燃气管道管理体系框架设计

引言

数字信息化已经成为城市燃气管道设计、建设和运营管理过程的重要组成部分［1］．将城市燃气管网在勘察设计、施工建设及运营管理实现综合利用的4S技术，即全球定位系统（Global　Positioning　System，GPS）、监测控制与数据采集系统（Supervisory　Control　And　Data　Acquisition，SCADA）、遥感（RemoteSensing，RS）、地理信息系统（Geographic　Information　System，GIS）统称为数字化管理［2－5］．城市燃气输配系统包括门站、储配站、CNG加气站、LNG接收站、用户及燃气管网等．为了实现燃气输配系统安全、合理、有序及全面的管理［6］，需要相关的数据模型［7－11］集中管理．地理空间平台及基础数据库的建立将为决策者提供具有较大保障且信任度高的数据和信息资料，最终实现完整性管理的优化．我国城市燃气管网具有埋地多年数据不真实、不全面的隐蔽性；环状管网、枝状管网相结合，高压管道、中压管网及低压管网交错的系统性；压力波动、用气调峰、事故工况、供气不稳定等动态特性．同时，还具有交错复杂、点多、线长、面广，用户多、素质参差不齐，城市环境多元化，施工作业面大，道路、车辆多等特殊性．我国城市燃气管网数字化建设存在问题，如设计思路不清晰、功能实现不完整、设计内容不全面、安全措施［8］不到位等［9］，需要优化管道勘察设计线路，科学有效组织实施管道施工，实现高效率、安全可靠地运营管理［10］．

1　系统功能分析

城市燃气管网数字化系统是结合管道设计、施工、运营过程中的资料信息，集网络化、数字化、真实三维可视化为一体的综合管理系统，基于网络技术、GIS技术及数据库技术，具备功能［12］：（1）实现对各种信息的综合管理，包括基础地理信息、施工管理信息、管线数据信息、设计资料信息和其他专题信息等．（2）基于空间地理信息实现计算机辅助设计和决策功能．（3）基于管道建设工作流程实现数据采集、管理、和监控功能，辅助管道施工管理［13］．（4）对于气站、管网资料，有基于WebGIS的信息、查询、编辑、增删、上报及报警等功能．（5）基于管道运行涉及的，如运行优化分析软件等各种专业软件和实时监控系统实现管道运营管理功能．（6）基于海量栅格／矢量数据的三维实时交互漫游可视化辅助分析决策功能，同时对事故地点、性质、规模提供抢修行车路线图、抢修方案等［14］．

2　系统方案设计

2．1　软件选型

（1）数据库软件．推荐选用Oracle　10G作为数据库管理软件．它具有灵活的Client／Server结构、丰富的开发工具、可靠的机制及Internet／Intranet功能等特点［15－16］．（2）项目管理软件．分析项目管理软件和石油行业的特点，推荐选用P3项目管理软件．它是以计划协同跟踪控制积累为主线，专门为企业级工程项目构建的管理软件，同时具有高度的灵活性和开放性，运用IT技术，并涵盖现代项目管理的知识体系［17］．（3）GIS软件．基于B／S结构体系的WebGIS应用技术将其信息和资源在地图上以多种可视化的方式展现出来，实现信息的存储、处理、分析和对外．最具典型代表的是ESRI公司的ArcIMS和MapIn－fo公司的MapXtreme．基于C／S结构的应用系统要求具有较强的显示、查询和分析地理空间数据，如ES－RI的ArcGIS（ArcInfo，ArcView，ArcExplore，ArcGlobe等）及MapInfo的MapInfo，MapX［18－19］．分析ESRI公司和MapInfo公司的2种主流GIS产品，结合城市燃气管道数字化管理系统的体系要求，推荐使用以ESRI作为图形数据管理平台．

2．2　总体方案架构

城市燃气管道数字化管理系统应该包括管道勘察设计系统、管道建设项目管理系统及管道运营管理系统等，各系统再细分成各子系统［9－10］（见表1）．城市燃气管道数字化管理系统的总体方案架构见图1［20］，各单位负责的管道数字化流程见图2．

2．3　软件体系结构

根据城市燃气管道工程特点和系统需求，建议数字化管理系统体系结构采用由C／S结构和B／S结构相结合的组合体系．由C／S模式应用系统实现数据的采集、矢量化、编辑维护以及空间数据的高级分析，由B／S模式应用系统实现资源的共享和基于Inter－net的信息．考虑系统的灵活性、扩展性等因素以及ESRI的GIS平台软件结构模型，城市燃气管道数字化管理系统采用分层模型结构，分层设计及每层所包括的内容见图3，包括表现层、应用逻辑层及数据服务层［21］．

2．4　各子系统方案

2．4．1　管道勘察设计系统

将测量、地质、工艺、阴极保护、通信等各工艺环节的成果资料，以DWG、DXF、TXT等格式添加到数据库中，为施工建设阶段提供相关资料．勘察设计管理系统［22］主要包括空间信息管理、环境信息管理和勘察设计管理等子系统，系统各环节的工作流程见图4．（1）空间信息管理子系统．建立管道工程的属性信息，如识别城市的区域、房屋建筑、公共场所、街道、河流和重要交通地段信息等对象；获取数字地图或矢量化的数字图形，需要借助于卫星遥感、数字摄影、城市规划等技术；将信息转化为系统可以接受的格式和比例尺．　（2）环境信息管理子系统．参照国家相关标准建立沿线街道信息，与地图数据相关联，获取电子地图和空间信息进行地图的矢量化；结合管道沿线的用户、路道信息、公共交通、下水道路段、城市其他基础设施、境界、街道名、其他国防光纤等，建立相关地理信息库．（3）勘察设计管理子系统．实现勘察设计中的文件（图纸、文本等电子资料）管理、设计参数（管道类别、级别、公称直径、壁厚、材质、型号、设备等）管理、站场工艺，以及设计资料的统计、分析、查询．

2．4．2　管道建设项目管理系统

管道建设项目管理系统［23］主要是将采办时的相关技术参数、施工计划、进度、费用、质量要求、HSE、埋深、竣工等数据信息添加到数据库中，形成管道模型管理、工程采办管理及施工管理子系统，更好地为管道运营管理提供可靠资料，管道建设项目管理系统各环节的工作流程见图5．

（1）管道模型管理子系统．实现管网、管线、管段、桩位、阀门、特征点、调压器及站场设施的空间信息管理，建立管道沿线的地形、地貌、建筑物等三维景观及搭建数字管道三维仿真系统平台．（2）工程采办管理子系统．统计管道工程中各种产品的价格，登记产品供应商、运输分包商、保险公司、清关商的资料，根据设计信息和设计参数估算物料的总量和价格，生成采办清单后，建立采办中产生的合同、定单及物料存取的信息库，包括物料及设备的型号、各项参数、编号、数量、产地、负责人等信息．（3）施工管理子系统．实现对施工进度、单位或人员、HSE、资源、竣工资料等信息的管理，完成施工前期资料的查询，建立完善的施工管理数据库，需要录入施工进展数据以及分阶段统计分析各项数据．

2．4．3　管道运营管理系统

管道设施管理、管道风险管理及管网管理构成城市燃气管网管道运营管理系统各子系统，还包括所有竣工信息的综合系统，系统各环节工作流程见图6［24］．（1）管道设施管理子系统．对管道设施的防腐、维护、检修计划和作业进行管理，完成对QHSE文档的分类、维护、调峰量、索引和查询，接收SCADA系统提供的管道监测和运行数据，提供应急预案与指挥调度，用气量、阀门、调压控制，验收通气，巡线监督等．（2）管道风险管理子系统．它包括管道安全评估、环境评估和事故伤亡评估．（3）管网管理子系统．它包括管网数据的录入、编辑、输出，水力参数、工况模拟分析、管道数值仿真及力学分析等．

3　系统安全策略

城市燃气管道数字化管理系统具有系统接口多、潜在的安全风险高等特点，需要在GIS、数据库、网络等技术基础之上建立完善的安全策略［25，26］．

3．1　物理安全

保护主机设备、网络设备、通讯线路、存储设备等硬件免受人为破坏；对于运行关键任务的应用服务器、数据库服务器，采用双机热备份进行系统的冗余；对于关键数据存储采用RAID5的磁盘阵列系统，以实现数据的容错；对于关键服务器、存储设备和网络设备配备UPS系统，以提供持续的电源保障，机房应安装防雷系统．

3．2　网络安全

加强用户口令的识别与验证以及用户账号的缺省限制检查．在项目总部及各项目分部局域网与广域网的连接中，根据不同的应用采用不同的接入方式．对于WWW／SMTP及MAIL服务和连接，设置硬件防火墙系统接入Internet；对于提供给各个项目分部和基层站等外部用户的有关空间数据和敏感业务数据等保密信息的远程访问，通过VPN的隧道技术实现．

3．3　系统安全

设置功能强大的网络版防病毒系统，实时查杀病毒，并能自动更新升级和集中管理维护．

3．4　应用安全

各个应用系统均要建立访问控制和身份认证与授权机制，并在关键系统中建立智能型日志，以保证对各个应用系统和数据的合法访问．

4　结论

（1）分析城市燃气输配系统对数字化的各项需求，提出针对城市燃气管网的数字化设计方案，弥补城市燃气管网在数字化设计中的不足．（2）推荐使用Oracle数据库软件、P3项目管理软件及ESRI公司的GIS系列软件构建城市燃气管道数字化管理系统运行平台．（3）城市燃气管道数字化管理系统的体系结构建议采用由B／S结构和C／S结构相结合的组成体系．由C／S模式应用系统完成对空间数据的高级分析，由B／S模式应用系统实现资源的共享和基于Internet的信息．（4）基于数字化城市燃气管道的功能要求，提出管理系统的总体架构及其各子系统的框架设计内容及工作流程．（5）提出城市然管网包括物理、网络、系统及应用安全等的安全策略．采用层次结构体系，以数据为基础，以管理为中心，以服务为桥梁，以业务为导向，以集成为目标，实现城市燃气管网的全面信息化．