基于APDM的管道完整性數(shù)據(jù)管理研究

徐 杰 曾 晟 劉 亮 郭 磊 高海康 歐新偉

1.中國石油管道科技研究中心中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065000；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司, 北京 100085

基于APDM的管道完整性數(shù)據(jù)管理研究

徐 杰1曾 晟2劉 亮1郭 磊1高?？?歐新偉1

1.中國石油管道科技研究中心中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065000；2.中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司, 北京 100085

目前越來越多的管道公司引入了基于GIS的管道完整性管理系統(tǒng),如何管理數(shù)據(jù)并滿足管道完整性管理系統(tǒng)的需求成為當(dāng)務(wù)之急。針對現(xiàn)有的管道數(shù)據(jù)模型,結(jié)合目前管道完整性管理的理論及中國石油管道完整性管理的特點(diǎn),利用GIS技術(shù)及APDM模型對長輸油氣管道完整性數(shù)據(jù)的管理方式進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了管道完整性數(shù)據(jù)庫,開發(fā)了管道完整性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。實(shí)踐證明,基于APDM的管道數(shù)據(jù)模型通過定制后應(yīng)用于管道完整性管理中,基本滿足管道完整性數(shù)據(jù)管理的要求。

APDM；管道完整性；地理信息系統(tǒng)；數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

0 前言

隨著管道運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展,長輸油氣管道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,基本形成了覆蓋全國的長輸油氣管道網(wǎng)絡(luò)。管道完整性管理是以預(yù)防為主的管理模式,可以有效地減少管道事故并經(jīng)濟(jì)合理地確保管道安全[1]。而數(shù)據(jù)管理是管道完整性管理的基礎(chǔ)[2],如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的提取和組織,建立合理的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫，對開展管道完整性管理至關(guān)重要[3-5]。由于管道完整性管理的海量數(shù)據(jù)及空間可視化的需求,地理信息系統(tǒng)GIS(Geographic Information System)技術(shù)在管道完整性管理中的作用越來越大[6-7]。APDM(ArcGIS Pipeline Data Model)數(shù)據(jù)模型是ESRI公司開發(fā)的地理數(shù)據(jù)庫,支持模型自定義擴(kuò)展,擁有強(qiáng)大的GIS能力[8],借助APDM數(shù)據(jù)模型能對管線數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系進(jìn)行有效處理,并能存儲管線要素的空間信息[9-10]。根據(jù)APDM數(shù)據(jù)模型定制出專門針對管道完整性管理的數(shù)據(jù)模型PIDM(Pipeline Integrity Data Model),同時(shí)結(jié)合管道管理的實(shí)際需求增加自定義內(nèi)容,如工程圖、風(fēng)險(xiǎn)源等,對管道完整性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行研究,開發(fā)了數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),取得了良好的應(yīng)用效果。

1 APDM管道數(shù)據(jù)模型

當(dāng)前用于油氣管道的數(shù)據(jù)模型主要有三種:PODS(Pipeline Open Data Standard),ISAT(Integrated Spatial Analysis Techniques)以及APDM數(shù)據(jù)模型。PODS是一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu),包括地理要素、管道設(shè)施、陰極保護(hù)等百余張表,提供完全開放的數(shù)據(jù)庫建模平臺；ISAT是歐洲天然氣研究院根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)模型；APDM是用ArcGIS和SDE設(shè)計(jì)形成的用于存儲管線相關(guān)要素信息的數(shù)據(jù)模型[11],以Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),將地理數(shù)據(jù)作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的要素進(jìn)行存儲的對象關(guān)系型框架[12-13],而它的要素類主要來自ISAT和PODS模型中包含的表,它的優(yōu)勢在于能更好地支持與GIS相關(guān)的空間分析功能,銜接管道空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),該模型是管道行業(yè)較為公認(rèn)的數(shù)據(jù)模型。

APDM是一個(gè)模板,可以根據(jù)實(shí)際情況在模板中添加或刪除要素,APDM包含的管道要素大致分為核心要素、在線要素和離線要素。核心要素是中心線維護(hù)和里程定位所必需的,它的屬性是不變的,核心要素包含控制點(diǎn)、站列、站場、站場邊界、管網(wǎng)、子系統(tǒng)、活動及度量參考等。根據(jù)管道要素與管道中心線在線和離線的位置關(guān)系,管道要素按不同的類型大致可分為在線點(diǎn)要素、在線線要素、離線點(diǎn)要素、離線線要素及離線多邊形要素。管道要素與管道中心線的位置關(guān)系見圖1。

圖1 管道要素與管道中心線的位置關(guān)系

根據(jù)中國石油管道完整性管理的特點(diǎn),通過添加要素或提煉現(xiàn)有要素,提出專門針對管道完整性管理的數(shù)據(jù)模型PIDM,PIDM沿用了APDM的抽象類的行為和關(guān)系,分為邏輯模型和物理模型,邏輯模型描述了完整性數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),說明數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)關(guān)系,物理模型將數(shù)據(jù)庫中的特征定義為COM對象,通過建模工具導(dǎo)出XML文件創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫。PIDM模型共包含十二部分內(nèi)容:抽象和概念類、管道中心線、設(shè)施、檢測、侵占、運(yùn)行、陰極保護(hù)、管道風(fēng)險(xiǎn)、事件支持、歷史記錄、基礎(chǔ)地理和工程圖,根據(jù)這十二部分內(nèi)容生成的數(shù)據(jù)庫為管道完整性數(shù)據(jù)管理提供基礎(chǔ)底層服務(wù)。

2 管道完整性數(shù)據(jù)管理

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

目前中國石油管道普遍存在數(shù)據(jù)不完整、不精確的問題[14],同時(shí)管道完整性數(shù)據(jù)主要來源于管道歷史數(shù)據(jù)恢復(fù)、建設(shè)期數(shù)據(jù)及運(yùn)行期數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)種類繁多,數(shù)量龐大,從管道完整性角度分析,數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證[15-16]。由于采集的數(shù)據(jù)源不同,數(shù)據(jù)格式多樣,因此需要根據(jù)管道完整性數(shù)據(jù)模型的要求,詳細(xì)規(guī)劃數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程,包括數(shù)據(jù)的收集分類、數(shù)據(jù)整合等完整性管理的各個(gè)環(huán)節(jié),按照管道數(shù)據(jù)的格式多源性要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合[17]。將收集的原數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,最終成果數(shù)據(jù)為符合完整性管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的Geodatabase格式,對數(shù)據(jù)庫所需的字段制定Excel或Mdb數(shù)據(jù)模板,將數(shù)據(jù)模板添加到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫模板中,確保數(shù)據(jù)采集流程的規(guī)范化。

根據(jù)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果,管道完整性數(shù)據(jù)庫需要存儲管道中心線及管道設(shè)施數(shù)據(jù)、管道檢測數(shù)據(jù)、管道失效數(shù)據(jù)、管道運(yùn)行數(shù)據(jù)、管道沿線數(shù)據(jù)、站場數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)專題數(shù)據(jù)及遙感影像數(shù)據(jù)。同時(shí)為了準(zhǔn)確存儲管道的各種數(shù)據(jù),需要建立統(tǒng)一的參考坐標(biāo)系來標(biāo)記各種要素在管道上的相對位置,按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提取可用數(shù)據(jù)和有效數(shù)據(jù),最大限度提高數(shù)據(jù)精度,為管道完整性數(shù)據(jù)庫的建立做好準(zhǔn)備。

2.2 管道數(shù)據(jù)入庫

管道完整性數(shù)據(jù)庫建立在海量的管道沿線地理信息數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,如果直接在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫操作管道數(shù)據(jù)入庫會造成不穩(wěn)定性,可先建立一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)庫,把數(shù)據(jù)分批導(dǎo)入到本地?cái)?shù)據(jù)庫中,本地?cái)?shù)據(jù)庫和服務(wù)器上的正式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)完全一致,最后才把數(shù)據(jù)完整無誤地導(dǎo)入到管道完整性數(shù)據(jù)庫中,最后導(dǎo)入的數(shù)據(jù)包括管線設(shè)施數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、HCA分析數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)。管道完整性數(shù)據(jù)入庫流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)入庫流程圖

建立管道完整性數(shù)據(jù)庫,不僅要存儲完整性管理所必需的數(shù)據(jù),而且還要保證高效的數(shù)據(jù)查詢效率。在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫時(shí)使用建模工具Viso創(chuàng)建UML(Unified Mode-ling Language)邏輯模型,再建立物理模型,根據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)庫模式文件生成管道完整性數(shù)據(jù)庫,其中空間數(shù)據(jù)庫采用RDBMS(Relational Database Management System)+SDE(Spatial Database Engine)的方式存儲組織數(shù)據(jù)。管道完整性數(shù)據(jù)庫架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、中間件SDE層及應(yīng)用層,這樣管道完整性數(shù)據(jù)庫管理所有的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),有利于數(shù)據(jù)的一體化。

2.3 數(shù)據(jù)共享

為了解決管道完整性管理信息化中數(shù)據(jù)異構(gòu)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和重合、易形成信息孤島及缺乏集成平臺等問題,方便其他外部系統(tǒng)或第三方系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù),減少采集成本和避免重復(fù)工作,需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和資源信息的交流。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享應(yīng)盡可能不改變現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式,保持管道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性,統(tǒng)一對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行管理和發(fā)布。

管道完整性管理的業(yè)務(wù)復(fù)雜,系統(tǒng)的異構(gòu)性及數(shù)據(jù)的多源性導(dǎo)致管道完整性管理系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一平臺共享信息。為了實(shí)現(xiàn)管道完整性數(shù)據(jù)共享,開發(fā)基于SOA面向服務(wù)架構(gòu)的專用數(shù)據(jù)管理平臺,使用數(shù)據(jù)接口技術(shù)開發(fā)數(shù)據(jù)接口,實(shí)現(xiàn)外部系統(tǒng)對管道完整性數(shù)據(jù)的訪問,完整性評價(jià)結(jié)果也可使用數(shù)據(jù)接口方式對外發(fā)布成服務(wù),這樣保證了數(shù)據(jù)的同步更新,最大限度地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。管道完整性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可對外提供多種數(shù)據(jù)服務(wù),如業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、地圖服務(wù)及氣象數(shù)據(jù)服務(wù)等。圖3所示為風(fēng)險(xiǎn)專題數(shù)據(jù)成果地圖服務(wù)。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)專題數(shù)據(jù)成果地圖服務(wù)

3 完整性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

管道完整性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是專門針對管道完整性數(shù)據(jù)采集維護(hù)的系統(tǒng),系統(tǒng)以APDM模型為基礎(chǔ),擴(kuò)充APDM結(jié)構(gòu)定制出數(shù)據(jù)模型PIDM,建立管道完整性數(shù)據(jù)庫,對管線要素中的線路、站列、控制點(diǎn)、子系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)和更新。同時(shí)利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)管道資料和空間信息的結(jié)合,對管道完整性數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。系統(tǒng)建立在管道完整性數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,將管道全生命周期內(nèi)的各類數(shù)據(jù)按APDM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織,在系統(tǒng)建設(shè)初期,收集管道竣工、管道探測和沿線調(diào)繪等數(shù)據(jù),在管道運(yùn)營期完成轄區(qū)內(nèi)管道數(shù)據(jù)的管理工作。

系統(tǒng)功能主要分為中心線管理、要素管理、規(guī)則管理、版本管理及權(quán)限管理等五個(gè)模塊。其中中心線管理主要是對APDM模型中的控制點(diǎn)、站列、管網(wǎng)等要素類進(jìn)行維護(hù),通過本工具可批量生成控制點(diǎn)、根據(jù)已有控制點(diǎn)生成站列,對站列進(jìn)行合并、隔斷、聯(lián)通等操作,維護(hù)站列和管網(wǎng)、子系統(tǒng)的關(guān)系。要素管理模塊包括關(guān)聯(lián)管理、屬性編輯、在線要素管理及離線要素管理,提供工具實(shí)現(xiàn)管道空間位置和管道要素邏輯關(guān)系的管理。規(guī)則管理模塊是對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行可配置化管理,對APDM對象增加、修改、廢棄及刪除要素規(guī)則配置。版本管理是維護(hù)多用戶編輯SDE空間數(shù)據(jù)庫的版本,對數(shù)據(jù)編輯版本進(jìn)行管理、協(xié)調(diào),解決版本沖突。權(quán)限管理是對系統(tǒng)登錄權(quán)限、數(shù)據(jù)加載權(quán)限及版本權(quán)限進(jìn)行控制,對多用戶按角色授權(quán)的方式,在權(quán)限許可的范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)分布協(xié)作的管理方式。

系統(tǒng)采用面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)SOA(Service Oriented Architecture)的技術(shù)方法,將不同功能單元通過服務(wù)之間定義的接口聯(lián)系起來,以數(shù)據(jù)服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。從系統(tǒng)上線運(yùn)營的應(yīng)用情況來看,基本滿足完整性數(shù)據(jù)管理中數(shù)據(jù)錄入、維護(hù)、變更、查詢及分析等需求,落實(shí)了各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)管理流程,為管道安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保證。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)管理是管道完整性管理的基礎(chǔ)工作,涉及大量數(shù)據(jù)的處理和多個(gè)業(yè)務(wù)部門之間的協(xié)作,對管道數(shù)據(jù)進(jìn)行管理并保證數(shù)據(jù)的有效性是管道完整性管理的關(guān)鍵技術(shù)。通過對管道數(shù)據(jù)模型的研究、建立管道完整性數(shù)據(jù)庫及開發(fā)管道完整性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),基本滿足了管道完整性數(shù)據(jù)管理的需求,保證管道完整性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和完整性,但由于管道業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)各個(gè)時(shí)期的側(cè)重點(diǎn)不同,需要不斷地完善管道完整性數(shù)據(jù)管理技術(shù),才能更加有效地保障管道的安全。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.016

2016-04-22

中國石油集團(tuán)公司投資項(xiàng)目“管道完整性管理系統(tǒng)”(計(jì)劃2010-12)

徐 杰(1989-),男,湖南邵陽人,工程師,碩士,主要從事管道完整性數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)建設(shè)等信息化技術(shù)的研究工作。