基于三維GIS的化工園區(qū)公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)研究

孫柏，張濤，常松，劉旭，馬偉

(正元地理信息集團(tuán)股份有限公司，北京 101300)

0 引言

化工園區(qū)內(nèi)公共管廊用于敷設(shè)各個(gè)廠(chǎng)際間管道，是各廠(chǎng)區(qū)之間管道連接的”橋梁”，多由園區(qū)管理部門(mén)或委托專(zhuān)業(yè)的管廊運(yùn)營(yíng)公司組織規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)工作。化工園區(qū)一方面面臨減量淘汰、重新認(rèn)定的時(shí)代變革，另一方面也面臨提質(zhì)升級(jí)的歷史機(jī)遇。為避免化工園區(qū)在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)管道“蜘蛛網(wǎng)”，及危險(xiǎn)化學(xué)品輸送管道散亂分布導(dǎo)致的安全隱患突出的問(wèn)題，行業(yè)提倡有條件的化工園區(qū)發(fā)展公共管廊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。按照行業(yè)數(shù)字化發(fā)展和智慧化工園區(qū)建設(shè)要求，結(jié)合GB/T 36762—2018，應(yīng)用地理信息(GIS)、三維模型、AI智能算法、導(dǎo)航定位、視頻智能分析等先進(jìn)技術(shù)，研究探索化工園區(qū)智慧公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)建設(shè)，致力于提高公共管廊管理的科學(xué)性、規(guī)范性和有效性。

1 化工園區(qū)公共管廊管理面臨的問(wèn)題

由于化工園區(qū)公共管廊在園區(qū)范圍分散布設(shè)，廊上多種?；份斔凸艿绤R聚，直接服務(wù)于園區(qū)企業(yè)的日常生產(chǎn)，圍繞已經(jīng)入廊及新入廊管道的日常施工及運(yùn)維經(jīng)常出現(xiàn)，如何提高公共管廊管理水平，保障安全運(yùn)行、增強(qiáng)服務(wù)能力、落實(shí)安全作業(yè)將是化工園區(qū)公共管廊管理面臨的重點(diǎn)問(wèn)題。

1.1 管廊上敷設(shè)的化工管道多，一旦發(fā)生事故容易引發(fā)多米諾效應(yīng)

很多管道在公共管廊上集中敷設(shè)，其輸送的物料多為易燃易爆或有毒有害的危化品，一旦有管道發(fā)生泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故，容易引發(fā)周邊其他管道失效，形成多米諾效應(yīng)[1]，造成園區(qū)大面積停工停產(chǎn)，從而導(dǎo)致園區(qū)安全環(huán)境災(zāi)難、造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

有研究表明，化工管廊發(fā)生火災(zāi)時(shí)，管道失效時(shí)間與管道材質(zhì)、管徑、輸送介質(zhì)、輸送流量等因素有關(guān)；事故管道及時(shí)關(guān)閥，有助于阻斷事故沿管道傳播的機(jī)會(huì)，降低化工園區(qū)事故擴(kuò)大化的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)對(duì)事故案例統(tǒng)計(jì)和研究，火災(zāi)發(fā)生的2～10 min內(nèi)，入廊管道就會(huì)陸續(xù)失效，在此時(shí)間范圍內(nèi)采取有效的應(yīng)急救援措施可以及時(shí)控制事故態(tài)勢(shì)。

1.2 公共管廊服務(wù)園區(qū)所有企業(yè)，服務(wù)對(duì)象多、協(xié)同管理的要求高

公共管廊需要服務(wù)園區(qū)內(nèi)所有有需要的企業(yè)，為企業(yè)提供基礎(chǔ)設(shè)施保障服務(wù)。公共管廊服務(wù)對(duì)象眾多，其中入廊管道的權(quán)屬單位是企業(yè)，管廊主體結(jié)構(gòu)的權(quán)屬單位是管廊運(yùn)營(yíng)公司或園區(qū)管委會(huì)，進(jìn)入管廊區(qū)域作業(yè)的單位多是第三方施工服務(wù)單位。由此可知，化工園區(qū)公共管廊管理涉及對(duì)象多，工作協(xié)同度高，管理難度大。公共管廊管理工作需要明確責(zé)任主體，落實(shí)管理邊界，實(shí)現(xiàn)權(quán)責(zé)清晰的專(zhuān)業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

1.3 公共管廊區(qū)域臨時(shí)施工和特種作業(yè)多，邊運(yùn)行邊施工導(dǎo)致管理難度大

公共管廊作業(yè)活動(dòng)涉及高處作業(yè)、電工作業(yè)、焊接與熱切割作業(yè)、危險(xiǎn)化學(xué)品安全作業(yè)等多種特種作業(yè)，危險(xiǎn)程度高，施工關(guān)聯(lián)度大。隨著入廊管道數(shù)量增多，廊上管道長(zhǎng)距離集聚，維修清洗置換難度大[2]。一條入廊管線(xiàn)的施工作業(yè)，需要盡量避免其對(duì)周邊其他工作管道的安全運(yùn)行造成影響。公共管廊及工作管道在工作狀態(tài)下，周邊同時(shí)施工作，規(guī)范施工管理和管廊安全保障，工作難度相對(duì)較大。

1.4 公共管廊建設(shè)不是一次性建設(shè)的，要整體規(guī)劃、按需分步實(shí)施，對(duì)建設(shè)管理要求高

化工園區(qū)公共管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)一般應(yīng)納入園區(qū)總體規(guī)劃，根據(jù)園區(qū)規(guī)劃的總平面圖來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合園區(qū)入駐企業(yè)的需求分步、分期來(lái)組織實(shí)施。而且由于入駐園區(qū)的企業(yè)和企業(yè)對(duì)公共管廊的需求存在不確定性，因此一般會(huì)在已有企業(yè)入駐的區(qū)域先施工以滿(mǎn)足企業(yè)生產(chǎn)需求。按照需求變化情況，靈活組織安排管廊建設(shè)實(shí)施[3]。另外，由于企業(yè)搬遷、停產(chǎn)、轉(zhuǎn)產(chǎn)、擴(kuò)大產(chǎn)能等原因，需要及時(shí)跟蹤、妥善處置、合理規(guī)劃已入廊和即將入廊的管道。

2 公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)依托三維地理信息技術(shù)發(fā)展，研究發(fā)展了一套適用于公共管廊管理服務(wù)的數(shù)字化管理平臺(tái)，提升管廊管理公司數(shù)字化管理能力，保障管廊及入廊管道安全運(yùn)行，同時(shí)用數(shù)字化建設(shè)推動(dòng)管廊公司管理革新。

化工園區(qū)公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)利用二三維地理信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通訊、導(dǎo)航定位技術(shù)等，以公共管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為支撐，以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，圍繞管廊安全運(yùn)行在線(xiàn)監(jiān)管、日常巡檢維護(hù)、運(yùn)營(yíng)服務(wù)管理、應(yīng)急資源管理等具體需求，打造綜合型的一體化管理平臺(tái)，從而保證公共管廊健康穩(wěn)定的運(yùn)行，通過(guò)高效科學(xué)的管理，降低事故發(fā)生的可能性[4]。公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)業(yè)務(wù)架構(gòu)

前端感知層：通過(guò)布設(shè)廊體沉降、表面應(yīng)變、廊體震動(dòng)等廊架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)設(shè)備，邊界入侵、視頻監(jiān)控、氣象環(huán)境等管廊周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，接入入廊管道監(jiān)測(cè)設(shè)備信息等，提供全面的管廊運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管能力。

通訊傳輸層：指定統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，并提供企業(yè)信息接入接口，管委會(huì)平臺(tái)對(duì)接接口；建立信息通訊網(wǎng)。

數(shù)據(jù)資源層：建立地理信息庫(kù)、三維模型庫(kù)、管廊基礎(chǔ)信息庫(kù)、地下管線(xiàn)基礎(chǔ)信息庫(kù)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、分析數(shù)據(jù)庫(kù)等。

應(yīng)用支撐層：科學(xué)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源管理和應(yīng)用，提供基礎(chǔ)平臺(tái)級(jí)的支撐服務(wù)。具體包括時(shí)空數(shù)據(jù)管理服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入服務(wù)、視頻管理分析服務(wù)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：包括公用管廊安全運(yùn)行在線(xiàn)監(jiān)管系統(tǒng)、公共管廊日常巡檢維護(hù)管理系統(tǒng)、公用管廊運(yùn)營(yíng)服務(wù)管理系統(tǒng)、公共管廊應(yīng)急資源管理系統(tǒng)、建設(shè)項(xiàng)目全生命周期管理系統(tǒng)等。

應(yīng)用服務(wù)層：主要包括園區(qū)管委會(huì)、管廊運(yùn)營(yíng)企業(yè)、管道入廊企業(yè)、第三方服務(wù)單位。

3 公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)具體內(nèi)容

3.1 管廊前端感知體系建設(shè)

前端感知體系建設(shè)從管廊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、管道運(yùn)行安全、周邊環(huán)境情況、日常管理與應(yīng)急需要等方向整體考慮。

為保障管廊結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，考慮地面沉降可能給管廊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來(lái)的破壞，采用壓差式沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)廊體沉降情況[5]。對(duì)管廊關(guān)鍵承重構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并通過(guò)溫度補(bǔ)償校核，實(shí)時(shí)反應(yīng)承重構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變情況，避免局部過(guò)載造成的管廊結(jié)構(gòu)破壞。分析管道壓力變化、風(fēng)力影響等因素，可能引起廊體震動(dòng)，為避免過(guò)度震動(dòng)帶來(lái)的破壞，設(shè)計(jì)安裝震動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廊體震動(dòng)頻率和震動(dòng)幅度。

為了解管廊周邊環(huán)境情況，及時(shí)判斷危險(xiǎn)因素可能對(duì)管廊造成的影響，在管廊周邊設(shè)置視頻監(jiān)控，并通過(guò)視頻智能分析，及時(shí)判斷人員、車(chē)輛等進(jìn)入管廊區(qū)域情況。同時(shí)，通過(guò)高空熱成像視頻監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)廊體火災(zāi)和高溫管道運(yùn)行情況。通過(guò)安裝光纖入侵監(jiān)測(cè)設(shè)備，能在管廊周邊布置周界監(jiān)測(cè)，第一時(shí)間判斷外物進(jìn)入管廊區(qū)域情況。通過(guò)風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)和氣體特征污染物監(jiān)測(cè)，分析周邊環(huán)境氣象情況及氣體泄漏情況。進(jìn)而從管廊周邊環(huán)境方面確保管廊安全。

對(duì)入廊管道的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解管線(xiàn)運(yùn)行的壓力、流量、溫度等指標(biāo)信息，從而能第一時(shí)間判斷入廊管道、尤其是危化品輸送管道的狀態(tài)及安全性。

為確?，F(xiàn)場(chǎng)落實(shí)管廊公司管理要求、方便入廊作業(yè)人員工作、規(guī)范日常巡檢工作，在公共管廊區(qū)域采用物理標(biāo)簽(不銹鋼板)和RFID電子標(biāo)簽相結(jié)合的方式，發(fā)布管廊管線(xiàn)信息及提示警告等。同時(shí)，考慮采用無(wú)人機(jī)巡檢、融合通訊等設(shè)備，提高管廊事故應(yīng)急處置能力。

3.2 管廊數(shù)據(jù)資源體系建設(shè)

按照時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及三維模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)建結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)據(jù)資源管理體系，結(jié)合三維GIS平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、可視化呈現(xiàn)效果等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)化工園區(qū)管廊數(shù)據(jù)管理“一張圖”。公共管廊數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一采用CGGS2000(國(guó)家大地2000坐標(biāo)系統(tǒng))、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)坐標(biāo)，為數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理提供條件。在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐條件下，將三維GIS平臺(tái)與管廊三維模型充分融合，為管廊數(shù)字化管理提供全面可視化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，如圖2所示。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘分析數(shù)據(jù)，打造化工園區(qū)公共管廊數(shù)據(jù)資源中心。

圖2 化工園區(qū)公共管廊三維模型

公共管廊三維地理信息平臺(tái)，在公共管廊三維模型與入廊管道三維模型數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行全面的三維地圖操作和三維空間分析，包括凈距分析、管位分析等，如圖3所示。

圖3 化工園區(qū)公共管廊的入廊管道三維模型

3.3 基礎(chǔ)應(yīng)用支撐體系建設(shè)

基礎(chǔ)應(yīng)用支撐體系是業(yè)務(wù)應(yīng)用的綜合支撐和平臺(tái)保障。其中，時(shí)空大數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)是在二維地理信息服務(wù)和三維地理信息服務(wù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全面的時(shí)空信息管理，提供基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)應(yīng)用和模型數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能。物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入系統(tǒng)是對(duì)所有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行管理，建立清晰的物聯(lián)感知設(shè)備清單，提供標(biāo)準(zhǔn)的通信傳輸協(xié)議接口及非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換工具。平臺(tái)通過(guò)直接調(diào)用視頻智能分析軟件提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控越界報(bào)警和火災(zāi)、溫感監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。

3.4 管廊業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圍繞公共管廊運(yùn)營(yíng)管理單位業(yè)務(wù)需求，為便于應(yīng)用，業(yè)務(wù)系統(tǒng)均采用B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，其中，日常巡檢維護(hù)管理系統(tǒng)采用桌面端+移動(dòng)端的方式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具體應(yīng)用及功能如表1所示。

表1 公共管廊綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)功能描述

4 結(jié)語(yǔ)

基于三維GIS的化工園區(qū)公共管廊數(shù)字化管理平臺(tái)是在公共管廊及入廊管道三維模型數(shù)據(jù)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)將物理空間中的真實(shí)管廊全面一一映射到虛擬的數(shù)字空間，從而探索建設(shè)一座“數(shù)字孿生”管廊，為打造化工園區(qū)公共管廊精細(xì)化管理方式和管理單位數(shù)字化改革奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。充分考慮公共管廊安全運(yùn)行與企業(yè)服務(wù)的實(shí)際作用，有針對(duì)性的按需建立各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，將會(huì)進(jìn)一步提升化工園區(qū)公共管廊管理單位的管理能力。