【毕业学位论文】（Word原稿）基于ArcGIS的海底管道完整性管理系统的设计与实现-软件工程

分类号 : 学校代码： 10055 密级： 学号 ： 南 开 大 学 专业硕士学位论文 论文题目 : 基于 海底管道完整性管理系统的 设计与实现 摘要 I 摘 要 随着中国经济的不断发展，社会的不断进步，对资源的需求也逐渐增强，充分挖掘和利用油田，天然气等自然资源成为迫切的需要。为了满足挖掘海洋油气资源的需 求，我国建立了越来越多的海底输油输气管道。海底管道面领着长期的腐蚀压力，第三方环境因素影响等可控和不可控因素。海底管道的每一个子系统都有非常严格的安全标准要求。为了满足维护和监控海底管道，避免和防范事故发生，减少事故发生后对环境造成的影响和经济损失，开发一套海底管道完整性管理系统成在眉睫。 利用计算机信息技术，基于微软公司的技术框架开发海底管道完整性管理系统，使用 C#程序开发语言编写业务逻辑， 008 存储和查询业务数据，利用 件来承载环境地理信息，采用 C/S 框架来动态交互， 采用软件工程的设计思想和实践方法，开发了功能完善，理念先进，使用便捷的系统。并阐述了从软件需求分析，到初步设计和详细设计，到系统开发核心技术介绍的详细过程。 系统主要包含了海底管道完整性信息管理基础平台，海底管道内、外隐患风险评估功能，海底管道应急抢险支持功能，海底管道综合风险评价功能四大功能模块，满足了管理需求，为其他油田的海底管道管理工作提供了榜样。该系统投入运行后，稳定和高效地满足了日常需求。 【关键词】 海底管道 ； 管理平台 ； C#； 008I s is so of of is an In to of in up a of of of as of In to of s on it to of a s c # to 008 to to to is ,of of a of it a in is 【 C#； 008 目录 录 摘 要 . I . 录 . 1 章 绪 论 . 1 究背景和研究意义 . 1 究目的和研究内容 . 2 内外研究现状 . 3 文内容与组织 . 5 第 2 章 开发技术概述 . 7 #开发语言概述 . 7 术 . 9 、外隐患风险评估功能 . 30 底管道应急抢险支持功能 . 31 底管道综合风险评价功能 . 31 第 4 章 数据库设计 . 33 据库设计原则 . 33 目录 据库需求分析 . 34 据库概念结构设计 . 35 据库逻辑结构设计 . 38 第 5 章 系统详细设计与实现 . 47 据架构设计 . 47 作页面的设计与实现 . 47 录欢迎页面的设计与实现 . 47 据管理模块的设计与实现 . 49 整性评估模块的设计与实现 . 58 急抢险的设计与实现 . 61 统设置的设计与实现 . 64 第 6 章 系统的测试和部署安装 . 67 统的测试 . 67 统的部署安装 . 68 第 7 章 结论 . 70 目开发的回顾与总结 . 70 目进一步开发的展望 . 71 参考文献 . 73 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 究背景和研究意义 随着中国经济的不断发展，对资源的需求越来越大，将资源的获取方式从陆地扩展到海洋已经成为很多国家的资源获取方式。而我国海洋油气资源的开发力度也在不断加大，在建和投入运行了越来越多的海底管道。由于海底管道系统及其复杂，由大型钢质海底管道、泵站、供电系统和通讯系统等构成，对每一个子系统都有极为苛刻的安全要求。通过海上油气田的油、气 、水资源的的集输、储运，基本上通过海底管道来完成，海底管道把海上油田的整个生产密切系统组合起来，形成完整的一环 1。 但是海底管道掩埋于海洋环境中，接受着海水的侵蚀腐蚀和海底高压的压力，承受着复杂的工作载荷、环境载荷及意外情况（如锚泊、渔船拖网、船底和海底管道碰撞等），潜在的危险性可能早晨海底管道的泄漏及结构破坏事故，导致海底隧道事故不断发生。而海底管道承担着输送石油、天然气以及其他介质等重要功能，关系到其他企业的生产活动，一旦发生事故，影响正常生产运输，检修和维护工作极其困难，泄露原油造成污染海洋环境， 进一步影响人类活动和动物活动，给国家经济和国民生活造成巨大损失 2。因此，为了保护海底管道的安全性，建立海底管道完整性管理，开发海底管道完整性评估与管理系统来保障海底管道的安全正常运行成为重中之重 3。 海底管道完整性管理作为跨越了自然科学和工程技术学科的系统工程，涉及内容非常广泛，更包括了国家政治政策、法律、经济、管理等社会科学。为了保护海底管道，做海底管道完整性管理的核心技术应该包括：管道信息系统、管道检测与安全评估、管道风险评价与管理 4。海底管道完整性管理的核心技术之间相互联系，又相互独立，共 同组成海底管道完整性管理的有机整体。实现管道完整性管理有着非常重要的意义，可以统一企业和公司的运营管理制度，第 1 章 绪论 2 规范和规则，可以积攒日常使用和维护数据，供风险防范和事故应急决策支持，预防和控制管道风险，消除安全隐患，最终使得安全隐患最小化，事故造成的损失最低化，安全最大化，资产使用寿命最长化。 究目的和研究内容 海底管道完整性管理系统研究的目标为：保障海底管道一直处于安全可靠的工作运行状态；降低管道安全风险到安全水平线；避免（大型）事故的发生；海底管道在物理上和功能上是有效的，海底管道整体处于监控和控制 状态；海底管道管理机构能够不断采取措施进行风险控制和管道事故预防。确保海底管道的建设和维护遵守相关海底管道的法规及管理机构的规定，遵守标准和规范，如 范， 准，管理技术规范等。整体上要合理分配，有效支配管道维护资源，降低管道维护费用，从而降低海底管道维护和管理成本 5。 海底管道完整性管理 统的主要研究内容时是围绕海底管道完整性管理体系架构，为实现海底管道完整性管理设计开发的软件管理系统，从文件体系完整性和管道运行数 据完整性角度对海底管道项目提供风险评估工具、维护决策支持和信息管理应用指导，完成海底管道安全隐患完整性研究与辨识，海底管道完整性管理体系研究，海底管道完整性管理信息系统，完整性管理数字化平台开发。如图 底管道完整性管理所示，系统自下而上具体划分为四大方面 6。 第 1 章 绪论 3 图 底管道完整性管理 1. 体系标准：海底管道完整性信息管理。 2. 数据支持：包括整个海底隧道的基础信息、周围环境地理信息、在位信息、内隐患信息。 3. 分析展示：包括对悬跨、第三方破坏、外腐蚀的分析和内隐患分析。 4. 风险评估：系统实现海管风险评 估功能，提供风险减缓措施建议。 内外研究现状 国外研究 走在了世界的前方，国外研究的主要 现状及发展 状态 ：近年来，管道完整性管理 速凸显重要性，逐渐 成为国外油气 等海底 管道工业中的一个重要 专业需求 。 管道完整性管理的迅速发展直接推来源于今年频繁严重的管道事故的，其中美国的天然气输送管道、配气管网和液体危险品输送管道发生了众多严重事故，不可避免地对人们生活和工作造成了影响，同时对国家带了不可避免的经济损失，影响了国家的发展。据统计，占到总事故的 液体危险品管道事故，人员的伤亡率只占 对比来讲，天然气输送管道若事故后由于可燃性，能量更大，容易发生爆炸，故对第 1 章 绪论 4 人们生命的威胁更大，更容易造成伤亡（事故率占 ，最为严重的是配气管网的事故率，为 超高的人员伤亡率 7。 为了降低事故率，防范事故风险，减轻事故造成的损失和人员伤亡率，国外更加看重油气管道失效分析工作的基础上，首先提出了管道完整性管理的理念。 2001 年，美国石油学会和美国焊接工程协会共同发布了油气管道完整性管理的标准和规范 二年，美国众议院发起投票并且在国会通过了 关于增进管道安全性的法规，之后 1 月底，美国管道安全局颁布了输气管道完整性管理推荐规则制定办法的通知，同时美国管道安全办公室发布了 49规。通过制定行业标准，行业法规，为对进行管道建设工程的企业和单位在施工时提供了具体的参考和要求，借助详细的规定来辅助施工 8。 随着经济的发展，中国也在积极开展研究和讨论 :但是中国还没有国家级别的管道安全办公室来负责和监督管道管理，同时由于经验不足，没有 采集和统计数据的观念，至今没有公开的、对外的管道管理统计数据，不利于管道安全运行和监督的有效实施和也不利于管道施工管理都是不利的。 2005 年，国家发改委发布了作为总过石油天然气传输行业的推荐标准： 准输气管道系统的完整性管理（ 6621弥补了路上输出管道系统标准缺失的现状，但是海底管道完整性管理标准仍处于空缺的状态 9。 总体上来讲，国际的管道完整性管理技术在数几十年的发展后日趋成熟，形成了一套成熟的标准和体系，但是国内管道完整性管理才刚刚处于起步阶段，缺乏很多 经验和专业知识，需要向国外学习先进的理念和经验。通过学习别国先进经验，我国在发展海底管道完整性管理时可以考虑一下几个方面：健全海底管道完整性法规、制定行业标准和制度；在学习和引进国外管道完整性管理系统的基础上，进行二次开发，总结其不足和优点，进一步改善和提高 ;加大软件开发力度 ,借助先进的计算机技术，在国内优秀计算机企业的协助下开发具有符合我国国情的，适合我国海底管道完整性管理的风险分析管理软件，以及数第 1 章 绪论 5 据管理系统以及信息整理系统，通过采用自动化和可视化进行统计数据和借助数据来分析风险，总结经验，从而为提高我国 海底管道完整性管理水平提供强大的支持；学习旧技术，退出新技术，利用可靠地检测和传感器技术进一步监控可能潜在的危险，避免事故的发生 10。 文内容与组织 本论文的主要研究内容如下。 一、 如何利用 C/S 架构和适用于某油田的海底管道完整性管理工作的数据应用三层结构，即 “数据管理 决策支持”来利用软件基于可靠性（ 海底管道完整性管理思想进行固化、标准化及程序化，开发出“海底管道完整性管理数字化平台”。 二、如何将管道相关的完整性数据，周围环境数据，在位数据，事故数据等汇集起来进行分析和使用， 尽可能减少人工操作带来的失误。 此项目自确定受到了中国石油规划总院领导的重视，作为海底管道完整性管理工作的一个重要研究方向，该系统不仅在国内外开创了第一个独立运行的海底管道完整性管理工具，而且满足了特定海底管道管理的的需求，为其他国内相关管理系统的建立奠定了很好的榜样，对于今后国内其他海底管道的管理提供了例子，具有重大的现实意义和指导作用。 本论文主要是采用 C#开发语言及 008 数据库技术，完成了基于 统采用软件工程理论思想指导，经过前期 严谨仔细认真的需求分析，进行详细系统概要设计，详细设计，数据库设计，最终完成了等海底管道完整性信息功能，海底管道内、外隐患风险分析功能，海底管道应急抢险功能，以及海底管道综合风险评价功能模块。 论文分为七章，按如下方式组织： 第 1 章 绪论 6 第 1章 通过对国内外的相关海底完整性管理的介绍，讨论了论文的研究背景和研究意义，探讨了论文的研究目的和研究意义，最终阐述了国内外研究现状。、 第 2章 主要介绍 C#开发语言， 关技术概念， 技术特点等等。 第 3章 重点介绍了某油田的现状，并进行了系统需求分析情况，从而给与系统功能 需求和海底管道 第 4章 分别介绍了数据库的需求分析和设计。 第 5章 详细介绍系统功能实现和远离。 第 6章 介绍了系统的测试和部署上线工作。 第 7章 总结全文工作，并提出进一步改进工作。 第 2 章 开发技术概述 7 第 2 章 开发技术概述 #开发语言概述 C#是 微软公司提出的 一种 基于 面向对象的编程语言 ，能让 程序员快速 有效 地编写基于 供了一系列的工具和 功能模块 来 供程序员 最大程度地开发利用 计算机资源 。 C#的目的是中和C/C+应用程序效率高，开发过程复杂和 是效率低的特点，从而在功能和效率之间寻找一个理想的平衡点。 C#争取在快速开发的基础上保持底层平台开发的效率，同时拥有和底层应用良好的整合，并供开发人员在必要时进行一些涉及内存的编程。 C#的推出成为构建各类组建的首选，满足了高级商业服务需要和操作系统级别的应用程序需求，能够兼顾系统开发和应用软件开发。 C#支持 够提供二进制层面的统一，又能够提供近似虚拟机， 通过“元数据”来描述组件的类型信息和工具支持信息 11。 C#是一种安全的 、 稳定的、 快速的、先进的语言， 继承 +强大功能的 基础上 去掉 一些繁杂 特性 同时吸收了 的高运行效率， 形成了 强大的 编程 能力、优雅的语法风格、便捷的面向 程 支持 成为 作为面向对象的程序设计语言， C#支持一下软件工程开发要素：强类型检查，数据维度检查，引用未初始化的变量预警， 动管理内存， 跨平台 异常处理 ，工程 版本控制 ， 代码安全管理 等等 12。 C#的特点： 1) 支持 布尔运算 ： 作为独立的数据类型，是 条件表达式的结果 ，并不能和其他数据类型直接转换。 布尔常量 #中的关键字。 2) 内存管理 ：内存垃圾回收 功能 由 成 。 第 2 章 开发技术概述 8 3) 接口 ： 本质上为引用类型，保证支持特定的操作，本身不直接创建，并且没有实际的表达形式。实现接口的 类或结构需要遵守特定相关标准。 4) 强类型 ： 数值类型必须要做现实转换，只有 短类型转换成长类型 可以认作为隐士转换 ， 例如 式 转换 成为长整型，浮点型，双精度浮点型，相反则需要进行 显式的转换。 5) 编译 ：源程序并不 直接编译生成二进制可执行文件形式 ，而 是先生成 中间语言 (类似于 中间语言之后被 行。 6) 预编译 ： 支持类似 条件 编译 ,警告，错误报告和编译行控制 。 7) 操作符重载 ： 支持操作符重载，不支持赋值运算法重载。 8) 类型 ： C# 以在计算机内存中如何分配来区分三种类型： 值类型 ( 引用类型 (简单类型 ( 其中 值类型 有 结构和枚举，引用类型 有 类、接口等 ，简单类型如 如 9) 堆栈 (一种后进先出的数据结构，在内存中，变量会被分配在堆栈上来进行操作。堆 (用于为类型实例 (对象 )分配空间的内存区域，在堆上创建一个对象，会将对象的地址传给堆栈上的变量 (反过来叫变量指向此对象，或者变量引用此对象 )。 10) 中间代码 ： 汇编形式的语言，只在 运行时或其它 情况下 被编译成机器代码 运行 。 C#的组织结构如图 织结构所示 13： 第 2 章 开发技术概述 9 图 #组织结构 术 C#连接 据库采用了 术，其前身是 术，原本作为 件 用来访问和请求数据。 于用来和数据库，数据源(本文档 )等进行交互使用的面向对象的类库。 供了平台通用性和可伸缩的数据请求访问，支持非连接模式编程，支持富 处理和交互不同的数据库和数据源，采用不同的数据交互方法。工作原理如图 析 据源 14： 第 2 章 开发技术概述 10 图 析 据源 作数据库的步骤可以分为以下几步，首先初始化建立数据库连接字符串。 之后采用 象 连接数据库。 最后执行 令，执行 ，充分利用客户机端和服务器两端的硬件优势，客户端提交任务请求，服务器端接受请求后进行计算将计算结果以特定性是返回客户端，客户端进行渲染然后显示。 B/S 架构则可以理解为基于特定通信协议 ( C/S 架构，将浏览器理解为特殊的客户端 15。 C/S 结构有以下优点： ; 第 2 章 开发技术概述 11 1. 客户端和服务器端之间直接连接，没有中间环节，具有很低的网络消耗延时，客户端反应速度较快。 2. 客户端程序可以具有丰富的操作界面，不用处理数据计算功能，将大部分计算功能放置于计算功能更 为强大的服务器后台中。 3. 保证系统安全型需求，满足多层安全认证需求。 C/S 架构可以将应用软件的计算和数据管理功能平衡地分配到客户端和服务器，降低网络通信量，保证安全权限要求，适用于局域网环境应用，具有不错的应用前景。 008 数据库简介 由微软公司推出的关系型数据库，作为对抗 要是用来存储其他应用程序需要的数据库，并在必要时进行输送，是综合性的数据库管理软件，提供了一整套的数据管理软件和工具 ,能够供本地和远程主机访问， 用户范围从小型单击应用程序到大型的多并发访问型互联网都有。最主要的查询语言为 有 用高水准的性能、可用性和安全性；拥有高效 的管理和开发 数据库 工具 16。 常拥有几个版本：数据中心版 门为数据中心提供高级应用程序支持和极大的扩展性；企业版 含核心的数据库引擎和附件组件，支持数 据库集群管理；标准版 对企业版支持实例较少，不支持动态增加内存资源信息。 些附加组建服务基于核心数据库管理系统提供了更多的附加价值，既可以作为 可以作为 务运行并且对外提供 7。常见的 第 2 章 开发技术概述 12 1) 数据库实例中使用，不同之间的程序之间可以通过信息几只或者 P 协议进行通信。 2) 来复制和同步数据库子集目标或者整体目标，适用于客户端或者通过网络链接的服务器端。复制协议遵循发布和订阅者模式。支持三种方式的复制： ) 加了对 持以 持神经网络等人工智能技术 4) 从 据库中提出的数据的生成环境报告。有 供可以定制的开发程序报告，导出成 文件格式，可以被转换为 者 者 5) 成数据驱动提醒的机制，可以发送消息到订阅者。订阅者需要注册特定事件或者变动事件。有三种提醒方式， 6) 供数据导入，数据集成，数据需求等， 提供 从不同的源中抽取数据，查询数据，变换数据 除重复，导出数据功能。 7) 存储在数据库中的非结构化的文本进行特殊的索引和查询服务。由 个服务构成。如图 文本搜索服务架构 第 2 章 开发技术概述 13 图 文本搜索服务架构 8) 供基于命令行应用程序，包含了 管理功能。能够命令行进行 时能够作为脚本语言来运行一 些列的 者用来作为创建和部署数据库的利器。 9) 然支持和 行数据变成，能够使用 置了数据设计器能够图形化地新增，查看，修改数据库结构。也可以图形化创造查询数据库代码。 10) 配置，管理和监控 图形管理组件。包含了脚本编辑器和管理目标的图形工具。取代了 新的特色组建是目标浏览器，允许用户浏览，选择，操作任何数据库的目标。 11) 来进行数据分析和智能商业解决方案。 第 2 章 开发技术概述 14 为一个完整、集成的 全面性资料中心 ， 可以满足企业内部不同配置环境，不同操作系统平台，不同数据库管理服务以及处理各种关键业务数据的需求，如图 008 结构 。能够在架构层 面，数据库管理，程序开发语言， 发工具集和最终数据之间进行集合，以数据为中心，将数据传递给相关需求者，从总体上提高开发人员生产力 18。 本文采用了 之 005 等旧新增以下功能。 1) 可靠性：能给业务上非常关键的应用程序提供很高级别的安全性，可靠性和伸缩性。能够在不更改应用程序的前提下，加密整个数据库，数据文件等，能够在线完整数据调整，加强数据安全性搜索。提出优秀的解决方案，借用第三方键管理和 满足不断增长的需求。更全面的数据审计来简化遵从 性。改善的数据库镜像功能，自动页修复，优化了性能和支撑能力。能够从主机和从机中从错误中透明恢复，对于终端用户来说是透明的。压缩日志刘，在镜像的参与方之间进行数据传输时能够极高地提高传输效率，提供最化的船速性能，最大性能地利用网络宽带。制定资源管理优先级别，允许定制资源的优先级响应，通过可预测技术来提高查询稳定和。最终支持在线添加 源和在线添加内存资源的能力。 2) 高效率 008 既降低了程序开发人员开发软件的时间，又减少了管理应用程序所涉及的数据库管理时间。基于策略的 统可以 管理一个或多个实例，能够与 理数据库等。包含了详尽的性能数据，供管理员进行性能调节和故障诊断，集中将性能数据存储于数据仓库，开发和创建了用于报告和监视的新工具。现在开发人员可以直接使用编程语言直接进行数据库查询，而不用手写“ 句”，可以直接使用语言集成查询（ 提供了无缝，强类型，面向机和的查询机制。架来管理 象，进行数据库编程。 008 新增了数据类型。 第 2 章 开发技术概述 15 3) 智能性 : 008 迎合了数据发展管理的需求，能够集成一切数据，在线压缩备份，降低磁盘 I/O 率，提供星型连接查询，扩展了 y 子句，允许已分区表并行。 008 提供 立方体设计工具 ，能够辅助 用户精简分析基础设施 开发， 008提供了更为强大 的分析能力和更 加 复杂的计算 算法。极大优化块计算 处理 的性能。 不用重复查询 区 ，在新的 ，借用 写回（ 能 ，提供了分析应用程序中优化过的写回场景， 不用再像以前牺牲 能。 图 008 结构 文搜索技术介绍 全文搜索技术可以查询 持中文，英语，日语等，根据语言规则对存储数据中的词和短语进行查询，在查询之前需要建立全文索引，查询时对全文索引进行查询，支持多种查询规则，第 2 章 开发技术概述 16 不区分大小写，当匹配到制定的所有字词时，查询结果返回对应的查询匹配项。全文搜索较 费时间少，可以查询格式化的二进制数据 19。全文查询过程中，全文引擎读取查询出力 气，获取待查询的文本，执行语义分析，最终转换为 算符，执行查询，访问倒排索引以获取正确结果。工作原理如图 图 文搜索技术原理 第 2 章 开发技术概述 17 全文搜索体系结构主要包括 中筛选器后台程序单独加载，由启动器服务进行创建，需要安全凭 证才能运行。筛选器负责对表中数据进行访问，请求，筛选和分词断句，并且负责对输入的查询进行短字和提取词干 20。 添加全文索引后，即可对列中的文本进行全文查询，如一个或者多个词语，以特定词语开头或者结束的词语，某词特定的变形或者意义相近的词语，具有特定加权值的词语。全文索引的处理过程即全文引擎将通知筛选器进程进行筛选，并转换为列表，然后过滤掉非索引字的此列表，将此特定此列表永久保存到倒排索引中。在所有断词处理完毕后，处理引擎会将所有的索引片段合并成为全文索引，成为主索引，从而提高查询性能。 术 供用户来创建，分享和管理地理信息数据，地图和分析模型。 司集 40 多年来在地理信息系统（ 询领域的研发经验基础上，开发的一套完整的 台产品，能够全方位服务