基于GIS的燃气管网4S系统的设计与实现

马钧隆 孟祥印 张钧哲

1(西南交通大学机械工程学院 四川 成都 610031)2(成都瑞特数字科技有限责任公司 四川 成都 610046)

0 引 言

随着我国燃气行业的快速发展，燃气已经成为了社会使用最广泛的能源之一，根据2018年中国石化集团经济技术研究院发布的《中国能源化工产业发展报告》显示，我国2018天然气消费量达到2 770亿立方米，其中城市燃气占天然气总消费量的39%，遍布城市的燃气管网也成为了城市的生命线之一。

随着GIS技术的飞速发展，以地理信息技术GIS系统为支撑，结合前沿网络信息科技，将燃气行业的生产运营、输配、安全等方面与信息化管理技术相结合，推动燃气行业信息化、自动化管理。解决燃气行业对供气各环节监测点的数据采集和监控，供控制中心及有关部门分析和决策取用，从而提高燃气行业运行效率，保证燃气供气质量与稳定性，满足我国日益增加的用气量需求。

1 燃气管网4S系统设计

燃气管网4S系统主要利用3S(GIS，GPS，RS)技术，整合SCADA系统、视频监控系统，同时结合燃气公司对燃气行业的生产运营的需求，实现对生产运营等一些列相关信息的共享与发布，实现对燃气管网数据的采集、存储、显示、分析等功能，实现对在外工作人员的状态实时掌控、全局合理调度、提高巡检效率，辅助燃气输送的合理性，辅助管理层及时准确地作出决策，提高灾害事故发生时的反应能力，提高燃气事故应急动员能力，降低灾害发生率，降低事故灾害发生后的损失。

1.1 架构设计

为实现上述功能，采用面向服务架构SOA，遵循软件开发规范，设计了燃气管网4S系统架构如图1所示。整个系统共分为5层。

图1 系统架构图

1) 前端UI层：此层为系统操作人员提供良好的人机交互界面。系统的管理决策者可以通过该层把握整个业务的运行状态。该层是系统人机交互、数据传输与显示的重要途径，也是系统业务扩展的基础，包含移动端、PC端两部分。

2) 展示层：用户通过其地址访问到响应页面，将请求进行转发，解决提交信息时的跨域问题。

3) 中间层：用于用户权限的校验，接口参数校验以及接口的转发，使接口地址统一。包括nodejs中间层和GIS服务。

4) 逻辑层：数据的存取以及数据的处理，包括业务服务、nodejs后端服务、轨迹存储服务、文件存储服务以及地图服务。

5) 数据层：用于存储系统运行中产生的大量数据。系统数据包括：生产数据、基础业务数据、实时采集的生产数据、空间数据等。包括业务MS SQL、MongoDB、Postgre、地图MS SQL。

1.2 功能设计

燃气管道的运行关乎公共财产安全，系统功能的设计需要以实时监控燃气管道输配、控制管理人员调度、实现燃气管网信息化管理系统统一化管理等为目标。燃气管网4S系统第一级功能模块设计如图2所示。

图2 燃气管网4S系统功能树

1.2.1GIS子系统

GIS系统是特别重要的空间信息系统，可以在计算机软硬件、数据机构等支持下对地理空间相关技术进行采集、存储、查询、分析、显示等。本次设计燃气管网GIS子系统囊括众多燃气管网数据，其中包含管网图形、管线、阀门等重点设施和用户情况等资料数据，提供地图操作、报表查询、管网运行动态实时展示、在外作业人员状态实时展示、爆管分析、上下游分析等多种功能。

1.2.2SCADA子系统

SCADA系统是对分布距离远、生产单位分散的生产系统的一种数据采集、监视和控制系统，是集传感器技术、计算机技术、通信技术于一体的综合性远程集成控制系统。本系统设计根据现场实际需求调研，在SCADA系统原有功能基础上设计SCADA子系统的功能为燃气管网系统的数据采集与监视控制、数据的管理分析、远程视频监控监控、工艺报警等功能。SCADA子系统功能设计如图3所示。

图3 SCADA子系统功能树

1.2.3巡检子系统

通过GPS定位系统，结合高德地图确定作业员相关位置信息，然后通过移动网络将巡线现场数据上传至服务端调度中心。该系统可以实现对巡线人员位置的实时监控，同时能够让调度中心与在外作业员进行即时通信，以便调度中心掌握作业员作业情况并对作业员进行统一调度与业绩考核。作业员使用移动端APP可通过消息模块与任务模块获取作业信息，通过地图模块快速前往任务指定区域，通过签到模块实现异地登录等。巡检子系统功能设计如图4所示。

图4 巡检子系统功能树

1.2.4系统管理子系统

系统管理子系统主要内容包括部门机构的建立和维护、人员信息的记录和查询以及登录账户的权限管理，并结合GIS技术等信息化技术达到对巡检人员作业轨迹记录的管理。系统管理子系统功能设计如图5所示。

图5 系统管理子系统功能树

2 核心业务

该系统的核心业务大体可以分为两部分，第一部分为调度中心人员对燃气管网各项数据的监控，该部分业务主要涉及数据的收集、存储、处理、展示。第二部分主要为巡检业务，最为复杂。巡检业务包含调度中心与巡检员两大角色，涉及Web端、服务端、移动端三大平台。

以巡检业务逻辑流程为例，巡检业务逻辑流程图如图6所示。

图6 巡线业务逻辑流程图

(1) 管理员通过PC端向作业员发布任务，作业员通过移动端接受巡线任务，并按照移动端指示对任务内需要巡检的管线与其余设施进行巡查。

(2) 作业员在巡查过程中通过移动端将位置数据、照片等现场数据返回至PC端。

(3) 如果管线及其余设施存在异常，管理员则再次通过PC端向维修维护人员发送维修维护任务。

(4) 维护维修人员前往异常现场进行维护与维修操作，同时上报PC端。管理员根据回复信息确定是否派其他维修维护人员或者完结任务并作出评价。

3 数据库设计

采用领域模型驱动的方法和自顶向下的思路进行数据库设计。分析系统业务，根据职责定义对象，确保与职责相关的数据项被定义在一个对象之内，并且一个对象有且只有一项职责。

以巡检业务为例，数据库以Worker作业人员表为基本表。根据对象职责分析可知，一个作业人员属于一个部门，一个作业人员对应多次签到、一个作业人员可以同时进行多个任务、一个任务内可以存在多个设备点、一个设备点可以属于多项任务等。

以巡线业务为例，数据库表间关系如图7所示。

图7 巡检业务数据库表关系图

4 系统实现

(1) GIS子系统 GIS子系统主要将燃气管网数据以地理信息管网分布图方式展示。GIS子系统实现了对地图的放大、缩小、平移、测量、表、标绘、底图切换等功能；实现了对燃气管网数据的添加、编辑、删除、导出等功能；实现了属性查询、空间查询、查询结果统计等查询功能；实现了联通分析、爆管分析、上游分析、下游分析等分析功能；实现了SCADA设备运行状态监控、实时显示作业员位置等功能。对燃气行业实现对燃气管网的动态管理，快速响应燃气事故等需求提供了良好的技术支持。GIS子系统运行界面如图8所示。

图8 GIS界面

(2) SCADA子系统 SCADA子系统实现了对燃气输配管道的温度、流量、压力等技术参数的统计与显示，是燃气4S系统的核心模块之一。本4S系统将燃气企业下属设备设施分为场站、工业大用户、其余设施点进行分类监控，并实现了对技术指标数据的实时统计与管理，通过科学的分析手段实现对大量数据的收集和分析，形成数据报表，为燃气管网的输配调度、故障分析、辅助决策提供科学的手段。场站监控、工艺报警界面如图9、图10所示。

图9 场站监控

图10 工艺报警界

(3) 巡检子系统 巡检子系统分为移动端App与PC端，采用GPS、GIS等功能，运用实时推送等技术对设备巡检工作进行科学统一的管理。巡检员使用移动端App在外进行巡检工作，业务管理员使用PC安排巡检任务事项和管理巡检信息，部门管理人员使用PC观察巡检进度以及巡检员的工作情况。创建巡检任务界面、APP作业界面如图11、图12所示。

图11 创建巡检任务

图12 APP作业界面

5 结 语

本文设计的燃气管网4S平台包括GIS子系统、SCADA子系统、巡检子系统与系统管理子系统，囊括了管网数据实时监控、移动巡检、GIS地理信息分析与展示、人员调度等多方面的功能，深入整合燃气企业管理运维需求，有效满足燃气行业对信息化、自动化建设的需求，同时在本系统设计实现中充分考虑平台的可扩展性，使其成为能够不断修改完善的系统，以应对未来的需求与挑战。

下一步，我们将进一步探索数据分析方式和数据可视化的多样性，进一步规范化数据，挖掘数据的潜在价值，并进一步扩展平台的应用场景，完善平台的功能。