（安全技术及工程专业论文）海底管道虚拟安全系统初探——框架、数据模型及安全分析模块开发.pdf

p r e l i m i n a r yr e s e a r c ho nv i r t u a ls a f e t ys y s t e mf o r s u b m a r i n ep i p e l i n e ：f r a m i n g ，d a t am o d e f i n ga n d s a f e t ya n a l y s i sm o d u l ep r o g r a m m i n g z h u h o n g - w e i ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e ng u o - m i n g a b s t r a c t v i r t u a ls a f e t ys y s t e mf o rs u b m a r i n ep i p e l i n ei sa l li n t e g r a t e dd e s k t o p a p p l i c a t i o na i m i n ga ts a f e t ya r l a l y z i n ga n ds i m u l a t i n go f s u b m a r i n ep i p e l i n e s i nt h ef i r s tp l a c e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cf l a m eo fv i r t u a ls a f e t y s y s t e mf o rs u b m a r i n ep i p e l i n e t h ec o n c e p ta n di d e ao ft h es y s t e ma r e e x p l a i n e di nt e r m so ft e c h n o l o g yc o m p o s i t i o n s ，d a t ar e q u i r e m e n t ，f u n c t i o n a l m o d u l e s c o n c e p t u a l m o d e l sa n d d e v e l o p i n ga p p r o a c h e s n 蝣d a t a s t a n d a r d i z a t i o nm e t h o di si n v o l v e di nd e s c r i b i n gt h ed a t ac l e a r l y ，e n h a n c i n g t h es h a r i n ga b i l i t ya n d i m p r o v i n gt h e n t e r c o m m u n i o nw i t l lo t h e rs y s t e m s t h e n , t h ed a t as t a n d a r d i z a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gd a t ae l e m e n tp r o g r a m m i n g , m c t a d a t am o d e lc o n s t r u c t i n ga n d i n f o r m a t i o nc l a s s i f y i n ga n dc o d i n gi s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es u b m a r i n ep i p e l i n ed a t ac h a r a c t e r i s t i c s t h e i n f o r m a t i o no fs u b m a r i n ep i p e l i n ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s ，s p a t i a l 砌o r m a t i o na n da t t r i b u t ei n f o r m a t i o n t h ep r o b l e mo fh o wt os t o r es p a t i a l i n f o r m a t i o ni nt h er e l a t i o n a ld a m b a s ei s s o l v e d s p a t i a li n f o r m a t i o na n d a t t r i b u t ei n f o r m a t i o na r ec o n n e c t e db yi d e n t i f i e r s c o m b i n e dw i t hr e l a t i o n a l d a t a b a s et e c h n o l o g ya n dg i st e c h n o l o g y ，ap o d s b a s e dd a t am o d e lw i t h t o p o l o g yr u l e si se s t a b l i s h e d o n - b o t t o ms t a b i l i t y a n a l y s i s o fs u b m a r i n ep i p e l i n e sa n dv i b r a t i o n s i m u l a t i o no ff r e es p a np i p e l i n e sa r et h ec r i t i c a lf u n c t i o n so f t h es y s t e m t w o m a t h e m a t i c a lm o d e l sa l ee s t a b l i s h e df o rt h e s et w of u n c t i o n s ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rp r o g r a m sa r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l y 1 1 1 em o d e lf o r o n - b o t t o ms t a b i l i t ya n a l y s i so fs u b m a r i n ep i p e l i n e si se s t a b l i s h e do nt h eb a s i s o fad n vr e c o m m e n d e dp r a c t i c e ，w h i c hi n c l u d e st w om e t h o 出，s i m p l i f i e d m e t h o da n dg e n e r a l i z e dm e t h o d a n db o t hm e t h o d sc a nb eu s e df o rb o t hc l a y a n ds a n d u s i n gf e m ，g a u s se l i m i n a t i o n , n e w m a r ki n t e g r a le t e ，a s s u m i n g t h a tt h es o i li sl i n e a rs p r i n g s t h ev i b r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e lo ff r e es p a n p i p e l l n e si se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h em o d e ，s t a t i cr e s p o n s e ，a n dd y n a m i c r e s p o n s eo ft h ef r e es p a np i p e l i n e s f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nv a l i d i t yo ft h e p a p e ri sv e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ht h eo n eo ft h ea n s y s n o n l i n e a rs o i l s p r i n gs u p p o r t i n gm o d e l k e yw o r d s ：s u b m a r i n ep i p e l i n e s ，v i r t u a ls a f e t y ，d a t am o d e l ，d a t a s t a n d a r d i z a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，v i b r a t i o ns i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 缉年步月? 孑日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：簦丝 导师签名： 亡左! ! ：! 多毋7 年亏月2 如 伊 ) 年了月g 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 海底管道工作环境非常恶劣，在多种荷载的联合作用下易引发破 坏，特别是波流作用下的稳定性和振动疲劳问题，使海底管道的安全性 评估面临许多难题，探索提高海底管道安全运行新技术已成为当务之 急。本文结合高等学校博士点基金课题“海底管道虚拟安全系统及其工 程应用研究”、中石化科研课题“杭州湾海底管道安全运行与风险管理 技术研究”子课题：波流作用下海底管道悬跨失效概率分析、中石油 科研项目子课题“滩海地区管线敷设方法优化研究”，对构建海底管道 虚拟安全系统所涉及到的技术和方法进行初步探索。 适应工程需要，有必要针对传统安全可靠性技术的不足，探讨虚拟 技术在海底管道结构安全可靠性评估与风险管理中的应用，其中包括： 海底管道虚拟安全系统框架构建、海底管道系统数字化建模方法研究、 海底管道系统的虚拟安全技术研究等三个方面。虚拟技术是一项具有良 好应用前景的高新技术，已在军事仿真、煤矿安全、油藏模拟、教育培 训等领域得到了良好的应用。虚拟技术与安全可靠性的结合，是对传统 安全可靠性研究的突破，具有较好的理论创新性和应用价值，有助于改 进传统概率可靠度理论在海洋结构安全评估中的局限性，实现海底管道 安全可靠性评估的数字化，为将来构建新型复杂结构的安全保障体系提 供必要的技术基础。因此，将虚拟技术应用于海底管道结构安全评估领 域是海底管道安全技术领域的必然发展趋势。尽管目前海洋结构或者海 底管道结构虚拟安全的概念还没有被广泛认同，但是随着数字油田、数 字海洋、数字管道技术的不断深入发展，海底管道安全评估领域将越来 越凸现出综合化、虚拟化的趋势，而海底管道结构的稳定性、涡激振 动、疲劳、风险、完整性等安全技术的虚拟化也将成为海底管道结构安 全技术的发展方向。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 海底管道结构安全保障技术 海洋油气资源的深入开发使得海底管道的战略地位越来越重要。铺 设数量和长度也越来越可观。在复杂且难以精确认知的海水环境中，海 底管道冲刷悬空、稳定性等结构安全问题与由此引发的系统风险评估和 完整性管理需求间的矛盾日益突出，成为影响海底管道服役寿命的重要 不利因素。 针对海底油气管道暴露出的安全问题，我国政府及相关企业逐步加 大了科研投入力度，组织专家实施了相关重要课题的研究。已经完成并 获得显著成果的项目有：中国石油大学陈国明承担的中国海洋石油总公 司九五项目“海底油气管道的检测、维护与安全可靠性的评估”、大连理 工大学周晶承担的国家自然科学基金项目“海底管线的地震破坏机理和 防灾对策研究”、天津大学余建星承担的海洋石油工程股份公司重点项 目“海底管道系统风险评价方法研究”、浙江大学金伟良承担的8 6 3 课题 “长距离海底管道分布式光纤传感技术”、中国科学院力学研究所承担的 中国海洋石油总公司十五重大项目“海底管道安全评估技术研究”等；主 要在研项目有：大连理工大学周晶承担的国家自然科学基金项目“海底 管线的损伤机理和健康诊断研究”、中国科学院力学研究所高福平承担 的国家自然科学基金项目“波流载荷下海底管道地基冲刷悬空的流固耦 合作用研究”、北京科技大学承担的中国海洋石油总公司项目“海底管道 安全评估与补强技术研究”等。除此之外，海洋工程界对于海底管道安 全问题已经进行了大量的先期研究。 海底管道面临的主要问题是海洋环境荷载问题，特别是涡激振动引 起的疲劳破坏问题。孟昭瑛等【l 】对裸露悬跨管道在稳定海流中的振动现 象进行了实验研究，得出管道涡激振动的各参数之间的关系，提出了防 止管道疲劳破坏的条件。唐友刚等【2 ，3 】针对单跨和多跨悬空管线的涡激 振动引起的强度问题进行了研究。方华灿等【4 ，5 】利用实验手段研究悬跨 海底管道流致涡激振动的基本规律和管道的动态响应，认为结构动应力 是服从瑞利分布的随机变量，并提出了管跨振动的安全可靠性评估方 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 法。罗延生【6 】提出海底土壤的形态和力学特性、海浪和海流的激励、悬 跨管道的涡激振动都是模糊随机过程，基于随机过程样本解的特点和模 糊数的运算方法，提出了悬跨系统模糊随机振动响应的样本解法及其隶 属函数的构造方法。马良1 7 】分析了海底悬空管道由海流引起的振动，给 出避免管道共振的最大允许悬跨长度算例。康海贵【8 】对近底水平圆柱在 振荡流场及波浪场中的物理模型进行实验研究，得到了雷诺数较低条件 下的水平输油管线周围的流场分布，并对海底管跨在极端荷载作用下的 强度破坏和波浪力颤振作用下的疲劳破坏进行了研究，得到了两种失效 模式的极限跨长。周晶等1 9 l o 】利用水下振动台设计了1 2 0 组试验，研究 了海底悬跨管线在地震作用下的动力反应，得到海底悬跨管道动力响应 特性，并根据m o r i s o n 方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结 果进行了有限元数值模拟。余建星等】基于非线性动力学理论，确定了 管跨的涡激共振失效概率和涡激共振长度，并利用随机过程理论和可靠 性分析方法，建立了更符合海底管道实际工况的可靠性模型。中国石油 大学海洋石油工程研究室【l2 】针对管跨系统动力响应的模糊随机特性，基 于模糊数学理论，针对海底管跨疲劳可靠性问题提出了分析方法和计算 模型，并通过实验模型验证了有效性。陈国明1 1 3 】采用有限元方法分别建 立了海底管跨的管土耦合振动和涡旋流场仿真模型，分析了土壤非线性 约束对管跨受迫振动的影响及不同边界条件下管跨周围的流场特性。仝 兴华【1 4 l 从静力分析角度研究了立管下端悬空管段，讨论了海底悬空管道 所受的环境载荷，并开发了能计算静载荷下的强度及静态强度下的临界 悬空长度的计算机软件。杨新华【1 5 】、申仲翰和赵强【1 6 】分别在上述研究 基础上进一步分析了内流、阻尼等附加因素对管跨动力特性的影响。 国外较早开展海底管跨涡激振动研究。t a s s i n i 等【l 承担了海底管道 的涡激振动研究项目，得到许多有价值的解析结果、实验数据及结论。 b r u s c h i 掣碍】重点研究了在实际海域中波浪和稳定海流在实物管道上引 起的涡激振动情况，得到了流场和管道的大量数据。b r y n d u m 等 1 9 1 选择 了包括稳定海流、规则波浪、不规则波浪、规则和不规则波浪与海流的 同时作用等在内的多种实验工况，对大跨度悬空管道作了涡激振动模型 实验。i l g a m o v 等研究了海流压力波动引起的管道非线性振动问题。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 m a d h u 等利用实验方法研究了不同波高和不同周期的波浪条件下波浪对 埋设管道的作用载荷问题。d n vc l a s sn o t e3 0 5 1 2 l 】对海洋结构在风、波 浪和海流作用下的疲劳强度计算和环境载荷规定做了大量细致的分析， 特别对海底管道在海流和波浪作用下的涡激振动计算以及海底管道的环 境载荷取值和计算原则作了详细的规定。c h o i 2 2 1 研究了海底管道的悬跨 振动问题，给出了不同流速、不同边界条件下的最大允许长度变化，并 讨论了轴向力对频率的影响。 稳定性是海底管道的另一个重要安全问题，土壤移动、波流作用都 会使管道发生水平或垂直方向的移动，当管线位移超过某个限度时会引 起防护层剥落、钢管脆性断裂或塑性失效。对于海底管道稳定性的研 究，经历了简化方法、综合评估以及有限元动态分析三个阶段【2 3 】。简化 方法以静力学平衡原理为依据，采用简单的莫里森方程计算水流载荷并 忽略波浪作用，以零位移作为稳定准则；综合评估方法参考了大量的实 验数据和动态仿真结果，计入波浪的影响，针对不同的土壤类型采用不 同的稳定标准；有限元动态分析方法考虑波浪对土壤内空隙压力的影 响，可以较为准确地描述海底管道的载荷条件，以管道是否失稳破坏作 为稳定标准。显然，有限元动力分析方法最准确但难于实施，而简化方 法最简单但已不适应技术发展要求，只有综合评估方法操作较方便且具 有较高的准确度。针对综合评估方法，挪威船级社出台了相应的推荐作 法，国内也及时引入了该推荐作法。 一 海底管道风险评估技术的发展还处于初步阶段，目前只有为数不多 的研究者涉及此领域。徐掣2 4 j 等研究了海底管道路由风险评估指标体 系，考虑各种影响因素的关联度和指标权重，引入灰色模式对评估目标 进行模糊识别和分段，并开发了海底管道路由风险评估系统。田英辉等 针对落物撞击提出了海底管道保护的风险评估问题，从能量角度综合 考虑撞击概率和损伤程度，采用风险矩阵方法提出了适于渤海海域的海 底管道风险评估步骤。管道风险管理手册 2 6 1 将海底管道模型作为其基本 风险评价模型的一个特例，借鉴陆地管道的专家评分法思想，初步定制 了海底管道风险评分方法的相关参数和权重。d e tn o r s k ev e r i l a s i l “于 2 0 0 1 年3 月推出了一种主要面向海底管道保护风险评估的推荐作法，即 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 d n vr p f 1 0 7 “l h s ka s s e s s m e n to f p i p e l i n ep r o t e c t i o n ”。 行业内广泛地将海底管道的运行检测与监测、安全可靠性评估、维 修防护、应急处理、h s e 管理等贯穿整个生产周期的相关管理活动统称 为完整性管理。完整性管理所涉及到的一系列活动不是分散的，而是一 个相互联系和支持的有机整体。海底管道的完整性管理技术将海底管道 的有关管理技术融合为一个完善的技术体系，有利于海底管道安全保障 技术的发展。该技术体系为进一步建立综合性的海底管道管理系统提供 了总体思路和技术支撑。完整性管理的基础是在内部检测和外部检测的 基础上进行完整性评估，定量掌握管道实际存在的问题和风险，并提出 相应的对策。海底管道的完整性评估是一项系统工程，包括剩余强度、 剩余寿命评估，经济性评估，系统可靠性评估和风险评估等【勰l 。 1 2 2 数字化、信息化技术 数字化技术是应用遥感、数据收集系统、全球定位系统、地理信息 系统、业务管理信息系统、计算机网络和多媒体技术、现代通信等现代 科技手段，对资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的数字化、数字 整和、仿真等信息进行高度集成的应用系统，并在可视化的条件下提供 决策支持和服纠2 9 1 。信息化与数字化有着类似的科学涵义，但其技术复 杂程度远不及后者，可将信息化称之为数字化的初级阶段或雏形。 美国副总统戈尔1 9 9 8 年提出“数字地球”的概念和设想，由此引发了 全球各行业的数字化研究热潮。数字油田、数字林业、数字城市等概念 和技术逐渐走向明晰和成熟。 现代化的管道运营模式更需要借助数字化与信息化技术实现安全、 高效管理。计算机技术、仿真技术、信息技术等高新技术的发展为油气 管道的安全运行和安全管理提供了全新的、先进的、可利用的实现方 案。s c a d a 系统是较为成熟的管道监控管理系统，它利用计算机技术 采集现场数据，通过通信网传送到监控中心，由监控中心监视并控制管 道的运行情况1 3 0 1 。在数据的处理和分析方法上，s c a d a 系统可以单独 或综合运用模糊理论、神经网络、专家系统等智能化方法、软测量手 段、数据融合技术以及小波信号分析方法等先进技术，对输油管道损伤 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 进行智能诊断和定位，同时还可与管内智能检测器结合，实现快速准确 报警和定位p ”。s c a d a 系统是管道运行管理现代化的里程碑，对提高 管道管理自动化水平有着重要意义，它在运行监控方面虽具有了数字 化、信息化系统的特征，但还不是完全意义上的数字化系统。 s c a d a 系统是国外管道运营公司对其所属管道大力实施高度自动 化技术开发的产物，而国内管道的运营管理在技术领域存在的差距，目 前还主要靠引入国外的先进设备来弥补自身自动化水平的不足。为此， 各大石油公司加快了管道“数字化”研发的步伐，目前已在小型天然气管 网方面取得了一定成就口2 】。“西气东输”管线是我国第一条真正意义上的 数字化管线，它实现了勘察设计：施工调度、运行监控等阶段有关业务 的集成化、信息化、自动化管理，为我国大规模实施数字化管线建设积 累了宝贵经验。 1 2 3 地理信息技术 随着各行业数字化进程的深入，地理信息技术获得了充分的关注和 发展。作为地理信息技术的表现形式，地理信息系统已经在道路交通、 电力通信系统、河流监测等领域得到广泛应用1 3 ”舯。g i s 的应用使桥梁 结构的勘察设计、健康监测、信息管理，公路交通路线设计、安全分 析、调度服务、环境影响评价、公共信息查询，电力通信系统的工程勘 测、电力调度、风险分析、故障分析，江河流域生态系统评价、水质监 控、灾害监测等更加准确、快捷。 g i s 结合遥感、全球定位系统、计算机和多媒体等数字化技术。在 陆上油气管道的安全管理研究中得到了广泛应用。利用g i s 技术对管道 安全运行进行管理，具有集系统性、适用性、兼容性为一体的优势，便 于对管道沿线情况进行动态数据管理。基于g i s 技术的油气管道安全管 理系统将管道设施、沿线环境、地质条件、经济、社会、文化等各方面 的信息在地理空间上有机结合，可以及时准确地针对安全管理目标提供 全方位的信息服务。 以上领域具有共同特点地理跨度较大，宏观上可以用线状物来 描述。海底管道同道路交通、电力系统、河流等对象，特别是陆地管线 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 具有类似的特征，因此将地理信息技术引入海底管道的安全保障技术中 是可行和必要的。值得一提的是，受勘测技术条件的限制，海底地形及 海洋环境等地球空间信息很难获取，这为地理信息技术的应用制造了障 碍。但是近年来，相关部门加大了对海洋地理信息的勘测力度及对相关 应用系统的开发力度，为克服这一困难奠定了基础。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究内容 针对海底管道安全现状，将虚拟技术引入海底管道安全领域，探讨 建构海底管道虚拟系统以及基于该虚拟系统实现海底管道安全可靠性评 估所涉及到的基础方法和技术。课题涉及海洋工程、虚拟技术、计算机 仿真技术、有限元技术、系统工程和结构安全技术等多个学科门类。 通过对海底管道虚拟安全系统的研究，探索适合于海底管道结构系 统的虚拟安全评估和管理模式。海底管道虚拟安全系统是一个复杂的人 机系统，本文只着重对其部分内容进行研究，主要包括： ( 1 ) 研究海底管道虚拟安全的技术框架和实施方法，提出一套完整的 虚拟安全系统实现方案。 ( 2 ) 分析海底管道的数字化描述方式，探讨海底管道相关数据的存储 方案和数据库结构的模型设计。 ( 3 ) 根据海底管道的数据范围，研究适合于行业特点的数据标准化体 系建设方案。 ( 4 ) 在海底管道数据库基础上，主要针对海底管道稳定性和管跨振动 研究相应分析模块的开发。 为实现上述目标，本文的研究主要包括以下三个方面： ( 1 ) 海底管道虚拟安全系统框架研究 深入调研与海底管道虚拟安全相关的安全分析和仿真、虚拟现实、 数字化、系统开发与集成、数据库和g i s 等学科前沿技术，构建海底管 道虚拟安全系统框架，为进一步开发海底管道虚拟安全系统提供指导。 f 2 ) 海底管道系统数据模型研究 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 海底管道系统数字化建模，即在统一的数据标准与规范基础上，以 数据库及数据库管理系统为核心，采用关系数据库技术建立海底管道系 统的数据模型，实现管道属性数据和地理空间数据的一体化存储。 ( 3 ) 海底管道结构的安全分析模块开发 充分考虑海底管道环境载荷的特点，建立合适的数学描述模型。对 海底管道结构在海洋环境载荷作用下的稳定性进行分析，对海底管跨结 构振动进行有限元仿真。 1 3 2 研究方法 海底管道虚拟安全系统的研究涵盖虚拟技术、有限元技术和结构安 全评估理论等多学科内容，拟采取理论分析与软件模块开发相结合的方 法，注重研究成果的创新性和实用性。课题的研究核心是通过将数字化 技术和虚拟技术引入海底管道安全领域，探讨建构海底管道虚拟安全系 统所涉及到的基本技术和方法。整个课题的技术路线如下： ( 1 ) 搜集相关技术和资料，建立海底管道系统虚拟安全系统的基本构 架；( 2 ) 海底管道环境载荷建模：针对海底管道环境载荷( 波浪、海流等) 的特点，建立能够充分描述各种载荷特点的海底管道环境载荷场的数学 模型。( 3 ) 海底管道系统数字化建模：融合数据库及地理信息技术，进行 数据模型和数据标准化建设研究，开发海底管道的综合信息数据库，为 管道结构的数字化建模提供基础平台。“) 海底管道系统安全分析和仿 真：以安全分析理论为基础，将结构安全评估理论与计算机技术相结 合，对海底管道模型在环境载荷作用下的安全性进行评估和预测。这部 分内容是海底管道结构分析领域各种理论和方法的一体化集成。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 2 1 目标系统概述 所构建的海底管道虚拟安全系统是一个借助于数据库、地理信息和 多媒体等计算机技术，建立在高度集成化基础上的、脱离了监控硬件和 采集设备、以数据更新为驱动，以实现海底管道安全分析和仿真技术为 目的的应用软件系统。 海底管道虚拟安全系统所提出的“虚拟安全”与通常意义上的“虚拟 安全”有所不同。通常所说的虚拟安全，是通过运用现代虚拟技术，模 拟现实安全，进而实现新的安全【3 9 1 。在海底管道虚拟安全系统中，“虚 拟安全”的重点不在于建立视景仿真系统和模拟真实环境状况，而在于 将描述海底管道的大量信息进行集中存储、数字建模和安全分析。海底 管道虚拟安全系统也不同于数字化安全系统，数字化安全系统需要大量 的现场监控和信息采集设备作为数据来源，虚拟安全系统则是以数据驱 动的、脱离了监控设备的独立仿真系统。对于海底管道这种只能进行有 计划、间断式检测的运输系统来说，大力发展实时监控技术显然得不偿 失，虚拟系统无疑是替代数字化系统的最佳方案。从某种意义上说，虚 拟系统又是数字化系统的纯软件缩影，而当无线传输技术达到一定程度 时，虚拟系统将会是数字化系统高度集成的最终表现形式。 海底管道虚拟安全系统融合了现代化的信息管理与计算机仿真技 术。但信息管理绝不是仅仅针对管道设备本身而言，还包括了其所处的 环境信息，因此与地理信息系统相结合是一个必然。地理信息数据量大 而复杂，开发一个能够同时容纳管线属性数据和空间数据的数据库并在 此数据库基础上对海底管道进行安全仿真分析是本文的研究核心所在。 2 2 目标系统的技术组成 2 2 1 信息标准化技术 数据库技术和地理信息技术的快速发展使管道行业的信息管理技术 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 也取得了长足进步，但是各个研究者或单位基本上都是各自为战，所采 用的信息描述方法杂乱无章，同词不同意、同意不同词的现象普遍存在 4 0 1 。建立高度统一的数据描述体系和信息编码方案是构建行业数据库的 基础任务。海底管道的信息化目前还刚刚起步，为了避免上述情况，更 应该在发展伊始就建立起统一的数据描述规则和信息标准化体制。 海底管道虚拟安全系统的信息标准化技术包括数据元的标准化、元 数据的标准化和信息分类编码三部分内容。数据元( d a t ae l e m e n t s ) 是最 小的不可再分的信息单位，用来统称一类数据；元数据( m e t a d a t a ) 是描 述数据的数据，用以标明数据的意义及相关环境；信息分类编码 ( i n f o r m a t i o nc l a s s i f y i n ga n dc o d i n g ) 贝| j 是把信息按一定的原则或方法进行 区分和归类，是信息标准中的基础标准。信息标准化的三部分内容相辅 相成、缺一不可，同时规定且统一了数据元、定义了元数据、制定了信 息分类编码的信息标准化建设方案才能为进一步的数据更新、信息交 互、数据共享提供标准和依据。 2 2 2 数据库技术 从手工管理到文件管理，再到数据库管理，数据管理技术经历了质 的飞跃。从层次数据库、网状数据库到关系数据库，再到面向对象数据 库，数据库技术也经历了颠覆式的改变。对于信息高度集成的海底管道 虚拟安全系统，数据库的规划和建设是最为重要的基础工作之一。 数据以及数据的组织和存储是数据库技术的主题。关系数据库的规 范化理论、数据库完整性、数据库的事务处理、数据索引技术和查询优 化处理是当前数据库技术发展的主要理论成果1 4 ”。这些理论成果所解决 的主要问题就是数据及数据的组织和存储。 关系数据库技术在现阶段内还可以解决大部分不很复杂的问题，但 是现代应用数据的多维性、易变性、多态性等特点决定了关系数据库技 术终将落伍 4 2 1 。新的应用要求数据库能够处理复杂性更高的数据( 例如 与时问有关的属性等) ，还要求数据库能够表达更多、更复杂甚至是非 显式的联系。作为各种新应用的集中体现，海底管道虚拟安全系统的不 断发展和深入开发要求数据库具备灵活而强有力的数据建模能力、主动 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 能力、存储能力、应用处理能力、时态处理能力，能够提供新的更高效 的查询机制、统一的数据共享标准、先进的用户接口等。 2 2 3 海底管道安全评估技术 构建海底管道虚拟安全系统的主要目的是对海底管道的安全问题进 行仿真和分析，最终实现虚拟化评估与管理。因此，海底管道的安全评 估技术是目标系统的核心支撑技术。 海底管道的安全评估技术包括对材料腐蚀、裂纹扩展、波流作用下 的失稳、管跨或立管振动、疲劳、系统在各种因素下的综合失效风险及 贯穿海底管道安全主线的完整性的评估等。对海底管道腐蚀的安全评估 包括确定性评估和可靠性评估。确定性评估目前已经形成三种比较成熟 的方法， 1 p b 3 1 g 准则、改进的b 3 l g 准则和弹性极限法；可靠性评估则 分别建立了基于强度、工作压力和腐蚀缺陷长度的可靠性模型。压力波 动和管跨振动是管道疲劳的主要原因，s - n 曲线法和断裂力学方法是海 底管道疲劳分析的最常用方法。管道结构缺陷的断裂评估根据所采用的 失效准则的不同可以分为k 准则、c o d 准则和j 准则及失效评定图( f a d ) 技术等三种方法。稳定性评估包括静力评估、半经验综合评估和有限元 动态评估三种方法。管跨振动评估主要采用数值仿真的方法。海底管道 系统风险分析主要有分段评分法和针对具体风险的概率评价方法。结构 完整性评定方法则融合以上各种评估技术形成了一个技术体系，并补充 以塑性评定、材料退化评定、冲击动载、极限载荷分析、微观断裂分 析、无损检测技术等内容。 以上方法都对研究对象进行了适当的简化，但随着管道技术的发展 和安全评估标准的提高，这些方法都需要在理论基础、评估准则和数值 仿真模型上，特别是在腐蚀和裂纹的发展规律、裸置管道与波流的相互 作用、埋设管道与波浪和土壤的作用、海流作用下的水动力载荷模型、 波流共同作用下管跨的振动规律、管土耦合作用、管跨非线性振动，随 机振动、管跨横向与同向振动的耦合、波流作用下立管的振动仿真模 型、系统风险精确定量分析、系统危险源辨识与安全预警技术、管道灾 害预测( 地震、风暴等) 、r b i 、检修优化与决策及运行优化等方面做出 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 持续研究和改进， 2 2 4 系统集成技术 要发挥海底管道虚拟安全系统高效、快捷的特点，必须开发出方便 实用的应用系统和结构化、规范化的数据库，并将二者统一规划、有机 结合、分步实施、高度集成。海底管道虚拟安全系统集成是指根据具体 应用的需要，将硬件平台、系统软件、工具软件及所开发的应用软件等 组织成能够满足海底管道安全分析、仿真、完整性管理功能、具有优良 性能的计算机系统的全过程。系统集成技术要求在数据库和应用软件系 统之间架起一道高速传输数据和信息的桥梁，针对应用目标提供一个完 整的解决方案。系统集成的目标是体现系统的内在联系，保证一致性与 协调性，同时注重系统内各个子系统和子模块的独立性、完整性和统 性，具有统一的开发平台、数据操作模式、数据文件格式及一致的代码 和界面方案 4 3 1 。目标系统集成实施的具体步骤包括：方案设计、产品优 选、网络设计、软件平台配置、应用软件开发等。 2 3 目标系统的数据要求 2 3 1 数据源 目标系统的数据源分为一次数据和二次数据两种 4 3 1 。一次数据经过 解译、编辑和处理后，就变成二次数据。基础制图数据、自然资源数 据、数字高程数据等大多数地球空间数据以及海底管道无损检测数据都 属于二次数据。 如前所述，海底管道虚安全系统是区别于s c a d a 系统的、完全脱 离了工业现场传感设备的计算机软件系统。但是脱离并不意味着独立， 海底管道虚拟安全系统仍然需要以勘查、检测数据作为数据源，所不同 的是只需要定期或者根据需要对系统数据库进行更新。海底管道虚拟安 全系统涉及的大量数据分散于各相关单位中，来自于不同单位的不同数 据有着不同的格式和规范。从数据形式上，系统的数据来源主要包括图 纸、表格、文字文件、数字地图、电子文档等。从数据类别上，系统的 数据源主要有勘察和测量数据、设计数据、施工数据、检测与监测数 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 据、维修与规划数据等。 某种意义上，数据更新是保持数据实时性的关键。一方面，要通过 数据更新机制不断获得最新数据，并对数据库进行更新维护；另一方 面，还要能够保存历史数据，以便在必要时恢复出过去任一时刻的全部 或部分数据，并能进行历史查询和数据对比等操作。数据更新相当于为 系统输入新鲜“血液”，是虚拟安全系统发挥功用的前提和保证。缺乏数 据更新的数据库及应用系统难以及时、准确地反映海底管道的生存状 态，与普通的应用软件无异。 2 3 - 2 数据流 系统的数据流如图2 1 所示。来自于各个生产和管理单位的大量数 据具备不同的格式，在入库之前需要用人工方法或数字扫描设备作数字 化处理。数据从数据库流出时采用临时数据表形式，信息管理程序和应 用软件系统通过数据提取模型发送数据请求，数据操作完毕后临时数据 表自行删除，以免增加系统内存开支。需要时，由应用软件系统计算产 生的二次数据直接入库。 图2 1 目标系统的数据流图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 2 4 目标系统的功能模块 如前所述，稳定性、管跨振动、系统风险是海底管道结构系统面临 的主要威胁，因此，所设计的海底管道虚拟安全系统把解决上述问题作 为主要目的。当然，信息管理和地理信息显示也是必要的功能。针对当 前研究较多的海底管道安全问题，海底管道虚拟安全系统主要包括数据 库管理模块、地理信息模块、稳定性分析模块、管跨振动有限元仿真模 块、系统风险分析模块和完整性管理模块六个模块，如图2 2 所示。 ( 1 ) 数据库管理模块 ， 数据库管理模块用以完成数据检索、删除、修改、更新等数据操 作，实现用户权限管理、数据库安全等功能。 ( 2 ) 地理信息模块 地理信息模块用于对海底管线及相关设施的地理位置和环境进行多 比例尺地图显示、管道设备可视查询、管线系统风险示意、空间目标快 速定位、制图及空间分析等。海底管道地理信息分为管线地理和基础地 理两类。每种地理信息都由不同的地理对象层组成，各地理对象层可以 单独显示，也可以叠加显示。 ( 3 ) 稳定性分析模块 稳定性分析模块可根据分析精度要求对海底管道在不同土壤条件、 不同波流环境下的稳定性进行定性和定量分析，也可对波浪作用下埋地 管道动态响应进行模拟。 ( 4 1 管跨振动有限元仿真模块 对海底管跨在海流作用下的涡激振动进行有限元仿真，实现管跨结 构的模态分析、静力分析、动力分析和疲劳分析。 ( 5 ) 系统风险分析模块 海底管道系统风险分析模块能够建立不同的失效后果模型，对单因 素失效风险及综合失效风险分别进行风险程度分段和相对风险评估 ( 6 ) 完整性管理模块 完整性管理模块包括事故统计与分析、检测数据处理和分析、检修 规划和决策、基于统计技术或实时仿真技术的安全预警、基于检测数据 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 的完整性评估等功能。 图2 - 2 目标系统的功能结构 2 5 目标系统的概念模型 图2 3 是海底管道虚拟安全系统的概念模型。该模型可划分为三个 层次，自下而上分别是数据层、知识层和应用层。数据层以需求分析和 功能分析为基础，以数据模型设计和数据库管理为核心技术，对所需要 的大量空间信息和属性信息迸行收集、分类、整理、建模、入库和管 理。知识层主要包括海底管道结构安全分析技术、计算机编程技术、信 息技术、图形开发技术等。开发海底管道结构安全分析专业应用模型、 数据库信息提取模型和进行图形化开发是知识层所要解决的主要问题。 应用层由系统各相关应用软件组成。应用软件采用模块化开发方式，通 过数据提取模型与数据库进行信息交流，因此，结构化的输入输出是开 发各应用系统所必需遵循的原则。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 图2 3 目标系统的概念模型 2 6 目标系统的开发过程 海底管道虚拟安全系统的开发过程设计如图2 4 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 图2 4 目标系统的开发过程 系统的开发过程分为三条主线或三个阶段，即数据库开发主线、专 业应用模块开发主线、系统开发和集成主线，数据库设计阶段、专业模 块开发阶段、系统集成阶段。 数据库开发主线包括需求分析、数据模型设计、数据收集、数据库 构建、数据库管理系统开发等内容。需求分析主要包括数据分析和功能 分析。数据模型设计要求明确实体、关系、索引等数据库要素的类别和 联系、数据标准化的构建等。由于目标数据的复杂性、综合性，数据收 集工作需要花费大量的时间和精力对原始信息进行分类、整理和处理。 数据库的构建同样需要大量的时间，数据入库和检查是其主要工作。作 为数据库的管理核心，数据库管理系统包括数据库安全、数据存取、查 询、更新等管理功能。 专业应用模块开发主线需要对地理信息技术、海底管道结构安全可 靠性评估、风险分析、完整性管理等技术作综合整理和深入研究，并在 已建立的数据库基础上构建数据提取模型，以专题数据库、临时数据表 或包含了元数据信息的数据集的形式为专业应用系统提供数据层支持。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章海底管道虚拟安全系统构架研究 系统开发和集成主线是要求在必要的计算机硬件支持下，合理选择 开发语言和开发工具，将上述各专业模型程式化、模块化，并与数据库 系统有机集成，形成目标系统。在目标系统的开发过程中采用c c + 十和 s q l 开发语言，以可视化开发环境b o r l a n dc + + b u i l d e r 和o p e n g l 图形开 发技术以及e s r a r cg i s 软件的免费c o m 组件m a p o b j e e t 作为选定的开 发工具。在系统集成之后需要对系统进行调试，最终形成可发布的海底 管道虚拟安全系统。 i s 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章海底管道虚拟安全系统数据标准化建设 第3 章海底管道虚拟安全系统数据标准化建设 3 1 数据标准化 3 1 1 数据标准化建设的问题 个完善的数据库不能仅满足于数据内部操作的通畅和无误，还应 该具有良好的交互性和较高的共享程度m 。但是，目前各个行业之间甚 至是同行业不同企业或单位的信息化建设都存在“信息孤岛”现象，即在 数据库的建设过程中缺乏交流，对于数据的命名、定义等工作缺乏统一 规范，致使同物不同名、同名不同义现象普遍存在。数据库作为信息化 建设的主要手段，在其规范化操作中存在的主要问题如下： ( 1 ) 名称冲突：同义异名现象的存在，不同系统之间的数据转换要设 计不同的接口，来解决应用集成； ( 2 ) 值域冲突：同一数据库内数据的取值范围以及度量单位不统一， 影响了数据库的运行质量和效率； ( 3 ) 分类不统一：不同专业和应用之间由于出发点不同，对同一类信 息有不同的分类： ( 4 ) 大量不规范的派生数据：因为统计分析或工作计划的需要，对同 一个对象作各类统计，并由此派生了大