地理信息系统辅助油气管道安全可靠性分析

第 2 7卷第 3期 2 0 0 6年 5月 石 油 学 报 ACTA PETR0LEI SI NI CA Vo1 2 7 No 3 M a v 2 00 6 文章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 6 0 3 0 1 2 6 0 4 地理信息系统辅助油气管道安全可靠性分析 马立平 李 允 西南石油大学石油工程学院l J l 成都6 1 0 5 0 0 摘 要 介绍 了通用地理信息 系统 GI S 软件平 台的基本 组成和 空间分析功 能及 油气管道 安全 可靠性分析 的 内容 运用 GI S技术 重 构 了油气管道分布状况及 进行油气管道 安全 可靠性分析 阐述 了油气管道属性数据库和空间数据库 的建 立方法 此 外 在进行 管 道安全可靠性分析时 运用 失效树分析法 同时还应用数据结构 中树 型结构 的遍 历搜 索的处理 算法 并结合 油气管道 安全可靠 性 因素 的检测结果数据库 属 性数据库和 空间数据库 对油气管道安全可 靠性进行 了自动推理 演算 并将 结果可视 化表达 给用户 为 油气管道安全管理工作提供分析资料和决策依据 关键词 地理信 息系统 空 间分析 油气管道 安全可靠性 数据库 中图分类号 T E 7 8 文献标识码 A Ge o g r a p hi c i nf o r ma t i o n s y s t e m a s s i s t e d s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s p i pe l i ne M a Li p i ng Li Yu n F a c u l t y o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g S o u t h we s t Pe t r o l e u m U n i v e r s i t y Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t Th e c o mp o s i t i o n a n d s p a t i a l a n a l y s i s f u n c t i o n o f c o mmo n s o f t wa r e p l a t f o r m f o r t h e 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 a n d t h e c o n t e n t s o f s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s p i p e l i n e a r e i n t r o d u c e d Th e p r o p e r t y d a t a b a s e s p a t i a l d a t a b a s e a n d GI S t e c h n l qu e wa s u s e d t o r e c ons t r u ct t he di s t r i but i o n o f o i l ga s pi pe l i n e s a n d a n al y z e t h e s a f e r e l i a b i l i t y o f oi l ga s p i p e l i n e GI S a s s i s t e d s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s p i p e l i n e i s r e a l i z e d b y c o mb i n e d o p e r a t i o n o f s e v e r a l u n i v e r s a l GI S f u n c t i o n mo d u l e s Th e d e t e c t i o n r e s u l t d a t a b a s e o f t h e s a f e t y f a c t o r s f o r o i l g a s p i p e l i n e wa s e s t a b l i s h e d a n d c o mb i n e d wi t h t h e a r i t h me t i c o f s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s pi pe l i ne t O c al c ul a t e a nd v i s ua l l y e xp r e s s t h e s af e r e l i a bi l i t y by ex t r a c t i n g da t a f r o m de t e c t i o n r e s ul t da t a b a s e The de t e c t i o n r e s u l t c a n be v i s u al i z e d t o u s e r s a nd t a ke n a s t he ba s i c d a t a f or d e c i s i o n ma k e r of oi l ga s p i p e l i ne ma na ge me nt Ke y wo r d s 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 s p a t i a l a n a l y s i s o i l g a s p i p e l i n e s a f e r e l i a b i l i t y d a t a b a s e 1 地理信息 系统简介 地 理信 息系 统 G I S 的研 究应 用 越来 越 广泛 在 管道行业也有应用实例 一个完 整的 GI S系统主 要由硬件环境 软件环境 空间数据和非空间的属性数 据 4个 部分组成 2 一 般来说 GI S具有输 入 预处 理 空间数 据管 理 查 询和 分析 以及输 出 5 个 功 能 1 数据 输入 常 用 数 据 输 入 有 数 字 化仪 输 入 扫描矢量化输入 GP S与遥感图像输入和其他数据源 的直接转换 2 数 据预 处理 输 入 后 的数 据 以 及 分 析 统 计 生成 的数 据通 常要 进行 数 据 校 正 编 辑 图形 整饰 误 差消除 坐标变换 栅格数据归一化 无缝连接等工作 3 数据管理GI S实现了空间信息和属性信息 的集成管理 并能够完善地建立两者之间的联系 4 空间查询与分析G I S提供了从最简单的点击 式查询到辨证思维的空间分析方法 最强大的作用是通 过 各种 假设分析来模 拟 区域 内空 间规律和发展趋势 5 可视化 表达 输 出 GI S的操 作 结 果可 通 过 可 视化的地图 影象 多媒体方式加以直观表达 并能将 GI S的各种成果与其他系统进行交换 2 GI S在油 气 管 道安 全 可靠 性 分 析 中 的应 用 2 1应 用 GI S技术 重构 油气 管道 油气管道安全 可靠性 分析 内容是指 在运行条件 下 管道 系统 及各组 成部 分能 够满 足运行 要 求 安 全经 济地完 成输 送 任务 的各 项性 能 指标 的安全 可靠 程 度 3 应 用 GI S技 术 重 构 油 气 管 道 主 要 实 现 对 油 气 管道及其附属设施分布规律 的可视化表达 这是油气 管道安全可靠性分析 的基础 将 GI S技术 引入油气 管 道重 构 中 通 过 将 油 气 管 道 与 GI S集 成 扩 展 G I S 的空间分析功能 并充分利用 G I S的多种三维可视化 表达方 法 从 而 实现 重构 油气 管 道 的 数 据输 入 管 理 分析 处理和可视化表达的一体化 首先 建立油 气管 道 的地形 图 图库 管 道 图库和 管 作者简介 马立平 男 1 9 7 3年 9月生 1 9 9 6年毕业于江汉石油学院计算机应用专业 现 为西南 石油 大学在读博士研究 生 主要研究方 向为油气藏工 程计算技术 E ma i l j k x ma l p 1 6 3 c o m 维普资讯 第 3期 马立 平等 地理信息系统辅助油气管道安全可靠性分析 1 2 7 道基础 数据 库 对地形 图 图库 的管理 维护 是保证 该 系 统准确 及 时地 反映油 气管 道生 产运行 现状 的基 础 对 管道 图库 的管理 更新 是保 障管 道 图实时 反映 管道现 状 的基 础 作为基 础数 据 库 它们 将 提 供 油气 管 道 的各 种信 息 如 管道 数 据 阀 门 泵 机 组数 据 路 名 检 索 数 据 和显 示用 数据 等 其 次 按 照 G I S的空 间模 型分 析 方 法 建 立油气 管 道 的空 间模 型 并 从数 据库 中提取 管 道 及其 附属设 备数 据 集进 行 处 理 获 得 每 个构 造 点 的 断面数 据 集 利用 GI S软件 功 能生 成 断面 图 并写 入 相关 的属性 管径 管材 管顶 高 地 面 高等 然后 根据 管道三 维坐标 和 管道 的属 性 信 息 实 现 输 油 管道 分 布 现状 的可视 化 自动生 成真 实 的三维渲 染场 景 2 2 油气 管道安 全可 靠性 分析 的主 要 内容 在 油气 管道 运行 过 程 中 导 致安 全 事 故 发 生 的原 因很多 预防事故的发生要预先发现 鉴别和判断可能 导致发生灾害事故的各种危 险因素 尤其是那些潜在 因素 以便消除或控制这些危险 防止和避免发生灾害 事 故 这 就 必须从 油气 管道 的失 效泄 漏 又称故 障 进 行 分析研 究 油 气 管 道 失效 分 析 也 就 是 对 油气 管 道 及 附属设 备设施 的安 全性 进行 检查 诊 断及危 险预测 的方法 对各 种 方案 进 行 评 价 失 效 分 析通 常 采 用 失 效 树 分析法 树 形 图可 以有 效 地 反 映 油气 管道 的事 故 起 源 和多事 故 原因之 间 的先 后 和 引 导关 系 通 过 分 析 进 而确 定 降低油 气管 道安 全风 险 的措 施 和方 案 6 油 气 管 道失效 树分 析如 图 1所示 根据失 效 树分 析可 知 此 失 效 树 大 部 分逻 辑 门为 或 门 共 有 2 4个 或 门 8个 与 门 各 基 本事 件 都 可以确 认 为独 立 事 件 所 以 管道 发 生 泄漏 的危 险性 比 图 1 油气管道失效树 Fi g 1 Th e f a ul t t r e e o f o i l g a s pi p e l i ne 较大 造成油气管道失效的因素很多 如防腐绝缘涂层 的性 能和 质量 管道输 送介 质 的有害 物质 含量 施工 焊 接技术及第三方的破坏等 根据分析结果 应积极进行 检测 发现事故隐患 及时作出决策 并采取相应的措 施 加强 对管道 阴极保 护 的监测 和维 护 管 道涂 层 的修 复 缩短 对所输 送介 质泄漏 的检 测时 间 安 装泄 漏检测 设备 以及 通过调 节输 油 泵 保 持 正 常输 油 能 力 的情 况 下适 当降低 管道 的输 油压力 2 3 油气 管道 安全可 靠性 分析 流程 从 失效 树 的分析 人手 根据 油气 管道巡 回检 查 定 期检 查和 仪器全 面 检测 的结 果 应 用数 据 结 构 中树 型 结构 的遍 历搜 索 的处 理 算 法进 行 自动 推 理 演算 综合 系统 地分 析 出所选 管道 安全 状况 以及 可能 的事故 类 型 和失 效模 式 其流 程 是 根 据失 效 树 分 析 的失 效原 因 在失效 树 中用 叶结 点表示 安排 油气 管道 的检 测计 划和 检测 内容 并 建立 油气 管道 检测数 据 库 将 每次 的 结果输入该数据库并保存 分析失效树的结构 建立 失效 树 的结构 信息 表并 存 储 为下 一 步 的推 理建 立逻 辑和 规则 的基 础 研究 失效 树 的推理 演算 的算法 以 每一 次检 测结 果作 为输 入 的信 息 和 数 据 以失 效 树结 构信息表作为推理演算的逻辑和规则 分析流程如图 2所示 维普资讯 石 油 学 报 2 0 0 6年第 2 7卷 图 2 GI S 辅 助油气 管道 安全 可靠性分 析流 程 Fi g 2 The f l o w o f GI S a s s i s t e d s a f e r e l i a b i l i t y a na l y s i s o f oi l g a s p i p e l i ne 2 3 1 数据 的输 入与 建库 用 于 G I S分 析 的数据 有 两类 反 映对 象 空 问位 置 的空间信 息 描述对 象属 性特 征 的非空 间信息 或 称属性 信 息 在 GI S辅 助 油 气 管 道 安 全 可 靠 性 分 析 中 同样 涉及 这两类数据 其 中空 问数据 以文 件形式存 人数据库 与空 间信息相关 的属性 信息 以数据 表形式 存 人数据库 如基本 地理属性信 息表 地 理位置 编号 地 理 名称 所属单位 等 管道段属性 信息表 管道段 编号 管 道种类 管径 管材 起 点 管顶 高 等 管道 点 属性 信 息 表 管 道点编号 X 坐标 y 坐标 管道点 特征 埋 设 时间 等 附属设施属性 信息表 附属物 编号 管 道段编 号 地 面高程 埋深等 属性数据包括各种因素引起管道失效 泄漏 的概率 信息 表 管道及 附属设 施编 号 各种 因素 引 起管道失效 泄漏的 概率 E 失 效树 结构 信息 表 如表 1 所示 这 些数 据 如果 是 以纸 质表 格形 式 保存 的 则可 以通过 手工录入 计算 机 通 过 属性 数据 库 管理 如 果 已 经是某种 格 式 的 电子 文 档 则 可 以通 过 GI S的 数 据转 入 功 能 直 接 转 入 G I S 属 性 库 中 这 些 属 性 数 据 是 进 表 1失效树 结构 信息 Ta bl e 1 Th e s t r u c t u r a l i nf o r m a t i o n o f f a u l t t r e e 行 G I S辅助 安全可靠 性 分析 的基础 数据 7 2 3 2 失效树 自动 分析 算法 的 实现 选取需要分 析 的管段 根据 管道 检 测 的结 果数 据 应用数据 结构 中树 的遍历算 法对失效 树进行 搜索 并 以 当前检测结果数据 叶结点的赋值 为前提 推导出该油 气 管道 可能发生 的 事故类 型 以及 失效 的模 式 这里 选 用树 的深度 优先 搜索 算法 在推 导过 程 中 从 根 结点 出 发 首先向树 的深一层搜索 一直搜索到叶结点为止 在 当前结 点 已不存在未 经搜索的子 结点 时 则返 回到父 结点 然 后再搜索 其未 经访 问的子 结 点 直 到所 有 树结 点被遍历为止 每个结点的值都是 由所有子结点的逻 辑 与或运算而得 到 每个 结点在推 导 的过 程 中会 调用 到 子结点的推导结果 子结点又会调用其子结点的推导结 果 因此 须 利用递 归 函数 实现 这 一 功能 把结 点 的一 次调用 推导设计为一个 递归 函数 该 函数原 型如下 T y p e d e f s t r u c t 定 义一 个失 效树 结点类 型 S t r i n g k e y 存储 失效 树结 点 的结 点编码 值 S t r i n g Te x t 存储 失效 树结 点 的结点 名称值 I n t e g e r l o g i c a l 存储失效 树结点 的逻辑关 系值 F l o a t Va l u e 存 储失 效树 结点 的推 导结果 No d e S t r u c t Pu bl i c Fun c t i on Tr a ve r s e Nod e Nod e St r u c t A ODBC Con ne c t i o n c n a s f l o a t Tr a v e r s e No d e 函数 用参数 A 来访 问一 个结点 并 维普资讯 第 3期 马立平等 地理信息 系统辅助油气管道安全可靠性分析 1 2 9 获取该 结点 的所 有信 息 参 数 c n连 接失效 树 的结 构信 息表 通 过 该 连接 访 问 A 结 点所 有 的子 结 点 并 在 函 数 中递 归 调 用 函数 自身 Tr a v e r s e No d e返 回 的值 表 示结 点 的推导结 果 图 3 圈 3油气管道安全可靠性分析程序流程 Fi g 3 Th e pr o g r a m f l o w o f s a f e r e l i a b i l i t y a n al y s i s o f oi l g a s p i p e l i n e 3 结 论 1 在分析引起油气管道失效泄漏的各种因素的 基础上 建立了油气管道的失效树 并以它为基础设计 出了油气管道安全可靠性分析算法 用户可 以根据管 道的检测结果定量或定性地推理出该管道的主要失效 原 因 和管理 的重点 内容 与部 位 2 采用 GI S辅助油气管道安全可靠性分析的方 法 结合油气管道失效泄漏各种影响因素的概率 利用 油气管道安全可靠性分析算法进行 了运算 并将 结果 进 行 了可视 化表 达 3 将 GI S引入油气管道工程 可以促进油气管 道 行业 决策 的智 能化 参 考 文 献 崔红升 信息化再造管道 运营技 术 J 油 气储运 2 0 0 3 2 2 1 0 1 4 吴信才 地理信息系统原 理及 方法E M 北 京 电子 工业 出版社 2 0 0 2 7 1 5 余建星 祁世芳 一种新 的输油管 道可靠性 分析 方法E J 石 油学 报 2 0 0 3 2 4 1 8 5 8 8 翁永基 腐蚀管道安全管理体系E J 油 气储运 2 0 0 3 2 2