GIS在城镇燃气管网中的关键技术及应用

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8000

通信作者：石善忠（1993—），男，本科，工程师，研究方向为GIS。E-maik：scg6221@china-gis.com。

摘  要：燃气是人们生产和生活中不可或缺的要素，而燃气输配运行过程中在燃气系统的设计、建设和维护中扮演着至关重要的角色。随着城镇燃气的高速发展，对运行管理提出了更高的要求，对精细化、科学化、规范化管理需求也不断的提升。为满足这些需求，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）在城镇燃气地下管网中得到了广泛应用。运用空间数据转换处理系统（Feature Manipulate Engine，FME）进行数据建库和数据转换，ArcMAP用于燃气管道设施空间数据处理， GeoPandas结合Sklearn程序包实现巡检网格制作及动态分析可实现地下燃气管道的精细化巡检，进一步提升输配管道设施的运行管理水平，降低事故发生，提高管网运行效率和安全性。

关键词：城镇燃气 输配运行 地理信息系统 空间数据转换 精细化巡检

中图分类号：P209

随着快节奏的城市建设的不断更新，对燃气管网的运行管理提出了更高的要求。我国正处于城市化建设的高峰期，城市建设的不断演进，对燃气管网的运行管理提出了挑战。如何精细化管理，以满足长期发展需求，成为我国燃气管网系统建设的难点。此外，目前我国城市燃气管网系统在日常巡检维护中也面临诸多问题。由于燃气管道长度较长、分布范围广，管道年限悠久，管道材质老化，设备故障往往难以及时发现，这对燃气管道巡检维护工作提出了更高的要求[1]。

GIS是以地理科学为核心，以计算机科学、计算机技术、遥感技术和信息科学为工具的一项技术；通过建立完善的地理空间数据库，以电子信息相关工具收集、整理、计算地理空间相关数据并数据进行整合与模拟，从而做到对现实地理情况的实时模拟[1]。GIS系统在燃气建设及日常工作中具有空间数据管理特性，管网规划和设计，空间冲突分析，运行管理和维护，数据共享和决策支持。

1技术特点及优势

GIS是一项新型的计算机技术，主要功能是用来研究和管理空间数据，以提供给人们需要的空间位置或者地理坐标。这项技术需要借助各种软硬件设备的支持，通过对具体的地理位置数据进行处理，从而获得不同空间之间的关系[2]。

1.1 GIS软件处理地理空间数据的优势

GIS软件处理地理信息数据具有多种优势特点，使其成为地理信息数据处理的重要工具。它能够整合各种不同格式的地理数据，包括CAD、GDB、MDB、SHP等通用格式，还能处理包含空间坐标系统的卫星影像数据和遥感数据。通过将这些数据整合到一个统一的空间参考坐标系中。还能够实现二三维一体化的数据可视化、管理、分析和发布。矢量数据的三维化可以通过字段拉伸供货者符号配置，且无缝集成了City Engine的规则建模，从而实现数据从主流数据格式到专业建模软件的平滑过渡。

1.2 GIS系统具有地理空间分析的特点

GIS系统具有空间分析的特点，这是核心功能之一。首先，可以执行各种空间查询操作，如点在多边形内部，线与面相交等。还可以使用这些查询操作来解决一些复杂的空间运算，从而进行后续的分析和处理。其次，具有空间统计和聚类分析比如点模式分析、核密度分析等，这些分析功能可以对探索地理要素的分布和聚集趋势具有重要意义。同时，还有强大路径分析功能，可以计算出最佳路径、最短路径、服务区域等这对于交通路径规划应用非常有用。最后，还具有空间插值，空间建模特性，通过空间建模可以预测地理现象，并为决策提供支持。

1.3 GIS具有可视化和制图的特点

GIS具有可视化和地图制图的优点，这也使其成为地理信息数据处理和展示的重要工具。GIS可以直观表达地理数据能够将地理数据以地图、图表、图形等形式进行可视化展示，使抽象的地理数据转化为直观的可视化表达。通过地图和图表，用户可以更容易地理解释。通过符号化技术可以将地理数据的空间属性可视化展示。通过选择合适符号，颜色和渐变等，可以突出地理数据的特征和模式。

1.4 GIS在城镇燃气系统中的特点和优势

首先，GIS系统可以有效管理和分析大量的空间数据，包括管道设施位置，地形方位等信息。通过GIS系统可以精确的建立地理数据库，能够对日常管道巡检及抢维修工作带来极大的帮助，可以快速地到达事故点并迅速地找到问题设施或管道。

其次，GIS技术可以帮助进行管网规划和设计，考虑到城市的发展需求、环境条件和现有设施等因素。通过GIS空间分析和动态模拟技术可以确定最优的管道布局，管容量和连接方式，从而可以提高燃气管网系统的效率和可靠性，还可以进行空间冲突分析在日常运行管理中难免有建筑物占压带来安全隐患。通过GIS空间分析可以做管道与建筑压盖分析将压盖到管道设定为隐患管道，可尽早发现并解决潜在的风险。

可见，将GIS技术应用于城镇燃气管网系统建设工作中，可以提升规划设计的精度和效率，实现管网运行管理和维护的优化，也可以提前发现管道构建筑物占压的风险。从而提升城市燃气管网系统的整体水平。

2关键技术研究

将GIS应用于城镇燃气管网系统建设工作中涉及到多项关键技术。其中运用FME转换器可进行数据建库及多格式数据转换，ArcMAP结合FME软件实现Data Interop高效的处理数据用于燃气管道设施空间数据处理；运用GeoPandas结合Sklearn程序包实现巡检网格制作及动态分析。这些关键技术的应用可以快速提高工作效率，减少人工处理的工作量和操作性错误。

2.1地下管道的带属性数据格式转换

地下管道数字化主要采用CAD进行绘制后，对CAD绘制完的图形结合MDB实现数据属性的绑定。原先的CAD和GIS软件互动操作就显得比较麻烦，只能单幅处理数据量较大时处理效率相对比较低。本文所研究的利用FME对CAD到GIS带属性数据格式转换解决了数据快速绑定赋值提高工作效率降低数据处理错误可能。利用Arcpy对CAD标注文本进行处理保证了数据无损格式的变换。使用模板化操作可以多次复用工具不用反复人工处理，实现批处理解决数据格式转换问题。

2.1.1 利用FME对CAD到GIS带属性数据格式转换

空间数据转换处理系统（ Feature Manipulate Engine， FME）由加拿大 Safe Software 公司开发，通过提供在转换过程中重构数据的功能，实现了超过 250 种不同空间数据格式（模型）之间的转换，为进行快速、高质量、多需求的数据转换应用提供了高效、可靠的手段[3]。

（1）制订方案。 通过CAD加MDB表的方法利用FME转换器工具生成ARCGIS-GDB格式数据，通过这个格式数据导入到数据库中。

（2）模板制作。在完成 CAD 源数据整理和质检后就可以在 FME转换平台进行模块化创建，首先需要找到属性关联的唯一编码，本文选用 CAD 中 HANDLE 号和 MDB 表中 HANDLE 号做唯一编码关联方式以实现 GIS 数据带有属性的转换，在 CAD 中 HANDLE 号作为对象要素的唯一识别号只能保证在本图幅中是唯一的[4]。

利用 FME 加载数据后选择打开相应的格式属性以便后续做关联。将导入的 CAD 文件打开了autocad_entity_handle、fme_basename 两个属性，选择这 两项属性就可以将 CAD 中的 HANDLE 号和文件名的图幅编号给暴露出来以便后续转换器获取并使用[4]。

选用FeatureMerger转换器进行关联，其中左侧 Requestor 选择打开的相应属性格式， 右侧 Supplier 选择MDB 表中对应的字段名， 此转换器主要用属性挂接[4]。

（3）属性赋值。首先，判断是否有值，若为空值则需要将编号字段值设置为-1以免空记录无法进行后续操作可以使用AttributeCreator转换器进行设置；其次可以使用StatisticsCalculator对其编号数字进行最大值分析输出complete数据；最后如果最大值为-1的话就需要重新编码可以用Counter转换器从0开始，判断则使用Test转换器，若最大值不是-1则直接使用_max属性进行计数添加。

2.1.2 利用Arcpy对CAD标注文本提取及格式转换

因标注数据含标注引线和标注文本数据转换成GIS格式对应的是Polyline和Annotation格式，处理Annotation格式要保证字体和字体大小不能随意变换，目前单单运用FME达不到数据快速处理的要求。所以本文研究采用ARCMAP结合FME模式来解决标注文本的提取及格式转换。

ArcPy是 ESRI 提供的一个Python 站点包，提供了多种函数和类来访问和处理地理数据。使用 Python 和ArcPy，可开发出大量的实用程序，可用于在 ArcGIS 中通过 Python 执行地理数据分析、数据转换、数据管理和地图自动化等操作[5]。

本文研究主要在Arcpy采用要素类转Shapefile（conversion.FeatureClassToGeodatabase）和导入CAD注记（ImportCADAnnotation_conversion）两个模块将CAD上面的标注文本和引线提取出来，然后使用FME建立快速转换模板对数据进行合并，图幅要素信息更换。利用Arcpy实现代码如图1所示。

以上程序需要在安装ARCGIS软件到C：＼Python27＼ArcgisX环境下的python执行程序可以生成得到Polyline和Annotation这两个格式文件。利用上述两个生成好的gdb数据再放到FME环境下将数据进行合并并对属性进行批量赋值就能得到最后的成果。

2.2 地下管道巡检网格制作

由于地下管线通常埋在地下，难以直接观察和检查，地下管道还存在大量的材质，口径等关键信息数据，巡检时通过车辆检漏设备可以发现大概空间位置。但数据上报时无法判断是哪根管道，传统的巡检方法通过车辆检漏设备可以发现大概的空间位置，但在数据上报时无法准确判断是哪根管道。为了解决这个问题，采用一种新的技术方法，即网格化巡检技术。该技术将管道进行网格化制作，将区域和道路进行分割，以将人员巡检和车辆巡检分离，从而方便巡检人员按照每日巡检样板进行安排。

本文主要采用了ArGIS结合FME相关工具实现巡检网格制作的方法，利用GeoPandas结合sklearn程序包来实现巡检网格的动态分析，以便更好地管理未入网格的管道情况。通过将管道进行网格化，可以更好地掌握每个网格区域的管道信息，包括管线的位置、属性和状态等。巡检人员可以根据网格分配进行巡检工作，确保每个区域的管道得到及时的检查和维护。

2.2.1网格制作

网格主要分为道路网格和区域网格，道路网格采用面状道路数据再加上人行道的面数据进行合并用ArcGIS工具箱中Merge工具，对交叉口进行面重叠分析使用FME的AreaOnAreaOverlayer后用Dissolver工具并对数据进行融合操作。主要是对面积小于2000mm2的进行融合。再使用道路中心线叠加道路网格将道路信息赋值到道路网格中。对面状道路面积小于50mm2的进行删除处理。再使用Clip工具将行政区划和道路网格进行切割分析即可得出的区域网格。这样生成的网格将会全覆盖管道。

2.2.2 动态分析

管道数据通过数字化工具实时更新入库，这样管道会有增加。随着城市发展有些区域会有新增道路或变成了新的小区或者厂家，就需要对面的数据进行动态分析是否被有效的包含对应的属性面数据。一般道路网格绑定道路管道，区域网格绑定街坊或区域管道。然后这边主要运用GeoPandas程序包中的面与线叠加分析方法取出没有被网格面叠加的管道再将管道转换成中心点，对点进行相应的聚合。本文主要采用DBSCAN聚合方法。对多点进行聚类生成网格辅助点帮助巡检人员快速定位相关位置，又不会太多数据聚集在一起从而对辅助点进行了优化展示。

GeoPandas是一个开源项目，旨在向Pandas类添加对地理数据的支持。它目前实现了 GeoSeries 和 GeoDataFrame 的子类的类型。GeoPandas中的核心数据结构是geopandas.GeoDataFrame，它可以存储几何图形列并执行空间操作。这个geopandas.GeoSeries 处理几何图形。GeoPandas类可以作用于shapely何对象并执行几何操作。

DBSCAN是一种很典型的密度聚类算法，和K-Means，BIRCH这些一般只适用于凸样本集的聚类相比，DBSCAN既可以适用于凸样本集，也可以适用于非凸样本集。这个DBSCAN聚合方法在Python的sklearn包内可以直接运用，前期需导入pandas和geopandas即可。关键代码如图2所示。

网格化巡检技术可以提高巡检工作的效率和准确性，减少漏检和遗漏的情况发生。同时，通过动态分析未入网格的管道情况，可以及时发现并处理未被覆盖的管道区域，确保样板任务的完整性。通过使用该技术，地下管道的巡检工作将变得更加高效和可靠，为管道管理和维护提供了重要的支持。

3应用总结

3.1 GIS技术在燃气管网巡检的应用特点

城镇燃气管网的日常管理和维护非常重要。如果发生问题，势必影响燃气管网的正常使用，对人们的日常生活产生一定的影响，甚至可能引发安全事故。[6]（1）GIS技术可提供直观的管网分布数据。地理信息数据含有空间坐标及位置信息，可以实时提供巡检人员周边的管网数据，协助巡检人员进行快速、精准的设备定位。（2）GIS技术可实现管道网格化巡检，利用精细化网格将管道进行网格化处理，分为道路网格和街坊网格，并统计网格内的管道总径数（即不同压力、材质、口径的管道长度），巡检人员通过对管理区域内的道路、街坊网格的巡检上报完成管道巡检。（3）GIS技术可提供实时巡检轨迹，利用GPS+GIS方式能够实时获取巡检车辆和巡检人员的当前位置和历史轨迹，并通过轨迹和网格进行比对，自动计算巡检任务覆盖率，提升燃气管网巡检效率和质量。

3.2 GIS技术在安全事故与隐患管理的应用特点

地下燃气管网一旦发生故障，就会产生较大的影响，影响小的出现经济损失，影响大的会出现人员伤亡。所以借助GIS+物联感知技术（IoT）实现调压器SCADA监控，流量监控，利用GIS空间分析及燃气管网输送算法计算出管道燃气的泄漏情况进行三维仿真模拟。可实时监控全网区域的运行情况。第一时间掌握燃气设备故障，从而避免事态的恶化，阻止安全生产事件的发生。

在城市燃气急抢修后将维修点及故障信息进行动态收集，并将故障信息存储到GIS地理信息数据库中，利用GIS技术建立重点区域分布图能够针对隐患管道区域进行重点管理加强巡检频次，重新规划设计管道走向，也可以利用GIS空间分析功能对事故点周边的重点场所如医院、化工区、学校等最近距离分析为疏散居民群众和应急处置救治提供了重要的技术支撑。

3.3 GIS技术在爆管分析中的应用特点

随着燃气信息化程度的不断提高，数字化应用越来越多。数字化管道管理是通过将先进的信息化技术应用到燃气管道日常运维过程中，使得管道日常运维更准确，便于运维人员操作，提高日常运维效率。由于燃气管道涉及到历史遗留数据和现状管道数据，以及管道本身的属性属与市政工程相关，大多管道都是埋设在地下，因此存在许多运维分析缺陷：比如目前管道泄漏都是根据泄漏位置来主观判断对应周围的关联设施设备，然后通过人工排摸判断是否受影响，很大一部分都是靠运维人员经验来判断关闭设施位置，这就导致运维人员经常会关闭不必要的设备，进而把影响面扩大，造成不必要的受灾影响面[7]。

GIS技术可以构建管道及设施的空间索引文件，再构建出管道网络数据，通过管道网络文件及其拓扑数据情况可设置断点信息并且将阀门和调压器做切断和气源参与数据分析。在管道泄漏时通过GIS拓扑技术为客户提供需要切断的设备和影响用户为应急指挥提供有力的数据应用。鉴于 GIS 强大的网络分析功能，通过构建几何网络，利用 ArcGIS 的几何网络分析接口及爆管算法等，可实现停气过程的程序自动预测分析。替代了传统工作模式下的肉眼识别判断，可自动提取停气和恢复过程中受影响的建筑物并生成预测报告，降低了劳动强度，提升了准确性和工作效率，实现了分析过程的客观和规范化，具有很好的经济价值和实用价值[8]。

4 结语

在实际应用中，GIS在城镇燃气管理中的效果也是显著的。通过GIS系统的建立和应用，可以提高管网数据的可靠性和完整性，优化巡检和维护计划，提高维护效率和降低成本，实现对管道的实时监控和预警，保障燃气供应的安全和稳定。GIS的应用使得管道管理变得更加智能化、精细化和高效化。

参考文献

[1] 庞亮.浅述GIS技术在城市燃气管网中的应用[J].科技风，2017（4）：10.

[2] 梁娟.我国国土资源管理中GIS的应用现状[J].环球人文地理，2016（4）：149-149.

[3] 北京世纪安图数码科技发展有限责任公司.《FME技术白皮书》[Z].北京：北京世纪安图数码科技发展有限责任公司，2015

[4] 石善忠.利用FME对CAD到GIS数据带属性的无损转换研究[J].测绘与空间地理信息，2022，45（11）：236-237，241.

[5] 杨柳.一种基于ArcPy的地图数据快速分幅导出方法[J].测绘与空间地理信息，2022，45（1）：55-57.

[6] 邵阳.探究GIS技术在城市燃气管网中的应用[J].智能城市，2020，6（2）：67-68.

[7] 上海燃气有限公司.一种计算燃气泄露干涉范围方法、装置和电子设备：CN202111091556.2[P].2022-01-28.

[8]王重阳，帅艳民.GIS在燃气管网分析中的应用及发展[J].测绘与空间地理信息，2022，45（6）：32-34，38.