数字管道技术研究与发展概述

1、本文由nstwolf2010贡献doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。“数字管道”技术研究与发展概述数字管道”王瑞萍谭志强刘虎(大庆油田工程有限公司,黑龙江大庆163712摘要:针对新时期长输油气管道具有口径大、距离长、压力高、参建单位众多、环境复杂、用户数以亿计等特点,从管道设计、施工与运营管理方面的实际出发,按照“数字地球”的构想,2003年,国内油气储运与工程建设专家、地理信息技术专家联合提出了“数字管道”新理念,即充分利用地理信息技术、数据库技术、航空航天遥感技术、三维仿真模拟技术等“数字地球”核心技术,开展覆盖管道全生命周期、全过程的“数

2、字管道”技术体系研究及工程应用实践。通过刻苦攻关与科研,目前我们已形成了具有自主知识产权的“数字管道”技术体系,并且在西气东输等国家特大工程中取得了显著的应用效果,彻底改变了传统管道建设与管理模式,提高了我国长输管道建设质量与运营管理水平。本文详细论述了近年来“数字管道”技术研究的最新成果,并结合中国油气管网建设、运营和完整性管理规划,对未来“数字管道”的长远发展进行了展望。关键词:GIS、数字管道、工程应用AbstractNowadayspipelineconstructionpresentsalotofnewfeature ssuchaslarge-diameter,longdistanc

3、e,highpressure,loadsofcollabora tionconstructors,complexexternalenvironment,hundredsofmillionsofu sersandsoon.Accordingtotheconceptof“DigitalEarth”,domesticoi l&gastransportationandconstructionspecialistsassociatedwithexpertsongeographicinformationandtechnologyproposedanewconceptof“Digit alPipeline”

4、in2003.Forestablishingadigitalpipeline,coretechnolog iesin“DigitalEarth”willbefullyused,includinggeographicinformat iontechnology,databasetechnology,remotesensingtechnology,3Dsimulat iontechnologyandsoon,sothattheresearchoftechnicalsystemof“Di gitalPipeline”andthepracticeofthewholelifecycleofpipelin

5、ecanbeachieved.Bytacklesandscientificresearch,“DigitalPipeline”techn ologicalsystemwithindependentintellectualpropertyrightshascurrentl yestablished;andapplicationsofwhichinthelargeWest-Eastgastransm issionprojecthaveachievedsignificantresults.Thisrevolutionizedthetraditionalpipelineconstructionaswe

6、llasmanagementmodeandenhancedourpipelineconstructionqualityandmanagementlevel.Thisarticleshows thelatestresultsofapplying“DigitalPipeline”technologiesinrecen tyears.Combinedwiththepracticeofoil&gaspipelineconstruction,ope rationandintegritymanagementinChina,itaimstomakeaperspectiveof thelong-termdev

7、elopmentof“DigitalPipeline”.KeyWord:GIS,Digit alPipeline,Engineeringapplication:“数字管道”技术研究与发展概述数字管道”一、引言管道运输是货物运输方式之一,具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点。目前,中国已建成的长输油气管道达数万公里,全国100%的天然气、90%以上的石油通过长输管道进行运输。仅西气东输天然气管道就承担着向沿线八省一市2亿人民提供生活用气的重任,长输管道的建设与运营管理水平已成为关系到我国国民经济发展的大事。新时期的长输油气管道具有口径大、距离长、压力高、参建单位众多

8、、环境复杂、用户数以亿计等特点,给管道设计、建设和运营管理带了巨大的挑战。传统的管道建设理念已无法满足新时期管道建设和运营管理的需求,存在着设计依据的资料陈旧;设计内容和现场施工脱节;变更、索赔等问题处理困难;管道建设与公众关系结合不够;运营管理水平低下等诸多问题。在欧洲和北美,长输管道在可研、勘察设计、施工及运营管理等方面,已经广泛采用航空航天遥感、地理信息系统和三维设计等先进技术,在确定最佳线路走向、资源优化配置、灾害监测预警和运营管理中发挥了较大的作用。在西气东输冀宁支线管道工程之前,国内一些较新的管道已经采用了控制与数据采集(SCADA系统,实现管道运行参数的实时采集。此外,早期开发的

9、运销管理信息系统和管道资源管理系统还在发挥作用。但是这些系统相对孤立,很少有空间数据支持,而综合利用环境、地理、工程、社会经济等信息的管道完整性管理系统几乎处于空白。2003年,国内油气储运与工程建设专家、地理信息技术专家从中国管道设计、施工与运营管理方面的实际出发,按照“数字地球”的构想,联合提出“数字管道”新理念。即充分利用地理信息技术、数据库技术、航空航天遥感技术、三维仿真模拟技术等“数字地球”核心技术,开展覆盖管道全生命周期、全过程的“数字管道”技术体系研究及重大工程应用实践,形成了具有自主知识产权的“数字管道”技术体系,并在国内新建和已建管道工程中推广应用,改变了传统管道建设与管理模

10、式,填补了国内“数字管道”技术研究与应用的空白。本文详细论述了近年来“数字管道”技术研究的最新成果,并结合中国油气管网建设、运营和完整性管理规划,对未来“数字管道”的长远发展进行了展望。二、“数字管道”的概念及总体架构数字管道”“数字管道”是以信息基础设施为基础,以多尺度、多种类的空间基础地理信息为支撑,按照数字地球的构想,充分利用高新技术,构筑一个数字化平台,集成管道的各种信息,为管道建设与运营提供一个科学的决策支持系统、一个高效的业务管理工具。“数字管道”的基础是管道数据中心建设,就是利用地理信息技术、数据库技术、航空航天遥感技术、三维仿真模拟技术、动态互操作等“数字地球”核心技术,采集、

11、处理与应用管道规划、设计、施工、运营、维护全过程、全生命周期的基础地理数据与管道专业数据,结合管道沿线的环境经济信息建设管道数据中心,为管道建设与运营管理提供真实可靠的技术数据,并且以地理信息系统平台为核心,实现流程化的业务过程控制与科学决策。在广泛研究行业技术标准和信息安全标准情况下,按照“数字地球”理念构建了“数字管道”总体架构(图1 。该架构采用面向服务的SOA架构,分为应用层、技术支撑层、服务层、数据、三维仿真模拟、层和基础设施层五个层次。以地理信息平台为核心,集成“3S”动态互操作等关键技术,建设长输管道数据中心,开发基于管道全生命周期的一系列应用系统,为管道可研、设计、施工、运营管

12、理提供应用整合、业务整合和数据整合服务,最终形成具有自主知识产权的“数字管道”技术体系(包括核心技术、管理流程、应用软件、数据库和标准规范等。可行性研究信息系统辅助设计系统GIS辅助施工管理系统GIS物质采办管理系统生产运营管理系统设施管理系统完整性管理信系统更新维护系统航空航天遥感工作流技术数据挖掘技术三维仿真模拟技术知识管理图1“数字管道”总体架构三、“数字管道”技术体系研究成果数字管道”技术体系研究成果1.核心技术1.核心技术“数字管道”是基于“数字地球”理念而构建的管道行业信息化整体解决方案,需要综合利用多种核心技术来实现。这些技术包括航空航天遥感技术、工作流技术、数据挖掘技术、三维仿

13、真模拟仿真技术等。例如:应用分布式数据管理、元数据、商业智能、快速空间索引、并行处理、流式加载等技术,采用由上百台计算机组成的并行数据处理系统,实现了基于网络的二三维地形模型的实时发布,突破了大规模用户并发访问海量数据的瓶颈问题,系统可同时支持200多个并发用户,系统响应时间在3秒左右,三维浏览帧率达30帧/秒以上。研究了面向管道建设与运营管理过程控制与决策支持的数据挖掘技术,实现了基础地理数据、管道专业数据、环境经济数据、生产运行和动态监测数据基于知识库的信息提取。创建了基于决策树模型的管道数据挖掘算法,实现了基于工作流的互提资料和协同设计;优化施工组织设计和资源配置;管道风险的动态监测;应

14、急响应决策支持等应用,提高了管道建设质量和效率,降低了管道运营维护成本。2.管理流程2.管理流程传统油气长输管道工程建设和管理中存在诸多弊端,已经无法满足快速工程建设和百年管道安全运营的需要,近几年,我们利用先进的管理理念结合信息化技术,对原有的管理流程进行再造,形成高效的信息化设计、建设和管理运营模式。例如:利用TOGAF企业架构模型重新梳理了管道全生命周期各项业务的逻辑关系,分析了专项评价、可研、设计、物资采办、施工、运营、完整性管理等各项工作的数据流和工作流,全面建立起科学、规范的管道管理与业务模型,推动管道建设从经验型管理向程序化管理的转变。创建项目管理权重指标、管道地区等级划分、管道

15、风险评价指标等多项指标体系。综合应用分布式数据管理、元数据、快速空间索引、并发处理、流式加载等技术,突破了基于知识库的风险识别,海量数据快速访问,多源、多时相、多类型、多尺度异构数据融合和数据挖掘等关键技术,在国内首创了管道数字化管理新模式。3.应用软件3 .应用软件按照“数字管道”总体架构,我们针对管道生命周期的各个阶段的不同需求,在综合利用核心技术的前提下,形成了一系列的管道应用软件,实现了长输管道全生命周期的流程化过程控制与科学决策。例如:针对管道工程时间紧,1.多设计院异地办公等特点,集成应用“3S”、三维仿真模拟和CAD技术,开发了多项目异地协同设计功能。设计人员在统一的平台上,开展

16、专项评价,路由优化,地区等级划分,工程量统计,站场选址,各种穿跨越、方案比选,招投标图、施工图制作等管道设计工作。协同设计模式减少了70%的互提资料的时间,提高设计效率50%,同时确保了设计标准的统一与设计质量的一致性。2.针对参建单位众多、设计变更追踪困难,公共关系协调难度大等特点,自主研发了施工管理系统和物资采办管理系统,为众多参建单位提供了协同办公平台。系统可灵活定制各种管理报表,辅助工程管理决策与资源优化,管理人员的工作效率提高了5至10倍。系统提供了B/S的施工数据填报、多源数据可视化校核、辅助生成竣工资料和竣工图等功能。一方面,实现了对设计变更等工程质量关键点的跟踪管理;另一方面,

17、实现了与施工同步的竣工管理,节约了90%的竣工图出图和竣工资料整理时间,保证了设计、施工和竣工数据的一致性和统一性。3.针对管道安全运营难度大、竣工资料共享利用困难、完整性管理水平低等问题,自主研发了管道运营和完整性管理系统,实现了移动巡线管理、高后果区识别与管理、地质灾害风险评价与削减(含地质灾害监测、第三方损坏风险预防与控制、管道本体风险控制与日常腐蚀管理等研究成果与应用系统的有效集成。将各种数据整合到完整性管理数据库中,建立完整性管理工作平台,为业务与管理人员提供数据支撑和共享服务。4.数据中心4.数据中心数据中心是“数字管道”建设重要的部分。一方面,我们拓展了原有国际通用的ArcGIS

18、管道数据模型(A PDM,创建了满足中国管道实际需求的管道数据模型。通过综合运用航空航天遥感、地理信息、分布式数据存储等信息技术,突破了APDM模型拓展、异构数据分布式存储、海量大比例尺影像数据的分块管理与高效空间索引、批量数据动态迁移等技术瓶颈,建立了长输管道1:2千至1:5万比例尺4D基础地理数据库、APDM管道专业数据库、管道沿线经济数据库及管道完整性管理数据库(如图2,总数据量达到60TB。另一方面,我们构建了基于全生命周期的管道数据架构,根据国家数据安全的有关规定,分别建立涉密数据库和非涉密数据库,在内外网分别建立分布式管道数据中心,实现数据的集成管理和共享服务。图1“数字管道”数据

19、架构5.标准规范5.标准规范针对中国管道建设工程的特点,参照国家和行业相关标准,以科学性、先进性、合理性和可操作性为原则,结合管道工程建设和运营管理实际,制定了一系列标准规范和管理体系文件,共8类,4个系列27项管理规定。四、应用效果分析自2005年开始,“数字管道”技术研究成果在中国石油西气东输管道(销售公司、中国石油管道建设项目经理部等单位开始推广应用。到目前为止,已在西气东输和西气东输二线等20多条国家重点管道工程中得到了深化应用,总管道累计里程近3万公里,在可研、设计、施工、采办、运营和完整性管理方面取得了很好的应用效果,创造了显着的经济与社会效益。主要体现在以下几个方面:1、在可行性

20、研究与勘察设计方面、利用卫星遥感影像配合线划图进行线路初选,1-2周内便可获取最新的影像资料,提高了数据的现势性,同时也显着提高了与地方政府的结合效率。首次在长输管道工程初步设计中采用大比例尺数字摄影测量技术,制作全线1:2千4D产品、管道线路纵断面图和三维景观,克服了传统测量方式的不足。数字摄影测量可以在室内完成占总工作量80%的线划图制作和纵断面绘制,与工程测量方法相比提高工效30%左右。创新制作了新版线路施工图,图面上部为正射影像叠加线划图和管道中心线,下部为纵断面图叠加管道设计信息、工程地质信息、环境信息等,图面承载的信息量更为丰富。设计人员首次同步进行平面与断面设计,减少了50%的出

21、图量,提高设计效率一倍左右,同时方便了施工人员的使用,使管道施工图设计水平提高到国际先进水平。多家设计院基于协同设计平台开展路由优化,管道设计等工作。通过二三维联动方式,设计人员能够在仿真模拟的二三维场景中有效避让居民地、农田、水利设施、地形复杂区域、地质灾害风险点,使线路走向更加合理;由于提高了选线的准确度,避免了60%由于选线不合理导致的施工现场改线;通过对基础地理数据、岩土工程勘察数据和设计数据的统计分析,系统自动完成管道沿线地区等级划分、土方量计算、弯头统计、征地面积、地面附着物赔偿统计等复杂计算,提高了初步设计深度,工程概算与决算的差值从25%左右降低到10%以下。建立基础地理信息数

22、据库,包括全国250米分辨率、15米分辨率的遥感影像;管道沿线重点地段3米分辨率遥感影像;全国1:400万、1:100万、1:25万、管道沿线1:5万数字线划图;管道沿线1:2000正射影像图、数字线划图、数字高程模型、三维景观模型,数据总量达到6 4TB。建立环境经济数据库,包括环境保护区(文物、水源、自然保护区等、矿产压覆、地质灾害(崩塌、滑坡、塌陷、泥石流、沿线人口分布、地方经济、地震断裂带等信息。通过建立中国石油统一的管道数据中心,实现了管道建设项目间的数据共享与重复利用,取得了良好的经济效益。其中,在西气东输二线设计中,仅重复利用与西气东输干线并行的1000多公里的1:1万、1:2千

23、基础地理数据,就节约勘察投资2000多万元。辅助设计GIS系统采用分布式三维建模方案,使用110台高性能工作站并行运算,实现了三维动态建模,缩短数据生产周期约40%,从技术上支持了在线三维路由优化。通过冀宁支线、西气东输二线、涩宁兰复线等大型工程应用,系统累计输出各种管道设计图纸5万余幅,缩短了设计工作周期。2、在施工管理方面、开发了B/S架构的施工数据填报系统。系统提供工作流引擎,用户可灵活定制数据审核流程,填报人员、审核人员、审定人员依据各自不同的权限进入系统,按流程完成数据采集、校审等工作。系统提供管道平面位置与埋深空间分析功能,确保按图施工。通过多源数据对比,如在冀宁支线施工过程中通过

24、采办数据和施工进度数据的对比,及时发现了物资中转站调拨给某标段用于河流定向钻的高等级钢管被错用到普通线路上,避免了数百万元的经济损失;通过采办与现场填报的施工数据的对比分析,计算出钢材损耗值由原来估算的千分之五,降低到千分之三以下,节省工程投资数亿元。施工管理系统能迅速生成各类图表,并采用权重分析方法,准确控制进度、质量、投资等关键环节。借助系统项目管理人员可有效协调定向钻、站场、线路同步有序施工,立足全局整合工程建设资源、优化施工组织设计。系统的项目群管理功能,统一了数据来源和各类管理报表,实现了多项目协同管理,从全局上整合了资源,优化了施工组织计划。整合了竣工资料和竣工图出图所需数据内容,

25、做到一次填报即可按照竣工资料格式输出竣工资料和自动输出竣工图,简化了施工单位的重复工作量,保证数据的一致性和统一性,提高了竣工资料管理的效率。3、在运营管理方面、完整性管理应用系统创建了分布式数据管理与网络协同办公新模式,已在管道运营公司机关部室及下辖管理处全面应用,成为业务与管理人员的日常工作平台,实现了管道风险的动态监控与应急响应决策支持。实现了高后果区自动识别与管理、地质灾害风险评价与削减、第三方损坏风险预防与控制、管道本体风险控制与日常腐蚀管理等研究成果与应用系统的有效集成,将各种数据整合到完整性管理数据库中,建立统一的完整性管理平台,为管理人员提供数据支持与共享服务,实现数据资源共享与统一管理维护,减少各环节的重复数据采集与处理工作。通过建立综合的地质灾害风险、管道本体风险和第三方损坏风险模型,为西气东输公司对管道沿线1000多处风险点进行定性评价提供了支持。风险评估结果更加客观准确,提高高后果区分析效率50%,年节省管道保护投资数千万元。GPS移动巡线系统每天自动采集637名巡线工上报的6535个巡线点信息,进行可视化展示与分析,为管理与决策提供了便利。巡线信息上报周期由以前的每日一报,到现在的实时传送,使得突发事件的应急响应速度提高了85%。公司每年可快速处理各类危害管道安全事件300