城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全信息系統(tǒng)建設(shè)中的GIS應(yīng)用

1、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全信息系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用本文探討了地理信息系統(tǒng)在燃?xì)庑袠I(yè)安全信息系統(tǒng) 管理、管網(wǎng)運(yùn)行模擬及管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、管網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化、管道 施工及事故搶修、工作管理及聯(lián)動系統(tǒng)中的應(yīng)用及其功能。 對提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全性及其運(yùn)行效率起了重要的指導(dǎo)作 用。一、引言燃?xì)夤芫W(wǎng)是城市地下管網(wǎng)的重要組成部分，與城市居民 生活密切相關(guān)，隨著燃?xì)庥脩舸蠓仍黾樱饩€路和設(shè)備 越來越復(fù)雜，加之燃?xì)夤芫W(wǎng)輸送的介質(zhì)具有易燃有毒的特 性，這就要求必須用更先進(jìn)的技術(shù)手段對燃?xì)庑畔⑾到y(tǒng)進(jìn)行 科學(xué)管理，確保輸配氣的安全性和用氣的可靠性。然而在目 前，燃?xì)夤驹诎踩芾硇畔⑾到y(tǒng)建設(shè)上面還存在很多問 題，主要表現(xiàn)在：首先，以傳統(tǒng)檔

2、案方式保存燃?xì)夤芫W(wǎng)涉及 的大量數(shù)據(jù)和資料，許多信息分散存放甚至遺失，這給一些 安全問題的查詢和檢索帶來了極大的不便，使得資料的利用 率低，同時也不能給決策者、信息咨詢者提供及時、準(zhǔn)確的 安全決策依據(jù)；其次，以人工方式繪制管網(wǎng)竣工圖，更新速 度慢，不能及時反映經(jīng)常變化的管網(wǎng)線路，致使資料的時效 性不能得到保證， 降低了安全管理中對資料的可用性； 再者， 人工利用文字、圖紙進(jìn)行各種信息的傳達(dá)使得信息傳輸渠道 老化，造成工作中大量的拖延和失誤，從而極大的影響了工 作效率，造成安全管理工作的諸多矛盾和不應(yīng)有的損失。因 此，為了提高燃?xì)夤镜陌踩芾硭?，保證燃?xì)廨斉湎到y(tǒng) 的管理、調(diào)度和運(yùn)行上的及時、可

3、靠與準(zhǔn)確，尤其是在事故 情況下能夠準(zhǔn)確及時地查找故障點(diǎn)，迅速判明受影響范圍， 指揮有關(guān)人員修復(fù)故障并及時通知受影響區(qū)域的用戶停氣， 實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的動態(tài)跟蹤安全管理和管網(wǎng)決策的自動化和科學(xué) 化就顯得非常必要。由于燃?xì)夤芫W(wǎng)中的管線、設(shè)備、用戶具有明顯的地域特 征，即空間信息，且平時的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、計(jì)劃、施工、測繪、 輸配、搶修、銷售、服務(wù)和發(fā)展無不圍繞這個空間進(jìn)行。因 此，這種空間特性使得地理信息系統(tǒng) （GIS ，Geographic Information System） 成為對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全信息系統(tǒng)管理 的重要工具。 而利用 GIS 技術(shù)構(gòu)建燃?xì)夤芫W(wǎng)信息系統(tǒng)的目標(biāo) 就是以城市的地形圖為背景，疊加燃

4、氣公司的燃?xì)夤芫W(wǎng)圖， 并勾連其對應(yīng)的管道及設(shè)備屬性，將這些同一空間、不同層 的圖形信息和數(shù)據(jù)庫信息疊加在一起，構(gòu)筑一個地理信息基 礎(chǔ)平臺。該平臺可以在電子地圖上從點(diǎn)（指定設(shè)施或地點(diǎn)） 線（管道、管線） 、面（管網(wǎng)或區(qū)域）全方位輔助管理人員 進(jìn)行輸配調(diào)度、圖檔管理、維護(hù)保養(yǎng)和突發(fā)性事故的處理，具有傳統(tǒng)圖檔管理無可比擬的優(yōu)點(diǎn)二、地理信息系統(tǒng)概述地理信息系統(tǒng)建立在與地理坐標(biāo)位置有關(guān)的各類型信 息庫基礎(chǔ)之上，是一種用于采集、存儲、管理、分析、描述、 顯示和輸出空間相關(guān)信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、 地理學(xué)、信息科學(xué)、 管理科學(xué)和測繪科學(xué)為一體的新興技術(shù) 它以地理數(shù)據(jù)為研究對象，以空間數(shù)據(jù)庫為核心，

5、采用多種 數(shù)據(jù)分析與建模方法，實(shí)時提供多種空間和動態(tài)資源與環(huán)境 信息，為科研、管理和決策提供服務(wù)。它能把圖形管理系統(tǒng) 和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，不但克服了數(shù)據(jù)庫和圖形 系統(tǒng)各自固有的局限性，而且使二者的優(yōu)勢相聯(lián)合，優(yōu)勢更 加突出，功能倍增，既管理對象的位置又管理對象的其他屬 性，而且位置和其他屬性是自動關(guān)聯(lián)的，提供的信息產(chǎn)品除 了簡單的文字和數(shù)據(jù)外，而且還有一幅幅的空間圖形或圖 像。 GIS 具有以下幾方面的功能：具有采集、存儲、管理、 分析和描述各種空間數(shù)據(jù)的能力；具有顯示功能，可以將 各種信息及分析結(jié)果以多種形式輸出和表達(dá)出來；輔助研 究和決策。用計(jì)算機(jī)程序模擬各種分析方法，作用于空間

6、數(shù) 據(jù)后可以產(chǎn)生高層次的信息，便于快速、準(zhǔn)確、綜合的對復(fù) 雜的空間現(xiàn)象進(jìn)行過程與動態(tài)分析。地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它是一種新的區(qū)域和空間分 析支持系統(tǒng)，它不僅具有空間數(shù)據(jù)管理能力，而且通過空間 分析可產(chǎn)生常規(guī)方法難以得到的分析決策信息，能夠高效 率、高精度、定量的實(shí)現(xiàn)區(qū)域分析及過程模擬和預(yù)測。三、GIS 在燃?xì)夤芫W(wǎng)中的應(yīng)用1、基于 GIS 的燃?xì)夤芫W(wǎng)信息管理 以前，燃?xì)夤緦θ細(xì)夤芫W(wǎng)信息的管理，主要是依賴于 文字、圖紙或者數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并利用上述方式來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和 計(jì)算。這種管理最大的缺點(diǎn)就是不能進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)的描 述、管理、操作和分析。但對燃?xì)夤芫W(wǎng)來說，關(guān)于管網(wǎng)的區(qū) 域性和空間性特征是很重要的因

7、素，正因?yàn)槿绱耍?GIS 進(jìn)行燃?xì)夤芫W(wǎng)方面的信息管理就比文字、圖紙或者傳統(tǒng)的數(shù) 據(jù)庫管理具有無比的優(yōu)勢。由于有關(guān)燃?xì)夤芫W(wǎng)的信息具有明顯的空間地理特征和 數(shù)據(jù)庫特征。因此，利用 GIS 的數(shù)據(jù)庫管理功能輔助上述信 息的管理，具有很多的優(yōu)點(diǎn)，如空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)功能、定位 和查詢功能、圖層管理功能等。更重要的是由于 GIS 具有強(qiáng) 大的空間操作功能，所以利用其輔助燃?xì)夤芫W(wǎng)信息系統(tǒng)的管 理，就可以對管網(wǎng)信息進(jìn)行各種分析工作，得出一些重要的 信息指導(dǎo)管網(wǎng)安全管理和建設(shè)工作。輔助燃?xì)夤芫W(wǎng)信息管理的 GIS 具有如下功能：1）數(shù)據(jù)的輸入和管理。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)輸入與管理功能， 包括與燃?xì)夤芫W(wǎng)和用氣用戶有關(guān)的各

8、種信息。例如，關(guān)于供 氣管網(wǎng)中運(yùn)行參數(shù)壓力、流量、氣質(zhì)、氣壓信息以及管線、 閥門、水井、儲配站、調(diào)壓器、氣表、消火栓等各種設(shè)備設(shè) 施的信息，如平剖面位置、材質(zhì)、埋深、 周邊土質(zhì)及相關(guān) 設(shè)施情況、安裝時間、運(yùn)行狀況（ 如故障頻數(shù)）等；關(guān)于 用戶的信息，如用戶屬性數(shù)據(jù)、用戶氣量數(shù)據(jù)、用戶接氣點(diǎn) 位置等信息。2）管網(wǎng)信息查詢。 地理信息系統(tǒng)具有非常方便的定位功 能，可對輸配 GIS 系統(tǒng)中的圖形信息和屬性信息進(jìn)行靈活多 樣的雙向空間查詢。在電子地圖上，用戶可以實(shí)現(xiàn)隨意的縮 放、漫游。同時，各類燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)都可以在地圖上查詢， 并以直觀圖（如直方圖、排列圖等）顯示，同時還可以實(shí)現(xiàn) 圖紙的自動拼接，對圖

9、紙上的各類圖形進(jìn)行疊加顯示，圖形 可以任意的放大或縮小，并可以按照用戶的要求分別顯示或 整體顯示，從而可以提高管理人員的分析水平和決策能力。3）空間統(tǒng)計(jì)。 對輸配網(wǎng)絡(luò)中的各種信息進(jìn)行多種方式的 空間統(tǒng)計(jì)。如依據(jù)被維修設(shè)施的類型、編號、維修時間、維 修人員及維修內(nèi)容等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使設(shè)施的維修記錄 一目了然； 按線路對線路上各種設(shè)備等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)； 按行政區(qū)、 管線管理站管理區(qū)等區(qū)域?qū)υO(shè)備等進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)；根據(jù)埋設(shè)日期、管徑、施工編號等要素進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，計(jì)算固定資產(chǎn) 值；在基于用戶信息的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，掌握重 點(diǎn)用戶，了解氣量分布狀況，為管網(wǎng)安全運(yùn)行模擬提供基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)。2、基于 GIS

10、的燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行模擬及管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)GIS 可以模擬管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并從運(yùn)行負(fù)荷、供 氣路徑、氣源的供氣分界線、低壓區(qū)范圍等不的角度反映供 氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀態(tài)及所存在的問題，為興建改造燃?xì)庹?和管網(wǎng)設(shè)施提供決策依據(jù)。管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)也是 GIS 在燃?xì)庀到y(tǒng)中的應(yīng)用之一。 將管 網(wǎng)計(jì)算理論、 系統(tǒng)優(yōu)化理論與 GIS 相結(jié)合， 憑借 GIS 強(qiáng)大的 空間數(shù)據(jù)管理功能，將燃?xì)庠O(shè)計(jì) CAD ( computer aided design )系統(tǒng)融入到燃?xì)?GIS 系統(tǒng)中， 利用 GIS 上的實(shí)際管 網(wǎng)圖構(gòu)造出管網(wǎng)計(jì)算圖形， 并從 GIS 的屬性數(shù)據(jù)庫中提取有 關(guān)高峰系數(shù)、用氣量歷史記錄等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過編

11、制計(jì)算程 序，進(jìn)行管網(wǎng)工況參數(shù)及用氣負(fù)荷分析，在此基礎(chǔ)上再將 GIS 的網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化模型的建立及求解融合在一起，建立 一個集管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和擴(kuò)建、改造優(yōu)化為一身的輔助設(shè)計(jì)系 統(tǒng)。3、基于 GIS 的燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化調(diào)度 設(shè)計(jì)優(yōu)化的最終目的是運(yùn)行優(yōu)化。一個大型、復(fù)雜的管 網(wǎng)做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行并非易事。從長遠(yuǎn)目標(biāo)來 看，根據(jù)可靠、準(zhǔn)確的管網(wǎng)運(yùn)行資料，建立管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型， 并據(jù)此對管網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行動態(tài)模擬，是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行 的必經(jīng)之路。而在管網(wǎng)建模過程中， GIS 以其獨(dú)特的優(yōu)勢， 將作為對管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)施信息模擬不可替代的工具。 在 GIS 的 支持下，將管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)融為一體，可以利

12、用 GIS 數(shù)字高程模型，模擬管網(wǎng)壓力分布狀態(tài)，并以二維或三 維圖形直觀顯示。 還可以與 SCADA （ Supervisory Control and Data Acquisition, 數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)）系統(tǒng)集成，將 SCADA 遠(yuǎn)程監(jiān)控單元采集的燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行工況等開 關(guān)量直接送入 GIS 設(shè)施屬性庫， 由于屬性所反映的永遠(yuǎn)是設(shè) 施的最新工況，這樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的現(xiàn)勢性，它使管理人 員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)時參數(shù)的對比來分析設(shè)施工況對用戶 的影響，將實(shí)時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與動態(tài)的管網(wǎng)圖形相結(jié)合，從而 為優(yōu)化輸配調(diào)度決策提供更加準(zhǔn)確、可靠的支持。4、基于 GIS 的燃?xì)夤艿朗┕ぜ笆鹿蕮屝轌IS 空

13、間分析、網(wǎng)絡(luò)分析還可用于管道施工、管網(wǎng)維修 預(yù)案和管網(wǎng)事故搶修決策等方面。如在管網(wǎng)建設(shè)施工中，利 用 GIS 的緩沖區(qū)模型，對將要敷設(shè)的管道進(jìn)行緩沖區(qū)分析， 并將計(jì)算出的緩沖區(qū)與數(shù)字高程模型迭加，計(jì)算其工程土方 量。又如在管網(wǎng)事故緊急搶修時， 可以采用 GIS 與 GPS（Global Position System ，全球定位系統(tǒng) ）相結(jié)合，一方面通過 GPS 系 統(tǒng)準(zhǔn)確獲取搶修的地面位置和路網(wǎng)交通狀況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時 傳送給 GIS ，計(jì)算最短路線；另一方面利用多源環(huán)狀空間數(shù) 據(jù)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)追蹤分析，采用廣度優(yōu)先算法對有向圖進(jìn)行 遍歷， 搜索出控制閥門， 再追蹤有向圖， 快速確定故障區(qū)域，

14、分析事故的影響范圍和影響程度，模擬管網(wǎng)動態(tài)變化，生成 搶修方案，輸出搶修區(qū)域管線圖及用戶信息，以便調(diào)度管網(wǎng) 有關(guān)設(shè)施， 有效實(shí)施搶修作業(yè)。 再一方面， 可以利用 GPS 車 載定位系統(tǒng)對配置了 GPS 車輛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)的搶修車輛實(shí) 現(xiàn)實(shí)時定位、跟蹤，為智能化的搶修調(diào)度、指揮打下扎實(shí)的 基礎(chǔ)。5、基于 GIS 的燃?xì)夤ぷ鞴芾砑奥?lián)動系統(tǒng)將 GIS、 SCADA 和 CIS（ Client Information System, 用 戶信息系統(tǒng)）結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤ぷ鞯淖詣庸芾砗吐?lián)動控 制。系統(tǒng)抽取 GIS、 SCADA 和 CIS 服務(wù)器的數(shù)據(jù)，根據(jù)工 作流程可自動生成相應(yīng)的工作表單。如 CIS 坐席值班人員接 到電話報(bào)修，根據(jù)用戶的基本信息 （ 如電話號碼等 ）連接 GIS 的地圖數(shù)據(jù)和 SCADA 的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動生成報(bào)修單、 派工單轉(zhuǎn)發(fā)到管線維修和用戶服務(wù)部門。簡化工作流程，提 高工作效率。在終端用戶監(jiān)控設(shè)備的支持下，居民用戶一旦發(fā)生燃?xì)?泄漏等安全事故，相應(yīng)信息實(shí)時傳送