长输管道完整性管理GIS数据模型研究

长输管道完整性管理GIS数据模型研究

贾庆雷2， 王 强3， 万 庆1,2， 白俊波2

(1 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2 北京中科永生数据科技有限公司，

北京 100083； 3 北京华油天然气有限责任公司，北京 100101)

摘 要：随着我国长输管道建设规模的不断扩大，管道运营过程中出现的安全问题逐渐成为行业内部乃至整个国家和社会所关注的焦点。针对上述问题，业内专家提出的以GIS为其实现手段，对管道进行完整性管理，是目前解决管道运营中的安全问题可采用的一种较好的方法。采用完整性管理方法，首先需要对管道数据进行建模，把管道的设计资料、竣工资料、检测数据以及设备信息等统一的用空间数据库来管理。本文在分析对比国际上现有的多个管道数据模型的基础上，结合我国管道完整性管理经验，提出适合我国的管道数据模型。实践证明，本文提出的管道数据模型在我国管道完整性管理中具有很高的应用价值。Abstract: Along with the constant development and expansion of the industry of long-distance pipeline construction in China, pipeline security has gradually become a focus of both the internal and our whole society. In view of this, some experts proposed pipeline integrity management combined with techniques of GIS, which has been considered as a well-adapted solution. In this approach firstly it needs data modeling and then all data such as pipeline design, as-constructed, inspection data, et al. are altogether and efficiently managed within defined spatial database. Based on the analysis and comparison of some worldwide existing data models as well as some pipeline integrity management experience in China, in this paper, the author proposed an optimized pipeline data model suitable for Chinese pipeline integrity management. Practice has proved a high potential for applications of this proposed pipeline data model in China pipeline integrity management.

关键词：长输管道 管道完整性 站场管道数据模型 APDM PODS

1 长输管道简介

长距离输油气管道是石油和天然气行业的主要运输工具，自上个世纪中叶以来世界管道技术发展非常迅速，根据中国石油经济技术研究院的统计数据，2004年中国输油气管道长度已达到38204公里，其中包括输油管道17089公里，以及输气管道21115公里（世界石油工业统计 2005）；美国的管道里程更是达到了数十万公里之多。

由于长输管道运输的介质是易燃、易爆物质，加之管道途经地区地域广阔、地质条件与社会条件复杂多变，因此输气管道的安全问题一直是社会各界和管道公司关注的焦点。威胁管道安全的因素有很多，比如管道运行期间第三方破坏、管道超时服役而腐蚀穿孔、自然灾害、误操作或管道设计施工遗留的缺陷、损伤等等，其中任何一种因素都可能引发重大的管道事故，造成人员伤亡、财产损失和生态环境破坏等严重后果。近年来，我国运营的油气管道已经发生多起爆管、断管等事故。美国、俄罗斯、加拿大、英国、阿根廷、委内瑞拉等国家也发生了多起爆管、泄漏事故，损失惨重，给社会造成极大负面影响。国际上诸

如此类的事故举不胜举。因此对长输管道的安全运营进行规范合理的管理是非常必要的。早些年国际上针对管道的安全运营提出了完整性管理的概念（美国运输部DOT颁布相应的法规，ASME出台了标准）。国内相关研究人员坚持不懈地学习国际上管道完整性管理方面的经验，力争逐步制订出一系列完善的安全规范与安全标准，同时提供一套完整的安全管理方法和执行程序[5]。

目前，国内外有关管道科技的文献资料均是从不同侧面对管道完整性进行描述，还没有“管道完整性”一词的明确定义。管道完整性管理简单地说就是指基于风险评价技术，对所有影响管道设施正常平稳运行的因素通过科学的手段进行分析，主动识别风险源，按照保持管道完整的判定标准对识别出的风险进行整改，使管道在运行期间一直处于完好的工作状态。它是集安全、风险、管道和信息多领域技术于一体的综合管理。管道完整性的内涵包括两个主要方面：一是以保障管道物理上和功能上得相对完整为目的；二是提倡主动式管理，使管道系统始终处于受控状态，实现管道安全和经济运营。为了能对管道完整性进行科学有效地管理和维护，我们有必要借助数学、计算机科学、地理信息科学等多学科，相互结合来寻求有助于管道完整性管理的方法论。在国外管道完整性管理倍受管道运营公司的重视，研究进展较快。可是，到目前为止，该技术还没有发展成为一套全面的、系统的、科学的管道完整性理论和技术。而目前国内油气管道完整性管理技术刚刚起步，许多研究领域尚属空白。对于一项庞大的长输管道工程，从工程设计到施工，再到运营，每个阶段都会产生大量的数据，使用传统纸质资料的管理方式已经远远满足不了当前管道管理的需要。GIS依其强大的空间数据管理和分析功能，为管道完整性管理提供科学依据，极大地促进了管道完整性的管理，在该领域中逐渐显示出巨大的生命力。管道的设计资料与竣工资料、管道的属性数据以及空间信息等大量数据均采用统一的空间数据库进行管理，在此基础上结合GIS技术，利用其空间分析功能，对管道进行管理和维护。历届国际管道会议（IPC）都将“GIS在管道行业的应用”作为一个专题来讨论，管道管理和运营引入信息化的管理手段已成为必然。

如何对长距离输油气管道的完整性进行科学、高效地管理与维护，进而构建管道数据模型，成为当前国内外管道行业的研究热点与关键问题。本文在深入研究国际上现有的管道数据模型的基础上，结合我国具体国情与实际需要，提出了一种适合于我国管道行业的管道数据模型。

2 管道数据模型综述

国际上现有的管道数据模型主要有三种：集成空间分析技术(ISAT)、管线开放数据标准(PODS)以及APDM管道数据模型。其中ISAT与PODS是基于工业标准的关系型数据库管理系统设计而成，APDM模型基于Geodatabase设计。ISAT是专门面向长输管道的数据模型，该模型于1997年发布；PODS数据模型由ISAT 衍生而来，该模型克服了ISAT的诸多缺陷，在数据库标准化、管道检测监测、GIS应用以及管道工业的一般业务活动之间具有衔接作用；APDM模型于2002年7月提出，该模型的设计能更好的支持GIS系统的实现。管道空间分布具有明显的线性特征，上述的三个管道数据模型在设计过程中都充分考虑了线性参考和动态分段技术。

PODS的目标是不依赖于任何GIS软件。PODS中有很多表都是由ISAT继承而来，其中核心表都是依据拥有管道里程最长的原Williams天然气管道公司的实际运营经验而提出。在实现PODS数据模型的时候，可

以使用PODS委员会已经发布的数据定义语言（DDL），使用该DDL建库将会自动应用其中内建的表之间的完整性约束，快速建立管道数据库结构[1]。

APDM（ArcGIS Pipeline Data Model），是ESRI公司和其他一些大型管道运营公司共同制定的一个面向管道行业应用的GIS数据模型，用于存储与收集和传输管道(包括气体和液体系统)相关的要素信息。最新版本APDM v4于2006年8月份发布。APDM的设计基础是ESRI公司的Geodatabase空间数据库。空间数据库是一种将地理数据作为关系型数据库中的要素来进行存储和管理的对象关系型框架。APDM模型中的要素类主要来自于ISAT和PODS模型中所包含的表；其主要属性均可在ISAT和PODS模型的属性表中找到。地理数据库与APDM模型通过关系型数据库引擎连接在一起。APDM模型不能使用标准结构化查询语言(SQL)或其它数据访问技术(如开放的数据库连接[ODBC]，或微软ActiveX数据对象[ADO])进行访问，因为企业级Geodatabase提供了一些高级的应用（例如：域值约束和多版本机制），定制和访问存储于APDM中的数据的基本方法是通过ESRI公司的核心组件模型ArcObjects。

APDM模型设计时包含了约80%的管道公司对管道本体及周边地质灾害管理常用标准要素，而且在制作模型库时包含了当前的热点术语，如管线检测、高后果区域、风险分析等。APDM以模板的形式进行设计，所有用户均能以模型的核心元素为基础，通过添加要素或提炼现有要素来定制模型[2]。

3 长输管道数据模型APDM-CH

笔者参考以上的几个管道数据模型，根据我国管道行业的实际需求，提出适合中国管道完整性管理需要的数据模型——APDM-CH，在本节中，以下均简称“模型”。

目前国内管道行业都在积极开展的长输管道完整性管理把对整个管道系统主要分为以下五个方面：管道本体，防腐，地质灾害与周边环境，站场及设施，储气库等，国外管道企业更多地关注管道本体、防腐和地质灾害几部分，欧洲的管道企业对站场设施前期设计阶段的完整性管理控制较为严格。这五个方面是构成了一个完整的管道系统的不可或缺的要素，贯穿于完整性管理的始末。实施管道完整性管理的目的在于找出管道运行过程中存在的风险因素，评价在役管道的安全状况，提出消减风险的措施，保障管道安全运行。管道本体作为管道系统最重要的组成部分，需要通过防腐设备或涂层来降低管道被土壤或传送介质腐蚀的速率；而地质灾害与周边环境有可能对管道的运行构成巨大安全威胁，是管道公司关注的焦点之一。另外，管道系统的正常运行也离不开站场，站场分布于管道沿线，按照站场的作用可以分为：干线阀室、清管站、计量分输站、增压站和储气库等，站场内的各种工艺设备确保了管道系统的正常安全运行；储气库是管道系统用来储存介质、调节峰值的有效手段。

站场及设施

管道本体防腐地质灾害与周边环境

图1 管道系统组成

Fig.1 The sketch map of the pipeline system

为了满足完整性管理的要求，并且能对管道系统进行科学化、信息化管理，需要对管道系统进行数据建模，APDM-CH模型就是以上文提到的五个部分为依据而建立的。对于管道系统的每一个部分，模型中分别有两类数据对其描述，其一是静态数据，其二为动态运行数据。以管道本体为例，其静态数据模型有管段（PipeSegment）和焊缝（Weld）等对象，而动态的数据模型有：用于检测管道缺陷的内检测数据结果（Anomaly）和管道埋深数据（PipeDepth）等，都是周期性产生的管道本体相关的数据。其它四个完整性管理关注的部分在APDM-CH模型中也分别有静态的数据对象和动态运行数据对象来描述。防腐部分的静态数据有涂层（Coating），阴极保护接头（CPBond），接地床（CPGroundBed）等，动态数据主要有外防腐电位检测结果（CorrosionProtection），防腐部分依赖于管道本体而存在，如果管段被更改，例如某个管段被废弃或移除，那么依赖管段存在的防腐部分都要进行同步的数据级联更新，以确保整个管道数据的一致性，在模型中通过在表对象间建立主外键关系来维护其依赖关系。地质灾害与周边环境的静态数据主要有：断裂带（FaultLine），洪水区（FloodZone），应急设施（EmergencyService），居民区（ResidentialArea）等，动态数据有水文（Hydrology）和气象（Weather）等[4]。这些信息是对管道进行完整性管理和风险评价的重要参考指标，也是进行完整性管理的依据，通过模型可以方便准确地提取管道的所有相关信息。站场及设施部分包含多种类型的设备，对这些设备的建模可以从宏观和微观两个视角来进行；从宏观角度来看整个管道系统时，站场中的设备就可以看作分布于管道中心线上的点，而从微观角度来看，分布于站场中的工艺设备并没有严格的位于管道中心线上，所以APDM-CH模型中对每一个工艺设备都有两个对象来描述其空间位置信息，但是依然共享相同的属性信息；微观的工艺设备模型依赖于站场（Site）而存在。对站场中工艺设备进行两个视角建模恰好满足了管道系统在多尺度下分析和管理。由于APDM委员会多数成员都是北美的管道企业，因此，除了个别大型关键设施以外，该标准中并没有涵盖站场主要的设备设施，ASME B31.8G就更没有提及，按照前面的5大方面实施完整性管理，完善APDM站场部分的内容是势在必行的。储气库能很好地满足季节调峰的需要，我国的多条天然气管道系统都建立了地下储气库，目前APDM-CH模型还没有对储气库进行详细的建模。

考虑到ArcGIS在商业GIS软件领域长期的主导地位以及其Geodatabase空间数据库的诸多优势，本文提出的数据模型以ESRI的Geodatabase空间数据库为建模基础。下面以管道本体为例详细阐述模型的具体实

现。

考虑到长输管道的空间分布具有明显的线性特点，在构建模型的过程中采用线性参考的手段来描述管道系统中的对象空间位置。模型中构成管道本体的最重要的对象是管道中心线（StationSeries），该对象在空间数据库中表现为一个线要素类，描述管道的物理走向，其中线的每一个节点都对应一个控制点，每个控制点对应一个三桩（标志桩、转角桩、里程桩）。管道中心线中每一个要素都具有起始里程和终止里程值，管道中心线的角色就是线性参考系统中的基础线性网络，线性事件或设施都发生或存在于此要素类上，也就是说事件或设施依托此要素类存在。通过建立关联类，管道中心线和发生在管道中心线上的事件或设施构成了一对多的关系。管道中心线有两种层次关系划分方法体现在模型中，其一是子系统（SubSystem），其二是线路（LineLoop）。

图2 子系统示意图

Fig.2 The sketch map of the SubSystem

图2说明了子系统和子系统范围的关系和意义。长输管道大多会跨越多个行政区，由于区域差异（比如，人口稠密度）往往需要划分子系统来对管道进行有效的管理。图2中示例管道跨越了河曲和保德两个县，相应的在数据库中要用两个子系统来进行描述，并且为每个子系统都分配一个全球唯一的事件编号（EventID）作为子系统标识。子系统对应的管道的起止范围由子系统范围（SubSystemRange）要素类来指定，该线要素类记录了管段区间信息，子系统范围和子系统的关系通过外键——子系统事件编号（SubSystemEventID）来描述，该字段对应子系统表中的事件编号（EventID）字段。子系统范围和子系统是多对一的关系，一个子系统的空间位置由一个或多个子系统范围来表达。子系统还可以包含下级子系统，子系统之间的上下层次关系通过子系统层次（SubSystemHierarchy）表来体现，该表的两个字段上级子系统事件编号（ParentSubSystemEventID）和下级子系统事件编号（ChildSubSystemEventID）记录了子系统之间的父子关系。这三个对象之间的关系如图3。

SubSystemRange SubSystemEventID

SubSystemHierarchy

ParentSubSystemEv

ChildSubSystemEv

SubSystem

EventID

图3 子系统对象模型图

Fig.3 The object model map of the SubSystem

当有些大规模的管道公司需要同时管辖多条管道线路时，模型通过线路（LineLoop）表来描述管道公司管辖的多条线路及线路之间的层次关系。线路（LineLoop）是组织和定位管道及管道沿线设备的一种方式，线路可以划分成不同的线路类型，线路类型可以是集输管线（Gathering）和长输管线（Transmission）。下图描述了某管道公司运营的两条主干线（12# 干线和10# 干线）和一条支线。

图4 管道线路示意图

Fig.4 The sketch map of the pipeline LineLoop

表1 LineLoop表

Tab.5 LineLoop table

线路名称线路类型

1# 输气系统长输

12# 干线长输

10# 干线长输

10# 干线A长输

10# 干线B长输

10# 支线长输

在LineLoop表的6条线路中，1# 输气系统和10# 干线属于逻辑线路，而其它4条线路数据物理线路，逻辑线路和物理线路之间构成了父子关系，线路之间的层次关系在模型中用线路层次（LineLoopHierarchy）表来描述，该表的结构和子系统层次（SubSystemHierarchy）表是一样的，不再熬述。物理线路的划分没有固定的标准，一般可以理解为连续的没有分支的管道作为一条物理线路。在长输管道系统中一般把站场或大型设备作为线路的分隔点。模型中有关线路的元素的关系如下UML图。

LineLoopEventID(FK) BeginStation EndStation

ParentLineLoopEventID(FK)

ChildLineLoopEventID(FK) EventID

LineName

LineType

图5 线路对象模型图

Fig.5 The object model map of the LineLoop

模型的建立方式可以是手工在Geodatabase库中建立各个表、要素类及关联类等，也可以通过模型的Visio对象图直接在Geodatabase库中批量的建立，后者更快捷，但是要借助插件才能完成。

4 模型应用

以上提到的管道数据模型为建立管道管理系统提供了数据保证，在此模型基础之上搭建面向管道完整性管理的地理信息系统可以充分满足管道管理的业务需要。下面介绍基于此模型的长输管道完整性管理地理信息系统的三个主要功能模块[3]。

(1) 内检测数据分析

管道的内检测数据是管道公司利用专用的内监测器周期性对管道干线本体进行的检测结果，通过内检测数据可以对管道的缺陷情况有准确的了解。系统对内检测发现的缺陷进行后续过程的全面监控管理，包括统一的数据存放、分析、对比、展现、判别不可接受的缺陷，针对每种不可接受的缺陷自动生成相应的解决措施，记录整改措施的实际落实，生成整改报告，并进行长期的对照。

(2) 站场管理

站场内有大量复杂的工艺设备、管道及辅助生产设施，辅助生产设施有：供电，给排水，采暖通风，自动监控等。系统提供每个站场的大比例尺的专题图，可以直观适时地对站场实施量化风险评价（QRA），基于风险管理的检验（RBI），仿真模拟事故后果，对站场内的工艺设备和辅助设施对象进行空间信息——属性信息的双向查询，对超声导波检测结果进行统计分析及空间定位，直观的显示出工艺设备及辅助设施的空间布局及拓扑关系，对管道网及其它辅助设施网建立几何网络，在几何网络的基础上进行网络分析，例如：连通性分析和上下游分析等，实施以可靠性为中心的设备维护，周期性进行资产完整性管理（AIM）的审核。

(3) 线路管理

一般长输管道穿越地区广，在一定的宽度内形成一个管道通行带；系统提供在管道通行带内的各种基础地理信息，包括道路，居民区，铁路，公共服务，消防，人口分布，植被和降雨量等；对第三方破坏评价、高后果区（HCA）评价及地质灾害评价制定专题图，进行缓冲区分析，为风险评价和完整性管理提供准确直观的科学依据。

5 结论

目前在国内，对长输管道数据模型和基于地理信息的应用系统都研究较少，本文在参考国外已有成果的基础上，初步建立了适合我国的长输管道数据模型的整体框架，提出了具有我国管道业务特点的站场数据模型，并且把管道的各种评价指标和结果纳入到模型中来，为管道的风险评价和完整性管理提供支持。由于GIS应用于长输管道行业起步较晚，应用很不成熟，在以后的探索过程中必定遇到很多问题和挑战，例如：由于众多管道运营商的业务特点的侧重点不同，要满足他们的不同需求还存在一定难度；另外，本文提出的数据模型很大程度上可以满足气体管道运营商对业务管理的需求，但是还不能很好的满足液体管道运营商需要，这些是在以后的工作中需要重点解决的问题。

参考文献

[1] Ron Brush, The PODS Data Model, In: Proceedings of IPC2002International Pipeline Conference, September 29 – October 3 ,

2002

[2] https://www.360docs.net/doc/0117418579.html,/Business_Case_APDM.pdf

[3] 杨立法, 黄海生等, 全国石油天然气管道安全管理信息系统设计, 西安邮电学院学报,2004, 11(3): 96～100

[4] 金 强, 地理信息系统在石油天然气长输管道中的应用, 石油规划设计, 2006, 17(2): 45～47

[5] 赵忠刚, 姚安林, 赵学芬, GIS技术在油气管道安全管理中的应用, 管道技术与设备 2006,1(1): 15～18