地理信息系统辅助油气管道安全可靠性分析.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 0 6年 5月 石 油 学 报 ACTA PETR0LEI SI NI CA Vo1 ．2 7 No． 3 M a v 2 00 6 文章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 6 0 3 0 1 2 6 0 4 地理信息系统辅助油气管道安全可靠性分析 马立平 李 允 西南石油大学石油工程学院lJ , l 成都6 1 0 5 0 0 摘 要介绍 了通用地理信息 系统 GI S 软件平 台的基本 组成和 空间分析功 能及 油气管道 安全 可靠性分析 的 内容。运用 GI S技术 重 构 了油气管道分布状况及 进行油气管道 安全 可靠性分析。阐述 了油气管道属性数据库和空间数据库 的建 立方法 。此 外， 在进行 管 道安全可靠性分析时， 运用 失效树分析法 。同时还应用数据结构 中树 型结构 的遍 历搜 索的处理 算法， 并结合 油气管道 安全可靠 性 因素 的检测结果数据库、 属 性数据库和 空间数据库 ， 对油气管道安全可 靠性进行 了自动推理 演算 ， 并将 结果可视 化表达 给用户 ， 为 油气管道安全管理工作提供分析资料和决策依据。 关键词 地理信 息系统； 空 间分析 ； 油气管道 ； 安全可靠性； 数据库 中图分类号 T E 7 8 文献标识码 A Ge o g r a p hi c i nf o r ma t i o n s y s t e m- a s s i s t e d s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s p i pe l i ne M a Li p i ng Li Yu n F a c u l t y o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g，S o u t h we s t Pe t r o l e u m U n i v e r s i t y，Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th e c o mp o s i t i o n a n d s p a t i a l a n a l y s i s f u n c t i o n o f c o mmo n s o f t wa r e p l a t f o r m f o r t h e g e o g r a p h i c i n f o r ma t i o n s y s t e m GI S a n d t h e c o n t e n t s o f s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s p i p e l i n e a r e i n t r o d u c e d ．Th e p r o p e r t y d a t a b a s e ，s p a t i a l d a t a b a s e a n d GI S t e c h n l qu e wa s u s e d t o r e c ons t r u ct t he di s t r i but i o n o f o i l ga s pi pe l i n e s a n d a n al y z e t h e s a f e r e l i a b i l i t y o f oi l ga s p i p e l i n e ．GI S- a s s i s t e d s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l g a s p i p e l i n e i s r e a l i z e d b y c o mb i n e d o p e r a t i o n o f s e v e r a l u n i v e r s a l GI S - f u n c t i o n mo d u l e s ．Th e d e t e c t i o n r e s u l t d a t a b a s e o f t h e s a f e t y f a c t o r s f o r o i l g a s p i p e l i n e wa s e s t a b l i s h e d a n d c o mb i n e d wi t h t h e a r i t h me t i c o f s a f e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f o i l - g a s pi pe l i ne t O c al c ul a t e a nd v i s ua l l y e xp r e s s t h e s af e r e l i a bi l i t y by ex t r a c t i n g da t a f r o m de t e c t i o n r e s ul t da t a b a s e ．The de t e c t i o n r e s u l t c a n be v i s u al i z e d t o u s e r s a nd t a ke n a s t he ba s i c d a t a f or d e c i s i o n ma k e r of oi l ga s p i p e l i ne ma na ge me nt ． Ke y wo r d s g e o g r a p h i c i n f o r ma t i o n s y s t e m ； s p a t i a l a n a l y s i s ； o i l g a s p i p e l i n e ； s a f e r e l i a b i l i t y； d a t a b a s e 1 地理信息 系统简介 地 理信 息系 统 G I S 的研 究应 用 越来 越 广泛 ， 在 管道行业也有应用实例 ] 。一个完 整的 GI S系统主 要由硬件环境 、 软件环境 、 空间数据和非空间的属性数 据 4个 部分组成[ 2 ] 。一 般来说， GI S具有输 入、 预处 理 、 空间数 据管 理 、 查 询和 分析 以及输 出 5 个 功 能 。 1 数据 输入 常 用 数 据 输 入 有 数 字 化仪 输 入 、 扫描矢量化输入、 GP S与遥感图像输入和其他数据源 的直接转换。 2 数 据预 处理 输 入 后 的数 据 以 及 分 析 、 统 计 生成 的数 据通 常要 进行 数 据 校 正 、 编 辑 、 图形 整饰 、 误 差消除、 坐标变换、 栅格数据归一化 、 无缝连接等工作 。 3 数据管理GI S实现了空间信息和属性信息 的集成管理 ， 并能够完善地建立两者之间的联系 。 4 空间查询与分析G I S提供了从最简单的点击 式查询到辨证思维的空间分析方法， 最强大的作用是通 过 各种 假设分析来模 拟 区域 内空 间规律和发展趋势 。 5 可视化 表达 输 出 GI S的操 作 结 果可 通 过 可 视化的地图、 影象、 多媒体方式加以直观表达 ， 并能将 GI S的各种成果与其他系统进行交换 。 2 GI S在油 气 管 道安 全 可靠 性 分 析 中 的应 用 2 ． 1应 用 GI S技术 重构 油气 管道 油气管道安全 可靠性 分析 内容是指 在运行条件 下 ， 管道 系统 及各组 成部 分能 够满 足运行 要 求 ， 安 全经 济地完 成输 送 任务 的各 项性 能 指标 的安全 可靠 程 度 【 3 ] 。应 用 GI S技 术 重 构 油 气 管 道 主 要 实 现 对 油 气 管道及其附属设施分布规律 的可视化表达， 这是油气 管道安全可靠性分析 的基础 。将 GI S技术 引入油气 管 道重 构 中 ， 通 过 将 油 气 管 道 与 GI S集 成 ， 扩 展 G I S 的空间分析功能 ， 并充分利用 G I S的多种三维可视化 表达方 法 ， 从 而 实现 重构 油气 管 道 的 数 据输 入 、 管 理 、 分析、 处理和可视化表达的一体化。 首先 ， 建立油 气管 道 的地形 图 图库 、 管 道 图库和 管 作者简介 马立平 ， 男 ， 1 9 7 3年 9月生 ， 1 9 9 6年毕业于江汉石油学院计算机应用专业 ， 现 为西南 石油 大学在读博士研究 生 ， 主要研究方 向为油气藏工 程计算技术。E - ma i l j k x ma l p 1 6 3 ． c o m 维普资讯 第 3期 马立 平等 地理信息系统辅助油气管道安全可靠性分析 1 2 7 道基础 数据 库 。对地形 图 图库 的管理 维护 是保证 该 系 统准确 、 及 时地 反映油 气管 道生 产运行 现状 的基 础 ； 对 管道 图库 的管理 更新 是保 障管 道 图实时 反映 管道现 状 的基 础 。作为基 础数 据 库 ， 它们 将 提 供 油气 管 道 的各 种信 息 ， 如 管道 数 据 、 阀 门 、 泵 机 组数 据 、 路 名 检 索 数 据 和显 示用 数据 等 。其 次 ， 按 照 G I S的空 间模 型分 析 方 法 ， 建 立油气 管 道 的空 间模 型 ， 并 从数 据库 中提取 管 道 及其 附属设 备数 据 集进 行 处 理 ， 获 得 每 个构 造 点 的 断面数 据 集 。利用 GI S软件 功 能生 成 断面 图 ， 并写 入 相关 的属性 管径 、 管材 、 管顶 高 、 地 面 高等 ， 然后 根据 管道三 维坐标 和 管道 的属 性 信 息 ， 实 现 输 油 管道 分 布 现状 的可视 化 ， 自动生 成真 实 的三维渲 染场 景 。 2 ． 2 油气 管道安 全可 靠性 分析 的主 要 内容 在 油气 管道 运行 过 程 中 ， 导 致安 全 事 故 发 生 的原 因很多 ， 预防事故的发生要预先发现、 鉴别和判断可能 导致发生灾害事故的各种危 险因素 ， 尤其是那些潜在 因素 ， 以便消除或控制这些危险 ， 防止和避免发生灾害 事 故 。这 就 必须从 油气 管道 的失 效泄 漏 又称故 障 进 行 分析研 究 ] 。油 气 管 道 失效 分 析 也 就 是 对 油气 管 道 及 附属设 备设施 的安 全性 进行 检查 诊 断及危 险预测 的方法 ， 对各 种 方案 进 行 评 价 。失 效 分 析通 常 采 用 失 效 树 分析法 ， 树 形 图可 以有 效 地 反 映 油气 管道 的事 故 起 源 和多事 故 原因之 间 的先 后 和 引 导关 系 ， 通 过 分 析 进 而确 定 降低油 气管 道安 全风 险 的措 施 和方 案_ 6 ] 。油 气 管 道失效 树分 析如 图 1所示 。 根据失 效 树分 析可 知 此 失 效 树 大 部 分逻 辑 门为 “ 或 门” ， 共 有 2 4个 “ 或 门” ， 8个 “ 与 门” ， 各 基 本事 件 都 可以确 认 为独 立 事 件 ， 所 以 管道 发 生 泄漏 的危 险性 比 图 1 油气管道失效树 Fi g． 1 Th e f a ul t t r e e o f o i l - g a s pi p e l i ne 较大； 造成油气管道失效的因素很多 ， 如防腐绝缘涂层 的性 能和 质量 、 管道输 送介 质 的有害 物质 含量 、 施工 焊 接技术及第三方的破坏等 ； 根据分析结果 ， 应积极进行 检测 ， 发现事故隐患 ， 及时作出决策 ， 并采取相应的措 施 ； 加强 对管道 阴极保 护 的监测 和维 护 ， 管 道涂 层 的修 复 ， 缩短 对所输 送介 质泄漏 的检 测时 间 ， 安 装泄 漏检测 设备 以及 通过调 节输 油 泵 ， 保 持 正 常输 油 能 力 的情 况 下适 当降低 管道 的输 油压力 。 2 ． 3 油气 管道 安全可 靠性 分析 流程 从 失效 树 的分析 人手 ， 根据 油气 管道巡 回检 查 、 定 期检 查和 仪器全 面 检测 的结 果 ， 应 用数 据 结 构 中树 型 结构 的遍 历搜 索 的处 理 算 法进 行 自动 推 理 演算 ， 综合 系统 地分 析 出所选 管道 安全 状况 以及 可能 的事故 类 型 和失 效模 式 。其流 程 是 ① 根 据失 效 树 分 析 的失 效原 因 ， 在失效 树 中用 叶结 点表示 ， 安排 油气 管道 的检 测计 划和 检测 内容 ， 并 建立 油气 管道 检测数 据 库 ， 将 每次 的 结果输入该数据库并保存； ②分析失效树的结构 ， 建立 失效 树 的结构 信息 表并 存 储 ， 为下 一 步 的推 理建 立逻 辑和 规则 的基 础 ； ③ 研究 失效 树 的推理 演算 的算法 ， 以 每一 次检 测结 果作 为输 入 的信 息 和 数 据 ， 以失 效 树结 构信息表作为推理演算的逻辑和规则。分析流程如图 2所示 。 维普资讯 石 油 学 报 2 0 0 6年第 2 7卷 图 2 GI S 辅 助油气 管道 安全 可靠性分 析流 程 Fi g． 2 The f l o w o f GI S - a s s i s t e d s a f e r e l i a b i l i t y a na l y s i s o f oi l 。 g a s p i p e l i ne 2 ． 3 ． 1 数据 的输 入与 建库 用 于 G I S分 析 的数据 有 两类 ① 反 映对 象 空 问位 置 的空间信 息 ； ② 描述对 象属 性特 征 的非空 间信息 ， 或 称属性 信 息 。在 GI S辅 助 油 气 管 道 安 全 可 靠 性 分 析 中 ， 同样 涉及 这两类数据 。其 中空 问数据 以文 件形式存 人数据库 ， 与空 间信息相关 的属性 信息 以数据 表形式 存 人数据库 ， 如基本 地理属性信 息表 地 理位置 编号 、 地 理 名称 、 所属单位 等 ， 管道段属性 信息表 管道段 编号 、 管 道种类 、 管径 、 管材 、 起 点 、 管顶 高 等 ， 管道 点 属性 信 息 表 管 道点编号 、 X 坐标 、 y 坐标 、 管道点 特征 、 埋 设 时间 等 ， 附属设施属性 信息表 附属物 编号 、 管 道段编 号 、 地 面高程、 埋深等 ； 属性数据包括各种因素引起管道失效 泄漏 的概率 信息 表 管道及 附属设 施编 号 、 各种 因素 引 起管道失效 泄漏的 概率 E ， 失 效树 结构 信息 表 如表 1 所示 。这 些数 据 如果 是 以纸 质表 格形 式 保存 的 ， 则可 以通过 手工录入 计算 机 ， 通 过 属性 数据 库 管理 ； 如 果 已 经是某种 格 式 的 电子 文 档 ， 则 可 以通 过 GI S的 数 据转 入 功 能 直 接 转 入 G I S 属 性 库 中 。 这 些 属 性 数 据 是 进 表 1失效树 结构 信息 Ta bl e 1 Th e s t r u c t u r a l i nf o r m a t i o n o f f a u l t t r e e 行 G I S辅助 安全可靠 性 分析 的基础 数据 [ 7 ] 。 2 ． 3 ． 2 失效树 自动 分析 算法 的 实现 选取需要分 析 的管段 ， 根据 管道 检 测 的结 果数 据 ， 应用数据 结构 中树 的遍历算 法对失效 树进行 搜索 ， 并 以 当前检测结果数据 叶结点的赋值 为前提 ， 推导出该油 气 管道 可能发生 的 事故类 型 以及 失效 的模 式 。这里 选 用树 的深度 优先 搜索 算法 ， 在推 导过 程 中， 从 根 结点 出 发 ， 首先向树 的深一层搜索 ， 一直搜索到叶结点为止。 在 当前结 点 已不存在未 经搜索的子 结点 时 ， 则返 回到父 结点 ， 然 后再搜索 其未 经访 问的子 结 点 ， 直 到所 有 树结 点被遍历为止。每个结点的值都是 由所有子结点的逻 辑 与或运算而得 到 ， 每个 结点在推 导 的过 程 中会 调用 到 子结点的推导结果 ， 子结点又会调用其子结点的推导结 果 。因此 ， 须 利用递 归 函数 实现 这 一 功能 ， 把结 点 的一 次调用 推导设计为一个 递归 函数 。该 函数原 型如下 T y p e d e f s t r u c t ／ ／ 定 义一 个失 效树 结点类 型 { S t r i n g k e y ； ／ ／ 存储 失效 树结 点 的结 点编码 值 S t r i n g Te x t ； ／ ／ 存储 失效 树结 点 的结点 名称值 I n t e g e r l o g i c a l ； ／ ／ 存储失效 树结点 的逻辑关 系值 F l o a t Va l u e ； ／ ／ 存 储失 效树 结点 的推 导结果 } No d e S t r u c t ； Pu bl i c Fun c t i on Tr a ve r s e Nod eNod e St r u c t A 。 ODBC． Con ne c t i o n c na s f l o a t Tr a v e r s e No d e 函数 用参数 A 来访 问一 个结点 ， 并 维普资讯 第 3期 马立平等 地理信息 系统辅助油气管道安全可靠性分析 1 2 9 获取该 结点 的所 有信 息 ， 参 数 c n连 接失效 树 的结 构信 息表 ， 通 过 该 连接 访 问 A 结 点所 有 的子 结 点 ， 并 在 函 数 中递 归 调 用 函数 自身 。Tr a v e r s e No d e返 回 的值 表 示结 点 的推导结 果 图 3 。 圈 3油气管道安全可靠性分析程序流程 Fi g． 3 Th e pr o g r a m f l o w o f s a f e r e l i a b i l i t y a n al y s i s o f oi l - g a s p i p e l i n e 3 结 论 1 在分析引起油气管道失效泄漏的各种因素的 基础上 ， 建立了油气管道的失效树 ， 并以它为基础设计 出了油气管道安全可靠性分析算法 ， 用户可 以根据管 道的检测结果定量或定性地推理出该管道的主要失效 原 因 和管理 的重点 内容 与部 位 。 2 采用 GI S辅助油气管道安全可靠性分析的方 法 ， 结合油气管道失效泄漏各种影响因素的概率 ， 利用 油气管道安全可靠性分析算法进行 了运算， 并将 结果 进 行 了可视 化表 达 。 3 将 GI S引入油气管道工程 ， 可以促进油气管 道 行业 决策 的智 能化 。 参 考 文 献 崔红升． 信息化再造管道 运营技 术[ J ] ． 油 气储运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 0 1 4． 吴信才． 地理信息系统原 理及 方法E M] ． 北 京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 2 7 1 5 余建星 ， 祁世芳． 一种新 的输油管 道可靠性 分析 方法E J ] ． 石 油学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 8 5 8 8 ． 翁永基． 腐蚀管道安全管理体系E J ] ． 油 气储运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 6 l _ 1 3 ． 帅健 ， 许葵． 腐蚀管线失效 概率 的评定 方法 [ J ] ． 石 油学报 ， 2 0 0 3， 2 4 4 8 6 8 9 ． 方华灿． 油气长输管线的安 全可靠性分析 E M] ． 北京 石油工 业出 版社 ， 2 0 0 2 I 一 3 6 ． 马立 平 ， 赵正文． 基 于 GI S技术的油气储 运生产管理信息 系统研 究E J ] ． 计算机应用研究 ， 2 0 0 4 ， 2 4 增刊 3 4 5 3 5 6 ． 收稿日 期2 0 0 5 0 7 0 5 改回日 期2 0 0 5 0 9 1 9 编辑 黄小娟 三大跨 国石油 巨头 2 0 0 5年利润均创历史最高记录 全球 最 大的石 油公 司埃 克森 美孚 2 0 0 5年 的 纯利润 高达 3 6 1 ． 3亿 美元 ， 比前年 的 2 5 3 ． 3亿 美元猛 增 了 4 3 ％ 。去年 的经 营总收 入也 高达 3 7 1 0亿 美元 ， 比 2 0 0 4年 的 2 9 8 0 ． 4亿 美元 增 长 了 2 4 ． 5 ％ 。 尽管因“ 卡特里娜” 飓风延续的破坏效应和会计准则的调整， 全球二号石 油巨头英 国石油公 司 B P 2 0 0 5年的 利润还 是创 下 了 2 2 3 ． 4亿 美元 的公 司历 史纪 录 ， 比上 一 年 激增 了 3 1 ％ 。B P去 年 的销 售 总额 为2 4 9 4 ． 7 4 L美元 ， 也 同比上 涨 2 4％。 2 0 0 5年 壳牌公 司 的总 利润 为 1 2 9 ． 3亿 英 镑 2 2 9 ． 4亿 美元 ， 比前 一 年上 升 了近 三分 之 一 ， 该 公 司 2 0 0 4年 度 的利润 为 9 9 ． 3亿 英镑 ， 当时的利 润水 平也是 创 下 了纪 录 。 壳牌 公 司重 申 ， 该公 司在 2 0 0 6年 内的生产 目标 为 日产 5 5 ． 7万 IT I ～6 0 ． 4万 m3 ， 壳牌集 团将加 大在 边远 地 区的原 油勘探 和 开采 力度 ， 到 2 0 1 5年使 集 团的原 油 日产量 达到 7 1 ． 5万 m ～7 9 、5 万 m3 摘 自 石油综合信息 Ⅲ 嘲 跚 嘲 维普资讯