三维天然气管道安全巡查系统研究与应用

任世霞 侯岳

摘 要：本研究充分利用虚拟现实技术和地理信息技术，将地下天然气管道通过三维精细建模在三维平台中展现出来。同时，对管道按照一定的数学模型建立空间网格，结合GIS发挥其管理分析功能。基于Android系统开发了实时动态定位，使管线检测人员发现问题后能及时上传位置信息，使管网安全得到有效检测，也对目前城市地下管网的规划、建设和管理具有借鉴意义。

关键词：虚拟现实技术；天然气管道；空间分析；动态定位

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0138-02

Research and Application of Three Dimensional Natural Gas

Pipeline Safety Inspection System

REN Shixia HOU Yue

（Surveying & Mapping Engineering Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： In this study， full use of virtual reality technology and geographic information technology， the underground natural gas pipeline through three-dimensional fine modeling， displayed in the three-dimensional platform.At the same time， a spatial grid is established according to a certain mathematical model， and the management and analysis function is realized with GIS. Based on the development of Android system and the real-time dynamic positioning， the pipeline inspection officers found the problem timely upload location information， the network security effectively detection， also for the planning， construction and management of city underground pipeline is of great significance.

Keywords： virtual reality technology；natural gas pipeline；spatial analysis；dynamic positioning

1 研究背景

随着经济的发展，城市化进程不断加快，建筑形态日趋多元化。城市地下管线是城市的重要基础设施，是现代化城市高效率、高质量运转的保证。地下管线现状资料是城市规划、建设和管理的基础资料，也是地下管线安全运行的保证。在传统的三维城市建设中，管理者过于注重地面建筑物的三维重建，而忽略了数量庞大的各种管线。随着城市的不断发展，地上、地下地物的三维重建的重要性逐渐显现。如何在三维空间下对地下管网进行爆管分析、监测点及时定位成为亟待解决的技术难题[1]。

隨着地理信息技术、三维技术被广泛应用于社会各个领域，本研究充分利用虚拟现实技术和地理信息技术，将现实中的建筑物通过三维精细建模在三维平台中展现出来。同时，对地下管网按照一定的数学模型建立空间网格，结合GIS的空间分析功能，实现其爆管分析功能。为实现重要工业管线监测点的动态检测，利用自发地理信息定位技术，基于Android系统开发了实时动态定位，使管线检测人员发现问题后能及时上传位置信息，使管网安全得到有效检测，也对目前城市地下管网的规划、建设和管理具有借鉴意义。

2 研究内容

本研究以天然气公司天然气管道巡查管理实际工作为研究对象，在对公司所需地下管线进行全面数据收集、分析的基础上，确定了以地下管线三维可视化为主线。使用数据裁剪技术、数据动态装载技术及LOD模型，采用面向服务的分布式体系架构、组件式开发技术，采用具有稳定、海量数据存储优势的Oracle关系型数据库，以VS2010为开发平台，借助Java面向对象的跨平台设计语言，构建中间应用服务，两层与多层应用框架相结合[2]；定义和设置标准数据交换对象的属性和实体，封装隐藏对象，公开接口，实现应用系统中各类数据的异构；展开三维地下管线安全巡查系统的设计和实现。

本研究详细分析天然气公司对天然气管道安全巡查的业务需求，使得产、学、研相结合，将三维地理信息技术融入到天然气管线安全巡查中，提高了系统的应用优势，为巡检人员提供精准的位置信息，也为管道管理人员提供了详细的系统应用指导蓝图。

3 技术思路

系统拟采用Visual Studio 2010平台进行开发，操作系统为Windows XP。图形数据库使用ArcGIS的个人级别地理数据库（Personal Geo Database），使用Access数据库作为存储介质。

Visual Studio 2010是微软公司基于.NET4.0框架的一系列产品，其同时也能开发跨平台的应用程序，如开发使用微软操作系统的手机程序等[3]。总体来说，其是一个功能非常庞大的软件，甚至包含代码测试功能。

开发过程中，首先确定系统框架，然后具体分块完成各个模块。点击查询统计数据时拟采用索引定位，然后访问数据库内其他表的方式来实现。

考虑到数据的安全性和扩展性，关系型数据库采用Oracle Database，其是甲骨文公司的一款关系数据库管理系统，在数据库领域一直处于领先地位。可以说，Oracle数据库系统是目前世界上最流行的关系数据库管理系统，系统可移植性好、使用方便、功能强，适用于各类大、中、小、微机环境，是一种高效率、可靠性好的适应高吞吐量的数据库解决途径[4]。

为方便查询，采用SQL语句实现对数据库的修改、查询、删除等功能。

4 功能设计

4.1 管道的爆管分析功能

通过考虑管道载体流向，在地下管道的有向图的基础上改进了广度优先算法。此外，特别分析了危害性较大的天燃气管道爆管，根据天燃气的泄漏模型和高斯扩散模型，提出对易燃易爆的高危管道爆管的关阀搜索，充分考虑管道载体的流向、阀门点与爆管点的位置信息等因素，从而明确爆管后的影响范围，关闭最近点阀门[5]。

4.2 开挖分析功能

基于地下管道数据组织，通过设定地面开挖窗口形状与开挖深度的前提下，进行开挖窗口及开挖深度范围以内的管道埋设情况三维动态展示、管道展示和查询，具体包括对管道段和管道点的点击查询[6]。

4.3 监测点位置信息采集

基于Android系统平台，采用Java开发语言，使用Android SDK开发工具包和高德地图API接口进行自发地理信息系统开发，将普通大众与智能手机作为日常生活及周围环境的传感器，实现与地理位置有关信息实时、实地的采集[7]。

5 应用前景

通过研究发现，天然气管道安全巡查系统具备以下优势：系统实现了地上地下一体化表达，系统通过叠加DOM、DEM、地表建筑物三维模型数据，实现了坡度分析、断面分析和缓冲分析等，具有强大的空间分析功能；补充了以往管道管理系统中缺少的三维管道分析功能，实现了地下管道的开挖分析与查询，地下管道的爆管分析与监测；通过将地理信息技术融入到该系统中，实现监测点信息及位置的实时上传，极大地提高了管道巡查检测人员的工作效率。

总之，该系统将以实际需求为向导，以科学技术为引领，有利于地下管道的健康、持续、长久发展。

参考文献：

[1]王格芳，吴国庆，沙晓光.激光测量的自由曲面点云数据处理方法[J].图学学报，2008（5）：33-37.

[2]喻亮.基于车载激光扫描数据的地物分类和快速建模技术研究[D].武汉：武汉大学，2011.

[3]李艳红.车载移动测量系统数据配准与分类识别关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2014.

[4]闫利，曹亮，陈长军.车载全景影像与激光点云数据配准方法研究[J].测绘通报，2015（3）：32-36.

[5]陈田.激光测量点云的数据处理方法研究[J].激光与光电子学进展，2011（9）：72-76.

[6]孟娜.基于激光扫描点云的数据处理技术研究[D].济南：山东大学，2009.

[7]徐建新，张光伟，羌鑫林.激光测量采集车在城市部件调查中的應用[J].测绘与空间地理信息，2013（S1）：237-239.