海底管缆管理及预警系统的设计与实现

郭庆丰

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司生产部，天津 300459)

郭庆丰.海底管缆管理及预警系统的设计与实现[J].西安石油大学学报(自然科学版),2018,33(2):113-118.

GUO Qingfeng.Design and implementation of submarine pipeline-cable management and warning system[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2018,33(2):113-118.

引言

21世纪以来， 我国能源战略逐步从陆地转向海洋， 海底管缆(海底管道与海底电缆)被广泛应用，一些海域海底管缆纵横交错、网罗密布。海底管缆所处的海洋环境恶劣，除承受复杂的工作载荷外，还承受各种确定与非确定性的环境载荷[1-3]， 致使海底管缆裸露于海床， 甚至呈悬空状态。如果海底管缆区域有船舶抛锚， 海底管缆极易被刮碰而发生破裂或断裂事故， 造成电力或通信中断和重大经济损失；同时油气泄漏污染海洋环境， 极易造成生态灾难。

船舶自动识别系统(AIS)[4-7]是一种新型的船用助航系统，由基站和船载设备共同组成，它结合GPS导航定位技术，以自组织分时多址方式将船舶静态信息、动态信息和航行数据通过甚高频(VHF)频道自动连续地发送给周围船舶，同时自动接收周围船舶发出的信息，并与基站进行信息交互。当船舶在海底管缆区域且有抛锚趋势时，系统监控中心将发出声光预警，使船舶采取必要的避让行动，从而完成对船舶的实时监控预警。但是，对于未按规定安装AIS或非法关闭AIS的船舶无法进行自动识别与监控预警，在此工况下无法保证海底管缆的安全。本文设计了一套实时、可靠的海底管缆管理及预警系统，实现海底管缆的船舶作业预警及其数据管理功能，能够对海底管缆实施有效的管理和防护。

1　系统设计

1.1　系统结构设计

海底管缆管理及预警系统采用C/S结构与B/S结构相结合的组织模式，利用地理信息系统(GIS)和电子海图，基于Realspace的组件式SuperMap GIS桌面平台，在Visual Studio 2010集成开发环境下使用C#语言开发。C/S结构以SuperMap Objects.Net 6R为GIS基础，采用SuperMap Deskpro 6R扩展开发形式进行建设，每个功能成为Deskpro中的一个插件，便于扩展升级；B/S结构以SuperMap iServer Java为基础，iServer为SuperMap的服务式GIS平台，后台使用Java服务器技术，使用Flex技术实现前台交互功能。

系统体系架构如图1所示，包括支撑层、数据层、平台层和应用层。系统由数据管理系统和船舶作业预警系统2个子系统构成。船舶作业预警系统用于船舶作业，而数据管理系统用于数据管理和数据成果浏览，并为船舶作业预警系统应用提供数据支持。

图1　系统架构Fig.1　Architecture of system

1.2　系统功能设计

1.2.1数据管理功能海底管缆管理及预警系统的数据管理具有二三维一体化、可视化的特点，二维和三维共用一套数据，实现了二维海底管缆可以在三维中展示，其分析结果可在三维中使用。数据管理功能见表1。

1.2.2船舶作业预警功能船舶作业预警是海底管缆管理及预警系统的核心，包含船舶管理、模拟导航、抛锚分析和禁锚区分析功能。

表1　数据管理功能Tab.1　Data management functions

(1)船舶管理。船舶在航行过程中通过GPS实时获取船舶位置，在二维海图和三维场景中实时显示航行轨迹，当船舶进入作业危险区域时系统会进行预警提示。

(2)模拟导航。通过设定航线，船舶可以进行模拟航行，使船舶作业人员及时发现预定航线中存在的隐患和作业危险区域，可以给船舶作业人员进行预警提示。

(3)抛锚分析。以船舶为中心点设定各锚的水平长度和抛出方位角，系统会计算出各抛锚点位置并进行分析，当抛锚点与海底管缆之间的安全距离不足时系统会进行预警提示。

(4)禁锚区分析。系统提供了禁锚区设定功能，禁锚区设定后，系统会实时自动判断船舶是否处于预警范围内，当船舶进入该范围时系统会进行预警提示。

1.3　系统数据库设计

系统采用SQL Server 2008数据库。根据系统功能对数据的要求，建立相应的空间数据库和属性数据库，其中空间数据库包括基础地理数据库、海底管缆数据库、三维模型数据库和标绘数据库。系统数据库结构如图2所示。

图2　系统数据库结构Tab.1　Data management function

空间数据库存储海域行政区划、海图、海底地形、海底管缆、平台、船舶等空间要素信息，通过空间数据库引擎SuperMap SDX+进行存储，并管理空间矢量数据、栅格数据和DEM数字高程数据等空间数据。空间数据库以“层”的方式存储不同的空间要素信息，用每一“层”存放一类空间要素信息，并有一组对应的数据文件。

与空间数据相比，属性数据由于不具有空间的概念，其数据结构相对简单[8]。属性数据库采用关系型数据模型，每张表格有若干数据项描述，以说明相关联的各类空间要素的属性项和属性值，处理对象为各种表格信息，数据格式为Excel格式。属性数据以空间数据为单位进行属性数据库的属性项设计，属性数据库与空间数据库通过关键字段连接。

2　关键技术

2.1　SuperMap Objects.Net组件技术

SuperMap Objects.Net是基于.Net技术的组件式GIS开发平台，采用C++/CLI构建，在保证GIS软件高效运行的同时又具备.Net的组件众多特性，具有支持所有.Net开发语言、高效的.Net开发、高性能的UGC内核、灵活实用的组件结构划分、简单易用的开发接口以及内置海量空间数据库引擎等特性。

SuperMap Objects.Net是基于高性能的UGC内核进行封装的纯.Net组件产品，并重新构建框架和规范接口，具有统一的内核，实现了从Win32平台向.Net平台的平稳过渡，更适合在Visual Studio 2010等支持.Net的集成环境中进行开发。

2.2　插件化开发模式

在不修改主程序的情况下对软件功能进行扩展。主程序可定义为平台，是预先编译的程序；功能扩展模块可定义为插件，是后来要进行安装的程序，使用平台+插件结构设计会给所开发软件增加新的功能。

插件化开发模式的优点：平台只需要实现基本事件调度、数据缓存、插件管理等功能，而相应的业务逻辑可交给插件完成，这样可很方便地对业务逻辑进行更新，且不会影响到平台内容；添加和删除功能简便，只需对插件进行控制即可实现各功能模块的控制，实现软件组件的“即插即用”；实现软件模块的分工开发和代码隐藏，便于知识产权的保护。

2.3　二三维一体化的Realspace技术

相对于二维GIS将真实空间投影到二维平面进行表达与分析，Realspace技术无需投影，直接将经纬度数据加载到三维球面上显示，为真正的三维地理空间显示。Realspace技术结合了当前先进的计算机软硬件技术和三维可视化技术，使功能更强大、性能更优越和效果更逼真。

Realspace GIS不仅是三维，而且是二三维一体化。二维和三维在数据模型、数据结构上保持一体化，所有的二维数据无需任何转换处理即可直接在三维场景中高性能可视化；所有二维分析和处理功能均可在三维场景中直接操作与使用，同时还将以往二维不易实现的分析功能在三维中得以直观的展现，如可视域分析、三维量算和挖方分析等。

3　系统实现

数据采集是海底管缆管理及预警系统实现的基础，采用多波束测深系统、侧扫声纳系统、浅地层剖面仪等多种海底声学探测设备对海底管缆进行探测[9]，得到海底管缆、海底地形、水深等数据。数据采集后形成标准的交互数据表，输入时可以对数据表中的数据进行校验，校验完成后导入数据管理系统，在数据管理系统中实现海底管缆数据二维和三维一体化管理功能；当船舶作业时，在数据管理系统读取最新数据，导入船舶作业预警系统中，在船舶上连接GPS实现船舶作业预警功能。系统典型功能的实现界面如图3—图6所示。

SZ36-1油田位于渤海辽东湾海域，是我国目前最大的海上自营油田，有几十条海底管道和海底电缆，海底管缆布设非常密集。本系统在SZ36-1油田进行了示范应用，效果良好：实现了海底管道电缆数据二维和三维一体化管理，为油田海底管缆的数字化管理奠定了基础；实现了作业船舶预警功能，预警效果良好，有效地降低了船舶作业时海底管缆被锚刮碰而发生破裂或断裂的风险，从本质上提升了油田生产的安全性。现场示范应用表明：该系统设计合理、功能强大、性能可靠、操作简便、界面友好且可视化强，具有很强的实用性与推广性。

图3　二三维联动展示功能界面Fig.3　Display interface of 2D and 3D linkage function

图4　模拟导航功能界面Fig.4　Interface of simulation navigation function

图5　抛锚分析功能界面Fig.5　Interface of dropping anchor analysis function

图6　禁锚区分析功能界面Fig.6　Interface of Forbidden anchorage zone analysis function

参考文献：

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