城市燃气管道数字化管理系统方案的框架设计

大 庆 石 油 学 院 学 报 J OURNAL OF DAQI NG PETROLEUM I NS TI TUTE 第 3 6卷 第 2期 2 0 1 2年 4月 Vo 1 36 No2 Apr 2 0 12 城市燃气管道数字化管理系统方案的框架设计 张 鹏 ，周代军 (西南石油大学 土木工程 与建筑学 院， 四川 成都6 1 0 5 0 0) 摘要 ： 根据城市燃气管道具有隐蔽性 、 系统性和动态性 ， 以及 点多、 线长 、 面广等特点 ， 考虑城市燃气 管网、 储配站、 C NG加气站 、 L NG接收站、 用户及 运营完整性管理各方 面需求 ， 探 讨数字信息化 发展 趋势 ， 提 出针对 城市燃气管 网的数 字化管理系统的功能要求 、 总体架构 、 体系结构 、 子系统方案的框架设计及 系统安全策略 ， 并阐述数据库 、 项 目管理及 GI S 等系统软件的选型 ， 为城市燃气管道数字化管理系统建设 提供参考依据 关键词 ： 城市燃气管道 ； 数 字化管道 ； 管理系统 ；方案设计 中图分类号 ： TB 1 1 4 ， U1 7 9 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 01 8 9 1 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 0 3 0 6 0 引 言 数字信息化 已经成为城市燃气管道设计、 建设和运营管理过程的重要组成部分_ 1 将城市燃气管网在 勘 察设 计 、 施工 建设 及 运 营管 理 实 现 综 合 利 用 的 4 S技 术 ， 即全 球 定 位 系 统 ( Gl o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m， GP S ) 、 监测 控制 与 数 据 采 集 系 统 ( S u p e r v i s o r y C o n t r o l An d D a t a Ac q u i s i t i o n ，S C AD A) 、 遥 感 ( R e mo t e S e n s i n g ， RS ) 、 地理信息系统 ( G e o g r a p h i c I n f o r ma t i o n S y s t e m， GI S ) 统称为数字化管理 z - 5 3 城市燃气输 配系统包括门站、 储配站 、 C NG加气站、 L NG接收站 、 用户及燃气管 网等 为了实现燃气输配系统安全、 合 理 、 有序及全面的管理 6 ， 需要相关的数据模型_ 7 妇 集 中管理 地理空间平台及基础数据库的建立将为决 策者提供具有较大保障且信任度高的数据和信息资料， 最终实现完整性管理的优化 我 国城 市燃 气 管 网具 有埋 地 多年 数 据 不 真实 、 不 全 面 的 隐蔽 性 ； 环 状 管 网 、 枝状 管 网相 结合 ， 高压 管 道 、 中压管网及低压管网交错的系统性 ； 压力波动、 用气调峰 、 事故工况 、 供气不稳定等动态特性 同时， 还 具有交错复杂 、 点多、 线长、 面广 ， 用户多、 素质参差不齐 ， 城市环境多元化 ， 施工作业面大， 道路 、 车辆多等 特 殊性 我 国城 市燃 气管 网数 字化建 设存 在 问题 ， 如设 计 思路 不 清 晰 、 功能 实 现不 完 整 、 设计 内容不 全 面 、 安全措施I 8 不到位等 ， 需要优化管道勘察设计线路 ， 科学有效组织实施管道施工 ， 实现高效率、 安全可靠 地 运营 管理 _ 1 1 系统功 能分析 城市燃气管网数字化系统是结合管道设计、 施工、 运营过程中的资料信息 ， 集 网络化 、 数字化 、 真实三 维可视化为一体的综合管理系统， 基于网络技术 、 GI S技术及数据库技术 ， 具备功能 ： ( 1 ) 实现对各种信息的综合管理 ， 包括基础地理信息、 施工管理信息 、 管线数据信息、 设计资料信息和 其他专题信息等 ( 2 ) 基于空间地理信息实现计算机辅助设计和决策功能 ( 3 ) 基于管道建设工作流程实现数据采集 、 管理 、 发布和监控功能 ， 辅助管道施工管理m ( 4 ) 对于气站 、 管网资料 ， 有基于 We b GI S的信息发布、 查询、 编辑 、 增删 、 上报及报警等功能 ( 5 ) 基于管道运行涉及的， 如运行优化分析 软件等各种专业软件和实时监控系统实现管道运营管理 功 能 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 1 0 1 ； 编 辑： 任志平 基 金项目 ： 国家 自然科 学基金 ( 5 o 9 7 4 l O 5 ) ； 高等学校博士学科点专项科研基金( 2 O 1 0 5 1 2 l 1 1 o O O 3 ) 作者简介 ： 张1( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 博士后 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事管道风险评价 、完整性管理及管道数字化建设等方面的研究 l O3 大庆石油学院学报 第 3 6卷2 0 1 2年 ( 6 ) 基于海量栅格 矢量数据的三维实时交互漫游可视化辅助分析决策功能 ， 同时对事故地点 、 性质、 规模提供抢修行车路线图、 抢修方案等 2 系统方案设计 2 1软件选 型 ( 1 ) 数据库软件 推荐选用 Or a c l e l O G作为数据库管理软件 它具有灵活的 C l i e n t S e r v e r 结构 、 丰富 的开发工具、 可靠的机制及 I n t e r n e t I n t r a n e t 功能等特点 1 5 - 1 6 3 ( 2 ) 项 目管理软件 分析项 目管理软件和石油行业的特点， 推荐选用 P 3项 目管理软件 它是 以计划一 协同一跟踪一控制一积累为主线 ， 专门为企业级工程项 目构建的管理软件 ， 同时具有高度的灵活性和开放 性 ， 运用 I T技术， 并涵盖现代项 目管理的知识体系 ( 3 ) GI S软件 基于 B S结构体系的 We b GI S应用技术将其信息和资源在地图上以多种可视化的方 式展现出来， 实现信息的存储 、 处理 、 分析和对外发布 最具典型代表的是 E S RI 公司的 Ar c I MS和 Ma p I n f o公司的 Ma p X t r e me 基于 c s结构的应用系统要求具有较强的显示、 查询和分析地理空间数据 ， 如 E S RI 的 Ar c GI S ( Ar c I n o ， Ar c Vi e w，Ar c E x p l o r e ， Ar c Gl o b e 等) 及 Ma p l n o的 Ma p I n f 0 ， Ma p X 1 8 1 9 分析 E S R I 公司和 Ma p I n o公司的 2种主流 GI S产品， 结合城市燃气管道数字化管理 系统 的体 系要 求， 推荐使用以 E S R I 作为 图形数据管理平 台 2 2 总体 方案 架构 城市燃气管道数字化管理系统应该包括管道勘察设计系统 、 管道建设项 目管理系统及管道运营管理 系统等， 各系统再细分成各子系统 9 - 1 o ( 见表 1 ) 表 I 城 市燃气 管道数 字化管理 系统数据模 型 项 目 特征 内容 。 管道勘察 勘察数据 ， 地图资料 ， 路况信 息， 公共场所 ， 重要地段信息 ， 图像信息 ， 管 道信息 ， 节点坐 标， 设计参数 ( 设计压力 、强 设计系统 度、 管径、 壁厚 、 流量 、 管材 、 铺设位置 、 阴保等) ， 站场工艺等 ； 簪谱磕沿 施工单位 ， 施工计 划、 进度 ， 埋地深度 、 管顶高程 ， 探测 点位 置 ， 焊接焊缝检测 ， 阀f - j 类型 ， 地 理分布 ， 特 征点( 为 管线 言 蕃 连 接 的 设 备， 如 弯 头、 三 通、 四 通、 起 止 点 、 主 支 管 及 不同 材 质 连 接 点、 与 其 他 管 线 交 叉点 、 法兰 盲 板等 ) ， 工 程 采办 信 一 息， 重要设 备信息 ( 调压箱 ， 调压撬 ， 计量仪表， 压力表 ， 分 离器 、 阀门等的厂家 、 联 系方式 、 型 号、 各项参数 ) ， 验收信 息( 质量 、 试压及严密性实验) ， 竣工信息等 ； 管道运 营 用气量控制 ， 调峰量 ， 通气 ， 阀门控制 ， 调 压控制 ( 实 际运 行压力 ) ， 巡线监督 ， 应急处 理， 风险评估 ， 建设 资料 ， S C A 管理系统DA系统 ， HS E管理， 事故工况分析等 城市燃气管道数字化管理系统的总体方案架构见图 1 2 o ， 各单位负责的管道数字化流程见图 2 2 3 软件 体 系结构 根据城市燃气管道工程特点和系统需求， 建议数 字化管理系统体系结构采用 由 c s结构和 B S结构 相结合的组合体系 由 c s模式应用系统实现数据 的采集 、 矢量化、 编辑维护以及空间数据的高级分析 ， 由 B S模式应用系统实现资源 的共享和基于 I n t e r n e t 的信息发布 考虑系统的灵活性 、 扩展性等因素 以及 E S R I的 GI S平台软件结构模型 ， 城市燃气管道数字化管理系 统采用分层模型结构， 分层设计及每层所包括 的内容 见图 3 ， 包括表现层、 应用逻辑层及数据服务层I 2 川 2 4 各子系统方案 2 4 1 管道勘察设计系统 将测量 、 地质 、 工艺 、 阴极保 护、 通信等各工艺环 节的成果资料， 以D WG、 D X F 、 T X T等格式添加到数 城市 燃 气管网 数 字 管 理系 统 J I l I 管 道 勘 察 设 计l 管 道 建 设 项 目 管 理 管 道 运 营 管 理l l 上 上 ， L J一 J 【一 上 上 上 1 一 空 环 勘 管 工 施 管 管 管 间 境 察 道 程 工 道 道 道 信 信 设 模 采 建 风 设 管 息 息 计 型 办 设 险 施 网 管 管 管 管 管 管 管 管 管 理 理 理 理 理 理 理 理 理 子 子 子 子 子 子 子 子 子 系 系 系 系 系 系 系 系 系 统 统 统 统 统 统 统 统 统 U 数据库平台 L|一 空间信息数据库 属性信息数据库 文档图形数据库I 一一 、 - ， 一 一 一_ 一， 图 1 系统的总体方案架构 第 2期 张鹏等 ： 城市燃气管道数字化管理系统方案的框架设计 测绘、拍摄影像图片，居民数据 资料，城市地图，城区规划图 数据加工处理 DE M、 D OM、D R G数据等 二维矢量数据、三维影像数 据 ( B I L , T XT或 T I F格式 外 业勘 察测 量数 据 ( 管线长度、路况信 息、重要地段信息) AU T OC A D管道设计 ( 测量、 地质、 站 场工艺、 阴极保护、 通信、 设备选型、 设 计参数、规范要求、施工说明等) 设计成果资料 ( DWG , D XF 、T x T格式等) 表 现 层 数字化城 市燃气管 道 工 程 W e b GI S 发布及统 计查询分 析 系 统 城市燃气管道风险管理 借 道安耋 评估、环境评估、事故伤亡评估) 管道 资源管理 ( 设施管理、 H S E管理、调峰量控制等) S C AD A系统 管道工程建设管理系统 管道属性 施工计划、进度、质量、 埋深、 H S E、 竣工信息等 三 l L _ 7 工 程 采 办 信 息 数 据 库 l 。 。 图 2 管道数 字化流程 圆 圈 管 道 运 营 管 理 系 统 网 络 查 询 与 发 布 系 统 由 客 户端 软件 和 浏 览 器 组 成 是 业 务 人 员 直 接 接 触 的 界面 实 现空 间数据显示 、查 询 、统计、管理 和空 间分析等功能 。 空间信息数据库 I I 管道资源信息数据库 图 3 系统软件体 系结构 包 括应用 服务器和 WE B服务器系统， 构建数字化管道应 用数据 处理和 管理 平台。 由 数 据 库 系 统 组 成。包 括基础 地理 信息 、施工管 理信 息、管线数据信息 设计资料 信息 ，其 他专题信 息等库 。 据库 中， 为施工建设阶段提供相关资料 勘察设计管理系统 主要包括空间信息管理 、 环境信息管理和勘 察设计管理等子系统 ， 系统各环节的工作流程见图 4 ( 1 ) 空间信息管理子系统 建立管道工程的属性信息 ， 如识别城市的区域、 房屋建筑、 公共场所 、 街道、 河流和重要交通地段信息等对象 ； 获取数字地图或矢量化的数字图形 ， 需要借助于卫星遥感 、 数字摄影 、 城 市规划等技术 ； 将信息转化为系统可以接受 的格式和比例尺 1 O 5 应 用 逻 辑 层 f I 数 据 服 务 层 大庆石油学院学报 第 3 6 卷2 0 1 2年 ( 2 ) 环境信息管理子系统 参照 国家相关标准 建立沿线街道信息， 与地图数据相关联 ， 获取电子 地图和空间信息进行地 图的矢量化 ； 结合 管道沿 线的用户、 路道信息、 公共交通 、 下水道路段、 城市 其他基础设施、 境界 、 街道名、 其他国防光纤等， 建 立相关 地 理信息 库 ( 3 ) 勘 察设 计管 理子 系统 实现 勘察设 计 中的 文件( 图纸 、 文本等 电子资料 ) 管理、 设计参数( 管 道类别 、 级别 、 公称直 径、 壁 厚、 材质 、 型 号、 设备 等) 管理 、 站场 工 艺 ， 以及设 计 资 料 的统 计 、 分 析 、 查询 2 4 2 管道建 设 项 目管 理 系统 勘察设计单位 u t o AC D 设计人 I ( 勘察设计管 Au t o AC D客户端 图档管理 ( 所有相关 的图形 、 数据文件 空间数据维护人 员 ( 空 间、环境信息管理) I l l f o A r e V i e w A u t o A C D服务器I l I G I S空间数据库接口： A r c S D E O r a c l e I O r a c l e S p a t i a l ( 基础地理空间资源数据 、管道模型数据、设计成 果资料等 管 道 建 设 项 目管 理 系统 。 。 主 要 是将 采 办 时 图4 管道勘察设计管理系统的工作流程 的相关技术参数、 施工计划 、 进度 、 费用 、 质量要求 、 HS E、 埋 深、 竣工等数据信息添加 到数据库 中， 形成管 道模型管理 、 工程采办管理及施工管理子系统 ， 更好地为管道运营管理提供可靠资料 ， 管道建设项 目管理 系统各 环节 的工 作流程 见 图 5 图 5 管 道 建 设 项 目管 理 系统 的工 作 流 程 ( 1 ) 管道模型管理子系统 实现管网、 管线 、 管段 、 桩位、 阀门、 特征点 、 调压器及站场设施 的空间信息管 理， 建立管道沿线的地形 、 地貌 、 建筑物等三维景观及搭建数字管道三维仿真系统平台 ( 2 ) 工程采办管理子系统 统计管道工程中各种产品的价格， 登记产品供应商 、 运输分包商 、 保险公司、 清关代理商的资料 ， 根据设计信息和设计参数估算物料 的总量和价格 ， 生成采办清单后 ， 建立采办 中产生 的合同、 定单及物料存取的信息库 ， 包括物料及设备 的型号、 各项参数 、 编号 、 数量 、 产地、 负责人等信息 ( 3 ) 施工管理子系统 实现对施工进度、 单位或人员、 HS E、 资源 、 竣工资料等信息的管理， 完成施工前 期资料 的查询 ， 建立完善的施工管理数据库 ， 需要录入施工进展数据以及分阶段统计分析各项数据 2 4 3 管道运营管理系统 管道设施管理 、 管道风险管理及管网管理构成城市燃气管网管道运营管理系统各子系统 ， 还包括所有 竣工信息的综合系统 ， 系统各环节工作流程见图 6 ( 1 ) 管道设施管理子系统 对管道设施的防腐 、 维护 、 检修计划和作业进行管理 ， 完成对 QHS E文档 的 分类 、 维护 、 调峰量、 索引和查询 ， 接收 S C AD A系统提供 的管道监测和运行数据 ， 提供应急预案与指挥调 1 nR 第 2期 张 鹏等 ： 城市燃气管道数字化管理系统方案的框架设计 度 ， 用气量、 阀门、 调压控制 ， 验收通气 ， 巡线监督等 ( 2 ) 管道风险管理子系统 它包括管道安全评估 、 环境评估和事故伤亡评估 ( 3 ) 管网管理子系统 它包括管网数据的录入 、 编辑、 输出， 水力参数 、 工况模拟分析 、 管道数值仿真及 力学分析等 图 6 管道运营管理 系统 的工作流程 3 系统安全 策略 城市燃气管道数字化管理系统具有系统接 口多、 潜在 的安全风险高等特点 ， 需要在 GI S 、 数据库 、 网络 等技 术基 础之 上建 立完 善 的安全 策 略I 2 。 3 1物 理安 全 保护主机设备 、 网络设备、 通讯线路 、 存储设备等硬件免受人为破坏 ； 对于运行关键任务的应用服务 器、 数据库服务器 ， 采用双机热备份进行系统的冗余 ； 对于关键数据存储采用 RAI D5的磁盘阵列 系统 ， 以 实现数据的容错 ； 对于关键服务器、 存储设备和网络设备配备 UP S系统 ， 以提供持续的电源保障， 机房应 安装 防雷 系统 3 2 网络安 全 加强用户口令 的识别与验证以及用户账号的缺省限制检查 在项 目总部及各项 目分部 局域 网与广域 网的连接 中， 根据 不 同的应用采用 不 同的接人方式 对于 WWW S MTP及 MAI L服务和连接， 设置硬件防火墙 系统接入 I n t e r n e t ； 对于提供给各个项 目分部和基 层站等外部用户的有关空间数据和敏感业务数据等保密信息的远程访问 ， 通过 VP N的隧道技术实现 3 3 系统安 全 设置 功 能强 大 的网络 版防 病毒 系统 ， 实 时查杀 病毒 ， 并 能 自动更新 升级 和集 中管 理维 护 3 4应 用安 全 各个应用系统均要建立访问控制和身份认证与授权机制 ， 并在关键系统 中建立智能型 日志 ， 以保证对 各个 应用 系 统和数 据 的合法 访 问 4 结论 ( 1 ) 分析城市燃气输配系统对数字化的各项需求 ， 提出针对城市燃气管网的数字化设计方案 ， 弥补城 市燃气管 网在数字化设计中的不足 大庆石油学院学报 第 3 6卷2 0 1 2年 ( 2 ) 推荐使用 Or a c l e 数据库软件 、 P 3 项 目管理软件及 E S R I 公司的 GI S系列软件构建城市燃气管道 数 字化 管理 系统 运行 平 台 ( 3 ) 城市燃气管道数字化管理系统的体系结构建议采用 由 B S结构和 c s结构相结合的组成体系 由 c s模式应用系统完成对空间数据的高级分析， 由 B S模式应用系统实现资源的共享和基于 I n t e r n e t 的信息发布 ( 4 ) 基于数字化城市燃气管道的功能要求 ， 提出管理系统的总体架构及其各子系统的框架设计 内容及 工作 流程 ( 5 ) 提出城市然管网包括物理 、 网络 、 系统及应用安全等的安全策略 采用层次结构体系 ， 以数据为基 础， 以管理为中心 ， 以服务为桥梁 ， 以业务为导向， 以集成为 目标 ， 实现城市燃气管网的全面信息化 参考 文献 ： 1 陈雪松 ， 张方 舟， 王琼 通信系统安全技术应用-3 G环境下安全 网关实现 J 大庆石油学院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 2 ) ： 1 1 O l 1 2 2 J i n Hu a Qu De s i g n o f t h e t o u r i n s p e c t i o n s y s t e m b a s e d o n GP S a n d E mb e d d e d GI S J P o we r S y s t e m Te c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ： 1 4 r 3 1 S u n Y T， Z h a n g S L， Z h a n g Y MD e s i g n a n i mp l e me n t a t i o n o f i n t e g r a t i o n f r a me w o r k f o r t e r mi n a l o r i e n t e d mo b i l e GI S d a t a c o l l e c t i o n c Gr i d a n d P e r v a s i v e Co mp u t i n g Wo r k s h o p s 3 r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e 2 0 0 8 ：1 5 1 1 5 7 Wa n x F， Z h a n g Q Q， F a n g M F S MS Re c e i v i n g a n d d i s p a t c h i n g s y s t e m b a s e d o n e mb e d d e d L i n u x J C C C M，2 0 0 8 ( 2 ) ： 4 7 5 4 7 9 F r l t s e h DNe x u s t h e mo b il e GI S e n v i r o n me n t mo b i l e f u t u r e a n d s y mp o s i u m o n t r e n d s i n c o mmu n i c a t i o n s C I EE E，2 0 0 3 ： 1 4 白连明 ， 储 强， 宋 桂平 燃气地理信息系统的建设与应 用 J 煤气与热力 ， 2 0 1 0 ， 2 ( 2 ) ： 3 3 3 6 陈琴， 张天华 城 市燃气管理信息系统应用 J 煤气与热力 ， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 1 0 ) ： 2 6 2 9 陶佰睿 基 于 B S模式 的嵌入式说话人身份认证系统 J 大庆石油学院学报 ， 2 0 0 7 ， 3 1 ( 3 ) ： 1 0 9 1 1 1 李德仁 ， 邵振峰 论新地理信息 时代 J 中国科学 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 6 ) ： 5 7 9 5 8 7 胡萃为 天然气管网 GI S系统设计 J 上海煤气 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 3 1 3 4 秦光等 数字化 管道建设初探 J 石油规划设计 ， 2 0 0 6 ， 1 7 ( 6 ) ： 4 8 刘燕琪 ， 雷国平 GI S软件技术发展与研究探讨 J 信息产业 ， 2 0 1 0， 1 2 ( 1 ) ： 1 9 5 1 9 8 陈静 ， 秦兴述 管道工程勘察设计 的数字化应用 J 天然气与石油 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 3 ) ： 1 4 李超 ， 刘剑 数字化管