基于大數(shù)據(jù)地理信息系統(tǒng)的油氣管道泄漏分析研究

王萍利

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077)

石油與天然氣對(duì)民眾生活的穩(wěn)定和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展均具有重大的影響。如何安全可靠地運(yùn)輸石油與天然氣是石油天然氣物流發(fā)展的首要問題，油氣管道為輸送大批量石油與天然氣基本方式之一[1]。油氣管道輸送石油與天然氣優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在運(yùn)輸成本低、占用空間小、運(yùn)輸量大并且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此成為油氣輸送較為有效的方式。全球油氣管道的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了快步伐、大規(guī)模和高水平的時(shí)代，國(guó)外油氣管道的建設(shè)為國(guó)際能源市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。

1 定位技術(shù)

20世紀(jì)90年代后期，國(guó)內(nèi)各科研小組及科研人員不再拘泥于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的模擬管線，研究的對(duì)象逐漸演變?yōu)橛蜌廨斔偷拈L(zhǎng)輸管道、城市的供水管網(wǎng)以及大型重裝設(shè)備[3]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)各科研研究小組已經(jīng)完全有能力解決實(shí)時(shí)監(jiān)控油氣輸送管線以及泄漏報(bào)警問題。國(guó)內(nèi)多所知名院校如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)以及天津大學(xué)等都深入研究過該領(lǐng)域的問題[4]。檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 油氣管道二三維表達(dá)平臺(tái)

2.1 數(shù)據(jù)采集及組織

柵格數(shù)據(jù)易于實(shí)現(xiàn)、操作簡(jiǎn)單，有利于數(shù)據(jù)處理，如計(jì)算面積、土方等數(shù)據(jù)有非常明顯的優(yōu)勢(shì)[5]。因此，想要將表達(dá)精度提高1倍，相應(yīng)地就要提高數(shù)據(jù)量，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。矢量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)點(diǎn)位置比較清晰，但是其屬性不夠明顯。矢量數(shù)據(jù)的操作比柵格數(shù)據(jù)的操作相對(duì)復(fù)雜，許多功能(如數(shù)據(jù)疊加等)難以實(shí)現(xiàn)。但它的精度高，占用空間小，輸出圖形美觀且工作效率高[6]。兩者比較見表1。

表1 數(shù)據(jù)類型

2.2 數(shù)據(jù)獲取

(1)應(yīng)用高倍數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行高空提取地物地形數(shù)據(jù)。應(yīng)用高倍數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行高空提取地物地形數(shù)據(jù)是現(xiàn)在地理數(shù)據(jù)的重要來源之一。為了簡(jiǎn)化操作，在航拍影像過程中采用幾何約束手段來提取地物數(shù)據(jù)，也就是人工選用大小合適的矩形作為建筑物的識(shí)別區(qū)域，而不必標(biāo)定每個(gè)房屋位置的關(guān)鍵點(diǎn)[7]。由于計(jì)算機(jī)無法判斷建筑物影像的邏輯關(guān)系，數(shù)據(jù)采集人員可以干預(yù)計(jì)算機(jī)的邏輯判斷，以大大提高模型數(shù)據(jù)的提取精度和效率[8]。

(2)相關(guān)建筑物數(shù)據(jù)的獲取。獲取建筑物高度的方式主要有：①應(yīng)用研究算法。②應(yīng)用激光探測(cè)儀直接獲取。雖然這種方法獲取數(shù)據(jù)的速度很快，但是前期需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，后期也需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，不太適合大批量的數(shù)據(jù)獲取。③結(jié)合空中影像和研究算法提取高程數(shù)據(jù)[9]。④在二維地圖上直接人工加載建筑物的高度。其特點(diǎn)是人工根據(jù)地物的層數(shù)估計(jì)高度，誤差較大。

(3)應(yīng)用全站儀等數(shù)字測(cè)量工具進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。根據(jù)外測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用ArcMap等處理軟件生成二維地物，如河流、稻田、馬路、荒地等。同時(shí)應(yīng)用sketchup軟件基于外測(cè)數(shù)據(jù)建立三維地物模型，如泵站、架空管道、穿越點(diǎn)、拐點(diǎn)、居民房屋、生產(chǎn)工廠、農(nóng)業(yè)大棚等。故采用高精度數(shù)字全站儀野外測(cè)量數(shù)據(jù)，通過嚴(yán)密計(jì)算已知點(diǎn)坐標(biāo)得到滿足需求的南輸管線的地理信息數(shù)據(jù)[10]。

2.3 測(cè)繪數(shù)據(jù)

對(duì)管道沿線左右50 m范圍內(nèi)的地物、地形及管道附屬設(shè)施進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)收集。

(1)測(cè)繪儀器。拓普康(TOPCON)全站儀[11]。

(2)獲取的數(shù)據(jù)。①點(diǎn)狀數(shù)據(jù)：管線拐點(diǎn)、公里樁、通信塔、電線桿、穿越點(diǎn)等；②線狀數(shù)據(jù)：通信線路、輸電線路、等高線、油氣管道、鐵路、各級(jí)公路、河流、高速圍欄等；③面狀數(shù)據(jù)：遼寧省區(qū)域、池塘、水庫(kù)、橋梁、工廠、果園、養(yǎng)殖廠、大棚、村莊以及各種耕地等。

(3)注意事項(xiàng)。①及時(shí)處理當(dāng)天的測(cè)繪數(shù)據(jù)，能夠回憶起當(dāng)時(shí)測(cè)繪時(shí)的場(chǎng)景，再現(xiàn)所測(cè)地物具體狀況[12]；②測(cè)繪與管線安全運(yùn)行相關(guān)的信息，可以減少測(cè)繪工作量；③保存好當(dāng)天測(cè)繪最后的測(cè)繪點(diǎn)，以便第2天以此為參考點(diǎn)繼續(xù)測(cè)繪，進(jìn)而減小測(cè)繪中的誤差；④盡量多的測(cè)繪工具并排前進(jìn)，對(duì)面積較大的地物測(cè)取較多的數(shù)據(jù)，以便建模時(shí)確定其形狀和所占面積。

2.4 數(shù)據(jù)組織

地形測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)生成TIN格式的三維地形，通過局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端和服務(wù)器端共享進(jìn)行三維地圖訪問。2種數(shù)據(jù)通過管道平面坐標(biāo)(X，Y)相關(guān)聯(lián)，在GIS中顯示管道完整性評(píng)價(jià)的結(jié)果[13]。數(shù)據(jù)組織如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)組織

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理模塊主要檢測(cè)數(shù)據(jù)、管節(jié)數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)參數(shù)、維搶修記錄數(shù)據(jù)、新地物與特殊點(diǎn)等數(shù)據(jù)的入庫(kù)、維護(hù)、查詢；二三維表達(dá)模塊基于管道物理數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行管道周邊環(huán)境50 m范圍內(nèi)地形地貌的直觀表達(dá)、道路導(dǎo)航、三維管網(wǎng)與場(chǎng)地站模擬、空間數(shù)據(jù)查詢等功能、維搶修點(diǎn)定位等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示[14]。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 地圖繪制及三維建模

(1)地圖繪制。二維地圖以市域圖為背景圖，在ArcMap中疊加各種管道沿線地物的shapefile文件，存儲(chǔ)為.mxd地圖文件。

(2)三維建模。把測(cè)繪數(shù)據(jù)按不同的要素類型分類，然后在ArcMap中導(dǎo)入，如圖4所示。

圖4 地物不同要素

把外測(cè)管道沿線地形數(shù)據(jù)點(diǎn)連線形成高程線，面要素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)連線生成面，如連接站不同邊角點(diǎn)構(gòu)成的圖。站場(chǎng)模型如圖5所示。

圖5 站場(chǎng)模型

在ArcScene中把高程線生成TIN格式的三維地形并做檢查、補(bǔ)充、修改等工作[15]。把不同地物因素根據(jù)浮動(dòng)高度，調(diào)整到三維地形表面，最后把用sketchup制作的三維立體模型，根據(jù)專題要素的空間數(shù)據(jù)，加載到對(duì)應(yīng)的三維地形上的要素類型[16]。建模展示如6所示。

圖6 建模展示

(3)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)功能大體分為管道完整性評(píng)價(jià)模塊、基于GIS管道運(yùn)行管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊[17]。各模塊功能如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能

4 油氣管道泄漏檢測(cè)與定位分析

4.1 定位成品油管道泄漏點(diǎn)

成品油管道輸送方式大都采用埋地等溫輸送。管道埋深處地溫相對(duì)穩(wěn)定，假定為溫度恒定，壓力變化對(duì)其參數(shù)的影響可以忽略。由此認(rèn)為，負(fù)壓波在成品油管道中的傳播速度是恒定的，如式(1)所示：

(1)

彈性系數(shù)與其組成、溫度和壓力有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)室中可以測(cè)定。但當(dāng)壓力低于4.0 MPa時(shí)，彈性系數(shù)隨壓力變化不大，隨溫度變化較大。20 ℃條件下，汽油的體積彈性系數(shù)為9 160×105Pa；煤油的體積彈性系數(shù)為13 600×105Pa。

4.2 天然氣管道泄漏點(diǎn)確定

確定泄漏點(diǎn)的基本公式，對(duì)于天然氣來說，如式(2)所示：

(2)

其中，P為壓強(qiáng)；T為溫度。

管道中氣體流速相對(duì)較大，不宜忽略。設(shè)管道內(nèi)的氣體流速為u，波的絕對(duì)速度為a，則壓力波傳播到上游接收器時(shí)的相對(duì)速度為a-u，傳播到下游接收器時(shí)的傳播速度為a+u。

4.3 系統(tǒng)采集時(shí)差確定

由在使用負(fù)壓波方法確定管道管道泄漏位置時(shí)，計(jì)算結(jié)果受2個(gè)參數(shù)影響：①上下游檢測(cè)器檢測(cè)到負(fù)壓波的時(shí)間差t；②負(fù)壓波的絕對(duì)速度a。因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)自身存在誤差，所以t會(huì)受系統(tǒng)誤差的影響產(chǎn)生誤差。若系統(tǒng)采樣頻率為10 Hz，則t的固有誤差約為100 ms，代入公式計(jì)算得到的泄漏位置X就有50～60 m的定位誤差。與此同時(shí)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)差與噪聲干擾問題都會(huì)對(duì)t將產(chǎn)生影響，最后導(dǎo)致t誤差比較大。管道內(nèi)介質(zhì)密度隨溫度與壓力變化是導(dǎo)致誤差的主要因素，但從上述3種輸送介質(zhì)的負(fù)壓波傳播速度分析可得出，a所引起的誤差要比t更小，即泄漏定位誤差的主要因素是t。

油氣管道站間跨越距離比較大，一般在上百千米，最大可達(dá)400 km。如何實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)上、下游檢測(cè)信號(hào)裝置對(duì)應(yīng)同步的關(guān)鍵在于系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時(shí)差問題。為使2個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置同步檢測(cè)的壓力信號(hào)，運(yùn)用GPS統(tǒng)一兩裝置的工控機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘。但是GPS的時(shí)間控制也不是絕對(duì)準(zhǔn)確的，主要是接收機(jī)時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生誤差。好在這個(gè)誤差并不是很大，例如定位型接收機(jī)的時(shí)鐘誤差一般可以控制在毫秒級(jí)別。在國(guó)內(nèi)，大多油氣管道管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用專線。如圖8所示，這種方式不需要安裝GPS，傳輸條件比較穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)時(shí)，具有較小的時(shí)差內(nèi)并且不用花費(fèi)資金購(gòu)置GPS。

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集示意

要獲取準(zhǔn)確的時(shí)間差t，應(yīng)當(dāng)保證2個(gè)傳感器采集同步的壓力信號(hào)序列、能夠準(zhǔn)確地確定壓力信號(hào)的拐點(diǎn)。

5 基于小波分析的泄漏定位檢測(cè)實(shí)例

5.1 工況概要

假設(shè)實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)為500 m，首端監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離管道起點(diǎn)50 m處，末端監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離管道起點(diǎn)250 m處，泄漏閥距離管道起點(diǎn)108 m處，壓力波傳播速度為1 158 m/s。

5.2 對(duì)泄漏定位計(jì)算

由工況可得兩壓力傳感器之間的距離為200 m，管道泄漏點(diǎn)(即泄漏閥)距離首端監(jiān)測(cè)點(diǎn)58 m。對(duì)首末兩泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的壓力信號(hào)進(jìn)行小波分析處理、去噪后，可以計(jì)算出負(fù)壓波傳播到首末端泄漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差為：Δt=t1-t2=-0.058 s；利用管道泄漏定位公式定位為：x=66.418 m；定位相對(duì)誤差：e=4.21%。

把此空間信息映射到平面坐標(biāo)內(nèi)，進(jìn)而求取其平面坐標(biāo)然后在GIS二維表達(dá)和三維表達(dá)模塊中進(jìn)行展示(圖9)。GIS平臺(tái)中基于小波分析的泄漏點(diǎn)檢測(cè)與定位分析模塊中獲得泄漏點(diǎn)距離管線起點(diǎn)的里程長(zhǎng)度。通過封裝函數(shù)把線性坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)，利用空間坐標(biāo)作為參數(shù)傳遞給GIS的表達(dá)模塊進(jìn)行定位。

圖9 平面坐標(biāo)在二維和三維GIS表達(dá)主界面

6 結(jié)論

地理信息技術(shù)是當(dāng)今主流的多媒體跨平臺(tái)技術(shù)，它必將促使管道管道泄漏檢測(cè)盒定位分析向著數(shù)字化、形象化、可視化方向發(fā)展。利用VS2010開發(fā)平臺(tái)配以空間數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合地理信息系統(tǒng)提供的GIS插件、工具、組件庫(kù)搭建了油氣管道及其附屬設(shè)施的基于GIS的二、三維表達(dá)平臺(tái)。采用壓力傳感器接收壓力波信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行小波變換、去噪處理，檢測(cè)分辨出負(fù)壓波并記錄其傳播至上、下游兩傳感器的時(shí)間。根據(jù)負(fù)壓波傳播到上下游傳感器的時(shí)間差與傳播速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道泄漏目標(biāo)點(diǎn)的定位并在第一時(shí)間做出應(yīng)急響應(yīng)。