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1、 1长输管道完整性管理 GIS 数据模型研究 贾庆雷2 2， 王 强3 3， 万 庆1,21,2， 白俊波2 2 (1 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2 北京中科永生数据科技有限公司，北京 100083； 3 北京华油天然气有限责任公司，北京 100101) 摘 要：摘 要： 随着我国长输管道建设规模的不断扩大， 管道运营过程中出现的安全问题逐渐成为行业内部乃至整个国家和社会所关注的焦点。针对上述问题，业内专家提出的以 GIS 为其实现手段，对管道进行完整性管理，是目前解决管道运营中的安全问题可采用的一种较好的方法。采用完整性管理方法，首先需要对管道数据进行建模，把管道的
2、设计资料、竣工资料、检测数据以及设备信息等统一的用空间数据库来管理。本文在分析对比国际上现有的多个管道数据模型的基础上，结合我国管道完整性管理经验，提出适合我国的管道数据模型。实践证明，本文提出的管道数据模型在我国管道完整性管理中具有很高的应用价值。 Abstract: Along with the constant development and expansion of the industry of long-distance pipeline construction in China, pipeline security has gradually become a focus of
3、 both the internal and our whole society. In view of this, some experts proposed pipeline integrity management combined with techniques of GIS, which has been considered as a well-adapted solution. In this approach firstly it needs data modeling and then all data such as pipeline design, as-construc
4、ted, inspection data, et al. are altogether and efficiently managed within defined spatial database. Based on the analysis and comparison of some worldwide existing data models as well as some pipeline integrity management experience in China, in this paper, the author proposed an optimized pipeline
5、 data model suitable for Chinese pipeline integrity management. Practice has proved a high potential for applications of this proposed pipeline data model in China pipeline integrity management. 关键词关键词：长输管道 管道完整性 站场管道数据模型 APDM PODS 1 长输管道简介 长距离输油气管道是石油和天然气行业的主要运输工具，自上个世纪中叶以来世界管道技术发展非常迅速，根据中国石油经济技术研究
6、院的统计数据，2004 年中国输油气管道长度已达到 38204 公里，其中包括输油管道 17089 公里，以及输气管道 21115 公里（世界石油工业统计 2005）；美国的管道里程更是达到了数十万公里之多。 由于长输管道运输的介质是易燃、易爆物质，加之管道途经地区地域广阔、地质条件与社会条件复杂多变，因此输气管道的安全问题一直是社会各界和管道公司关注的焦点。威胁管道安全的因素有很多，比如管道运行期间第三方破坏、管道超时服役而腐蚀穿孔、自然灾害、误操作或管道设计施工遗留的缺陷、损伤等等，其中任何一种因素都可能引发重大的管道事故，造成人员伤亡、财产损失和生态环境破坏等严重后果。近年来，我国运营的
7、油气管道已经发生多起爆管、断管等事故。美国、俄罗斯、加拿大、英国、阿根廷、委内瑞拉等国家也发生了多起爆管、泄漏事故，损失惨重，给社会造成极大负面影响。国际上诸2如此类的事故举不胜举。因此对长输管道的安全运营进行规范合理的管理是非常必要的。早些年国际上针对管道的安全运营提出了完整性管理的概念（美国运输部 DOT 颁布相应的法规，ASME 出台了标准）。国内相关研究人员坚持不懈地学习国际上管道完整性管理方面的经验，力争逐步制订出一系列完善的安全规范与安全标准，同时提供一套完整的安全管理方法和执行程序5。 目前，国内外有关管道科技的文献资料均是从不同侧面对管道完整性进行描述， 还没有 “管道完整性”
8、一词的明确定义。管道完整性管理简单地说就是指基于风险评价技术，对所有影响管道设施正常平稳运行的因素通过科学的手段进行分析，主动识别风险源，按照保持管道完整的判定标准对识别出的风险进行整改，使管道在运行期间一直处于完好的工作状态。它是集安全、风险、管道和信息多领域技术于一体的综合管理。管道完整性的内涵包括两个主要方面：一是以保障管道物理上和功能上得相对完整为目的；二是提倡主动式管理，使管道系统始终处于受控状态，实现管道安全和经济运营。为了能对管道完整性进行科学有效地管理和维护，我们有必要借助数学、计算机科学、地理信息科学等多学科，相互结合来寻求有助于管道完整性管理的方法论。在国外管道完整性管理倍
9、受管道运营公司的重视，研究进展较快。可是，到目前为止，该技术还没有发展成为一套全面的、系统的、科学的管道完整性理论和技术。而目前国内油气管道完整性管理技术刚刚起步，许多研究领域尚属空白。对于一项庞大的长输管道工程，从工程设计到施工，再到运营，每个阶段都会产生大量的数据，使用传统纸质资料的管理方式已经远远满足不了当前管道管理的需要。GIS 依其强大的空间数据管理和分析功能，为管道完整性管理提供科学依据，极大地促进了管道完整性的管理，在该领域中逐渐显示出巨大的生命力。管道的设计资料与竣工资料、管道的属性数据以及空间信息等大量数据均采用统一的空间数据库进行管理，在此基础上结合 GIS 技术，利用其空
10、间分析功能，对管道进行管理和维护。历届国际管道会议（IPC）都将“GIS 在管道行业的应用”作为一个专题来讨论，管道管理和运营引入信息化的管理手段已成为必然。 如何对长距离输油气管道的完整性进行科学、高效地管理与维护，进而构建管道数据模型，成为当前国内外管道行业的研究热点与关键问题。本文在深入研究国际上现有的管道数据模型的基础上，结合我国具体国情与实际需要，提出了一种适合于我国管道行业的管道数据模型。 2 管道数据模型综述 国际上现有的管道数据模型主要有三种：集成空间分析技术(ISAT)、管线开放数据标准(PODS)以及APDM管道数据模型。其中ISAT与PODS是基于工业标准的关系型数据库管
11、理系统设计而成，APDM模型基于Geodatabase设计。 ISAT是专门面向长输管道的数据模型， 该模型于1997年发布； PODS数据模型由ISAT衍生而来，该模型克服了ISAT的诸多缺陷，在数据库标准化、管道检测监测、GIS应用以及管道工业的一般业务活动之间具有衔接作用； APDM模型于2002年7月提出， 该模型的设计能更好的支持GIS系统的实现。管道空间分布具有明显的线性特征，上述的三个管道数据模型在设计过程中都充分考虑了线性参考和动态分段技术。 PODS的目标是不依赖于任何GIS软件。PODS中有很多表都是由ISAT继承而来，其中核心表都是依据拥有管道里程最长的原Williams
12、天然气管道公司的实际运营经验而提出。在实现PODS数据模型的时候，可3以使用PODS委员会已经发布的数据定义语言（DDL），使用该DDL建库将会自动应用其中内建的表之间的完整性约束，快速建立管道数据库结构1。 APDM（ArcGIS Pipeline Data Model），是ESRI公司和其他一些大型管道运营公司共同制定的一个面向管道行业应用的GIS数据模型，用于存储与收集和传输管道(包括气体和液体系统)相关的要素信息。最新版本APDM v4于2006年8月份发布。APDM的设计基础是ESRI公司的Geodatabase空间数据库。空间数据库是一种将地理数据作为关系型数据库中的要素来进行存储
13、和管理的对象关系型框架。APDM模型中的要素类主要来自于ISAT和PODS模型中所包含的表；其主要属性均可在ISAT和PODS模型的属性表中找到。地理数据库与APDM模型通过关系型数据库引擎连接在一起。 APDM模型不能使用标准结构化查询语言(SQL)或其它数据访问技术(如开放的数据库连接ODBC，或微软ActiveX数据对象ADO)进行访问，因为企业级Geodatabase提供了一些高级的应用（例如：域值约束和多版本机制），定制和访问存储于APDM中的数据的基本方法是通过ESRI公司的核心组件模型ArcObjects。 APDM模型设计时包含了约80%的管道公司对管道本体及周边地质灾害管理常
14、用标准要素，而且在制作模型库时包含了当前的热点术语，如管线检测、高后果区域、风险分析等。APDM以模板的形式进行设计，所有用户均能以模型的核心元素为基础，通过添加要素或提炼现有要素来定制模型2。 3 长输管道数据模型APDM-CH 笔者参考以上的几个管道数据模型，根据我国管道行业的实际需求，提出适合中国管道完整性管理需要的数据模型APDM-CH，在本节中，以下均简称“模型” 。 目前国内管道行业都在积极开展的长输管道完整性管理把对整个管道系统主要分为以下五个方面：管道本体，防腐，地质灾害与周边环境，站场及设施，储气库等，国外管道企业更多地关注管道本体、防腐和地质灾害几部分，欧洲的管道企业对站场
15、设施前期设计阶段的完整性管理控制较为严格。这五个方面是构成了一个完整的管道系统的不可或缺的要素，贯穿于完整性管理的始末。实施管道完整性管理的目的在于找出管道运行过程中存在的风险因素，评价在役管道的安全状况，提出消减风险的措施，保障管道安全运行。管道本体作为管道系统最重要的组成部分，需要通过防腐设备或涂层来降低管道被土壤或传送介质腐蚀的速率； 而地质灾害与周边环境有可能对管道的运行构成巨大安全威胁， 是管道公司关注的焦点之一。另外，管道系统的正常运行也离不开站场，站场分布于管道沿线，按照站场的作用可以分为：干线阀室、清管站、计量分输站、增压站和储气库等，站场内的各种工艺设备确保了管道系统的正常安
16、全运行；储气库是管道系统用来储存介质、调节峰值的有效手段。 4管道本体防腐地质灾害与周边环境站场及设施站场压缩机涂层接地床管段焊缝断裂带洪水区储气库管道系统图 1 管道系统组成 Fig.1 The sketch map of the pipeline system 为了满足完整性管理的要求，并且能对管道系统进行科学化、信息化管理，需要对管道系统进行数据建模，APDM-CH 模型就是以上文提到的五个部分为依据而建立的。对于管道系统的每一个部分，模型中分别有两类数据对其描述，其一是静态数据，其二为动态运行数据。以管道本体为例，其静态数据模型有管段（PipeSegment）和焊缝（Weld）等对象，而动态的数据模型有：用于检测管道缺陷的内检测数据结果（Anomaly）和管道埋深数据（PipeDepth）等，都是周期性产生的管道本体相关的数据。其它四个完整性管理关注的部分在 APDM-CH 模型中也分别有静态的数据对象和动态运行数据对象来描述。防腐部分的静态数据有涂层（Coating），阴极保护接头（CPBond） ，接地床（CPGroundBed）
