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摘　要：利用3D GIS技术构建管道完整性管理的基础平台，可为油气管道完整性管理决策奠定可视化基础。为此，首先介绍了国内外运用于数字管道的3D GIS技术发展动态，包括通用GIS平台产品、三维设计产品及实时视景驱动软件，并进行了相应的优缺点对比，从信息安全的角度分析了自主3D GIS产品对于油气储运安全保障的重要意义，具体阐述了具有自主知识产权的专业管道3D GIS平台(睿-PIPE)的设计理念、组成架构和功能特点。然后结合自主3D GIS平台在中国石化川气东送输气管道完整性管理中的应用案例，介绍了该平台在完整性基础数据管理、站场可视化管理、生产管理动态可视化监控与报警联动、管道完整性评价结果展现以及安全应急管理等方面的功能和特点，总结了自主3D GIS对战略油气管道完整性管理产生的技术提升效果，基于同一个平台实现了统一资讯整合、调度指挥、资源配备、风险控制、应急救援，提升了管理水平和工作效率，并为管道完整性评价积累了海量数据资料，为后续管道建设优化管理、节约工程建设成本积累了宝贵经验。最后从大数据应用、物联网应用等角度，展望了3D GIS平台在油气储运领域的广阔应用前景。
关键词：油气管道& 完整性管理& 3D GIS& 国产化& 信息安全& 睿-PIPE& 数字化管道& 川气东送输气管道
Application of 3D GIS to pipeline integrity management
Abstract：The pipeline integrity management(PIM)platform established with the 3D GIS technology can provide visual basis for the decision making of oil and gas pipeline integrity management．This paper first introduces 3D GIS technological developments and analyzed the advantages and disadvantages of leading 3D GIS products applied in digital pipelines at home and abroad，including universal GIS platform，3D design products，and real-time visual driver．And the significance was analyzed of the independent 3D GIS products for oil and gas storage&s security assurance from the information security perspective．Als0，it introduced in detail the design idea，framework and functional features of the Professional Pipeline 3D GIS Platform(RAY PIPE)with independent intellectual property rights．Based on case histories in the Sinopec&s Sichuan-to-East China Pipeline Project，the functions and their characteristics of this platform were discussed in the following aspects：integrity data management，station visual management，production visual monitoring with alarm linkage，pipeline integrity assessment result display，safety and emergency management．Then it summarizes the significantly strategic promotion effects brought about by the independently-developed 3D GIS technology applied to oil and gas pipeline integrity management．In addition，it also points out that information integration，dispatch control，rsource allocation，risk control and emergency rescue can be all realized on the same platform．With this tool，the management level and working efficiency are both significantly improved；also，mass data can be collected for the PIM and thereby huge lessons and experience will be provided for cutting down the engineering cost and preparing for the following optimized pipeline management．Finally，from the perspectives of Big Data and Internet of Things(IoT)，a broad prospect was described for the 3D GIS platform applications in the field of oil and gas storage and transportation．
Keywords：oil and gas pipeline，pipeline integrity management，3D GIS，information security，RAY PIPE，digital pipeline
应用GIS技术提高管道系统的管理水平，降低管道运行风险已得到管道行业的普遍认可。3D GIS技术的出现从根本上打破了人类在地理空间信息表达和处理方面的限制，利用3D GIS技术构建的软件平台成为管道完整性管理的基础平台，为管道完整性管理提供全生命周期的数据支持，为完整性管理决策奠定可视化基础[1-8]。然而，国内3D GIS厂商大量采用国外软件或开源代码进行集成开发，无法满足油气战略储运过程的安全和应用需求。为此，研究自主知识产权的管道3D GIS产品在油气战略储运过程中的完整性管理应用具有重要的现实意义。
1　国内外3D GIS技术发展与管道应用现状
1．1　国外应用现状
20世纪90年代，美国首先提出数字化管道的概念，通过管道信息管理系统，为管道管理部门和牛产管理人员提供各类与管道相关的图形和属性信息。目前，美国、加拿大和意大利在该项技术上较为成熟[9]。
国外应用于数字化管道的相关产品主要有3类：
1)通用GIS平台软件。总体而言，优点是具有较好的GIS通用性与成熟性，但缺少管道业务定制的特性。诸如二维通用GIS平台Arcgis、Mapinfo，对于上下起伏的管线、与地面垂直的管线在平面图上只能以一个点与相应注记来表示，视觉效果不直观；后续推出的三维组件虽然实现了三维地形漫游和三维空间分析，但在三维可视化方面仍无法支撑复杂纹理、大场景三维模型的流畅展示。随着3D GIS技术的发展，又出现了诸如Skyline、Google Earth的三维通用GIS平台，其具有强大空问三维地理信息展示功能，但只支持相对简单和少量的三维仿真模型。以上通用GIS平台都无法针对管道专业业务数据和模型进行算法级的优化，只能简单地挂接在应用系统层面，导致平台运行效率受影响。一旦模型数量增多或精细程度要求高时，效率会急剧下降，从而没有能力为大型管网设施提供信息整合与可视化显示环境。
2)三维设计软件转型而来的三维数字化产品。例如AVEVA NET，其优点是在设计方面得天独厚，但缺少运营期业务的支持。其三维可视化解决方案更多的是从如何充分利用设计数据的角度出发。重点的应用主要集中在工程数据管理、设计和可视化工具、项目资源管理和数据存储交流[10]，但不支持大范围管道三维场景显示，也不支持地理信息，使得管道生产设施脱离了周边自然环境和社会经济要素信息，展示内容和效果都大打折扣。
3)实时视景驱动软件。例如Vega，其优点是实时视觉模拟、虚拟现实和普通视觉应用，但不具备GIS相关功能或功能仅限于对象拾取和属性查询，无法有效支撑管道完整性管理业务应用。
1．2　国内应用现状
当前，国内多数管道信息系统是基于以上国外的GIS平台进行集成式二次开发，或基于开源引擎实现三维可视化。如王瑞萍等采用ArcGIS存储管理的DEM数据进行管道沿线地质灾害分析[11]。谢宏宇等采用ArcGIS实现了地下管网的三维简单显示和图层控制[12]。惠立等基于Skyline进行二次开发，实现陕北某油田集输管网的分布展示、信息查询和井区、站场三维可视化[13]。刘福桥等基于开源三维引擎平台实现了燕山石化厂内约250km物料输送管线三维场景的基本操作[14]以及管件、阀门的三维展现与定位，但管线没用使用材质贴图，且系统不具备真正意义上的地理信息功能。金剑等基于ArcGIS实现某输油站的站内工艺管线浏览和工艺流程动态展示[15]。2011年中国石油天然气集团公司(以下简称中国石油)A4(基于ArcGIS的二维地理信息系统)深化应用项目启动，贯穿勘探开发、天然气管道和销售等各板块的生产、完整性、物流、HSE、应急等业务中。
2013年5月，中国石油应用于管道完整性应用的地理信息系统(PioaGIS系统)通过验收，该系统基于二维GIS平台实现了地图浏览、地图量算、地图定位等二维地图操作和防腐控制、管道保护、自然灾害与防治、维护与维修、管道工程、风险评价等完整性业务功能。
当前，国内也涌现一批自主GIS平台产品，相比国外GIS平台，在数据管理、分析工具、接口服务等方面虽然还有一定差距，但经过十多年的发展已经有了长足的进步，在三维可视化和实际应用功能方面也形成了自身的特点和优势。诸如灵图的VRMap、适普的IMAGIS、吉奥的GeoGlobe、超图的SuperMapGIS、中地数码的MapGIS K9、高德的AnGeo、国遥新天地的EV Globe，但其大多应用于城市三维景观、规划、房产、国土、公安、交通、水利、林业、气象等领域，在长输管道应用方面，往往局限于局部站线设施的漫游、基本拾取查询与空间分析，在大规模三维模型数据的编辑与组织、表达与导航上仍有瓶颈。
2　油气战略储运过程中的信息安全问题
基于3D GIS的管道完整性管理系统作为大型网络信息系统，管理的数据涉及地理要素的详细坐标、大比例尺地理信息、企业生产运行信息等保密数据，尤其是管道中心线的坐标属于国家绝密数据，一旦泄漏，将成为国内外敌对势力和战争情况下的破坏打击目标，给国家能源安全造成极大的威胁。可见，管道数据安全性和系统安全性是3D GIS应用的重中之重。
一般来说，人们在考虑信息安全措施的时候往往倾向于只考虑信息安全的防护措施，例如防病毒和木马软件、防火墙、内外网隔离等。吴志锋等人从物理网络隔离和坐标降精度方面进行了管道完整性数据安全保护技术的研究[16]，但如果信息系统本身的软硬件有漏洞，外加安全措施也无济于事。3D GIS是构建管道完整性管理系统的核心平台，不掌握核心技术会影响整个产业和国家的创新能力，更会带来严重的信息安全问题。20世纪90年代，由于国内此类产品起步较晚，在一味强调系统先进性前提下，企业往往完全采用国外GIS产品来构筑管道信息管理系统，其安全性实在令人担忧。这就犹如一个特别先进和安全的防盗门，但钥匙却掌握在别人手里[17]。
Yahoo事件、棱镜门事件让人们越来越意识到保护信息安全就是保护国家利益，而信息安全必须建立在拥有自主知识产权的技术产品上。
自主3D GIS产品能够在数据安全、通信安全、系统安全以及系统稳定性等方面采取较强的技术措施，从底层平台保障系统安全平稳的运行，避免国外软件产品可能出现的漏洞。此外，国外产品仅作为通用GIS中间件，不负责为整个平台提供安全保障，只是第三方软件集成商在应用层面采取一些安全措施，缺乏底层数据保护，无法保证平台的根本安全。而采用业务逻辑及底层显示引擎均自主研发的管道GIS平台，可以彻底按照自身的要求增强其安全性，即使出现安全漏洞也可以自行修补。
由此可见，自主可控是3D GIS在油气管道上安全应用的前提和基础。这样可以保证软件没有漏洞，而且一旦发现漏洞可以及时修补，使自己处于主动地位，总的效果是容易保障信息安全。否则的话，想做到保障信息安全往往是空谈[18]。因此，要把3D GIS软件的自主可控放在整个国家的油气战略安全角度去考虑，才能确保关系国家经济命脉的油气管道信息的本质安全。
3　管道自主3D GIS平台产品应具备的特征
为了突破国内外3D GIS产品在我国油气管道上应用的技术瓶颈，在大量调研国内管道行业技术需求的基础上，利用具有自主知识产权的3D GIS基础模块，针对管道业务特点进行特性化定制。针对油气长输管道系统场景跨度大、设备设施分散、是上下游联动性强、周边环境复杂、海量地理数据、三维模型数据存储发布和显示效率要求高、本体数据以线性参考系方式组织的客观实际，管道自主3D GIS产品应是集三维GIS、虚拟仿真于一体，支持管道建设运营全牛命周期数据管理与资产完整性管理的专业化平台。
3．1　设计理念
3．1．1还原现实
首先是进行视觉上的还原。通俗地讲，就是在计算机里构建一套和实际生产一模一样的虚拟管道，真实再现管道本体、附属设施以及站场阀室等设备设施的外观、位置和工艺连通关系。
其次是还原事物的信息本质。平台将属于某个设备的多源数据与其三维实体模型关联，实现数据的一体化查询关联。
3．1．2超越现实
首先从视觉上超越现实，将二维的转变为三维的；将写意的转变为写实的；将看不见的隐蔽工程(比如地下管线、隧道洞内、设备阀门结构等)通过虚化、隐藏、剖切等超现实表现手法，使其一目了然。
其次从时间上超越现实，能够从管道全生命周期角度进行历史回溯、预览计划、模拟现在以及预测未来。
通过还原管道的外形与信息本质，从视觉上、时间上超越现实，来达到提升管道完整性管理的应用水平，辅助管理决策的目的。
3．2　技术特点
对于数字化管道完整性管理而言，用户需求分为数据需求、显示需求及业务扩展需求，自主专业化管道3D GIS平台应对用户需求进行针对性的产品没计。平台自底层完全自主开发，可有效确保关系国家经济命脉的油气管道信息的本质安全。以自主3D GIS平台&&睿-PIPE为例，其具体产品构架如图l所示。
其核心技术模块包括：
1)核心控制与管理模块。DE-CIO与DE-DOMO是整个平台的核心控制与管理模块，是平台其他产品模块构建的基础。DE-CIO提供海量数据分发管理DDM(Data Distribution Management)，可有效减少系统中的数据通信量，节省网络带宽和处理机资源，同时也提高系统的可伸缩性。DE-DOM0提供网络智能负载、部署、管理服务。采用负载均衡技术，实现自动故障恢复。
2)满足管道大数据量使用需求的组件。针对性的产品组件DGW、DE-Planet、Engineer，实现对管道全生命周期大数据量的各类数据转化录入、数据组织管理、业务逻辑维护管理等。
3)满足管道超大范围显示与细节精细刻画的显示需求组件。针对性的产品组件DEEPEYE、Direefor、DE-Gardener，满足对管道业务既有大范围场景实时渲染，又要求细节精细刻画的显示需求，主要包括显示特效、镜头管理等。
4)满足海量运营数据和业务扩展需求的组件。DE-DGW产品组件，为数据和业务扩展提供开放性的接口服务，满足后续数据更新和业务扩展提供支撑，同时为其他系统调用管道3D GIS平台的数据、计算和显示服务提供标准化接口。
4　自主3D GIS产品在国内管道完整性管理中的应用分析
4．1　系统功能
管道业务管理系统的目标，是要&面向应用&，针对管道管理的现状将管道运行维护期间采集的数据统一管理，为管道运营提供一个可追溯的、完整可查询的数据库。同时，通过基层维护人员上报管道运营过程中出现、发现的问题，使公司层面的不同处室第一时问掌握管道的运营状况、需要解决的问题，为公司领导层的维护决策提供现实依据，从而实现管道运营期间的完整性管理[19]。
基于管道自主3D GIS平台(睿-PIPE)开发的3D GIS管道完整性管理系统成果应用于国内多个大型油气战略储运项目，为管道设计、施工、运行等各阶段的管理业务提供有效支撑。其主要应用如下。
4．1．1完整性基础数据库管理
完整性是与管道的设计、施工、运营、维护、检修等各个过程密切相关的[20]。通过将地理信息、管道本体、附属工程设施与站场设施的全生命周期数据与三维场景有机关联，建立可视化的管道完整性基础数据库，可按照线路关系、行政区划、组织机构、施工标段在三维场景中查询管线、弯管、焊缝、站场、穿越、三桩一牌等信息，实现所见即所得的关联查询(图2)。
4．1．2站场可视化管理
站场作为管道系统的重要组成部分，通过建立真三维数字站场，可直观查看站场地上、地下、室内、室外的设备管线分布位置和关联的详细信息。同时面向各级机关部门，提供设备信息的综合管理功能(图3)。
4．1．3生产动态可视化监控与报警联动
通过整合SCADA、FGS等实时测点，即可实时查看专业站控系统的实时工况数据。同时支持同步超限报警、三维实景与视频联动报警，并能查询、统计过程变量的累计值、平均值及实时(历史)趋势(图4)。
通过整合各类实时生产数据，可以根据选定的管段的当前压力和温度数值计算管容，也可有效计算管道各管段管输介质存量数据，并提供时问范围和里程范围上的多维度图表分析(图5)。该统计分析结果包含了管道的气量与用户信息，清晰反映供需情况，为生产调度提供有效决策依据，根据轻重缓急灵活调配，保证下游用户资源得到充分满足，最大限度地降低风险。
4．1．4管道完整性评价结果展现
1)风险评估结果可视化查询。随着管道服役时间的增加，管道在不同区段的破坏程度不同，导致管道失效的原因也不一样，因此，要对管道进行风险评价，对风险进行排序，以便找出关键的高风险管段[21]。通过集成专业机构的管道沿线基线风险评价结果，可实现在三维场景中对管道动态分段，按风险等级、风险类型查询风险管段的位置、里程以及评估日期等，并进行可视化表达展示(图6)。
2)地质灾害评价结果可视化查询。借助3D GIS提供的流域分析功能对管道沿线两侧一定范围内地形，针对不同灾害类型，结合现有的基础地质数据库、水文数据库、气象数据库等，利用不同预测分析方法，可进行滑坡、泥石流、崩塌等几种地质灾害风险的分析评价。通过集成专业机构对管道沿线发育的地质灾害的调查评价与防治信息，实现在三维场景中定位查询灾害评估结果的详细信息以及监测方法和防护措施，并可按灾害类型、灾害等级分类管理，为及早进行预防和治理提供可视化信息辅助和空间数据支持。
3)完整性检测评价结果展示。支持将内检测报告中环焊缝编号、管件位置、相对距离、绝对距离、峰值深度、长度、宽度、压力系数(ERF)等信息植入到三维场景，可直观掌握内部制造缺陷、外部金属损失特征等检测结果的空间分布。另外，可基于专业模型，进行腐蚀缺陷情况的历史对比与跟踪，便于评价和管理人员进行缺陷的分析和修复。
4．1．5安全应急管理
作为关乎国计民生的生命线工程，安全应急管理极为重要。系统提供针对性的功能：①系统将紧急情况下事故发生点管线、周边环境、关联预案等各类信息全部整合到系统中，为应急救援指挥提供全面、准确、详尽的信息咨询；②通过采用可视化和多角度的方式对各类管道事故灾害、人口分布信息、交通信息、事件的影响范围、救援资源状态等内容进行三维立体展示，为应急指挥提供可视化磋商平台。结合专业事故数学模型，可根据事故情况和实际环境参数进行灾情推演(图7)，为事故救援决策提供后果模拟预演。
4．2　应用效果分析
针对中国石化川气东送管道工程，利用自主3D GIS产品(睿-PIPE)开发的&基于完整性管理的数字化管道GIS系统&是国内首个基于同一平台实现长跨度、大管径、高压力天然气输气管道全程全景真三维、地下地表地上一体化、站线一体化、二三维一体化的管道专业地理信息系统。
川气东送&基于完整性管理的数字化管道GIS系统&综合运用了云存储、SOA、空间GIS、虚拟仿真等先进技术，集成了管道设计、施工、运行、维护的全生命周期数据和自动化控制系统与巡线系统的实时生产数据(覆盖约2000km管线及附属设施、20余座站场、80余座阀室的全生命周期数据，涉及TB级的基础地理信息、管道业务数据和周边环境要素大数据)。
通过建立及时、准确、可定制的数据上报、汇总和报表系统，提供文件的有序流转、记录的自动审核校验、强大的统计分析工具、基于授权的云盘服务和可视化查询展示，为中国石化川气东送管道分公司4个机关部门、下属6个管理处以及基层站队提供了一个日常业务管理的统一工作平台，覆盖生产运行、压缩机管理、管道保护、安全环保、物资装备、技术信息、工程管理等专业的管理业务，实现统一资讯整合，统一调度指挥、统一资源配备、统一风险控制、统一应急救援，使得相关职能部门在管理水平、流程规范化和工作效率上得到了极大提升，并为管道完整性评价积累了海量数据资料，为后续管道建设优化管理、节约工程建没成本积累了宝贵经验。
目前国内外3D GIS技术应用于管道完整性管理已成为管道高效管理的不可或缺的重要技术手段。作为影响国计民生的油气战略储运工程，其信息的本质安全性保障尤为重要，研究和发展国内自主知识产权的管道专业3D GIS平台是保障油气管道信息安全的本质要求和有效途径，势必成为国内3D GIS领域发展的一个必然方向。
另外，当前工业软件领域正面临着迈向大数据时代的重要变革阶段，3D GIS平台应不仅仅只作为大数据的承载体，更为重要的是应结合物联网技术，为大数据量的分析应用和智能决策提供有效支撑，促使油气管道的管理模式产生质的飞跃，实现远程化和精细化控制。这一技术在川气东送管道上的成功应用将对我国同类管道乃至石油石化企业的数字化管理产生极大的工程示范作用。
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本文作者：蔡柏松　王建康
作者单位：中国石化川气东送管道分公司
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