（石油与天然气工程专业论文）石油储运信息化系统的研究.pdf

中文摘要 搽蓁油蓁雾整 硕士生：史楠( 签名) 佥丛型 指导教师：李琪( 签名) z 鬟缎 摘要 当前石油储运信息化系统的管理中，信息检索和查询的手段落后，缺乏实时刷新手 段，缺乏图形数据与属性数据的有机耦联，缺乏将管网视图与管网运行参数实时监测、 系统模拟和仿真等有机结合的方法，同时管网视图与地理信息难以协调统一。这些问题 严重制约着石油储运信息化系统发展，导致石油储运信息化系统管理水平低下，难以适 应日益严峻的国际竞争。针对石油储运信息化系统管理现状和数字油田建设的需要，结 合g i s 技术、数据库技术、工程优化技术和软件工程，系统开展石油储运信息化系统管 理及应用研究具有非常重要的意义。 本文对石油储运信息化系统所包含的各种设施、设备、元器件及系统工艺流程进行 分类整理，并按照g i s 系统的要求对各种数据进行有效组织，建立了满足用户需求、适 合模块化开发的系统数据库。本文在系统理论研究的基础上，采用模块化和工作平台软 件工程设计思想，通过需求分析、概要设计、详细设计、编程调试和模块功能单元应用 测试及综合应用测试各环节，进行了石油储运信息化工程系统信息管理软件的开发。软 件初步实现储运信息化系统与地理信息有机关联及布局优化和图形化，将海量数据信息 可视化，且方便、迅速、精确地实现石油储运信息化建设空间信息和属性信息的存储、 查询、分析、输出等功能。软件的最终成功研制，将弥补了手工绘图或计算机绘图不能 有效地组织信息、管理信息和应用信息的不足，提高石油储运信息化系统的综合管理水 平。 关键词：石油储运、地理信息系统、信息管理、数据模型、优化设计 论文类型： 英文摘要 s u b j e c t ：t h es t u d yo ni n f o r m a i z t i o no fp e t r o l e u ms t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n 印n a 曲m e ? 2s h 伽in 蚰a n ( s 勰i g n h a t u 黜血 ： 哟q 趁巡p l n s t r u c t o r ：l iq i ( s i g n a t u 嗡1 4 耻 a b s u a c t i n t h ec u r r e n t l ym a n a g e m e n to f o i lf i e l dg r o u n ds y s t e mi nc h 缸t h em c a s t l 化o f s e a r c h i n g o rq u e r y i n gi n f o r m a t i o ng e t sl a g ，t h er e a lt i m er e f r e s hi n f o r m a t i o ni sah a r dt h i n g ，t h eg r a p h i c s d a t aa n dt h ea t t r i b u t ed a t as e p a r a t ee a c ho t h e r , t h ep i p e l i n en e t w o r kv i e wa n dt h ef u n c t i o na l e s h o r to ft h er e a lt i m ei n s p e c t i o no ft h ep i p e l i n en e t w o r ka n ds y s t e ms i m u l a t i o nc a n tb e i n t e g r a t e dw e l l ，a n di t i sh a r dt ou n i t et h ep i p e l i n en e t w o r ka n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n h a r m o n i o u s l y t h e s ep r o b l e m sr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to ft h eg r o u n ds y s t e mi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ti no i lf i e l d , l e a d t ot h el o w e rm a n a g e m e n tl e v e lo ft h eg r o u n ds y s t e m m a n a g e m e n ti no i l f i e l da n dn - l a k ei td i f f i c u l tt oa d a p tt h ei n c r e a s i n g l yi n t e r n a t i o n a l c o m p e t i t i o n a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h eg r o u n ds y s t e mi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t o fo i lf i e l da n dt h en e e do fd i g 眦o i lf i e l dc o n s t r u c t i o n , i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pt h e g r o u n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma n dc a r r yo ni t sr e s e a r c ha p p l i c a t i o n ，w h i c hw i l l m a k eu s eo ft h eg i st e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo ft h ed a t a b a s e 。t h ep r o j e c to p t i m a l w i m o l o g y , t h es o f tp r o j e c tt e c h n o l o g ya n ds o t h ep a p e rc l a s s i f i e da n dc o o r d i n a t e da l ls o r t so ft h ee s t a b l i s h m e n t , e q u i p m e n t , e l e m e n t a n dt h es y s t e mt e c h n i c a lp r o c e s s ，s e tu pt h es y s t e md a t a b a s e ，w h i c hc a nm e e tt h en e e do ft h e u s e ra n da d a p tt ot h em o d u l a r i z a t i o nd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h et h e o r yr e s e a r c ha n d r e f e r r i n gt o ”s o f tp r o j e c t c r i t e r i o no ft h ep e t r o l e u mi n d u s t r y ”w eh a v ed e v e l o p e d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r eo ft h eg r o u n ds y s t e mi no i lf i e l d t h ed e v e l o p i n go ft h e s o a r ef o l l o w e dw i t ht h ed e s i g ni d e ao f m o d u l a r i z a t i o na n ds o f tp r o j e c ta n di n c l u d e ds e v e r a l s t e p ss u c ha sr e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，g e n e r a ld e s i g n , p a r t i c u l a rd e s i g n , s o f td e b u g g i n g , m o d u l e t e s t i n g ，s y n t h e s i st e s t i n ga n ds o f o r t h t h es o f tr e a l i z e d s p a c ed a t av i s u a l i z a t i o n , t h e c o m b i n a t i o no f t h eg r a p h i c sd a t aa n da t t r i b u t ed a t a , l a y o u to p t i m i z a t i o n , e t c 1 1 坞s o f tp r o v i d e d al o to f f i m c t i o n st ot h eu s e r s u c ha ss a v i n g , q u e r y i n g , a n a l y z i n g , e x p o r t i n gs p a c ei n f o r m a t i o n a n da t t r i b u t ei n f o r m a t i o no ft h eg r o u n ds y s t e mi no i l 舶l d e t o 硼坞s o f tw i l lf e t c h e du pt h e o b j e c t i o no fh a n d w o r kd r a w i n ga n dc o m p u t e rd r a w i n g ，w h i c hc a n to r g a n i z e ，m a n a g ea n du s e i n f o r m a t i o ne f f i c i e n t l y , a n dg r e a t l yi n c r e a s et h em a n a g e m e n tl e v e lo f t h eg r o u n ds y s t e mi no i l f i e l d k e yw o r d s ： g e o h i ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，d a t am o d e l ， o p t i m a ld e s i g n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y h i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期： 学位论文使用授权的说明 码! i 巴：西 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名a 觌、d ；0 巧 导师签名：垄丝 日期：盘生 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 油气田储运是多专业配合形成的庞大的系统工程，是继油藏勘探、石油开发、采油 工程之后的很重要的生产阶段。如果说油藏勘探是寻找原料，石油开发和采油工程是提 供原料，那么石油储运工程则是把分散的原料集中、处理使之成为石油产品的过程。这 一过程从油井井口开始，将油井生产出来的原油、伴生天然气和其他产品，在油田上进 行集中、输送和必要的处理、初加工，将合格的原油送往长距离输油管线首站外输，或 者送往矿场油库经其它运输方式送到炼油厂或转运码头。合格的天然气则集中到输气管 线首站，再送往石油化工厂、液化气厂或其他用户。这就决定了储运工程系统种类繁多、 系统庞大的特点，而且随着开发时间的增加，储运工程系统的不断改造和人员的变动， 给储运工程系统的管理、调度及系统的改造等工作带来极大的不便。主要问题体现在以 下几个方面： ( 1 ) 油气水管网系统管理落后，无法适应当前油田不断发展的需要。针对现代油田实 际及国际石油工业现状，利用信息系统技术，实施油气水管网信息综合管理是迎接市场 挑战，是每一个石油储运工作者的一项面向未来的有重大意义的事业册。 ( 2 ) 管网系统的信息变化缺乏实时刷新的手段。油田的管网随着油田开发期的增加， 管网系统必将发生变化，如何实时记录这些变化，目前没有一套成熟的方法，随着时间 的推移，这些变化越来越多，给后续管网系统的施工、作业及规划设计等留下大量隐患 【埘。 ( 3 ) 管网系统信息检索和查询手段落后。目前，国内绝大多数油田信息的检索及查询 基本上借助于手工，费时费工，数据更新慢，更不用说分析设施与其它地理要素的联系， 因此，难以适应油田管网建设的需要。 ( 4 ) 缺乏油田管网系统的图形与属性信息有机耦联的信息系统。现有管网系统的图形 在计算机上很难和管网的固有属性参数、运行参数、地理信息等有机结合，无法在管网 视图的基础上进行深入管理 5 1 。 ( 5 ) 缺乏将管网的视图与管网运行参数实时监测、系统模拟和仿真等有机结合的方法 和手段。目前油田管网系统参数的监测及系统模拟和仿真等工作基本上是独立开展，没 有行之有效的结合手段，更谈不上形象直观地显示和模拟管网运行参数，难以与管网有 机结合。 以上几方面的问题，严重制约着石油储运工程系统管理的自动化水平。随着石油储 西安石油大学硕士学位论文 运工程系统管理信息量急剧增加，处理与传递信息的速度加快，处理信息的方法更为复 杂，对管理手段的要求越来越高，规划与管理石油储运工程系统的方法必须发生根本的 变化。面对有限的空间资源，如何使之产生最大的效益，是油田规划管理面临的共同课 题。而g i s ( g e o g r a p h i ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统在信息整合以及空间数据可视化等方面所 表现出来的强大能力正使其成为一种全新的管理平台，应用于国民经济的各个领域。在 这种情况下，把g i s 技术、数据库技术和石油储运工程系统的特点相结合，实施石油储 运工程系统信息的综合管理，具有十分重大的意义。 本文研究的石油储运工程系统主要涵盖从井口到联合站的工艺流程，包括设备及元 器件可视化管理、基础数据维护、最佳检修路径分析、管网控制模拟和管网布局优化等 内容，这是整个石油储运工程系统的主要内容，也是油田现场管理的核心，而联合站外 输的工艺部分则需要在后续的研究中加以完善。 1 2 本文研究主要内容 针对石油储运工程系统管理中存在的问题，结合数字石油建设的需要，以及g i s 技 术和数据库技术的发展，本文开展了石油储运信息管理系统的研究，重点放在储运工程 系统设备及元器件的可视化管理及相关的应用研究，目的在于解决石油储运工程系统管 理中存在的问题，提升油田的综合管理水平，提高油田的竞争力。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 对石油储运工程系统的各种数据进行分类整理，建立其数学模型，进行有效的组 织，并在此基础上建立系统数据库。 ( 2 ) 通过对a u t o c a dm a p 的二次开发，实现了图形数据和属性数据的关联，进而构 建了g i s 的基本功能模块。 ( 3 ) 在g i s 的基础上进行了相关的应用研究，包括三个方面的内容：最佳抢修路径的 确定：管网模拟控制；管网布局优化。 通过石油储运信息系统的开发，用户可快速、方便地把石油储运工程系统的空间数 据和属性数据输入计算机，自动生成现有储运工程系统流程图并通过软件模拟现场实际 操作；自动分类统计储运工程系统管线及元器件的各种信息；查询管线、元器件、装备 等的属性信息；方便的输出有关数据和图形资料；在储运工程系统既有数据的基础上， 还可以通过后续的开发手段实现系统优化、辅助决策等功能。石油储运信息系统的建成， 将使储运工程的管理工作手段及工作效率产生了一个质的飞跃，使规划设计人员摆脱用 彩笔与大图纸和手工计算的工作现状，缩短工作周期，提高规划和管理的准确性、科学 2 第一章绪论 性。该系统不仅为油田各部门提供可共享的石油储运工程系统现状数据、统计分析数据， 而且为油田的技术、管理人员提供迅速可靠的信息浏览及查询等服务。为生产指挥调度 和管理决策提供科学依据，从而提高油田的经营竞争能力和经济效益。 1 3 石油储运工程系统信息管理研究现状 1 3 1 g i s 概述 g i s 技术是六十年代起源于北美的一门分析和处理海量地理数据信息的新兴学科。 它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空问的和动态的 地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。g i s 把地理位置和相关属性 有机结合起来，根据实际需要准确真实、图文并茂地输出给用户，满足城市建设、居民 生活对空间信息的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种分析、管 理和决策。 自从1 9 6 2 年r o g e rf t o m l i n s o n 首先提出g i s 概念，并建设了国际上第一个具有实 用价值的g i s 以来，g i s 技术得到了蓬勃发展。8 0 年代，随着计算机技术突飞猛进的发 展，加上社会的迫切需要和经验与教训的积累，g i s 在土地与房产管理、资源调查、环 境保护、市政建设与管理、区域与国家的宏观分析与调控等方面取得了显著成绩【4 】。 依照其应用领域，地理信息系统可分为土地信息系统、资源管理信息系统、地学信 息系统等；根据其使用的数据模型，可分为矢量、栅格和混合型信息系统：根据使用对 象，可分为专题g i s 和区域g i s 。专题g i s 是具有目标和专业特点的地理信息系统，如 森林动态监测系统、电力g i s 等。区域g i s 主要以区域综合研究为目标，分为不同的规 模，如国家级、省级、市级和县级等，为不同级别行政区服务的系统。中国虽然从8 0 年代初才开始研究资源与环境信息系统，但近年来g i s 建设以应用为导向，已建立或初 步建立了g i s 及其专题数据库1 9 。 我国g i s 的发展虽然较晚，但其重要性引起了政府部门的高度重视，己在许多部门 和领域得到应用。g i s 在我国的发展经历了四个阶段，即起步( ( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) ，准备 ( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) 、发展( 1 9 8 5 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 以后) 阶段。8 0 年代初开始，我国地理信息 系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初 步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地 理信息系统的研究和应用奠定了基础。自9 0 年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。 我国开始实施地理信息系统、遥感、遥测联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用 3 西安石油人学硕十：学仲论文 化、集成化和工程化，努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件系统的实用化以 及遥感、遥测和地理信息系统技术一体化。 图i 1g i s 卫星实拍 图1 2 g 1 s 卫星实拍 4 第一章绪论 1 3 2g i s 的基本功能 由于地理信息系统发展的多源性，其功能具有可扩充性及应用的广泛性。对于不同 的应用领域和开发平台，g i s 的实际应用功能也不尽相同，但其基本功能有着相同的特 征，现将其归纳如下： ( 1 ) 数据采集、检验与编辑 主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性( a p 所谓的无隙数据库，s e a m l e s sd a t a b a s e ) 、数据值逻辑一致、无错等。数据采集是g i s 系 统建立的第一个环节，是获取完备海量数据的关键。目前可用于地理信息系统数据采集 的方法和技术很多，如野外数字化采集、扫描数字化等，应根据系统规划方案和设备实 际情况进行选择1 3 1 。 ( 2 ) 数据规范化 初始采集的各种数据具有不同的类型和数据结构，应按系统的要求对多种结构的数 据进行规范化处理。数据规范的主要内容是进行数据格式转化和数据比例尺的变换。数 据比例尺的变换涉及到数据比例尺缩放、平移、旋转等方面。 ( 3 ) 数据的组织 数据的组织是一个数据集成的过程，也是建立地理信息系统的关键步骤，涉及到空 闻数据和属性数据的组织。橱格模型、矢量模型或栅格，矢量混合模型是常用的空间数据 组织方法。属性数据的组织方式有层次结构、网络结构与关系数据库管理系统等，其中 关系数据库系统是目前应用最广泛的数据库系统。 ( 4 ) 数据可视化 数据可视化的目的是将各种空间和属性数据以报告、表格、地图等形式反馈给用户， 供其进行处理和应用。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境， 以供地理信息系统的使用者设计和制作出具有高品质的地图。 ( 5 ) 数据的查询、检索、统计和计算 数据的查询、统计和计算功能是地理信息系统最基本的功能，体现着用户对系统的 最基本需求。 ( 6 ) 空间分析 空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统和其它管理系统的根本区 别。其中的模型分析是指在地理信息系统的支持下，分析和解决问题的方法体现，它是 地理信息系统应用深化的重要标志【l l 】。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 3g i s 的优越性 尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情 况。一是利用g i s 系统来处理用户的数据：二是在g i s 的基础上，利用它的开发函数库 二次开发出用户专用的地理信息系统软件。与传统的方法相比，应用地理信息系统完成 各项任务显示了许多优越性，可概括如下【4 】： ( 1 ) 允许存储多种性质的数据，包括图形的、影像的、调查统计等等。同时易于读取、 确保安全。 ( 2 ) 允许使用数学、逻辑方法，借助于计算机指令编写各种程序，易于实现各种分析 处理，系统具有判断能力和辅助决策能力。 ( 3 ) 提供了多种造型能力，例如覆盖分析、网络分析、地形分析，可以用来进行土地 评价、土壤侵蚀估计、土地合理利用规划等模式研究，以及用来编制各种专题图、综合 图等等。 ( 4 ) 数据库可以得到及时更新，确保现时性。用户在使用时具有安全感，保证不读漏 数据，处理结果令人信服。 ( 5 ) 易于改变比例尺和地图投影，易于进行坐标变换、平移或旋转、地图接边、制表 和绘图等工作。 ( 6 ) 减少了数据处理和图形化成本。在短时间内，可以反复检验结果，开展多种方案 的比较，从而可以减少错误，确保质量。 通过实际分析可以确定管网的最佳检修路径如图1 3 6 第一章绪论 p s ：黄线为石油管线；红线为直线屉短路径；蓝线为最佳检修路径 图1 3 根据实际情况确立检修路径 由图1 3 我们可以看到根据出发点与故障点之间的具体地理及道路情况，我们可以 在最短的时间内选择最佳的检修路径从而大大提高了检修效率，为石油储运提供了有力 的保障。 1 3 4g i s 在石油储运工程系统中的应用现状 随着香港数码港、数字北京、数字广州等项目的实施，数字城市作为国家信息化新 的热点，建设浪潮席卷全国。g i s 系统以其强大的数据整合和数据表现能力在各行各业 得到了越来越广泛的应用。相对于g i s 系统在其他行业的应用而言，其在石油行业的应 用还处在初级阶段。实际开发过程中往律足针对石油行业的某一特定领域进行专项研究， 如“油藏管理g i s 系统”、“石油勘探g 1 s 系统”、“油气田开发g i s 系统”等等。在石油 储运工程系统管理方面，g i s 系统的应用也处于起步阶段，但相关研究正如火如茶的开 展。大庆油田在g i s 系统的研究和应用方面走在各油田前列，1 9 9 6 年就开始对g i s 系统 在油田中的应用课题进行研究，并于1 9 9 9 年开发出具有油田特色的“大庆油田储运建设 信息系统”。其它油田也非常重视g i s 系统的推广应用，胜利石油管理局的有关领导及 西安石油大学硕士学位论文 技术人员经过多方调研、考察及反复论证后，于近期确定了以a r c i n f o 系列软件为核 心的“胜利油田储运建设信息系统”的建设及应用方案。塔里木油田正在进行“数字油 田”课题的攻关，工作的重点就放在g i s 系统建设和相关数据库的开发方面。其计划开 发的g i s 系统包括基础地理g i s 系统、储运建设g i s 系统、勘探开发可视化系统三个部 分，与油田现有的g i s 系统相比，内容更丰富，功能更齐全。中原油田天然气产销厂委 托陕西煤航地理信息有限公司研制开发的石油及天然气管网信息系统。该系统采用g i s 组件技术将地理信息、生产信息、动态监测信息、多媒体信息等融为一体，实现了地下 储运化、藏量可视化的管理模式，为“数字油田”的建设奠定了基础。 可以看出，g i s 系统的开发和应用是石油信息化管理的研究方向，是数字化石油的 核心内容。建立与油田现场情况相适应的g i s 系统将大大提高石油信息的管理水平，提 升油田的综合实力，增强在国际石油市场的竞争力，对油田的可持续发展具有十分重要 的意义例。 8 第二章石油储运工程系统数据建模和数据组织 第二章石油储运工程系统数据建模和数据组织 从绪论的分析可以看出，石油储运信息系统是从石油储运工程系统管理的实际情况 出发，把相关设备的空间和属性数据与油田的地形特征相结合构成的g i s 系统，详实的 数据和合理的数据组织方法是g i s 系统高效运行的重要保证。本章主要通过对石油储运 工程系统内各种对象及其相互关系的分析，结合管理中存在的问题及储运工程系统信息 管理的发展趋势，开展石油储运工程系统g i s 表达与操作的数据组织方法的研究，为石 油储运工程系统信息管理奠定坚实的基础。 2 1 石油储运工程系统数据特点 在石油储运建设工程中，由于数十年的工作积累，致使石油开发储运工程系统信息 管理数据库具有与城市地理信息系统或其他小型地域范围的地理信息系统非常明显的区 别，主要表现在：地域广阔，覆盖面积大；专业多，专业之间时有交叉；大量的 不同类别的图形数据：有的是具有大地坐标的地理图，有的是具有独立坐标系的平面布 置图，有的是不具有坐标的工艺流程图、结构设计图，有的具有特征链接，有的不具有 特征链接，有的是矢量图形，有的是黑白栅格图，有的是彩色影象图等等；海量且具 辑多种类型的属性数据：有的是直接与图形要素关联，有的间接与图形特征有关，有的 只与其它数据逻辑相关等等。而且，静态数据、生产动态数据、设备数据之间还存在着 各种复杂的逻辑关系；多种类别的统计数据和档案数据。如：现状数据、规划数据、 设计方案( 设计图形、文档说明、工程量表等) 、审批文件等等。 因此，如何包容如此海量的数据，如何建立严密的数据结构，如何有效安全地组织 数据是石油储运建设信息系统首先要解决的关键问题【”】。 2 2 数据建模及其实现过程 数据建模( d a t am o d e l i n g ) 是把现实世界的数据组织为有用且能够反映真实信息的数 据集的过程，它在空间数据库中扮演了重要角色。由于空间数据库中所表现的世界( 包含 大量记录空间实体的位置、拓扑关系等地理数据) 并非计算机学科数据库那样由一系列逻 辑单元所组成，因此，在空间数据库建立过程中必须运用抽象、概括、逼近等手段。 计算机信息系统或数据库领域中的处理对象主要是专题数字信息，其中数据模型与 数据结构的概念是一一对应的。但是在g i s 领域中由于g i s 建模不但涉及语义模型，更 主要的是还涉及纷繁复杂的空间信息的建模：空间信息建模即使选定一种空间数据模型， 9 西安石油大学硕士学位论文 也可通过不同的空间数据结构来实现。因此，为了完成空间信息与语义信息的联接，还 必须选择适当的g i s 设计模型，将空间数据模型与空间数据结构分成不同的抽象阶段， 既强调空间数据模型对客观世界现象或实体的概念性特征描述，并将空间数据结构看作 空间数据模型的实现手段，又强调其在计算机中的编码、存储与表现方法【l “。 空间数据库的建立包括四个抽象层次，即： ( 1 ) 客观世界限e a l i t y ) ： ( 2 ) 空间数据模型( d a t am o d e l ) ； ( 3 ) 空间数据结构( d g t as t r u c t u r e ) ： ( 4 ) 文件结构( f i l es t r u c t u r e ) 。 客观世界是在空间数据库中待描述与处理的空间实体或现象。空间数据模型是以概 念方式对客观世界进行的抽象，是一组由相关关系联系在一起的实体集合。空间数据结 构是空间数据模型的逻辑实现，是带有结构的空间数据单元的集合，常常用一系列树、 图、表等来表达。文件结构是数据结构在计算机中的物理实现。具体抽象过程如图2 1 。 2 3g i s 数据模型的选择 图2 1 数据抽象过程图 空间数据是三维的数据结构，包括空间位置( 由某个参考坐标系确定的位置) 、相对 位置( 地理实体之间的拓扑关系) 、属性( 与几何位置无关) 。任何地理实体必须包含至少一 个属性，g i s 的分析、检索主要是通过对属性的操作来实现。在g i s 中将空间目标实体 的描述数据分为三种类型：空间特征数据、时间属性数据和专题属性数据。通常在使用 中，将时间和专题属性数据结合在一起共同作为属性特征数据，而空间特征数据和属性 数据统称为空间数据( 或地理数据) 。空间目标实体的属性特征数据常以列表或表格的方 式进行组织。一般将其视为二维表格( 属性表) ，行代表空间实体，列代表属性。 空间特征数据记录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征。实体的空间位置以 经纬度或带有局部原点的线性坐标表示。通常，人们理解空间实体的位置并不是通过实 l o 第二章石油储运工程系统数据建模和数据组织 体的坐标，而是通过这些实体与其它熟知实体的空间关系来考虑，这就需要用具体的数 据模型来表现。 在石油储运工程系统实际应用中，人们更关心如何根据实时采集的管网数据来进行 管网拓扑分析，从而了解油田管网系统运行状况，实现对油田管网运行的有效管理。由 于在管网系统中处理的大量对象都是点对象( 阀门、分离器等) 、线状对象( 管线、公路等) 和面对象( 村庄、计量站等) ，而矢量数据模型在反应网络信息方面( 如：管线、交通等) 具有独特的优势，并在表示管网线路和道路等线状地物方面具有直观性，便于进行网络 分析，为节省数据存储空间以及减少模型相互之间的转化时间，我们采用矢量模型来描 述、管理油气管网设施。 2 4 石油储运工程系统数据模型的建立 2 4 1 石油储运工程系统主要组成要素分类 石油储运工程系统是一套复杂的系统，在建立其数学模型之前，首先要把系统内的 各组成要素按功能进行归纳和分类。绪论中己经指出，本系统采用的是从整体到局部的 构建方式，因此在对各种要素进行分类的时候，同样先从整体出发，然后再细化到每一 个局部。 2 4 1 1 站的划分 石油储运系统的主要任务之一是油气集输，因此在对系统进行整体划分时应该考 虑油气集输的工艺流程。对于不同的油井，由于原油性质不同，油层条件不同，开发方 式不同，地理状况不同，集输设备不同，使得原油集输的具体流程也不尽相同，大体上 可以用图2 2 表示。 从图2 2 可以看出，原油集输工艺中，主要环节一般有二个部分： 图2 2 原油集输流程示意图 西安石油大学硕士学位论文 一譬 一 1 2 第二章石油储运工程系统数据建模和数据组织 炉；按燃烧方式可分为；负压燃烧加热炉和微正压燃烧加热炉：按加热炉在工艺过程中 的作用可分为：单井计量用加热炉、热化学沉降用加热炉、电脱水用加热炉和原油外输 加热炉。 ( 4 ) 存储设备 油罐储油是目前应用最普遍的一种储油方式。按照罐的材质，油罐可分为金属罐和 非金属罐两大类。根据形状的不同，金属罐又分为立式圆柱形、卧式圆柱形和特殊形状 三类。立式圆柱形钢油罐根据顶的结构不同又可分为固定顶油罐和活动顶油罐两类。固 定顶油罐中包括析架式锥顶罐、拱顶罐、梁柱式顶罐。活动顶油罐中又包括无力矩顶罐、 呼吸顶罐、气囊顶罐、套顶罐以及浮顶罐( 其中包括外浮顶罐和内浮顶罐) 。 ( 5 ) 分离设备 在油、气处理过程中都会使用分离设备，但两种处理方式所用的分离设备不尽相同， 原油处理过程中所用到的分离器可分为：卧式分离器、立式分离器等；天然气处理过程 中所用到的分离器可分为：立式分离器、卧式分离器、球形分离器和卧式三相分离器等， 按作用原理又可分为：重力式、离心式和混合式三种。 ( 6 ) 阀f - 阀门种类很多，且有多种分类方法，按用途分类有：截断阀、调节阀、止回阀、分 流阀、安全阀等；按压力分类有：低压阀门f p n 1 6 m p a ，p n 为公称压力，后同) 、中 压阀门( 1 6 m p a p n 6 4 m p a ) 、高压阀门( 6 4 m p a p n i o o m p a ) 、超高压阀门( p n i o o m p a ) 等；按介质的工作温度分类有：常温阀门o t 1 2 0 ，t 为工作温度，后 同) 、中温阀门( 1 2 0 t 4 5 0 ) 、高温阀f - j ( t 一4 5 0 c ) 、低温阀f - j ( - m o o c t 4 5 0 ) 、 超低温阀门( t 1 0 0 o ) 等；按操作方式分类有：手动阀门、气动阀门、液动阀门、电动 阀门等。还有一种通用的分类方法，既按工作原理和用途分，又按结构划分，是目前常 用的分类方法，一般分为：闸阀、截止阀、节流阀、球阀、蝶阀、隔膜阀、旋塞阀、止 回阀、安全阀、减压阀、疏水阀等。 2 4 1 3 线路分类 储运系统包含多个子系统，将具有网络特征的子系统分类统一管理有利于提高管理 效率，分类如下：集油管网、集气管网、注水管网、污水管网、电力网、通讯网等。 2 4 1 4 地物分类 地物是地理信息系统的组成要素，主要地物按其功能不同可分为：道路、沟渠、河 西安石油大学硕士学位论文 流、桥梁、居民区等；按其几何特征可分为：点状障碍物、线状障碍物、面状障碍物。 2 4 2 石油储运系统信息结构模型 石油储运系统的信息量庞大、资料繁多，需要有效的手段对这些资料进行整合。 石油储运系统的各种信息，如基本信息、实时数据信息、历史信息和相关的地理信 息等，可以看作是石油储运系统这个对象的一系列属性信息，它们各不相同，但又共同 围绕着石油储运系统这个对象。石油储运系统各种信息的组合可以看作是由一层一层的 属性信息层组成的信息空间。我们把石油储运系统信息空间进一步具体化，即用图层的 形式表示出来，就形成了油气管网的信息图层空间。进而，我们可以对石油储运系统信 息进行分层管理、分层维护，并且对石油储运系统信息空间实行动态组合，根据不同的 信息要求组合，形成各种各样的石油储运系统信息空间。利用这种概念可以完美地把石 油储运系统的各种信息动态集成在一起，实现信息资源共享，为提高石油储运系统管理 水平和效率奠定基础1 2 j 。 2 4 3 石油储运系统数据模型 根据上面对石油储运系统信息结构模型的分析，可以看出油气管网所联系的站井以 及配套设施都具有地理分布特性，因此必须结合g i s 数据模型来建立油气管网g i s 数据 模型，从而实现相关设施的管理和油气管网的分析计算。 石油储运系统数据一般为两种，图2 4 是g i s 数据模型，包括空间数据和属性数据 两部分。空间数据和属性数据通过标识码( d ) 实现关联空间定位数据可以表征村庄、站、 管网设备( 如阀门、分离器) 、配套设备( 如电力设备) 的位置。这些石油储运系统空间数据 由点、线、面等对象构成，由系统统一管理。 图2 4 空间数据和属性数据联系图 下面分别对采用矢量方法存储的空间数据( 点、线、面等对象) 进行描述。 ( 1 ) 点实体 1 4 第二章石油储运工程系统数据建模和数据组织 对于点实体记录其特定坐标系下的坐标和属性，可以将其空间数据和属性数据结合 起来，将点的坐标直接作为点实体的三个属性记录。图2 5 说明点实体的矢量数据结构 的组织方式，即每一个点存储的内容。 藤蜜韩 图2 5 点买体模型 图2 5 中识别码是系统排列序号；点类码说明该点的类型；x ，yz 坐标表示点的空 间坐标；根据需要和便于记录、查询，将与点相联的简单属性直接存储于点文件中。 ( 2 ) 线实体 线实体( 也称为弧段、链) 是n 个点的有序集合，这些点坐标对可以描述任何连续而 又复杂的曲线，每段线实体存储的内容如图2 6 。 图2 6 中唯一标识码是系统的排列序号：用线类码确定该线的类型：用起始结点、 终止结点的点号表示相应结点；中间点序列确定了线的形状；可包括部分简单属性( 如显 示时采用的文本或符号、线的虚实、粗细等) 。 线窭嚣 膨摔魏 图2 6 线实体模型 ( 3 ) 面实体 面实体即多边形，多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。多边形矢 量编码不仅要求能表示其空间位置和名称属性，还必须能表达区域的拓扑性质。因此， 多边形矢量编码比点实体和线实体复杂，也更为重要。图2 7 说明面实体存储的内容， 同点实体、线实体的矢量编码一样，在形成多边形的拓扑结构时，其编码存储内容应主 西安石油大学硕士学位论文 要包括有以下内容：唯一标识码；多边形标识码；外轮廓识别码有序排列等。 覆赛俅 圈2 7 面实体模型 ( 4 ) 拓扑关系的建立 石油储运系统是一个复杂多交的系统，它包含许多子系统，如油气管网系统、排水 系统、电力系统、附属信息管理系统等。而其中的很多子系统具有拓扑特性( 如道路系统、 管网系统等) ，单纯依靠属性管理并不能全面反映系统的真实情况，需要建立这些系统的 拓扑关系，以拓展系统的功能，真实全面地反映系统的状态。这就要求在记录图形的物 理空间结构外，存储相互之间的逻辑位置结构即拓扑关系。在进行最短检修路径分析， 管网控制模拟等与连通性有关的高级应用时，必须利用系统内相关线路和设备之间的拓 扑关系。下面以油气管网为例介绍拓扑关系的建立过程例。 油田管网纵横交错，呈辐射状，在油气管网g i s 中，每个相关管网设备的点、线、 面实体的属性中都包括相互之间的连接关系，形成树状的管网结构。为处理油气管网g i $ 拓扑分析，将管线的交叉点、阀门位置点定义为节点，将节点分离的管段定义为弧( 或边) ， 在弧的属性中包含起点和终点编号。这样，通过弧的起点和终点把弧和节点联系在一起， 并确定弧段的流向，从而把油田管网系统抽象成有向网络。为了实现阀门的关断控制， 节点属性中添加了节点状态项，用以判断节点的开关状态，是实现阀门控制的必须属性 川。 2 5 石油地面信息管理系统数据组织 在建好石油储运系统数据模型之后，就应设计具体的石油储运系统数据组织方式。 下面将从图层划分、数据库设计等两方面来对本文设计的石油储运系统数据组织方法详 细阐述。 1 6 第二章石油储运工程系统数据建模和数据组织 2 5 1 图层划分 在石油地面信息管理系统中，为了清楚表现相关的各子系统的关系，便于查询和编 辑，将石油储运系统所包含的各种对象按照类型进行分类，归入相应的图层。站外系统 和各站子系统具有不同的视图和设备，因此两者图层划分的结果也不尽相同，但结构很 相似，都是以管线为主体，以管线类型为主要依据。系统内的各种设备在并入图层时根 据其重要程度决定，主要大型设备( 如油罐、分离器) 放入特定图层，小型辅助设备( 如流 量计、阀门) 归入所属管线附件图层。这里仅以联合站系统为例加以说明。表2 1 中列出 了联合站系统的图层。 袭2 1 联合站系统图层列袭 序号图层名序号图层名 1地物1 7集油管线圈形 2 电力线圈形 1 8集油管线附件 3 电力线附件 1 9集油管线物探点 4 电力线物探点 2 0污水管线圈形 s 废管缱图形 2 1污水瞥线附件 e 废管线附件 2 2污水管线物探点 7 废管线物探点 2 3消防管线图形 8 回水管线圈形 2 4消防管线附件 9 回水管线附件 2 4消防管线物探点 1 0回水管线物探点 2 6注水管线圈形 1 1集气管线圈形 2 7注水管线附件 1 2集气管线附件 2 8注水管线物探点 1 3集气管线物探点 2 9 热力管线图形 1 4集水管线图形 3 0热力管线附件 1 5集水管线附件 3 1 热力管线物探点 1 6集水管线物探点 3 2 罐及分离器 2 5 2 数据库的建立 石油储运系统数据库的建立，是指用系统软件提供的数据处理和管理功能，将经过 编辑的图形数据、属性数据进行入库处理，建成石油储运系统数据库运行管理系统，其 主要内容包括：原始数据采集、数据处理、数据字典和数据索引的生成、软件系统和数 据的融合检查。 2 5 2 1 数据库的信息源 ( 1 ) 建库的资料内容 数据库的初始数据资料主要是通过石油储运系统详查并经过验收的图件和表单，包 括：空间测量数据，设备基本属性数据，设备运行参数数据，储运系统工艺流程等。 1 7 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 ) 资料的要求 原始数据本身的质量参差不齐，为了保证数据的准确性，对选用资料的质量要有一 定的要求，以对它们进行分析和筛选。原始数据的处理主要遵循以下原则： 现场勘测的实体数据应力求完整、准确，如实反映储运系统的实际情况。 管理部门应及时提交储运系统设备的变更数据，以使管理系统与设备现状吻合。 勘测数据应保证位置误差