数字化管道数据模型研究

摘要：面对多源头、交叉复杂的海量数据，数据模型的选择与扩展是企业信息化、标准化的核心内容之一。本文分析对比了国外油气管道业务主要的数据模型，分析了PODS和APDM的技术架构和内容，列出了PODS模型存在的问题，结合数字化管道实际，提出了模型选择的建议。

关键词：数字化 管道 数据模型 PODS APDM 研究

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0112-03

1 引言

石油天然气业务涉及学科多、应用资料广、数据信息量大、结构类型复杂。这一特点决定了企业信息化数据源头多、信息量大、数据交叉复杂、数据标准要求高，加之SCADA的动态数据更是海量。管道数据是管道完整性管理的基础[1]，这些数据是通过数据模型建立的数据库来管理，数据的准确性将直接影响到风险评价、完整性评估等结果的可信度和量化程度。因此，如何选择合适的数据模型，确保管道数据的准确性，对于提高数字化管道建设以及完整性管理具有重大的现实意义。

2 目前的数据模型

长输管道包括的内容十分繁多、复杂，涉及到地理环境、施工、管道、检测、风险等诸多方面，必须用相应的模型进行描述和管理。目前，国际上成熟的管道模型主要有：PODS、APDM、ISAT、Proprietary、SmallWorld和Framme等。图1是2005年对56家北美管道公司的调查结果，说明了各种管道数据模型的应用情况：

其中，ISAT模型（Integrated Spatial Analysis Techniques）是PODS模型的前身，曾经是一个流行的模型，得到了较多的应用，但目前已经基本被PODS取代[2]。

APDM模型是ESRI公司主导开发的长输管道模型，它依托于成熟的GIS数据模型Geodatabase而构建，有较强的可扩展性和可靠性，支持多版本、数据的完整性和一致性管理。

目前国内还没有自己的数据模型，大都是应用国外的模型，以PODS、APDM为主。因此，本文将主要对PODS模型和APDM模型进行分析和研究。

2.1 PODS模型

PODS（管道开放式数据库标准，Pipeline Open Database Standard）是一种适用于油、气的集输、长距离传输及配送管道系统的独立的综合数据库建模，它提倡建立一个完全开放的数据库结构来满足管道公司的一般需求。其目标就是提供一个公共的平台，使管道公司能创建一个基于GIS标准的数据库，提高数据集成，改进数据的管理，降低执行风险。PODS是一个开放式模型，具有可扩展性、鲁棒性等特性。可扩展性是指针对不同的管输系统或者不同的业务类型，PODS数据模型把整个行业的需求看作一个整体，提供一个框架让各个机构能关注本公司的特殊需求，根据业务需求修改模型中已经有的要素，增加新的要素，删减模型中不需要的要素。鲁棒性是指该模型适应扩展性变化，这些变化还包括：数据库和信息化技术的调整、管线设备与技术的调整、主管部门规章制度的调整、公司所有权的变化等。PODS处理变化时为企业提供一个公共的数据字典。根据需要，可以扩展PODS的核心表（core tables），也可以创建新表。

2.1.1 总体结构

PODS的总体结构如图2所示。

模型的模块主要包括：中线（Stationed Centerline）、管道设施（Physical Pipeline Facilities）、站场设施（Site Facilities）、内检测（Inline Inspection）、外检测（Physical Inspections）、外部文档与报表（Event Reports）、位置（Location）、维修（Repairs）、地理要素（Geographic Features）、离线事件（Offline Event）、阴极保护（Cathodic Protection）、阴极保护检测（Cathodic Protection Inspections）、派工（Work）、带状图（Alignment sheet）、运行检测（Operation Measure）、密距电位测量（Close Interval Survey）、土壤应力腐蚀（SCC_Potenial）、区域（Boundary Tables）、离岸设施（offshore ）、泄露（Leak）、风险（Risk）、美国法规遵从（U.S. Regulatory Compliance）。

2.1.2 主要内容

PODS是基于关系数据库模型设计的，与GIS没有任何关系，管线相关的各种要素都以数据表格的形式存储，要素间的关系通过关系数据库模型的主、外键方式建立。

PODS包括若干组和表[3]，简述如下：（1）事件组与事件表；（2）属性表；（3）事件报告组；（4）网络组与网络表；（5）层次结构组与层次表；（6）事件特征组与事件特征表；（7）定站组；（8）群组；（9）坐标组与坐标表。

2.1.3 模型空间化（与GIS结合）

PODS允许中线有多种图形表达，一个要素可以有多个图形，例如不同比例尺下面点的密度不同，甚至分别是点状、线状、面状，通常GIS不支持。

PODS与GIS的结合有两种策略：（1）紧密结合，亦即直接空间化全部PODS实体。优点是实现简单，在GIS中的性能可能较好，因为较少的数据库关联操作；缺点是某些要素（例如Routes）的“在线”历史存储不能实现，一个要素对应多个图形存储也不能实现。PODS变成依赖于GIS的（‘GIS-dependent’），企业应用集成变得复杂，特别是采用版本化的Geodatabase时。（2）松散结合，亦即建立单独的GIS feature classes/layers，通过外键关系，链接到PODS表。优点是所有的实体都可以实现“在线”历史存储，必要的话能够给GIS要素类/层都添加Audit属性；一个PODS实体对应多个图形表达将得到支持；线性事件可以既采用点、也可以采用线来存储，二者对于特别短的线性事件，例如套管，是很有意义的；缺点是概念上略显复杂，性能方面会有些损失，需要通过数据库调优或硬件配置来解决；访问PODS属性数据要用到Join。

2.1.4 存在的问题

PODS模型存在如下几个问题：（1）PODS是一个独立的模型，不是一个纯粹的GIS模型，它基于RDBMS存储管道数据（Coordinate表格存储了xyz坐标）。其中Centerline_Geometry类通过Centerline_Geo_Cross_Ref表格关联Coordinate表格，从而存储了xyz坐标。其它的大部分Feature都通过Event_ID关联Event_Range，由Event_Range关联Station_Point存储了LRS坐标Measure；而Station_Point通过Location_ID与Coordinate表格建立关联，从而存储了Feature的三维坐标。而有些GIS平台不能满足LRS的需要，例如在GeoMedia的LRS系统中，要求里程Measure直接存储在Series图层中，因此PODS模型LRS的数据存储方式不能满足GeoMedia建立LRS的要求；（2）PODS类图中划分的类别很多，共有19个，有些小类可以归并到别的大类中。针对PODS的上述问题，在构建PODS模型的时候，就必须对PODS作一定的修改。在具体应用中，还要根据实际需要增加或修改图层和图层字段。

2.2 APDM模型

APDM（ArcGIS管道数据模型，ArcGIS Pipeline Data Model）是基于ESRI Geodatabase技术的长输管道模型。APDM包括核心（Core）和备选（Optional）两大部分，核心部分相当于一个模版，目标是提供一系列的核心对象及其属性，来描述和有效地处理里程线性定位，再加上一组核心的抽象类，为绝大多数管道要素提供分类；备选部分则根据行业最佳实践提供了若干管道设施的模型。

2.2.1 总体结构

APDM模型包括以下四大部分：（1）抽象类：不是最终出现在geodatabase中的实体类，但封装了核心属性和关系，所有的实体类都必须属于某个抽象类；（2）核心要素/对象类：这些类必须严格按照APDM来实现，如：中线控制点、里程区间、副参考里程、管道线路、子系统、子系统的层级结构、子系统的层级结构、产品、业主或运营商、子系统范围、场站、活动、活动的层级结构（、外部文档等；（3）元数据类：是对模型结构和内容的描述，如：1）参考系的元数据。如单位、基准、类型；2）类的列表和分类。APDM中的每个类都必须继承于（属于）某个APDM抽象类；3）离线要素的在线位置类。列出离线类与在线类的对应关系，以及在线位置的计算方法。（4）备选类：是具体的设施，应根据实际需要定制。

2.2.2 主要内容[4]

（1）线性参考系。沿线的管道要素是通过里程区间序列（或站列）和里程值（或定站值）来确定其位置的。管道系统的中线由若干个里程区间构成，里程区间则由中线控制点构成。里程区间和中线控制点都是APDM的核心元素。（2）坐标绝对定位和线性动态定位。里程线性定位或相对定位，提供了动态确定要素（或事件）位置的方法。Geodatabase对这两种定位方法都支持，可互相转换，但前提是提供了中线的里程区间要素作为支撑。APDM更侧重于绝对定位（x，y），因为大量的要素动态定位通常会导致显示性能不够理想。近些年来，也开始出现绝对定位的应用：利用全球定位系统（GPS）和高精度的数字正射影像图直接定位的方法正在成为确定控制点和中线的主流技术。（3）线性参考的度量基础。线性参考的度量基础分为两大类：1）基于距离（松散链、水平的、连续的；2）不规则指定（基于伪距）（里程桩、基于偏移距离）（4）层级结构。管道公司经常需要建立和使用管道系统的层次结构，如主干线、排放子系统、阀段以及支线等。APDM考虑了三类层级结构：管道线路的层级结构、活动的层级结构和子系统的层级结构。管道系统中，层级结构的基本单元是管道线路，或者PODS中的Route、ISAT中的Line_Loop。管道线路在APDM中被建模为对象类，也是核心元素之一。模型中其它的层级结构元素有：线路层级、子系统、子系统层级，它们都被用于定义管道系统的层级结构体系。（5）重合几何。长输管道中普遍存在着点、线要素的重合问题。任何利用相对里程进行定位的要素都是重合在中线上，或者再有一个偏移距离；一旦中线的几何数据和/或里程数据发生变更，就会影响到相应的要素或事件，因为他们的位置是依赖于中线的；如果父要素被删除或修改（部分删除或顶点位置改变），则子要素也必须相应地修改。APDM希望能减轻编辑父要素的几何或里程属性后的影响，因此用关系类来维护中线和附属的子要素之间的里程关系。（6）事件与要素。既可以将要素存储在要素类中（几何数据用x，y坐标保存），也可以存储在事件表中（几何数据是根据路由ID和度量值来动态生成的），或者两者相结合。这几种方法各有利弊。比较理想的情况，是让要素象事件一样操作，也就是当路由ID和度量值被改变时，要素的几何数据可以自动更新。但目前Geodatabase只能通过开发定制应用程序才能实现这种行为。最终选择何种实现方式（事件或要素），由最终用户决定，并且与实施的GIS类型有关。（7）APDM行为的封装。为了充分定义“类”和“要素”的“行为”，APDM采用了两个概念性结构：抽象类和元数据。APDM抽象类可以被理解为一组广义的“数据类型”，每个类型都有为它定义的行为，而且每个类型还可以有子类型、进一步区分它们的行为。元数据则用来定义类级和要素级的行为。（8）抽象类。抽象类是模版，它定义了一个对象或类，其中包含已知的、可预计的行为；同时也被定义为一组属性的集合，包括几何数据、以及与其它类的关系。（9）抽象类的行为和规则 。由于APDM模型由要素、对象，以及它们之间的关系来组成，因此抽象类行为的定义就确立了主导模型的规则。为抽象类定义的关系类，最终会决定实体的要素类或对象类之间如何交互。为抽象类定义的类级和要素级的元数据属性，主导了全部APDM实体要素类和/或单个要素或对象在某些编辑动作发生时的行为。（10）APDM实体类列表。APDM实体类的列表模块主要包括：Centerline & Hierarchy（中线与层级结构）、Facilities（设施）、Operations（操作）、Inspections（检测）、Encroachments（侵扰）、Cathodic Protection（阴保）、Event_Support（事件支持）。具体类名和类别在此不进行表述。

3 模型选择

数据模型是“数字管道”研究和建设的基础，因为其涵盖的数据范围、内容、结构等要素，与服务和应用的范围密切相关，而且确定了数据模型才能确定数据采集的方法和规范，才能确定数据质量要求和控制措施，并且影响到管理与服务平台（系统）的功能与架构，以及与业务应用系统之间的关系。

数据模型回答了以下问题：a）包含哪些数据对象，或者说对哪些设施和地理要素建立数据模型；b）这些设施和地理要素包含哪些属性数据；c）这些数据对象之间的关联关系，例如管段与焊口的顺序连接关系、场站内设施与所处场站的从属关系等；以及这些关系的模型化；d）线性参考和地理坐标的定义，及其与各个设施对象的属性数据如何整合；e）按照面向对象的方法进行归纳和抽象，确定设施对象和地理要素的命名和继承结构等定义规范。

管道的建设与运营已经离不开一个成功的数据模型，因此采用成熟的数据模型是十分必要的。PODS、APDM作为成熟模型的典型代表，也在国内外得到了广泛的应用。其各自的特点如表1所示。

由于PODS推出的时间较长，又是源自ISAT模型，因此在国外的应用案例比较多。但由于APDM与GIS的结合更加紧密一些，根据国内应用的特点，采用APDM模型的项目多于PODS。在实际管道工程中，需要根据数据、GIS平台等情况来选择管道数据模型。

建议数字化管道建设采用APDM模型，理由如下：（1）模型实施及与GIS的集成。在国内模型实施与GIS建设往往是作为一个项目来实施的，因此必须要考虑模型的与GIS的集成（也就是模型的空间化）。PODS模型是一个纯粹的关系型模型，不包括任何空间数据及其关系，因此在部署模型的时候，必须要考虑模型的空间化。而APDM模型本身提供了与GIS集成的方法。（2）模型国内应用情况。APDM在国内成功实施的案例占主要多数。中石油总体信息化规范A4方案明确指出将在整个集团内部采用ESRI公司的ArcGIS系列GIS软件。中国石油地理信息系统总体设计方案中的GIS功能也基本采用ArcGIS的功能体系，并提出采用APDM模型来管理管道数据。同时中石化也初步选择APDM作为管道数据模型。考虑到未来，国家层面管网一体化建设和集成，采用APDM模型也有助于数据共享和交换。（3）国内管道GIS建设情况。在国内，ESRI公司的ArcGIS产品已经取得了市场领先地位，许多管道运营企业都采用了大量的ArcGIS软件，同时熟悉ArcGIS的软件企业也较多，便于选择合作伙伴。

基于以上三个方面的原因，建议采用APDM模型。根据实际情况，在建模之前应对模型进行修改、扩展和定制。

4 结语

实现石油工业各企业之间的信息共享，最大限度地挖掘数据潜能，加快企业信息化与管理现代化进程，其前提是数据标准化。数据模型的选择是一个基础性问题，对数据模型的深入分析、延伸与扩充是整个系统深层次应用，乃至不同企业实现数据交换的重要课题，它决定着企业今后信息化建设的方向。如果偏离这个方向越远，以后要纠正它所花费的人力财力物力就越大。

参考文献

[1]崔涛，冯庆善等.新建管道完整性管理理念探索[J].油气储运，2008，27（10）： 4-8.

[2]郭磊，万庆.基于APDM的长输油气管线数据互操作研究[J].测绘科学，2010， 35（4）：125-128.

[3]吴河勇，熊华平.石油数据管理与应用国际学术研讨会优秀论文集[C].北京：石油工业出版社， 2006.

[4]《天然气管网及LNG接收站系统数字化技术应用研究》报告.