基于三维GIS的燃气管网安全评估探讨

（重庆燃气设计研究院有限责任公司，重庆400020）

基于三维GIS的燃气管网安全评估探讨

易明华

（重庆燃气设计研究院有限责任公司，重庆400020）

城市地下管线分布广泛，燃气管道所处区域复杂异常，使得燃气输配系统存在诸多运行方面的安全问题。传统的二维平面图形难以描述管网的复杂空间结构。该文探讨了三维GIS系统的可实现性，在此基础上进行安全评价将有效提高企业安全管理的水平。

燃气管网；安全管理；GIS；安全评估；三维；预测风险；管道风险评价方法；模糊综合评估法

0 前言

我国燃气行业已走过了1个世纪，新材料、新技术、新产品、新工艺和新方法的应用以及国家对清洁、高效能源的渴求使得燃气行业进入了快速发展时期。截至2010年，我国天然气消费总量已达到1069亿m3，天然气管道总长度（包括输、配气管道）达到25.6万km。根据全国城镇燃气发展“十二·五”规划指标，“十二·五”供气总量大概要达到1782亿m，较“十一·五”末增加67%；新建管道25万km，比“十一·五”末翻一番。但是随着行业特别是管道天然气的快速发展，燃气安全事故屡有发生。据中国城市燃气协会统计，2011年全国共发生燃气事故514起，伤亡人数919人，不仅给国家和社会带来了数十亿的巨额经济损失，还严重地威胁到了公民的生命财产安全，也给政府主管部门、相关管理单位以及城市燃气经营企业造成了严重的社会不良影响。“高度重视安全生产，保护国家财产和人民生命的安全”是我国一贯的安全生产策略。为积极响应国家《城镇燃气发展“十二五”规划》大力拓展和科技创新、促进行业发展的号召，要求必须用更先进的技术手段对燃气信息系统进行科学管理，确保燃气输配系统更加安全、高效、稳定地运行。

1 安全管理现状

燃气行业属于高危行业，有着易燃、易爆、易中毒等特点。燃气管道大多穿行于市区人口密集的区域，管网的安全生产运营不仅直接影响着城市发展和社会稳定，也关系到千家万户的生命财产安危。确保燃气管网的安全运行和稳定供气是每个燃气企业永恒的主题。完善企业安全管理，强化安全运营能力，对企业的发展有着重要的意义，是企业赖以生存发展的基石。为加强企业的安全管理水平，各燃气运营企业都从本质抓起，把安全管理工作规范化、信息化、制度化、标准化。

1.1 GIS系统

燃气管网是城市基础设施建设的重要内容，加强燃气管网资料的管理对城市燃气行业和城市安全的发展具有重大意义。随着电子信息科学技术水平的快速提升，电子信息技术也得到全面应用。地理信息系统（GIS）技术的不断成熟，为燃气管网规范化、自动化、科学化、数字化的管理创造了条件。GIS系统以城市地理空间数据库作为基础，叠加燃气公司的燃气管网图，并勾连其对应的管道及设备属性，将这些同一空间、不同层的图形信息和数据库信息叠加在一起，使储存的数据更全面、更准确、更系统[1]。作为智能化管理技术，GIS已被众多燃气运营企业所引进和应用，摆脱了过去传统的管理方式，改变了以往燃气企业纸张储存量大、精度低、更新困难、查询和检索不便的情况。燃气企业运用该系统，能够准确掌握燃气输配网络的状况，一旦出现问题能及时查询和采取措施，能运用数据统计和分析进行维护和更换，并结合相应的理论进行决策。

1.2 安全评估

随着燃气行业的发展和城镇化过程不断推进，天然气管网规模在不断扩大，管网的安全管理已经引起了全世界的广大关注，如何有效防止输送管道事故的发生，如何在增强管道运行安全性的同时合理地利用资源获取最大的经济利益，已成为世界管道运输界的中心话题。为了保障燃气管网的安全运行，各燃气企业的传统做法是按照国家和行业规范设计施工，按计划进行巡检，近些年来也开始做一些管道外防腐层的检测工作。但总体而言都属于“事后管理”，未将企业的资源最优化利用。

为转变目前安全管理的被动局面，把事故隐患解决在事故发生之前，部分燃气企业引入了安全评价对燃气管网的现状或近期状况进行评估。安全评估是以实现工程、系统安全为目的，应用安全系统工程的原理和方法，对系统中的危险因素、发生事故可能性及损失与伤害程度进行调查研究和分析论证，从而评估总体的安全性以及为制定基本预防措施提供科学的依据。管道安全评估技术发展到今天，经历了定性、半定量到定量的三个发展阶段，现在已经有了集中比较成熟的安全评估模型，其中最完备的两个模型为：W.Kent.Muhlbauer的管道风险评价方法和模糊综合评估法。为实现安全技术、安全管理的标准化、科学化创造条件，住建部和中国燃气协会组织编写的《燃气系统运行安全评价标准》，对燃气系统的每一个单元的安全要求作出了具体的规定，能够大幅度提高燃气企业的安全管理水平和实际效果，降低事故率，减小安全风险，提示安全保障对策，优化企业对输配网络的安全管理，降低事故率和安全成本，可以作为燃气企业的日常安全管理工具。

2 基于三维GIS的安全评估系统的建立

燃气输配管网的安全评估是综合考虑输配管网的设计、施工、运行过程中的自身属性、环境参数等各个方面的情况，对输配管网的安全性进行评估。安全评估的难点是实现失效可能性和后果严重程度的定量评价，建立基于三维GIS系统的定量安全评价，需要在现有二维GIS系统的基础上丰富、优化数据库系统，并与之建立数据接口，调用GIS数据进行管网安全评估，并将评价结果在GIS系统中表征，显示安全经济损失估计值、安全等级、危险范围、主要危险因素、安全对策等。

2.1 三维GIS系统的建立

目前众多燃气GIS系统在运行使用，但是由于其开发者多为信息公司，缺乏燃气行业的从业经验，使得GIS系统实际使用中显得力不从心。而且随着社会的进步和人类的发展，城市规模不断增大、城市功能不断增强，传统的二维GIS已逐渐暴露出不适性，不能满足日益增长的需求。

腐蚀和第三方破坏是燃气管道失效的主要原因，腐蚀与土壤理化性质联系紧密，第三方破坏大多是由于施工单位对地下管线分布不清楚造成的。因此对燃气管网进行安全评估，掌握全面准确的管网地理信息至关重要。现有GIS系统仅包含燃气管网本身点（指定设施或地点）、线（管道、管线）、面（管网或区域）的数据库，并没有将空间信息作为一个整体加以研究。而我们需要的是能够支持真三维、面向对象的数据库体系。城市地下三维数据所涉及的信息众多且来源广泛，包括4类：地质勘察数据；管网勘察数据；地下水系勘察数据；工程相关数据。上述数据是典型的空间数据，其属性与位置相关且在三维方向上发生变化。三维GIS系统城市地下空间数据库以地质和管网数据为其核心部分，各类数据库又包括了图形数据、属性数据两大类。三维GIS系统的建立，就是利用已有工程勘探建设资料，将地铁、地下街、地下管线等构筑物信息在计算机里实现几何建模并可视化显示所进行分析的过程[2]。要满足三维GIS各种实时应用(包括地理协同操作)的需要，一方面要对多种类型、多种尺度的三维数据进行精心的组织，以提供高效的数据检索机制，同时，还需要优化设计现有的各种数据库管理系统，以提供快速的数据动态存取服务。

城市燃气管网失效的后果严重程度与失效所处地域有重要联系。据研究，街道两侧建筑物对埋地天然气管道泄漏扩散的浓度分布和变化具有很强的影响，泄漏时的射流轴线会偏向埋地管道一侧的建筑物，该侧建筑物离地5m的范围内天然气浓度大于15%，且紧贴靠近泄漏口的建筑物壁面向上扩散，若从开启的门窗进入到居民住宅内，可能造成室内爆炸，具有很大的安全隐患。因此，评估管道泄漏造成的危害，需要调查管道经过区域的建筑物类型与间距、人口密度、经济密度等。目前的GIS系统均未建立该项数据库，但随着技术的不断发展，国内外很多城市都在努力探索和积极实现数字城市。高分辨率对地观测技术、北斗卫星导航系统和遥感科学与技术极大地提高了地理信息获取和更新的能力；分布式数据库和共享技术的发展，极大地提高了信息存储和管理能力；虚拟仿真技术的成熟，促进了信息应用技术领域的变革。这些先进的技术都将见证三维管网时代的到来。

由于城市地下管线种类繁多、分布广泛，管道所处区域复杂异常，各类数据的整合与更新将需要政府相关职能部门与企业的协调与互动，三维GIS需要利用国家共用数据通讯平台，建成一个集城市规划、建设、管理和服务于一体的智能化信息系统，为国家各级行政主管部门、企业、公众提供及时、准确、有效和权威的信息服务。

2.2 安全评估模型的建立

由于当前燃气事业发展迅速，大中型城市天然气的管道发展历时长，管道危险程度存在着巨大的差别。现有的安全评估模型并不具有通适性，需根据城市规模、管材种类、燃气种类、地理区位、地形地貌、管道系统运行时间等几方面因素建立具有自适性的安全评估模型。

城市燃气管网安全评价体系如图1所示。本文以层次分析法和模糊综合评判建立管道安全评价模型，该模型包含数据库、计算分析两大核心部分[4]。数据库用来储存安全评价和风险预控所需的基础数据，包括安全管理数据库、管网属性及其环境数据库、管道失效与事故数据库和风险控制数据库，其中管网属性及其环境数据库接口于三维GIS系统；计算分析是综合考虑特定管段的情况，评估其失效概率、危害事件概率与事故后果并得到安全评估终值，采用风险计算的反向算法，寻找对风险贡献最大的因素，最后制定风险减缓措施以供抢险人员参考。

图1 城市燃气管网安全评价体系[3]

3 结语

三维GIS系统综合了地下管线及地面环境等数据信息，真实地反映了三维空间地物的分布情况。该系统的应用以虚拟场景的方式直观准确地呈现管网的空间分布和工作状态，为管理部门自动化管理提供技术支持。该系统可通过信息共享机制为政府管理部门、市政相关设计与施工单位反复联机查询，避免盲目施工，杜绝事故，节省大量人力、物力，能有效地提高工程建设速度和企业综合经济效益。

基于GIS的燃气管网安全评估，借助三维GIS的理论和方法，在三维虚拟场景中实现管网空间数据和属性数据可视化、动态化管理。借助遥感影像、GPS等技术实时更新及城市建设各部门及企业间的资源共享，保证资料始终处于完整和最新阶段。在此系统上建立适用于燃气企业的安全评估系统，评价不断变化的管道系统安全风险因素，在GIS系统中表征管道安全等级，均衡安排在役燃气管网中严重腐蚀管段的年度大修计划。通过安全评估使安全管理由被动变主动，由局部维护变整体预控、事先预控，由抵挡风险变预测风险、削减风险，能有效提高企业综合经济效益，并推动城市的安全建设。

城市燃气的安全管理关系到城市及社会的发展，系统的安全运行受到政府和社会的日益关注。鉴于目前国内大多数燃气企业的输配管网安全检查、维护管理工作尚未进入到信息化阶段，研究基于三维GIS的燃气管网安全评估对于燃气经营企业是必要的和急需的，具有广阔的应用前景。

[1]陈晟，朱庆.三维城市地质地理信息系统数据库设计[J].铁道勘察，2005（1）：56-59.

[2]张芳，朱合华，吴江斌.城市地下空间信息化研究综述[J].地下空间与工程学报，2006，2(2)：5-9.

[3]万礼锋，尹贻林，张丽君，等.城市燃气管网安全分析体系[J].煤气与热力，2007，27（11）:50-53.

[4]黄小美.城市燃气管道系统定量风险评价及其应用研究[D].重庆：重庆大学，2008.

责任编辑：孙苏，李红

Discussion on Security Assessment of Three-dimensional GIS-based Gas Pipeline Net

The widely applied underground pipelines and complex geographical conditions cause many security hazards in gas transmission and distribution system.The conventional two-dimensional figure can hardly demonstrate the complicated special structure of pipeline net.This paper discusses the feasibility of GIS system and its security is assessed in hope of enhancing security management level of the enterprise.

gas pipeline net;security management;GIS;security management;three-dimensional;risk forecast;assessment method for pipeline risk; comprehensive vague assessment method

TU996.9

A

1671-9107（2014）07-0058-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.058

2014-02-25

易明华（1967-），女，重庆人，本科，高级工程师，主要从事城市燃气输配工程的规划、设计工作。