基于GIS天然气管道安全管理系统建设方案

姜顽强，赵攀，刘金明

（兰州石化公司研究院，兰州 730060）

基于GIS天然气管道安全管理系统建设方案

姜顽强，赵攀，刘金明

（兰州石化公司研究院，兰州 730060）

通过探测、测量等手段获取家属区地面空间对象、地下天然气管道及其他管道的地理数据，利用GIS技术建立空间对象三维模型及地下管网模型，准确表达其拓扑关系，并在ArcGIS平台中实现多源数据的存储与管理，借助GIS功能展开综合分析，为小区天然气管道系统安全管理提供可靠数据，同时，利用系统中现有数据，还可开展其他专题应用。

GIS；天然气管道；安全管理

1 前言

随着“天然气直通到户”工程的开展，家属区天然气管道铺设工作已完成，小区管道铺设以直埋为主，地面和空中分布为辅。由于小区地下已有前期铺设的各类管线和电缆，地下建构筑物有车库、管沟、水泵房、换热站等设施，以及地势差异的影响，致使天然气管道铺设过程中无法严格按照天然气管道设计图纸进行施工，同时后期的竣工图纸也未跟上。按照矿区服务事业部的要求，将小区内天然气管道分布及辅助物的位置与周边地上地下其他设施相结合，利用GIS技术建立以天然气管道为主、地下其他管网为辅、地上地下建构筑物和地面对象为参照的天然气管道安全管理系统。

GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是指在计算机软件及硬件的支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性，以一定的格式输入、存贮、检索、更新、显示、制图、综合分析的计算机技术系统［1］。GIS具有显著的三大特性：地域性、多维结构、时序特征。GIS的技术优势在于它的混合数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的动态模拟和空间决策支持功能等［2］。

目前，GIS在我国安全管理、环境监测、城市规划、基础管理等方面得到了广泛应用，尤其是在我国城市地下管网和煤矿安全管理、炼化企业厂区挖掘作业等方面发挥了重要作用。因此，利用GIS技术建立家属区天然气管道安全管理系统，可以精确展现地下天然气管道及其他管道与地上地下建构筑物、地面对象之间的位置关系，利用GIS可视化、量测、查询、统计、空间分析等功能，为小区规划改造、地下管道检修管理、隐患治理、运行调度、应急管理等方面提供准确信息，保障天然气管道安全运行，整体提升小区安全管理水平。

2 家属区天然气管道系统现状

家属区天然气管道系统主要包括管道、小区接入井（或调压柜接出井）、各级阀门、调压柜等，大部分部分均采用直埋方式，其直埋管线走向、埋深、分支接点等均不明确，天然气管道埋设深度一般在1米至2米之间，2米以下及附近是否有管沟、电缆、其他管线等不得而知。

家属区天然气管道建设分两种情况。第一种是，后期增加铺设的天然气管道系统，由于小区路面、楼房、绿化、地下管网已铺设完毕并使用多年，天然气管道铺设只有重新开挖地沟，而进入同一户型各住户的楼房天然气管道主干线只能在楼房外侧（如图1），楼房外侧主干线上控制阀只有一个，一般离地面较近。第二种是，小区建设时期已铺设了天然气管道，与其他地下管道一并埋入地下，而进入同一户型各住户的天然气主干管道位于楼房内（如图2），高层楼房内的主干线上一般按照每十层布设一个分级控制阀。

新建小区地下结构复杂，地下设施一般有换热站、水泵房、车库、变电所、综合管沟、化粪池、各类管线及电缆等，埋地天然气管道一般在地下建构筑物以上、地表面以下，由于地下建构筑物及地势的影响，二维设计图纸无法完全展现地下管网的实际分布，地下管网分布不明确。老区新增的天然气管道系统，由于铺设的时间不长，地面填埋痕迹清晰，天然气管道走向基本明确；铺设时开挖地沟过程中，偶尔遇到地下已有其他管道致使埋设天然气管道的管沟另行改道，其结果是日常管理所采用的设计图纸与实际分布不符。

3 建设方案

家属区地上地下空间对象较多，地下管网分布复杂；由于地势的局限，地下建构筑物呈多层结构分布；位于地上的管线只有天然气管道，同时小区内地上地下管网需要地上地下建构筑物作为参照；为了直观展现天然气管道上各级控制阀及管道分布的具体位置，同时考虑项目费用和工期，系统采用二维GIS、仿真三维GIS、三维GIS相结合的方式实现空间对象数据的可视化，老区住宅楼房采用仿真三维GIS、新建区域宅楼房采用三维GIS、地面其他空间对象采用2.5维GIS、电缆线采用2维GIS、地下建构筑物及管线采用3维GIS实现。

该系统选用ArcGISDesktop为数据处理软件、ArcGISServer为服务发布平台、ArcGISEngine为开发平台、ArcSDE和Oracle为空间数据库管理系统。地理数据通过现场实地探测、测量获得。基于GIS的天然气管道安全管理系统建设主要包括数据采集、三维模型建立、系统设计、数据集成等方面。

3.1 数据采集

数据采集包括空间数据和属性数据采集。空间数据分地上地面可见设施和地下不可见设施等与地理位置相关的数据，主要用于三维模型建立；地上地面可见设施包括房屋、道路、围墙、广场、路灯、地下车库、休闲娱乐文化设施、摄像头、水泵房、换热站、变电所、天然气调压柜、各类井、地下建构筑物地面通风设施、景观水渠等；地下不可见设施包括各类水管线及附属设施、各种电缆通讯线、管沟、化粪池等。属性数据包括空间对象的基本参数和描述性的信息，便于查询、统计、分析时使用；如管线属性有名称、埋深、管径、材质、压力、温度、保温措施、埋设年代、最近更换时间、阀门个数、其他信息等。

空间数据的采集分探测、定位测量、纹理数据获取等三部分完成。第一步，使用探测设备探明地下见管线和电缆的走向和埋深。第二步，在同一坐标系下，使用全站仪、GPS、三维扫描仪等测量设备获取地下管线位置数据、地上地下可见建构筑物的尺寸及位置数据。对于有地下车库的小区，整个小区地面及地下车库采用三维扫描仪获取整个空间的点云数据，实现地上地下建构筑一体化；对于没有地下车库的小区，使用全站仪和GPS完成地面空间对象的位置及尺寸数据的采集。第三步，使用照相机获取楼房、标识牌、商铺等纹理数据。

3.2 三维模型建立

空间对象三维建模主要是完成地面空间对象和地下建构筑物及管线的三维图形化，利用测量获得的数据，分别采用Cyclone、3DMAX、Sketchup等专业建模软件完成三维模型建立。对于采用三维扫描仪获取的点云数据，使用Cyclone软件完成多站点云数据的拼接及空间对象粗略模型形成，再利用3DMAX和Sketchup软件对粗略模型进行分块精细化建模。对于规则的空间对象，根据尺寸及位置数据在Sketchup中直接建立模型；对于不规则的空间对象，根据尺寸和特征点坐标在3DMAX中完成模型建立。

仿真三维模型建立一般不考虑楼房的窗户、内部结构及每层高度，只需以楼房外墙壁数据和楼房整体高度为准建立模型；对于用于地下管网位置参照的绿化、路面、电灯、井等空间对象的模型建立，可以根据空间对象类别定制统一的标准符号库，同类的空间对象模型采用相同的符号表示即可。

3.3 系统设计

家属区天然气管道安全管理系统系统设计包括数据库设计和功能设计。

3.3.1 数据库设计

GIS对图形数据的存储与管理采用图层技术实现，属性数据采用表结构存储，属性表结构与空间对象模型一一关联。根据地下管网管理需要，可将空间数据分为房屋（楼房、商铺、水泵房、换热站、天然气调压柜、变电所等）、地面（道路、水池、围墙、广场、路灯、休闲文化设施、摄像头等）、地下空间（地下车库、管沟、管沟井等）、电缆、绿化、天生活水管线、暖气管线、消防水管线（消防水管线、消防接合器及附属设施等）、生活污水（生活污水管线、生活污水井、化粪池等）、雨排水管线（雨排水管线、雨水井、雨篦子等）、然气管道（天然气管线、各级阀门、天然气井等）等11个图层，后期也可根据专业管理实际需求继续进行细分。3.3.2功能设计

该系统除了满足日常的浏览、增加、删除、修改、查询、统计、打印功能外，还应该具有放大缩小、属性字段自定义扩展、图文数据裁剪输出、量算、信息标注、数据自定义分层、路径分析、缓冲区分析、泄露扩散模拟、追踪分析、设施连通分析、预警提示、管线碰撞检测、横断面分析、场景漫游、视频输出、支持空间模型数据可挂接常用文档图片图纸音像资料、支持EXCEL折线图和柱形图分析等功能。

3.4 数据集成处理

该系统核心数据主要由三维模型数据、纹理数据、属性数据、基础资料数据、标准符号数据等五部分数据组成，数据集成处理主要是建立前四部分数据之间的关联关系，利用图层实现四部分数据的管理，通过多个图层的叠加实现不同图层数据集中展现与应用，为查询、统计、综合分析奠定基础。

4 天然气管道系统安全管理方面的应用

基于GIS技术建立的家属区天然气管道安全管理系统，通过实地获取家属区地理数据，精确地表达了天然气管道与其他地下管网、地上地面地下空间对象之间的拓扑关系，实现地下管网的可视化；利用GIS多源不同格式数据的集成功能，将设计图、基本参数、日常维护资料等与天然气管道实际位置相结合，为天然气管道安全管理提供可靠的数据来源。具体可以开展如下一些应用：（1）利用可视、量测、管线碰撞检测等功能将横跨管沟、与其他管线较近的天然气管道进行标注，设置预警提示；（2）对局部易发生事故区域（如天然气管道上方的小区路面出现下沉部位、学校附近等）和重点关注部分开展一些泄露扩散模拟，分析事故可能造成的影响，为应急预案编制及准备提供可靠数据；（3）利用地下管网可视化功能，为小区规划改造、挖掘作业、地下管道检修等方面提供准确的地下管网位置图，防止天然气管道遭到人为破坏。

5 结语

基于GIS技术建立的家属区天然气管道安全管理系统，通过实地才采集地理数据，精确地表达了天然气管道与其他地下管网、地上地面地下空间对象之间的拓扑关系，实现地下管网的可视化；利用GIS多源数据的集成功能，将设计图、基本参数、日常检修等资料与地下管道实际位置相结合，通过综合分析，为地下管网基础管理提供完整、可靠的数据来源。

该系统不仅可以用于天然气管道安全管理方面，还可以开展一些如消防水、生活水、生活污水、电缆等系统的专业管理；同时，该系统也为“数字矿区”建设提供一个基础平台；随着物联网技术的发展与应用，后期可将压力表、温度计、计量表等实时数据接入该系统中，通过实时数据的变化分析，对波动较大部位设置预警提示，利用追踪分析功能准确判断发生异常的具体位置，为抢修、紧急处置提供参考。

［1］中华人民共和国环境保护部.HJ/T 416-2007，环境信息术语［S］. 2007.

［2］黄杏元，马劲松.地理信息系统概论［M］.北京：高等教育出版社，2008.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.19.041

F232；F234.3

A

1673-0194（2015）19-0075-03

2015-07-28