析处理工具,为管理者提供分析和决策依据。
3、三维GIS能够利用空间分析功能，进行管线连通性的实时分析和工艺流程模拟与展示。
4、三维GIS可以对设备的模型进行交互式的操作，将模型拆分，使操作人员了解其内部结构和组织方式。
5、三维GIS可以进行火灾，气体泄漏等事故的影响后范围的预测，为站场的应急演练，消防设施的部署提供依据。
6、三维GIS的诸多优势应用于站场的管理必将为站场的科学管理和安全运营做出贡献。
3.GIS关键技术
3.1APDM模型
APDM是ArcGIS管道数据模型（ArcGISPipelineDataModel）。
该模型的开发于2002年开始，模型内包含了大多数管道公司中都常见的标准特征。
APDM很大一部分衍生于ISAT和PODS关系数据模型。
大多数情况下，APDM特征类与ISAT和PODS数据库内的表严格对应，并且二者的属性可能相同或类似。
该模型按照ESRI的Geodatabase数据模型来组织长输管道数据。
Geodatabase是一种对象关系数据库的地理数据模型,其可将地理数据作为要素存储在行业标准关系数据库管理系统（RDBMS）中。
APDM没有设计成为一个全面的或者包含所有事物的数据模型,而被设计成为一个模板,这个模板可以使任何管道公司从数据模型的核心元素开始,通过添加要素类和修改现有要素类来修改数据模型。
定制和访问APDM保存的数据的主要方法是通过ArcGIS核心组件库ArcObjects。
尽管PODS、ISAT和ISPDM模型的内容和技术基础与APDM相似，但是它们的结构和内容管理方法的差异非常大。
尤其是企业级应用一般数据量比较庞大，需要多用户访问和编辑，这样就必然要用到空间数据引擎ArcSDE，在访问已经注册版本的要素类和表时，通过SQL访问的数据不是最终状态的数据，所以访问APDM模型中的数据的方式是通过ArcGIS的核心ArcObjects，不能直接跳过ArcGIS而直接访问关系数据库。
对管道系统的各个组成部分所包含的对象进行分析，模型中的所有要素可以分为三类核心元素、参考要素以及非参考要素。
核心元素是Geodatabase地理数据库中的标准对象（如，要素类、对象类和属性），通过这些对象将数据库标识为遵守APDM模型要求的。
核心元素包含构成中心线和层次要素类、对象类：
站列、子系统和站场。
在线要素表示在中心线上所能找到的作为事件的要素类。
在线要素可以通过要素几何坐标中的x，y值来定位，也可以通过线性参考（比如：
以距线性路径要素起点的某一距离来度量的位置）来定位。
在线要素只能是点或线要素。
所有在线要素必须具有一个属性来唯一的标识该要素被定位在哪个路线上。
在线点要素还必须具有沿特定路径的度量值（里程）。
在线线性要素必须具有沿特定路径的起始和终止度量值属性（里程）。
在某些情况下，在线要素可能会作为离线点、线和多边形要素的“在线位置”。
在线点要素作为在线位置，必须有站列ID属性、度量值属性、偏移距离属性以及偏移角度属性。
离线点要素是通过距中心线上的在线点位置要素的偏移距离和角度来定位的。
偏移角度是指中心线上的点到离线点要素所绘线的角度，它通过中心线来度量，并朝向里程增加的方向。
在线线性要素可以作为离线多义线和离线多边形要素的在线位置。
离线要素只能由地理坐标来定位，由辅助管线系统和基础地理数据操作和描述的任意要素所组成。
3.2站场完整性管理
针对油气管道的完整性管理,国内外业已建立了比较系统的理论和技术支持体系,并实现了工业应用。
然而,对于油气管道所属站场和终端的完整性管理,国内外迄今尚未提出系统的理论和方法。
关于站场完整性,目前国内外尚无专门的概念,但基本上已归入资产完整性的概念范围。
目前,国际管道会议（IPC）已经开辟了站场（设施）完整性管理技术领域,并认为是未来一个新的发展方向。
资产的完整性管理是在管道干线完整性管理成熟的基础上扩展起来的，除包括干线管道完整性管理外，又把所有输送设施和附属设施的管理纳入到完整性管理中来，又被称为站场完整性管理，站场的完整性管理与管道干线完整性管理的管理理念相同，但方法不同。
世界各大管道公司，开展干线管道完整新管理的同时，又将设施的完整性管理（包括站场的完整性），加入到管理范畴。
API1160认为,由于站场设备众多,设备特性有差异,因此实现完整性管理面临很多挑战。
但事实上,基于完整性管理的一般原则,站场完整性也具有与管道完整性相同的管理特征。
基于这样的认识和对资产完整性管理技术的研究分析,提出了油气站场完整性管理的实施步骤。
如下图：
图2-站场完整性管理实施步骤
站场的完整性管理主要达到如下目的：
1、可靠性分析。
可靠性评价主要研究缺陷可接受性问题.
2、风险评价。
主要是确定管道失效因素,并对管道失效概率及其后果严重性指标进行量化。
3、风险控制。
实施风险控制策略主要目的是为防止事故发生以及降低系统的风险。
4、完整性维修。
含缺陷管道经过风险评价后通常将管道风险划分成不同的等级，对于风险等级较高管段必须采用相应的抑制和修复措施。
站场完整性管理的实质就是实现站场不同特性设备的基于设备属性数据、运行状态数据、维修维护数据以及历史失效数据基础上的风险管理,与干线管道的完整性管理模式本质上是一致的。
实施站场完整性管理需要在资产完整性管理技术系统集成基础上完成配套的体系和平台建设,同时理顺站场的各种操作管理流程和执行标准体系之间的关系。
3.3ISPPDM模型
据我国输油气站场的实际需求，笔者提出了适合站场内工艺管线特征的数据模型---站场内工艺管线数据模型（InStationProcessPipelineDataModel，ISPPDM），以下均简称“ISPPDM”。
ISPPDPM模型的设计目标是描述站内工艺管道与设备之间的逻辑连通关系，并使不同种类的站场能够在此基础上进行扩展，满足各自的需求。
ISPPDPM模型的深入研究和应用将有助于站场的完整性管理。
ISPPDM模型（如图3-3）中抽象类分为三大类：
网络要素、非网络要素、对象类。
网络要素指构成工艺管网必须的连接对象与边要素。
连接对象是指与管线存在连接关系的阀门，三通等设备或管件。
非网络要素是指通过网络要素来定位，但不是构成工艺管网必须的设备、设施或检测数据。
例如，缺陷位置、仪表，管道轴套等依赖管道中心线而定位，但不是构成工艺管网必须的对象。
对象类包含一些管道管理过程中涉及到的实体，这些实体的空间信息不太重要，或是本身就没有确定的空间位置仅表示逻辑关系。
网络要素抽象类分为三大子类：
连接要素、边要素、沿边要素。
连接要素是指不同管段之间建立连接的设备和管件。
通常连接对象如阀门、泵、换热器等设备或者连接管道端点的罐、管件堵头、出站阀门、入站阀门等。
边要素是指控制点序列组成的管段中心线以及管段中心线的有序集合。
沿边要素是指通过管道中心线来定位的点要素和线要素，为非网络要素例如仪表，缺陷等提供沿边位置。
连接要素分为：
体型要素、线型要素、点型要素。
体型要素根据建模的实际需要可以是点要素也可以是体要素，用来描述与中心线走向无关的工艺设备与设施，例如储罐、换热器、输油泵、阀门等。
线型要素用来描述与管线中心线走向有关的连接对象。
例如：
弯头、弯管等。
点型要素在模型中用点要素表示，可用于表示接口的空间位置。
边要素用来描述连接要素之间的连接关系。
管段中心线要素类代表描述管线中心线线的最小单位，中心线由控制点的序列组成的。
中心线的起点为矢量化的起始点，中心线的终点方向为矢量化的终点。
沿边要素分为沿边线要素、沿边点要素。
沿边要素用来描述依靠管线中心线来定位的要素类。
例如非网络要素的沿边点位置或者沿边线位置。
例如，仪表的沿边位置为点对象，轴套的沿边位置为线对象。
图3-3完整的站场管网模型设计
4.三维GIS在油气站场中的应用
中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司（简称西部管道）业务管理范围横跨新、甘的西部原油、成品油干线，还有覆盖南北疆的轮库线、库鄯线、鄯乌线、克乌线和独乌线，承担着建设和保障“西油东送、西气东输”等西北能源战略通道的重任。
其中原油管道干线的起点鄯善，终点兰州，全长１５５０公里，设计年输量２０００万吨。
本文针对鄯善输油站，利用三维GIS技术实现站场数字化管理。
4.1场景浏览
根据鄯善站竣工图纸和现场勘查数据进行三维建模，包括站场工艺专业、自动化专业、给排水及消防专业、暖通专业、建筑物与结构专业，根据图纸和设备资料将设备数据入库，制作工艺管道中心线数据。
三维可视化场景视图将地下隐蔽工程、地上复杂管道、设备设施以三维数字化的方式直观展示，提供管道、设备设施的定位与查询，帮助场站管理人员方便场站内管道、设备设施的改造、维护维修管理。
如图4-1所示。
图4-1地面模型，地下模型
4.2站内巡检
油气站场运营期间，站场巡检是保障管道安全的重要手段和基础工作。
按照关注的内容可以划分为：
日常沿线巡检和专项沿线巡查，目的是掌握站场运行状况以及周边环境的变化，发现管道设备设施缺陷和危及管道安全的隐患，及时处理安全事件、上报异常情况，同时动态采集各类数据。
随着3S技术和通讯技术的发展，管道的巡检系统可以采用基于GIS/GPS/GPRS/GSM技术作为支撑，具体的结构见图4-2。
图4-2基于GIS/GPS/GPRS的巡检应用架构
按照油气站场巡检管理现在和将来的发展趋势，油气站场的巡检方式根据巡检载体的不同，分为手持设备的地面巡检、车载地面巡检。
这其中三维GIS技术在巡检系统发挥了重要的作用，主要应用功能包括：
巡检终端的坐标数据采集,事件上报,阴保电位数据采集,巡检终端路径导航,对巡检终端的位置实时跟踪,历史轨迹回放和对比,轨迹合格性检查,具体应用实践如图（4-2）所示：
图4-2站内巡检
4.3工艺流程
在油气站场的管理中，工艺流程是由为重要的环节之一。
首先，根据数据制作过程中的中心线数据制作符合油气站场工艺的数据。
其次，用户指定起点及终点设备后，系统利用工艺管线的网络连接关系，给出所有可能的连通路线，用户选择相应的路线后，能够用于动态演示工艺流程。
工艺流程演示数据可以按照工艺流程分类，分层存储在系统中。
用户选择不同的工艺类型后得该工艺的所有流程列表，用户指定一条工艺流程记录，系统将演示油（气）在管道中输送的模拟过程。
如图（4-3）所示：
图（4-3）工艺流程
4.4与工控系统融合
三维GIS和SCADA系统的融合，三维GIS为SCADA提供地理信息场景；SCADA为GIS系统提供实时数据,并通过视听手段将实时数据动态地表现出来。
这样有机结合了空间位置信息、静态属性和动态属性,增强了对数据的表达能力。
提供了监视对象的空间导向信息,大大提高了监视、决策的准确性和可靠性,改善了工作人员的监视环境,减轻了工作人员的劳动强度,提高了工作人员的工作效率。
通过三维GIS可以方便地对监视对象进行计算机管理,改变以往手工作业的落后方式。
这不仅仅是人力上的一种节约,也是财力物力上的一种节省,从而产生可观的经济和社会效益。
三维GIS和工业视频系统的融合，三维GIS为工业视频系统终端摄像头提供了空间位置，工业视频系统为三维GIS系统提供实时视频数据。
视频监控系统应用时常会遇到对突发事件需要进行应急处理,如进行路径搜索,提出人员到达事故现场的最佳解决方案。
因此,工业视频监控系统一方面要起到实时监控作用,同时需要三维GIS系统提供一些辅助决策分析功能,比如事故地点信息查询、最短路径巡逻分析等。
通过三维GIS系统和其它工控系统的融合，为公司突发事件的决策，提供了有利的数据支撑，为将来的无人站场的建设提供了三维平台。
4.5管道检测
缺陷数据的来源与具体缺陷的检测方法有关。
目前，国内外出现多种输油管线泄漏检测及定位方法，其中包括基于硬件的检测方法，如人工巡线、“管道猪”、声发射技术等；基于软件的检测方法，如负压波法、压力梯度法等。
基于硬件的方法是指利用由各种不同的物理原理设计的硬件装置,如基于视觉的红外线温度传感器,基于听觉的超声波传感器,基于嗅觉的碳氧检测装置等,将其携带或铺设在管线上,以此来检测管道的泄漏并定位。
基于软件的检测方法是指根据计算机数据采集系统（如SCADA系统）实时采集管道的流量、压力、温度及其他数据,利用流量或压力的变化、物料或动量平衡、系统动态模型、压力梯度等原理,通过计算对泄漏进行检测和定位。
站内管道的缺陷检测方法中，超声导波检测十分常见。
下面以超声导波检测为例说明说明站内管道缺陷内检测的一般过称。
下图，为超声导波WavemakerG3系统。
图4-5-1、超声导波WavemakerG3系统
英国GUL公司开发的超声导波WAVEMAKERG3系统，主要由主机、传感器、传感器环及安装有WavePro软件的计算机组成，用于快速检测内部和外部腐蚀及缺陷。
特别适用于难于介入的长距离管道（如穿路管道、穿墙管道、埋地管道、架空工程管道等）的大于管道截面面积5%的缺陷的快速筛查。
超声波导检测的数据包括以下内容：
缺陷长度、深度、宽度以及缺陷类型；
给出焊缝的位置和信息，给出管道三通、阀门、弯头（冷弯、热弯）等信息；
压缩机出口部位TOFD数据和A扫描、B扫描数据；
超声波导检测数据库
由于管道的走向错综复杂，很多管道位于地下，因此被检测缺陷位置难以描述和录入系统。
缺陷位置的标记，往往以工艺流程图为参考。
如下图：
A、B、C三处缺陷。
图4-5-2、分离器区西侧入地管段缺陷位置
缺陷位置的描述方法，没有统一的标准。
往往以某种标志和易描述位置的相对距离为参考，用语言文字来描述。
例如：
分离器西侧入地位置开挖深度1.4m，防腐层剥除位置位于入地后0.4m-1.2m之间管段。
关于缺陷本身的描述，包括：
缺陷的环向方向，轴向距离，环向距离，以及最大深度等。
例如：
管体6：
00点钟位置存在缺陷，轴向长度约7cm，环向长度约5cm，最深位置深约0.5mm。
站内缺陷数据的采集，标记，为站内管道完整性提供了数据支撑，三维GIS为管道的缺陷位置提供了确切的位置所在。
4.6风险评价
随着我国对生产安全要求的提高和管道建设的加快，区域风险评价系统助于更加准确地描述“危险源”，建立更准确的事故扩散模型，以及合理地调配资源，实现突发事件的优化管理，制定适宜的应急反应措施，做到事故的科学预报、预警和应急处置。
危险源区域性风险评价与应急关键技术，结合地理信息系统在空间数据和图形处理方面的优势，在三维GIS电子地图上给出直观的风险分布，为应急指挥提供实时建议，对于西部管道公司提高重大危险源的监控、治理与应急、保障管道的生产安全具有重要实现意义。
如图（4-6）对指定原油罐的爆发分析。
图4-6区域风险评价
5.结束语
目前国内三维GIS的应用越来越广泛,三维GIS用于油气站场管理的呼声也越来也高。
运用三维GIS系统将油气站场设备相关的地理信息、管线设备图形信息、以及维护监控信息进行一体化管理,强大的数据管理功能和空间分析功能有利于对站内管网进行全方位的监测、高效率的管理和及时的维护。
开发三维GIS系统是提高国内油气站场技术水平的有效途径之一,这一技术的应用将使国内的油气站场的运行管理进入一个崭新的信息化时代.
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