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基于GIS的城市燃氣管網信息管 理預警系統研究與開發
發布時間：2023-01-02 16:44
第一章緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究目的與意義 2
1.3國內外研究現狀 2
1.4研究內容 3
1.5論文組織結構 5
第二章 管網GIS開發關鍵技術 6
2.1 GIS 概述 6
2.1.1 GIS的基本概念、構成 6
2.1.2 GIS軟件技術體系 8
2.2管網空間信息數據存儲研究 9
2.3管網網絡模型研究 10
2.4系統開發技術研究 12
2.4.1管網GIS開發方式 12
2.4.2系統開發技術路線 12
第三章 風險評價方法 14
3.1定量風險分析 14
3.1.1管網定量風險 14
3.1.2管線失效率 16
3.1.3燃氣有效釋放速率 17
3.1.4泄露質量計算 18
3.1.5管線失效后果分析 19
3.2半定量風險分析 24
3.2.1肯特管道風險評價法 24
3.2.2模糊數學 27
3.2. 3風險指標動態管理技術 31
3.2.4風險矩陣 32
第四章系統總體設計 34
4.1系統需求分析 34
4.1.1系統數據需求 34
4.1.2系統功能需求 35
4.2系統總體設計 36
4.3系統模塊設計 38
4.3.1管網信息GIS子系統 38
4.3. 2管網設備臺賬管理子系統 39
4.3. 3管網風險預警子系統 39
4. 3. 4城市天然氣管網應急決策子系統 40
4.3. 5用戶管理子系統 41
第五章系統數據庫設計 42
5.1系統數據庫總體設計 42
5.2系統數據庫構建 43
5.2.1概念結構設計 43
5.2.2數據分類 44
5.2.3邏輯結構設計 44
第六章系統實現 52
6.1系統主界面 52
6.2系統主要功能實現 53
6.2.1管網空間信息管理與查詢功能 53
6. 2.2數據管理功能 54
6. 2. 3管網風險預警功能 55
6. 2. 4管網應急決策功能 57
結論與展望 : 60
1.結論 60
2.存在不足與展望 60
致 謝 60
參考文獻 60
攻讀碩士學位期間發表的論文 68
第一章緒論
1.1研究背景
城市燃氣管網是一個城市重要的基礎設施，擔負著能源輸送的重要工作，隨 著城市的發展和建設，燃氣已經成為人類社會中廣泛應用的能源之一。目前，歐 盟所消耗的能源有超過20%是燃氣叭 截止2004年，在中國286個地級以上的 城市中，246個城市已經擁有燃氣管道設施，其管道總長度為6.35xl04W2]o隨 著城市經濟的迅猛發展、燃氣公司的業務范圍、用戶人數不斷擴大，特別是近些 年各種燃氣、天然氣管網等基礎設施覆蓋范圍的不斷延展，地下管線數量、密度 不斷增加，復雜性也越來越大，同時產生許多燃氣管網的新建和改造工程。各類 燃氣管線資料以及相關的維修記錄、施工記錄等資料多數以紙介質的形式存放， 普遍存在情況不清、資料不全、精度不準問題。燃氣行業面臨著管理手段落后， 工作效率低下，信息化程度低的現狀。在管網改造和新建時，受到地下燃氣管線 情況不明影響或資料不準誤導,常常會發生錯挖和爆管事故，在管道運行過程中， 常受到各種因素影響導致燃氣管網事故頻發,事故后果多為燃氣泄露后發生的火 災、爆炸，直接影響了人民生命財產安全叫例如，2006年1月某縣發生天然氣 管道爆炸事故，造成10人死亡多人受傷；2009年6月美國加利福尼亞州一所中 學發生煤氣泄露事故，導致至少22人中毒。對緊急事故的處理，靠人工靠記憶， 經常發生錯關漏關閥門的現象，對居民生活，對工業生產帶來不便。同時，城市 地下燃氣管網的管理，面臨著數據現勢性、管理動態性、應用廣泛性、內容詳細 性的等方面的困難，這些困難的根源在于管網數據管理維護的分散性、獨立性， 從而無法保證數據的現勢性。另外，在現有的技術手段下，空間信息封閉與無法 將空間信息面向社會，面向大眾實現信息服務。為了預防事故發生以及將事故影 響降到最低，本文結合研究方向，將GIS技術引入到現代天然氣管道安全管理， 對城市燃氣管網進行風險評估，風險管理，應急預案生成，已達到事故發生后能 夠快速、科學的組織搶險，將事故影響降到最低。
1.2研究目的與意義
我國非常重視數字城市的建設，科技部、建設部、信息產業部等多部委在九 五、十五、十一五期間的許多科技項目都是有關對數字城市的研究和開發，項目 內容涵蓋了數字城市建設的理論方法、政策法規、標準、基礎設施、軟件開發等 各個方面。各地政府部門及相關行業也在大力加強城市信息化、數字化建設。
構建GIS系統是燃氣管網信息化建設的重要內容，通過此項目能夠極大提 升燃氣公司的對外形象，提高管理部門辦公效率和業務部門工作效率，減少了經 營管理成本與安全效益，加快了企業現代化步伐，提高燃氣公司的服務質量，為 城市基礎設施的建設添磚加瓦，更加利于促進城市的經濟發展，重要體現在以下 方面：
1•提高企業管理效率：將燃氣公司的專業資料信息進行了動態科學管理，從 而改變了原來手工管理資料的模式。
2.顯著提高客戶服務水平：高效運轉的GIS管網信息系統，實現管網信息 科學安全管理，完善管網信息查詢與空間分析，能夠進行災害事故預測分析與自 動報警，合理地進行應急處理和預案自動生成，事故后進行科學總結評估。
3.增強燃氣公司快速反應和適應能力：燃氣管網行業形勢變化越來越迅速， 要適應新情況，燃氣公司必須按市場需要，建立一套反應迅速的工作流程，GIS 系統將在這方面提供有力的技術支持。
1.3國內外研究現狀
世界主要工業發達國家在20世紀70年代開始借助經濟學和其他工業領域分 析技術對老輸油管道進行風險評價工作并將風險分析應用到管線維修和管理過 程中已取得了巨大的經濟效益和社會效益。關于管道風險分析，國外進行了近 40年的研究，經歷了定性風險分析、半定量風險分析和定量風險分析，已經實 現了由管道安全管理到管道風險管理的過度，并已逐步規范化。1987年，美國 Amoco管道公司采用風險評價技術管理所屬的油氣輸送管道和儲罐以來,，已使 年泄漏率從1987年工業平均數值的2.5倍下降到1994年的1.5倍,從而使公司在 1994年取得巨大的經濟效益1992年，總結了前20年美國開展油氣管道風險評 價技術研究工作的成果基礎上，美國W.KenlMuhlbauer編寫的《管道風險管理 手冊》(《Pipeline Risk Management Manual》)，詳細介紹了管道風險評估模型和各 種評價方法。目前，它已成為世界各國開展油氣管道風險評價研究工作的指導性 文獻⑷5］o
我國于1988年制定頒發了《石油與天然氣鉆井、開發、儲運防火防爆安全 管理規定》，并于1994年進行了修訂。1995年，我國的一些管道工程技術專家也 開始將管線風險技術介紹到國內。1995年12月四川石油管理局編譯出版了《管 道風險管理》一書，重點介紹W.KentMuhlbauer的方法。2002年，頒布的《管道 安全法案》著重強調管道安全性管理，管道風險分析作為進行管道完整性管理的 基礎，近二三十年來，一直是研究熱點［鐵目前我國有關城市燃氣管網的風險管 理仍停留在風險評價技術的研究階段；缺乏針對我國城市燃氣輸配管網實際情況 的風險評價技術標準；缺乏相應的信息數據庫標準；缺乏完善的關于城市燃氣輸 配管網安全性的工程技術體系。
目前，在燃氣管網安全預警應急方面，國內外的學者以及研究機構獲得了不 少研究成果。例如王濤關于城市天然氣管網運行模糊風險評價技術研究回、汪定 怡等城市燃氣輸配管道風險評價指數體系建立⑺、尹貽林等基于GIS建立了天津 市燃氣管網預警系統叫孫永慶使用Matlab軟件對燃氣擴散模型進行了模擬，分 析了燃氣爆炸的損失后果【9］，荷蘭國家應用科學研究院(TNO)研制的 RISKCURVES-QRA、EFFECTS 風險分析軟件等。
以往大量的研究主要采用長輸油管線風險分析方法來對城市燃氣管網進行 風險分析，對于城市燃氣管網來講，其燃氣管線的布設形式多為枝狀、環狀，城 市燃氣管網的運行環境、所處的周邊環境與管網布設形式與長輸油管線有很大區 別，以往的方法并不適合布網復雜的城市燃氣管網的風險分析。另外，大部分研 究系統都是將安全預警與應急處理分開討論，沒有實現管網風險預警與事故應急 處理統一。本文將從風險預警與事故應急處理兩個方面來討論城市天然氣管網 的預警與應急，并構建一套集天然氣管網信息、地理信息、風險管理與事故決策 支持于一體的城市天然氣管網預警與應急的GIS系統。
1.4研究內容 城市天然氣管網預警與應急的GIS系統目的在于對管網的風險進行分析與 預測，將風險程度控制在合理的可接受的范圍內，并生成事故應急預案，已達到 盡可能減少事故損失。本文的主要工作集中在城市管網風險預先性分析、事故應 急處理分析和事后對事故做出科學分析與評估。
本文通過對國內外風險評估理論的回顧和分析研究,結合城市燃氣管網及 燃氣的公司行業需求實際情況，選擇岀合適城市燃氣管網特點的風險評估方法，建 立風險評價模型，事故應急處理模型、事后評估模型,完成城市燃氣管網風險管理 與應急處理。
具體研究內容分為以下幾點：
1.城市燃氣管網系統分析風險相關技術的研究：
管網半定量風險分析研究：采用英國學者Muhlbuer的風險指數評價法，根據 管道設計、腐蝕、第三方破壞等風險指標，引入模糊數學思想，將風險指標的某 些影響因素模糊化，建立備擇集和隸屬矩陣，采用管道綜合指數評分來確定管道 風險等級，結合風險矩陣圖，生成相應的風險緩解預案，實現風險合理控制。
管道風險指標動態管理研究：Kent指數法中管道風險評價的危害因素以及因 素對應的權重固定，風險評價靈活性差。本文從增強管道風險評價通用性角度出 發研究指標的動態管理技術，實現危險因素指標的有效管理。
管網定量風險分析研究：本文引入了城市燃氣管網網絡模型，管線致死長度 并定義為此管線影響范圍內對特定地點產生的風險，對燃氣管網的事故概率及爆 炸、噴射火、火球等事故后果進行了分析，基于以上基礎，本文提出一種基于網 格差分的多管段作用下定量風險計算方法，并得出風險等值線，根據風險可接受 標準確定管網相應的防護區域。
管道設備設施自動預警分析：風險性高、使用期限將至的生產設備、設施實 現自動報警，自動提交有關設備維修方案。
2.城市燃氣管網系統應急處理研究：
管網爆管分析：系統根據管線事故點，進行關閉閥門分析，生成該區域內受 影響的相關管線及設備（中壓管、低壓管、閥門、調壓器等）的信息，顯示需關閉 的閥門、調壓器，集合GIS,生成事故影響區域居民停氣通知。
人員調度及人員疏散分析：在應急救災中可以根據選擇和派遣設置在固定位 置的應急反應單位，如醫療點等，分析其距燃氣泄露或爆炸位置的最短路徑，救 援力量能夠在最短時間內到達事故現場，結合擴散范圍分析，使得受事故影響區 域的人群在最短時間內疏散到安全地帶。
3.基于GIS管網信息管理研究：
構建完善的GIS管網信息數據庫系統，實現管網信息科學安全管理，實現管 網運疔區域內河流、街道、學校、醫院等信息及管網空間信息等綜合、科學地管 理功能，完善的管網信息查詢、檢索與空間分析功能。
1.5論文組織結構
根據研究內容本論文結構劃分為以下5部分：
1•第一章介紹了論文的研究背景、目的及意義、國內外研究現狀、研究內容, 并說明了論文的組織結構；
2.第二章集中闡述城市燃氣管網風險評價的理論模型，包括定量風險分析模 型、半定量風險分析和動態指標管理技術；
3.第三章主要介紹了城市GIS燃氣管網的關鍵技術，包括了空間數據存儲技 術、管網網絡數據模型的構建、GIS二次開發技術路線等；
4•第四章根據前述理論研究，結合GIS技術，軟件工程思想，設計系統進行 總體框架，對系統數據庫進行的詳細設計，并構建空間數據庫與設備臺賬屬性數 據庫；
5.第五章結合系統實現的部分功能，詳細闡述了系統功能的使用以及實現步
驟。
第二章 管網GIS開發關鍵技術
2.1 GIS概述
GIS （Geographic Information System,地理信息系統）技術作為一種空間 信息處理與分析技術，發展于20世紀60年代中期。它最初用于解決地理問題， 隨著現代GIS （地理信息系統）技術應用的廣泛和深入，GIS已發展成為一門涉 及測繪科學、環境科學、計算機技術等多學科的交叉科學，廣泛應用于位置服務 產品在電子商務、電子政務、智能交通、現代物流等方面，近年來，GIS技術應 用已從主要為政府部門提供管理和決策服務，逐步拓展到為企業和社會提供服 務，商業公司開發了基于地理信息的電子游戲產品、地理信息電視頻道以及基于 物聯網的位置服務產品如Google地圖，百度地圖等。隨著社會公眾對地理信息 系統人士普遍提高，需求大幅度增長，從而使地理信息系統的應用得到擴大和深 化。GIS緊隨著地理分析理論、計算機技術、網絡技術、通信技術、數據庫技術 和軟件技術的發展，在數據模型、數據組織與存儲、體系結構、計算模式和位置 服務等發面發生了巨大的變化。毫無疑問，地理信息系統將發展成為現代社會最 基本的服務系統。GIS技術融入信息技術是時代發展的一個必然趨勢。
就城市燃氣管網而言，利用GIS技術可以顯示、存儲和處理海量地圖數據， 并同時對天然氣管線運行區域內大、中型河流、城鎮、學校、醫院、油庫、人口 稠密區、高速公路、鐵路及省級以上風景名勝或保護區以及大功率無線電發射設 施等進行綜合管理，將各種屬性數據與地圖數據有機地結合起來，提供決策支持、 統計分析等功能，特別適合城市燃氣管線信息的綜合管理。
2.1.1 GIS的基本概念、構成
地理信息系統（GIS）是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計 算機系統何。通俗的講，地理信息系統包括兩個方面：
數據庫功能。GIS能夠高效存儲、檢索、査詢空間數據。由于空間數據 數據量大、非結構化等特征，其他的信息系統不能有效存儲空間數據。這也是 GIS區別于其他信息系統的重要功能。
空間分析、顯示功能。空間分析是GIS的基本功能，空間分析包括空間 查詢、空間統計、一般的空間分析、空間模型分析等幾類方法。空間查詢包括數 據的空間特征查詢、屬性特征查詢、空間關系査詢等；空間統計分析是指將傳統 統計分析方法引入到地理空間數據中，包括空間自相關分析、回歸分析、趨勢面 分析等。一般的空間分析包括疊置分析、緩沖分析、網絡分析等。空間模型分析 是利用對地理空間的問題建立模型，分析與其相關空間問題，常用的模型包括最 優化模型、選址模型、決策模型等。GIS求解的中間過程和最終的結論，都是以 圖像、圖形等方式顯示在計算屏幕上，這是GIS分析結果的主要表達形式。
像其他信息技術一樣，一個典型的GIS 一般包括以下五部分⑴：
1.計算機硬件系統。硬件系統是GIS功能實現的物質基礎，包括各種硬件設 備，通用的設備包括用于顯示的顯示器，用于空間數據輸入的數字化儀、掃描儀、 遙感設備。
2.計算機軟件系統。計算機軟件系統包括運行GIS的各種軟件，包括系統軟 件、基礎軟件和GIS應用軟件。系統軟件主要指的操作系統，它是其它軟件運行 的基礎。主流的操作系統有Windows Vista, NUIX、Linux等。基礎軟件主要包 括數據庫軟件、編程語言軟件等。GIS軟件是計算機軟件系統的核心，用于實現 GIS的各項功能，包括空間數據的輸入、編輯、存儲、顯示、分析等。國內外最 著名的軟件有 ArcGIS、Mapinfo、MapGIS、GeoStar、SuperMap 等。計算機軟件 系統金字塔形的層次結構如圖2-1 o
圖2-1計算機軟件系統層次結構
3.地理空間數據。地理空間數據（空間數據庫）是地理信息的載體，是GIS 的操作對象，是現實世界在計算機中的抽象和模擬。GIS空間數據有矢量和柵格 兩種主要的數據結構，在矢量數據結構中，空間地理實體對象用點、線、面來表 示；在柵格數據結構中，空間地理實體對象用柵格來表示。
4.GIS應用模型。模型是為了解決某個問題而將其抽象化表示的數學公式，
GIS應用模型是為了解決地理空間的各種問題而建立起來的模型。常見的模型包 括：水土流失模型、最優化模型、選址模型等。GIS應用模型是連接GIS與相關 領域的紐帶，二者的聯系必須具備扎實的專業知識和應用領域內的專家知識，只 有這樣才能找出各種內在的因果關系和規律，建立更好的GIS應用模型。
5.GIS用戶。GIS用戶可分為系統開發、管理、維護人員和GIS應用用戶兩 類。用戶是GIS的重要組成部分，GIS就是為了用戶問題，對用戶的某些想法進 行實現的一門科學。GIS應用用戶是GIS存在的基礎，沒有這些用戶不斷提出新 的需求，就不會有GIS的存在和發展。
2.1.2 GIS軟件技術體系
從GIS軟件技術的發展看，GIS軟件技術體系經歷了模塊化，組件式GIS
(ComGIS)、WebGIS、微型化GIS,數據庫化GIS。組件化、Web化、微型化和數 據庫化深刻影響了過去GIS應用方式，然而隨著GIS技術發展，目前從軟件技 術角度來看，GIS平臺軟件技術新的發展趨勢包括跨平臺化、組件多樣化、服務 化和三維化幾個方面。如圖2-2。
圖2-2 GIS軟件技術體系
在GIS發展的早期階段，由于受到技術，應用需求的限制，不同研究機構分 別獨立開發了完成不同功能的模塊，這一階段的GIS軟件,沒有形成完整的系統, 可稱為GIS模塊階段。隨著理論和技術的發展，結合應用需要，有些機構開發了 匯集各種GIS功能于一身的集成式GIS軟件，稱之為集成式GISo
隨著計算機軟件技術的發展，為解決模塊間接口，基于統一的規范（比如COM） 產生了組件式GIS,組件式GIS是按照組件對象標準和規范劃分和組織的模塊化 GISoo基于Web技術的地理信息系統——Web GIS應運而生。WebGIS是利用Web 技術來擴展和完善地理信息系統的一項技術。它是基于網絡的客戶機/服務器系 統；利用因特網來進行客戶端和服務器之間的信息交換，Ajax技術，Flex、 Silverlight. HtmI5等富客戶端的技術發展，大幅度提高了客戶端的響應效率 和用戶體驗。微型化是GIS軟件發展的另一方向，盡管桌面應用仍然占GIS應用 的主要部分，但對于，目前，GIS移動化應用的需求也越來越多，比如城市土 地行政執法，農業田間數據采集、外業測繪和管線勘測等，隨著智能手機發展、 移動互聯網時代用戶數的迅猛增長，移動GIS商業應用也迅猛發展。
2.2管網空間信息數據存儲研究
傳統的GIS軟件采用分離的方式管理空間數據，即分別以文件形式和目錄 結構形式管理，屬性數據由內置的關系型數據庫進行管理，兩者間用唯一標示 （ID）內部關聯。分離體系結構造成空間數據管理效率低下。為了解決空間數據 的有效存儲問題，采用空間數據庫引擎（SDE）,實現空間數據和關系數據模型之 間的映射。空間數據庫引擎是指提供存儲、查詢、檢索空間地理數據，以及對空 間地理數據進行空間關系運算和空間分析的程序功能集合。空間數據庫的應用系 統通常可分為三層結構。SDE就是處于中間層的空間服務器,作為一種數據與客戶 端之間的中間件，本身并無專用數據庫，它在用戶和所有的數據之間提供接口， 使得用戶能通過SDE獲得空間數據和屬性數據，以及其它的傳統的數據庫管理系 統（DBMS）的數據腸。
針對本系統，空間數據存儲解決方案是使用空間數據引擎（SDE）技術，采 用ArcSDEo ArcSDE是美國著名的地理信息研究機構ESRI推岀的空間數據庫解決方 案,它在現有的關系或對象關系型數據庫管理系統的基礎上進行空間擴展，可以 將空間數據和非空間數據集成在目前絕大多數的商用DBMS中o城市天然氣管線運 行區域內大、中型河流、城鎮、學校、醫院、油庫、人口稠密區、高速公路、鐵 路及省級以上風景名勝或保護區以及大功率無線電發射設施等空間數據采用SQL 引擎及其數據庫存儲管理系統、ArcSDE空間數據引擎作為空間數據的服務器。
客戶端應用
ArcSDE客戶端 侗接） ArcSDE客戶端 （直接）
十 ； TCP/IP
ArcSDE應用服務器 ： [
: :
| I
SQL命令 ； :SQL命令
———■ : ! :
SQL引擎 ：： ：
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存儲管理 ；[ :
:: 數據文件 ：；
: : -J I :
'• ] | ArcSDE 原理
；: RDBMS > :
I 1 I
: 辭畔 ；
圖2-3基于ArcSDE的結構方案
2.3管網網絡模型研究
城市燃氣管網的構造，從地理投影來看有明顯的點線拓撲特征，為了能遍歷 所有管段對特定的位置的風險影響，用圖論的分析方法是合理的問。燃氣管網可 定義為圖論中的網絡，燃氣管線可定義為網絡中的邊，連通管件、用戶節點等定 義為網絡中的節點。從數據結構來講，可以將管線抽象為節點和弧段構成，然后 通過拓撲構建可以得到弧段與弧段、弧段與節點、節點與節點之間的鄰接關系， 組成網絡。
基于系統空間數據采用ArcSDE存儲，因此城市燃氣管網網絡采用ArcGIS 網絡模型進行構造。在ArcGIS中，對于線性網絡系統有兩種描述模型：幾何網 絡模型和邏輯網絡模型。幾何網絡模型是要素的集合，是由邊線和交匯點相連組 成的系統。一條邊線有兩個交匯點，而一個交匯點可以與2至3根邊線相連。描 述邊線和交匯點的要素被稱為網絡要素(Network feature)。邏輯網絡是由一系 列連接的邊和弧段組成，但是與幾何網絡不同的是邏輯網絡已經不包含坐標值, 它的主要目的是用特定的屬性表存儲網絡的連通性信息。邏輯網絡中的邊線和交 匯點沒有幾何屬性，因此它們不是要素，而是元素(Elements),在邏輯網絡中, 點和節點拓撲關系用三個屬性表來描述：邊元素、點元素和連通性表。在幾何網 絡的網絡要素和邏輯網絡的元素間有一對一和一對多的關聯關系冋。幾何網絡與 邏輯網絡關系如圖2-4所示。
圖2-4邏輯網絡與幾何網絡關系
ArcGIS的網絡分析分為兩類：傳輸網絡(Network Analyst)和效用網絡 (Utility Network Analyst),分別對應的網絡數據結構為網絡數據集(Network Dataset)和幾何網絡(Geometric Network)0其中，基于網絡數據集的傳輸網 絡分析常用于道路、地鐵等交通網絡分析，能夠實現最優路徑分析、資源分配、 最近設施點分析、服務區分析等；基于幾何網絡的效用網絡分析常用于水、電、 氣等帶有流向網絡的分析，主要實現連通分析、上/下游追蹤、尋找環路、爆管 分析等。從數據結構技術上考慮，兩種網絡數據結構模型主要區別如表1所述泗。
表2-1幾何網絡與網路數據集的區別
幾何網絡 網絡數據集
網絡組成元素 Edges、Junctions Edges > Junctions > Turns
數據源 GDB要素類 GDB 要素類、shap^les 或 StreetMap 數據
連通性管理 網絡系統管理 創建數據時用戶控制
網絡屬性(權重) 基于要素類屬性 更靈活的數據模型
存在位置 GDB要素類 要素集或文件夾
網絡模式 單一模式 單一或多模式
通過以上對比分析，針對城市天然氣管網，選擇幾何網絡數據結構構建天然 氣管網數據庫。如圖2-5所示，該幾何網絡由調壓箱、閥門、管線三種要素類生 成。
Name | Type
sde. DBO. Ddss SDE Feature Class
FtI sde. DBO. Pipes SDE Feature Class
sde. DBO. Valves SDE Feature Class
'^sde. DBO. XSTdata_Net SDE Geometric Network
j sde. DBO. XSTdata_Net_J\mctions SDE Feature Class
圖2-5基于GDB的幾何網絡數據
2.4系統開發技術研究
2.4. 1管網GIS開發方式
隨著現代GIS （地理信息系統）技術應用的廣泛和深入，將GIS技術引入到 現代天然氣管線風險管理預警中，把城市天然氣管線的位置及其地理分布特點、 各類運行業務數據、管理信息通過可視化的方式表達出來，給經營管理者以直觀、 形象的描述，并提供決策支持、風險分析等功能。因此，選擇合理的方式將GIS 與城市燃氣管網風險管理預警集成，目前集成方法主要包括陰：
1.采用GIS為軟件平臺開發燃氣管網系統的功能。此法能方便地處理和表達 地理圖形數據，提高了管網地理數據共享性能，但難以完成燃氣管網系統的風險 管理以及應急預案處理等行業分析功能；
2•從底層開始設計一個完整的燃氣管網GIS系統。該方法工作量大，研發開 發成本高，研發難度大，且性能遠遠不如成熟的GIS平臺；
3.以燃氣管網信息管理與預警系統為軟件平臺開發GIS功能模塊。此法雖然 能達到集成的目的，但難以保證有效地表達、處理地理信息；
4.采用Active X技術，將GIS功能作為一個ActiveX控件對象嵌入燃氣管 網信息管理與預警系統中。這種方法關鍵在于對內嵌的GIS功能進行合理選擇、 組合，有效地避免燃氣管網信息管理與預警系統過于龐大。
2.4. 2系統開發技術路線
在研究上述GIS開發方法的基礎上，本文采用COM （組件對象模型）、數據
庫技術對系統進行開發，其中COM是一種面向對象的程序結構模型標準，它定義 了組件對象之間進行交互操作的方法。基于系統空間數據采用ArcSDE存儲，COM 組件采用選擇ArcEngine組件。
開發框架采用微軟.NET開發框架，NET Framework類庫一套軟件組件，用 于編寫在CLR控制下運行的代碼，類庫分級組成了一個龐大的功能集，包括顯示 圖形用戶界面、讀寫XML數據、訪問數據庫等多種功能，.NET Framework有兩 個主要組件：通用語言運行時(Common Language Runtime _CLR)和.NET Framework 類庫。圖2-6系統的介紹了基于Visual Studio 2008 . NET的.NET的開發工具 結構。本文采利用ArcEngine、.NET技術、ArcSDE空間數據引擎；系統采用C/S 模式，用C#語言進行城市天然氣管網信息管理預警系統的開發工作。
VB C++ C# JScript …
公共語呂規范(Common Language Specification)
公共語言運行時(CLR)
C0M+ Services
圖2-6 . NET的框架
第三章風險評價方法
3.1定量風險分析
3.1.1管網定量風險
目前，定量風險評估已成為燃氣管網風險管理的一種重要方式岡。通常把風 險定義為風險事件的發生的概率和事件后果的乘積。風險管理通過定量風險評估 得出的量化參考數據，將風險概率與相應的人身損失、經濟損失和環境破壞等因 素控制在可接受水平上。
對于燃氣管網定量分析，國內外學者研究成果較多L17>18-19120],以往大量的研 究主要采用長輸油管線定量分析方法來對城市燃氣管網進行分析,對于城市燃氣 管網來講，其燃氣管線的布設形式多為枝狀、環狀，城市燃氣管網的所處的周邊 環境與管網布設形式與長輸油管線有很大區別，以往的方法并不適合布網復雜的 城市燃氣管網的定量風險分析㈤。為此，本文提出一種基于城市燃氣管網網絡模 型的多管段作用下城市燃氣管網定量風險計算方法,該方法結合管線失效率和失 效后不同的事故后果計算特定位置在多管段共同影響的風險值。
風險具有不同的表述形式，例如個體風險、社會風險、最大個人風險，全部 人群的平均個人風險，平均死亡率。其中使用較多的是個人風險（IR）和社會風 險（SR）,前者通常使用風險等值線表示，后者通常使用頻率一數量（F-N）曲線 表示叭個體風險包括了事故發生可能性的量化和在特定地點事故后果的量化兩 方面內容，可以表示為一年在特定地點的一個人的死亡概率。社會風險被定義為 事故發生概率以及引起死亡數量的關系，可用事故概率F與死亡人數N的曲線來表 ZjSo
個人風險被定義為在某一特定位置長期生活的未采取任何措施的人員遭受 特定危害的頻率，特定的危害通常指死亡。就城市燃氣管道而言，個體風險表示 的是管道失效發生的概率和失效對特定地點人員致死概率的乘積測。由于不同失 效點的失效概率有所不同，計算管道附近某一位置的個體風險值通常采用的是積 分方法，即沿管道對失效概率與該目標位置處個體死亡概率的乘積進行積分，
其積分表達式為何:
加(禺刃=工工 ^iPi(X>y)dL (3-1)
i Consequence
式中，j為失效模型(如大，中，小的孔洞泄露)，坯為單位長度管道失效概率, Z為管道長度，”(x,y)為對特定地點的致死概率。/土為對特定地點帶來風險的 管道區域，Consequence為各種失效場景(射流火焰，爆炸等)。
積分區間個人風險幾何模型，如圖3-1。
圖3-1個人風險幾何模型
圖3-1中A、B兩點稱為臨界失效點，其含義是若失效發生在管道上A點或 B點，其后果導致目標位置處人員死亡的概率為1%；在AB管段內發生的失效 事故造成目標處人員的死亡概率大于1%;而在AB管段以外的管道上發生的失 效事故并不會造成目標位置處的人員死亡。
通過假設失效概率為常數簡化個人風險計算。
IR(x,y) = ^i 工 ^Pi(x,y)dL (3-2)
i Consequence
式(3-2)中，將死亡概率的積分定義為致死長度，即L叫=1叫刃匹。則式 (3T)可簡化為77?(x,y) =》0i 工 LFLi [17]o
i Consequence
針對城市燃氣管網布設特點，結合城市燃氣管網網絡模型，利用GIS相關算 法搜索區域內所有管段在特定點(x, y)處疊加產生的個人風險，特定點通過劃分 網格的方法得到，如圖3-2所示。
N
IR(x,y) = (3-3)
s=l i Consequence
式中，N為對目標點影響的管段個數。
首先，將評價管網區域劃分為等間隔的網格區，即用一笛卡爾坐標體系的網 格覆蓋區域地圖。然后，計算區域內每一危險源對每一網格點產生的個人風險, 疊加得到每一網格點總的個人風險。任意點處的個人風險，通過將網格點個人風 險的離散結果進行內插得到。最后將個人風險值相等的點連接起來，便得到區域 內不同水平個人風險的等值線。
圖3-2多管段影響下個人風險幾何模型
將個人風險計算結果與對應的人口密度相乘即得預測的死亡人數。通過將死 亡人數與累計頻率作圖即得到區域社會風險的曲線(F-N)曲線。
3.1. 2管線失效率
燃氣管網失效通常指由于外界影響或固有風險等原因導致燃氣管網破裂悶。 燃氣管網失效率通常定義為每年每單位長度管線的失效次數，可采用層次分析 法，事故樹分析法或者故障樹分析方法分析燃氣管網的失效率，但是以上方法計 算復雜而且不夠準確。因此可結合歷史失效概率和管道運行，設計參數，用相應 的經驗公式計算燃氣管網失效率，根據歐洲輸氣管網失效數據庫的統計分析，第 三方破壞引起的破壞程度與管徑、埋深、管壁厚度、等因素有關血。
n n ncic-4.18"2.18562
Psmaii,Ei = °-001e (3_4)
爲“ =0.001e"S3441
式中：打叫也為小孔失效模式，Pmedium,EI穿孔失效模式，bag破裂失效模式。 其大小分別對應于＜5%D、5%-20%D和＞20%Q, D為管徑，m。
英國健康與安全委員會（HSE）提供了一個由外部影響引起的失效概率的計 算方法泅，其表達式為：
Pt,EI =（3-7）
式中：人也為第三方破壞引起的失效概率l/（km.a）； $為管道焊縫相關修正系 數；F為管齡修正系數；幾穌。為第三方破壞引起的與管徑有關的失效概率1/ （km. a）；耳,匕，E分別為管道覆蓋深度校正因數、墻體深度校正因 數、人口密度校正因數、預防方法校正因數汽
QE =1.75 AN （3-8）
式中A為焊接脆弱系數，通常取0.5, N為管道系統焊接數量；1.75為焊接能影 響的管道長度約為焊接寬度的1. 75陪。
對于施工缺陷、腐蝕、地面運動等其它原因引起的失效概率可根據EGIG數 據估計確定閔。因此，不同失效模式對應的失效概概率可以表示為：
Pi,EI = Pg,D + P-CD + Pi,C + 兔 GM + ^i,OR
公式中：兔CQ為施工缺陷導致的管道失效概率；坨C腐蝕導致的管道失效概率； P®為地面運動導致的失效概率；'例為其他未知原因導致的管道失效概率。
當缺乏管網歷史失效概率和管道運行，設計參數時，可采用經驗公式計算， 一般認為城市燃氣管網失效率在2.1X1（T到7.7X10"（年.千米）一般可取 5. 57X10^7］。
3.1.3燃氣有效釋放速率
對于管道不同失效模式下的氣體泄露率計算模型通常有小孔泄露模型、管道 泄露模型、大孔泄露模型。對于風險評估，通常采用小孔模型計算陶。管道中泄 露質量與其流動狀態有關。
當垃M (二)音時,燃氣泄露流動屬于音速流動，此時管道泄露率為泗2“ 3°'311:
(3-10)
當垃n(厶)音時，燃氣泄露流動屬于亞音速流動，此時管道泄露率為他:
上式中A為燃氣供應站氣壓；人為環境氣壓；d為管徑;M為分子量，天 然氣取0.017kg/mol； R為氣體常數，8.31J/(mol.k);T為氣體溫度,K； °。為孔 口泄露修正系數；/為泄露孔面積；△為環境；上為氣體絕熱系數；
為了工程計算，引入有效釋放速率即隨著時間的改變，管道泄露速率與最大 泄露速率的比值，釋放率衰減因子彳，有效釋放率為呦：
(3-12)
釋放速率衰減因子取0.2 ~ 0.5可得到管道釋放速率穩態下的近似值。通常可 保守的取2=0. 33 o
3.1.4泄露質量計算
在假設均勻湍流場的條件下，有害物質在擴散截面的濃度成高斯分布，稱為 高斯分布。由于高斯擴散模型建立較早，模型簡單，實驗數據充分，因此廣泛應 用與大氣污染研究中。對于燃氣管道泄露問題，可認為源高為0的地面點源氣體 擴散。根據高斯擴散模型，設泄漏點為坐標原點，取平均風速的順風方向為x 軸正方向，y軸為側風方向，垂直向上方向為z軸正方向。濃度分布公式沏：
式中：C(x,y,Z)為擴散氣體在點(x,y,z)處濃度，弦/"； 0為源強(泄露質量
流量)，弦/也；比,卽為X, y方向的擴散系數，根據選定的大氣穩定度，查 表可計算出擴散系數。
根據天然氣燃燒下限濃度為5%,用計算機編程可實現擴散體積v,取天然氣 密度為0. 68絃/",從而計算對爆炸、火災的實際貢獻燃料質量。
3.1.5管線失效后果分析
城市燃氣管道多為中壓和低壓輸送管道，一旦泄露，由于城市人員密集，燃 氣本身易燃易爆特性，可能帶來災難性的火災或爆炸，對失效點附近的人員和建 筑物帶來嚴重傷害。燃氣管線的失效后果通常指泄露氣體毒性、火球燃燒熱輻射、 噴射火的熱輻射及受限蒸氣云爆炸所帶來的傷害。根據美國石油協會(API)提 供的歷史數據可知上述燃氣管網失效后果發生可能性依次為 0.8,0. 1,0. 06, 0.04昭。對于城市燃氣管網，泄露氣體多為天然氣，天然氣的主 要成分是甲烷，占90%以上，本生沒有毒性，因此可以忽略泄露氣體毒性后果陶。 本文就噴火球、射火對人造成的熱輻射傷害和蒸氣云爆炸所帶來的傷害進行研究 分析。
計算泄露引起的火災和爆炸的后果是在確定物質泄露后的速率和泄露量基 礎上進行的。因此首先根據天然氣燃燒下限濃度用擴散模型就算相應的擴散范 圍，然后進一步計算對爆炸、火災用實際貢獻的燃料質量。
3. 1. 5. 1噴射火熱輻射后果分析
帶壓管道瞬間破裂時，泄露燃氣在泄露源處著火形成擴撒火焰，其燃燒火焰 幾乎在噴射擴散區的外層，是一種表面火焰。在風險評價中通常將噴射火焰看成 是沿噴射中心線的若干點火源構成。距離點火源R處的目標接受到熱輻射通量劑 量為冋叫
I ^HcQt
4兀F (3-14)
式中，？為目標接受的熱流，kW/"；帀輻射率系數，對于甲烷一般取0.2；嘰 為燃燒熱5-002xl07j/^，°為質量流量，匸為大氣投射系數一般取1,尺為距 離。
3.1.5. 2火球熱輻射后果分析
帶壓管道瞬間破裂時，泄露燃氣若尚未與空氣充分混合即被點燃，在空中形 成火球，產生強烈的熱輻射。火球直徑計算公式如下陶：
分 2.665027 (3-15)
式中，©為火球最大半徑，M為可燃物質的質量。
火球燃燒持續時間與燃燒量的關系阿：
tf =1.O89M0327 (3-16)
在火球持續時間內，對于火球內部的目標，顯然被熱輻射摧毀，火球以外的 目標，其熱毀傷程度可根據目標受到的熱輻射通量判定。距離火球中心R處的目 標接受到熱輻射通量劑量為[37]:
&空學 (3-17)
式中，尺輻射占可燃氣云的百分數，通常用泄露天然氣質量的90%o廠目標接 受輻射的時間，加為可燃氣云的質量，丁為熱傳導系數，取1.0。
3. 1.5.3蒸汽云爆炸后果分析
發生危害的可燃氣云不超過10%的部分發生爆炸。通常把參與爆炸體積所占 的全部氣云體積的百分數成為TNT吸收率。根據危害最大化原則，取TNT吸收率 為10%進行風險評估。蒸氣云爆炸的能量常用TNT當量描述，即將參與爆炸的可 燃氣體釋放的能量折合為能釋放相同能量的TNT炸藥的量，以便于利用有關TNT 爆炸效應的實驗數據預測蒸氣云爆炸效應。可燃氣爆炸總能量計算公式醐:
Egy = 1 .iaTNTm^Hd (3-18)
公式中％為爆炸總能量，吩為可燃氣體蒸汽云當量系數，取4%, %為參與 爆炸的天然氣質量(kg), 口巧為燃氣爆炸熱，即5.002x107//舷。
對于質量為加附的標準爆源，在距離爆炸源R (m)處產生的沖擊波超壓為 ［⑺?
□P = (0.137(7?(A)3)-3 +3.99(.R(A)i)-2 +12.6(2?(竝)亍尸)人 (3-19)
E。 Ea Ea
3.1.5. 4致死率計算
泄露燃氣對人的影響可用致死幾率單位來表示,其中致死幾率單位為受傷人 口百分數的度量，與傷害因子(熱輻射、爆炸超壓)等有關，表達式如下測：
Pr=a+bIn(D) (3-20)
量化熱輻射對人體造成的傷害，可用Pietersen模型描述的熱輻射致死幾率 單位公式來計算⑹：
4
tp
£ =-14.9+2?56力(話) (3-21)
公式中：「為輻射場中暴露時間，S； /為熱輻射劑量，W/ml
通常選擇30s作為城市內的暴露時間，噴射火熱輻射致死幾率單位，將公式 (13)帶入式(20)可簡化為嗣：
£=16.61+ 3.4 帀(馬) (3-22)
R
在計算火球熱輻射致死幾率單位肘，幾率方程中的時間為火球持續時間。將 公式(15)、(16)帶入式(20)公式化簡為：
加224
Pr = 12.74 + 2.562h(^-g-) (3-23)
爆炸超壓致死幾率單位為問：
£=—77.1 + 6.9%(P) (3-24)
根據致死幾率單位，利用公式計算相應的致死率概率。致死幾率單位與致死
(3-25)
管道的致死長度可近似看作致死率為1%—50%, 50%—99%, 99%—100%的管 道長度乘以相應管段的平均致死概率的和，由公式（24）計算可知致死率為99%, 50%, 1 %，對應的致死幾率單位分別為7. 33, 5, 2. 67o致死率為99%, 50%, 1%的 各種失效后果致死半徑由上式（21）、（22）、（23）計算得到。
對噴射火：
Sa = 5.498-^2 , rjet l = 7.767-^0
對火球:
對爆炸超壓:
expowon,50 _ ? ggj expoj/onJ _ 3 0]7
致死率在對應的管線長度1%—50%, 50%—99%, 99%—100%的管道長度由圖 3-1風險幾何模型可得:
4,100-99 = 2j(Q99)F， A,99-50 = 2&,50)2_F , £,50-1 "J©)"
式中方為特定點到管線的距離，為第Z種失效后果a%~b%致死率的管線長 度。
噴射火3段管段的平均致死率計算如下。
圖3-4噴射火熱輻射致死率圖
同理，火球3段管段的在1%—50%, 50%—99%, 99%—100%平均致死率依次
為0.161,0.831,1。爆炸超壓3段管段的平均致死率在1%—50%, 50%—99%,
圖3-5火球熱輻射致死率圖 圖3-6爆炸超壓致死率圖
噴射火熱輻射致死長度計算公式如下：
LFL,Jet = （ PjH（X,y）dL Q jet,WO-99 + 0.805人 99®+0.172E如（3-26）
爆炸超壓致死長度計算公式公式如下：
^FL,exposion = [ ^exposion jet,WO-99 +0-828Zexposion 99_50 + °? 1 68=0畑,50-1 （3~27）
火球熱輻射致死長度計算公式如下:
■^FL,fireball = ] ^fireball (兀尹)刃7 = fireball,10Q-99 + °?83 U問a〃,99-50 + fireball,50-1 (3~28)
多管段作用下的個人風險計算模型表達如下：
N
恥』）=工此?工
PeiLflj
s=l Consequence
失效后果權重根據(API)提供的歷史數據來確定剛，由各個失效后果的相 對權重計算實際權重：
w,=卻/》嗎 (3-30)
式中：ui為第i個失效后果的發生的概率。
對于社會風險，死亡人數表達式如下：
SR(x,y) = IR(x,y)P (3-31)
式中：P為特定點(x,y)處的人口密度。
累計頻率表達式如下：
Consequence f(x』)=X S a ,100-99 + A,99-50 + £,50-1)耳Z (3 - 32)
j=l i-1
圖3-7定量風險計算流程圖
3.2半定量風險分析
3.2.1肯特管道風險評價法
肯特管道風險評價法是美國運輸部根據大量歷史管道工程研究和經驗總結 而得出來的一種風險評價方法刖，該方法以風險的數量指標為基礎，根據計算管
道的相對風險值大小，來確定管道的危險程度。一般地，相對風險值越大，說明 管段風險越小，管道越安全。相對風險值是在分析各段管道獨立的影響因素后, 對各個因素的影響指數逐項評分并對其加權求和，得到指數和。然后分析管道運 輸介質的危險性和影響系數，計算泄漏影響系數，相對風險值即等于指數與泄漏 影響系數的比值“訕，管道的風險評估在此基礎上結合實際情況進行適當改正。
評價步驟可參考圖3-8管道風險評價框圖。
-I |
I第二方和霑茶藪］［彌哪數I ［設計阿］|魁耐敷］
圖3-8管道風險評價框圖
式中指數和=第三方破壞指數+腐蝕指數+設計指數+錯誤指數
其中，各指數評價條件與分值對應情況如下詳細介紹：
1.第三方損壞指數及其評分條件（0-100分）
第三方損壞是指非管道營運單位工作人員造成的管道意外破壞，在管道風險 評估中占有重要地位，它與管道所經地域活動水平、埋深、地上設備、線路狀況、 公共教育和巡線頻率等因素有關，但不包括人為蓄意破壞，第三方破壞指數為上 述指數之和［4M3］O
2.腐蝕原因指數及其評分條件（0-100分）
腐蝕主要分為三部分：埋地金屬腐蝕、內壁腐蝕和大氣腐蝕。大氣腐蝕（0? 20分），大氣腐蝕是指大氣對金屬管材發生化學作用而造成的破壞泗。
大氣腐蝕指數為管道在空氣中暴露方式指數，為空氣類型指數、保護層指數
之和。
埋地金屬腐蝕指數（0~60分），外腐蝕是管道腐蝕破壞的主要因素，它與 陰極保護的狀況、保護層質量、管道使用年限、土壤腐蝕性、管道附近有無其他 金屬埋設物等因素有關。
3.設計指數及其評分條件（0-100分）
設計指數主要包括了：疲勞指數、鋼管安全指數、土壤移動指數、水擊指數、 水壓試驗指數、系數安全指數醐。
鋼管安全指數（0~25分），鋼管的安全指數取分決定于鋼管實際厚度與鋼 管計算厚度的比值t,詳見表3-1。
表3-1鋼管安全指數評分
t <1.0 1 ?1. 1 1. 1 ?1.2 1.21 ?
1.4 1.41 ?
1.6 1.61 ?
1.8 >1.81
分值 -5 2 5 9 12 16 20
系統安全指數（0~25分），一般情況下，管道實際操作壓力小于設計壓力。 系統安全指數取分取決于管道設計壓力與最大允許工作壓力之比T,比值越大， 越安全。
疲勞指數（0?15分），管道內壓的波動及外負荷引起的應力變化，均能造 成管道內疲勞裂紋擴展。當裂紋擴展至某一臨界值時，便會導致管道疲勞斷裂。 疲勞斷裂與管道應力變化的幅度、交變循環的次數和材料的韌性等因素有關。
4.錯誤指數及其評分條件（0-100分），錯誤包括設計、施工、操作和維護等四 方面的錯誤。
設計（0~30分），設計不當或錯誤是指在安全設計方面的失誤。
施工誤操作（0?20分）：
表3-2誤操作評分
因素 檢測 材料 連接 回填 處置 保護層
分值 0?10 0?2 0?2 0?2 0?2 0?2
運行操作（0?35分）:
表3-3誤操作評分
因素 規章 SCADA/3 訊 毒品檢査 安全規程 檢測與調查 培訓 防止誤操作 措施
分值 0?7 0?5 0?2 0?2 0?2 0?10 0?7
維護操作（0 ~15分）:
表3-3誤操作評分
因素 維護計劃 文檔 維護規程
分值 0?2 0?3 0?10
5.介質危險指數(0?22分)
當前危害分值和長期危害分值(RQ)之和等于介質危險性評價分值。由于天然 氣主要成分為甲烷，天然氣泄漏基本上是急性危害，根據表2-17,天然氣的危 險性評價分值可取7。
1.泄露影響系數(l~6)o
影響系數=泄漏分值/人口密度分值o根據根據氣體相對分子質量和泄漏率 評分，參考表2-18 o泄漏速率一般用在最大允許工作壓力下工作時，完全破裂 后，lOmin內泄漏量(kg)來表征。
28~49 5 4 3 2
W27 6 5 4 3
按管道沿線的人口密度劃分為四個等級，人口越密集就越危險，反之人口越 稀少就越安全。一類人口密度得1分，二類人口密度得2分，三類人口密度得3 分，四類人口密度得4分泗。人口分類標準見表2-110
表3-5人口密度對應等級
地區等級 人口密度，
一級 少于等于15戶
二級 大于15戶小于100戶
三級 大于等100戶
四級 樓房普遍集中、交通頻繁、地下設施多
3.2. 2模糊數學
管道風險評價是一個多因素綜合評定的過程，管道風險評價的實施基礎源 于危險辨識階段，需要找出所有的危險因素或者找出具有決定性影響的危險因 素,研究實踐表明，在評估過程中對引起管道發生事故的因素考慮越全面，則評估 結果的準確性就越高。由于誘發城市燃氣管網風險因素繁多，需要結合層次分析 法，將系統的識別出影響整個城市燃氣管網系統的風險因素。但是燃氣管道的工 作運行環境條件千差萬別，所以在誘發管道事故的因素中除了有前面識別的因素 外,還包括管道的設計、施工、運行和維護期間存在的許多特殊因素的影響。在 風險評價中，這些特殊因素的不能精確化，從而極大地降低了燃氣管道的結構完 整性并降低了防護措施的有效性，在目前城市燃氣管線的特點和國內燃氣管線的 勘察、設計、施工和運行管理水平，國外通用的肯特指數法某些管道風險評估原 則在國內不適合，為了彌補管道風險評估技術在這方面的不足，有必要借用模糊 分析技術的研究成果把影響燃氣管道事故發生可能性的模糊因素納入管道風險 評估體系中附，這樣不僅可以提高管道風險評估結果的準確性，也是對管道風險 評估技術的進一步完善和發展。
1模糊綜合評判法的基本原理
模糊數學又稱FUZZY數學，是美國加利福尼業大學控制論專家查德 (LA. Zadeh)教授于1965年首先提出的，主要研究和處理模糊性現象的一種數學 理論和方法。模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評標方法。該綜合評價 法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到 多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。模糊綜合評判思路主要分兩 步：首先對單個因素評判；然后對進行所有因素綜合評判。模糊綜合評判步驟主 要如下建立因素集、建立權重集、建立備擇集、單因素模糊評判、模糊綜合評判 [45]
o
1.1建立管網風險因素集
因素集是影響評價對象的各種因素所組成的一個集合。通常用u表示。
U = {“”“2,•••,"”}，集合u中各元素“應= 1,2,...,“)代表各個影響因素，這些影響 因素具有不同程度的模糊性。單個失效因素風險指標均是一個多級體系，包含了 不同的危害因素項，各個危害因素項還可進一步分級，使風險評價結果能真實反 應風險狀況，指標值則可通過模糊綜合評價法得到泗。
結合肯特指數法，采用層次分析法，城市燃氣管線風險因素評價指標體系如 下圖3-9所示⑷。
各個因素的重要程度通常不同，則有必要對各因素賦予相應的權數 a,.(z = 1,2,.由各權數所組成的集合A = ｛a15a2 稱為因素權重集，即權
集。
各權數a,.(Z = 1,2,...,”)一般滿足歸一性和非負性，即有：
(a,. > 0) (3-33)
i=i
權重可以看成是各因素“應=1,2,...,“)對風險的隸屬度。常用的權數確定方 法有綜合分析法、故障樹分析，專家咨詢法，主成分分析法、層次分析法等幾種 方法。結合管網風險評價情況，采用根據國內外城市燃氣管線事故發生頻率及嚴 重程度，可以確定各一級指標的權重。
1.3建立備擇集(評價集)
備擇集是代表評價對象評語所組成的集合。一般用大寫字母V表示，即： V = ｛v”V2，...,V"｝。
例如可取取判斷集V=｛差，較差，中等，較好，好｝,每個因素如果得到好的評 判,表明它所帶來的風險較小,而差則表示帶來的風險較大。模糊綜合評判的目的 就是在綜合考慮所有影響因素的基礎上，從備擇集中選出最佳的評判結果。
1. 4單因素模糊評判
單獨對一個影響因素來進行評判，確定評判對象對備擇集元素的隸屬程度, 稱為單因素模糊評判。設因素集中，均對備擇集中第/個元素©的隸屬程度為©， 則可表示為：出=珞,％，•••/“｝，將各單因素隸屬度排行成列，構成評判矩陣，
常用R表示。
( X
勺1先 …•斤”
R = r2\ r22 …了2” (3-34)
曲 ^2 ?y
1. 5模糊綜合評判
權重集同單因素模糊評判的乘積可以有效地反應所有因素的綜合影響⑷嗣。 模糊綜合評判可以表示為：
AoR = B (3-35)
其中：R為加X”階模糊評價矩陣；A為權重集，U上的模糊子集；B為模糊評 價集，表示評價結果，是論域V上的一個模糊子集；o為模糊算子。
1.6評判指標的處理
指標得到之后，需要對其進行合理的處理。處理評判指標的方法主要有最 大隸屬度法、加權平均法、模糊分布法等。一般對于數量型的評判對象，通常 采用加權平均法來處理評判指標。因此城市燃氣管網采用加權評價處理。
管線風險評價流程圖如圖3-10所示。
收集管道系統資料
管道失效危害辨識
第三方破壞指標―]|腐蝕指標11設計指標11誤操作指標11動態指標
綜晶標 泄露影響系數孑
—|— —；
管線相對風險值
管線風險專題顯示
圖3-10管線相對風險評價流程圖
3.2. 3風險指標動態管理技術
管道風險評價的實施基礎源于危險辨識階段，需要找出所有的危險因素或者 找出具有決定性影響的危險因素。一般而言，管道風險評價涉及的危險因素很多, 如第三方破壞、腐蝕、設計等，針對不同管道采用不同的危險因素及其權重，實 現危險因素指標的有效管理，有利于管道風險評價系統的高效運行剛。可擴展的 指標庫增強了評價系統的通用性，考慮管道失效因素、因素分指標以及指標等級 的層次性，評價信息的存儲采用XML模式。存儲策略：
1.與管道風險評價相關的所有管道失效因素、因素分指標、泄漏后果指數等 信息均存儲于一級節點〈管網相對風險評估＞〈/管網相對風險評估〉內；
2.所有可選指標均存儲于其二級節點〈風險評價指標＞〈/風險評價指標〉內；
3.所有管道失效因素平行存儲于二級節點〈風險評價危害因素＞＜/風險評價 危害因素〉內，并對管道失效因素賦予風險性等級與分值；
4.將管道失效因素分指標平行存儲于當前評價類型的節點下,作為指標節點 并賦予其相對權重；
5.在指標節點下進行指標等級及其分值的存儲。
在XML存儲的評價信息中，易于獲得致使管道失效的影響因子，指標的相對 權重、劃分等級與分值，以及風險等級劃分標準。由XML結構（圖3）可知：其 中一個管道失效因素為第三方破壞，相對權重為40。該因素由線路情況、地面 設施、社會關系和巡線狀況等分指標組成；線路情況又由分指標管道埋深、人口 密度、活動水平等二級分指標組成；對于管道埋深指標，則進一步劃分為4級， 其分值分別為100、80、60、30o根據綜合指標得分劃分管道風險等級：綜合指 標得分大于85,最危險；綜合指標得分為75?85,危險；綜合指標得分為60~75 之，次危險；綜合指標得分小于60,不危險。
<?xml version=*l* 0* encoding=*utf-8* ?>
<管網相對風險評 ffeGradel=*85* Grade2=*75* Grmie3="60" 〈鳳險評價指標乜
〈風險評價
<第三方破壞
〈線路情況power=*50*>
<管線埋灤 TyPe=*數字"poWCr=*30*>
<g value=**[-, 0. 8]*> 10</g>
<g value=*[0. 8, 1.2]*>8</g>
<g value=* [1. 2, 1. 5]*>6</g>
<介質危險指標>Q
〈泄露影響指標〉仁3 </泄爲后果捋數〉 </管網相對風險評伎〉
圖3-11管網相對風險評估XML結構
釆用XML對各種管道失效因素及其各級分指標進行管理，符合實際需求，具 有擴展性強和層次結構清晰的特點，便于數據査詢、更新、添加和刪除等，從而 實現對指標信息的動態管理。在管道失效因素及其分指標管理界面（圖4）中， 指標庫可以根據需要進行擴充，而管道失效的影響因子、相對權重、等級劃分標 準與分值等也可以定制。例如：我國很多現役燃氣管道都曾經輸送過不同類型的 氣體，如液化石油氣混空氣、各種人工煤氣等測，關于歷史氣源對燃氣管道運行 風險的影響，現有模型均未有涉及；因此，用戶可以根據需要，添加相關的管道 失效影響因子，定制需要的指標，實時更新指標庫，以使評價結果更加客觀、準 確。
管道失效因素和分指標確定后，系統將自動實現管道風險的分等定級。進入 評價信息設置界面后，系統將自動調出所有存儲在XML文件中的管道相對風險評 估指標信息，選擇需要評價的管道失效因素并添加到臨時評價列表中，評價指標 信息表將自動更新需要的指標信息，比如：選擇了第三方破壞、設計、腐蝕和誤 操作4種管道失效因素，信息表中將顯示這4種因素的分指標因子及其對應的相 對權重。
3.2. 4風險矩陣
風險矩陣是一種有效的風險管理工具。風險矩陣的基本思想是將決定危險事 件風險大小的兩種因素：后果嚴重程度和可能性，按照其特點劃分為相應等級并 轉換為兩個可度量的量，從而形成風險評價矩陣則。其中嚴重程度與經濟損失、 人員傷害、環境污染、法律法規觸犯、聲譽損失等因素相關。由于不同的主體對 風險的承受能力不同，不同類型的后果或事件的特征也有很大不同，所以不同的 主體應該定義自己的風險矩陣。其中嚴重程度的分級，可能性的分級，及風險的 分級標準都可以使用自己的標準。結合肯特指數法，將城市燃氣管網風險嚴重性 和發生概率劃分為5個等級，風險劃分為4個等級胞頓。根據風險等級，生成相 應的風險緩解預案，實現風險合理控制。
表3-6風險等級表
嚴重程度 描述 概率 可能性描述
關鍵 管網完全無法運行 0. 00~0. 10 極不可能
嚴重 管網運行受到重大
影響 0. 10~0. 40 不太可能
中等 管網運行受到輕微
影響 0. 40~0, 60 可能
微小 管網運行受到影 響，但是可運行 0. 60~0.90 很可能
可忽略 管網運行受到重大 可忽略 0. 90~1, 00 接近確定
對評價對象的每次風險評估，結合風險矩陣，則可清晰地看到對象的風險程 度。其中紅區域為高風險區，不可容忍區域，黃色為中風險區域為可容忍區域， 綠色為低風險區域為可容忍區域，如圖3-12所示。城市燃氣管網風險緩解預案 的原則將落入高風險區域的管網采取合理的措施使其風險程度降低到綠色區域 [45]
圖3-12風險矩陣
第四章系統總體設計
4.1系統需求分析
近年來，隨著城市經濟和建設發展水平的不斷提高，城市燃氣工業快速發展, 天然氣的使用日趨普及。與此同時，隨著城市建設速度的加快和城市燃氣管網的 不斷老化，全國各地燃氣火災、爆炸、中毒等事故時有發生，且呈上升趨勢，給 社會的公共安全與和諧穩定帶來極大的負面影響。城市燃氣管網安全性能的問題 逐漸得到人們的關注。管道的安全性是一個非常重要的問題，日益受到人們的重 視。鑒于此，用科學、業界廣泛認可的風險評價方法，實用的風險分析方法對城 市燃氣管網系統進風險預測，根據評價系統發生的風險可能性與危險程度，結合 相應的安全管理標準，制定必要的措施降低事故發生率，減少事故損失，是城市 管理部門對城市公共安全管理的最優策略。
對于城市地下燃氣管網系統，借助計算機、GIS技術、風險評估技術，構建 城市天然氣管網信息管理預警與應急系統是以應對由于城市管網事故對城市公 共安全造成的威脅有效措施。系統需求對數據需求和功能需求進行說明。
4.1.1系統數據需求
由系統實現的目標可知，需要對以下幾類信息進行管理：
1.系統權限管理信息
即包括系統所有使用者和管理者的相關信息和分配權限，以及所有功能的編 號和分組。系統根據功能的分組管理來實現使用權限的差別管理，主要分為三級 權限：系統管理員、管理員、用戶。其中系統管理員的權限級別最高，擁有系統 所有的功能使用權，該級別一般分配給公司領導或技術主管；管理員擁有主要的 操作功能，但是不能對系統用戶信息進行更改，也就是沒有分配他人功能權限的 權力；用戶是指一般的資料瀏覽者，只是通過系統提供的信息查詢手段獲取管線 信息，而不具備系統用戶管理和管線數據更改的權限。
2.管網風險調查信息
即管網中管段的設計，實施，以及周邊環境等信息：人口密度，巡線頻率, 腐蝕情，施工單位情況，埋深，活動情況等等。
3.管網事故記錄信息
即管網事故設施記錄信息以及事故應急救援決策記錄表信息以存儲事故發 生地點、事件、采取措施等信息。
4.管線及附近特征信息
即天然氣輸氣管線以及管線閥門的空間位置和屬性信息，以及管線兩側 100~200內地理要素的相關信息:閥門（點）、調壓箱（點）、管線（線）、居住區 （面）、建筑物（面）、街道（面）、街道（線）。
5•行政區域底圖信息
即城區沙天然氣主線所在行政區域內的基本信息。主要包括:行政中心（點）、 高速公路（線）、鐵路（線）、國道（線）、省道（線）、水系（面）、行政區劃（面）。
4.1.2系統功能需求
結合管網設備管理業務、急修、維護等業務，針對城市管網的事故致因及后 果，城市天然氣管網預警與應急系統應具備對城市天然氣管網風險的提前預測、 自動生成緩解預案以及對城市管網事故后基本應急決策的功能。系統將風險分析 模型與GIS技術無縫集成，具備城市地下管網信息可視化管理功能，還包含城市 天然氣管網事故預警應急功能。功能的內容包括：
1.系統管理，主要提供了系統用戶信息方面的管理，包括用戶權限設置，密 碼修正，設置用戶信息等，以達到對系統數據的安全提供可靠保障的目的。
2.圖庫管理，提供地圖操作、圖層管理、管點（閥門和調壓箱）査詢、管線 查詢等。能夠對圖形進行平移、放大、縮小、區域選擇等操作；設置圖層狀態。
3.管網輸入編輯，該模塊主要完成管網數據更新，提供數據輸入、編輯、修 改、刪除功能。包括對地形、管網幾何網絡數據和屬性數據的錄入、編輯，以及 網絡拓撲關系的構造
4•應急決策管理，該模塊主要完成事故源追溯分析，應急方案生成與人員資 源調度，影響區域內重要設施標示及人員疏散，事故影響用戶分析。
5.風險管理，對天然氣管網進行失效率分析，基于管網失效率和管網的失效 后果對管網進行風險值評估。實現城市管網中指定管網設備的風險分析評估，進 而判斷管線風險等級。
6.綜合分析，該模塊完成建立城市天然氣應用系統事故記錄數據庫，實現對 事故頻發區域風險分析，管網設備潛在風險自動預警等等。
4. 2系統總體設計
城市天然氣信息管理預警應急系統涉及界面的展現、查詢統計、空間分析、 管網風險預測、數據可視化等功能，為了系統功能明確劃分且邏輯上相互獨立， 系統總體設計采用三層結構設計，即數據層、邏輯層和應用層，如圖3-1所示。 所謂三層結構，是在客戶端與數之間加入了一個“中間層”，也叫邏輯層，其應 用程序將業務規則、邏輯分析模型、數據訪問、GIS分析等工作放到了中間層處 理，實現功能劃分明確，邏輯分開，降低系統耦合性。分布式三層系統結構也將 物理上分布在不同區域內的計算機在邏輯上組織成可以互操作的數據庫，它將用 戶界面同業務邏輯分離，把信息系統按功能劃分為表示、功能和數據三部分，分 別放置在相同或不同的硬件平臺上，使系統開發變得更為簡單，維護性大大提高 曲55,56,57,58],系統三層結構體系如圖4~1所示。
應用層
圖4-1集成系統三層結構體系
數據層：數據層處于系統最底層，為上層應用系統提供基礎數據支持，包括 空間信息數據和業務屬性數據，其作用是從數據庫中讀取、寫入、修改、刪除記 錄。主要包括基礎地理信息數據、管網信息數據、管網運行數據等，主要通過數 據庫管理系統(SQL Server 2008)存儲各種數據，對于業務屬性數據，通過ADO. NET 引擎實現對數據庫的操作，對于空間信息數據，通過ArcSDE空間數據引擎對數據 庫進行操作。
邏輯層：邏輯層是對業務邏輯的提煉，是三層結構的核心部分，通過組件技 術將GIS功能、管網風險分析、事故應急事務處理與其它功能集成起來，實現系 統應用服務器上的組件式集成與共享剛主要提供了程序數據層與應用層的接 口。客服端通過應用層將命令需求傳遞給邏輯層，調用C#.NET二次開發的分層應 用組件，利用網絡協議與數據層進行數據交互，分析指令后將有關數據結果在應 用層客戶端進行顯示。
應用層：即用戶界面層，包括系統基本功能、數據維護、查詢統計、空間分 析、數據輸出、管網輸入編輯子系統、設備管理子系統、管網預警子系統、應急 決策子系統、權限管理子系統、動態指標管理子系統等功能模塊。
4.3系統模塊設計
基于的前面的需求分析，結合城市燃氣管網行業業務需求，城市天然管網信 息管理預警應急系統由管網GIS子系統、用戶管理子系統、設備臺賬管理子系統、 管網風險預警子系統、管網應急決策子系統等組成。城市天然管網信息管理預警 應急系統總體結構如圖4-2：
城市天然管網信息管理預警應急系統
V
V ' r v 1 r 、r
圖4-2系統總體結構圖
4.3.1管網信息GIS子系統
1•系統基本功能模塊主要包括了GIS系統的一般功能，包括：放大、縮小、
平移、漫游等地圖瀏覽功能；
2•管網數據編輯模塊：更新、刪除、編輯等地圖數據管理功能；
3.管網分析模塊：生成管網拓撲、管網連通性分析功能；
4.GIS空間查詢統計模塊：雙向查詢檢索（管網圖查屬性，屬性查圖），多種 查詢方式包括（點、線、面緩沖査詢，多邊形査詢、拉框區域查詢）等；矩形框 選擇查詢。通過鼠標任意繪制的矩形框，查詢其范圍內的地物及其統計信息。多 邊形選擇查詢。通過鼠標任意繪制的多邊形框，查詢其范圍內的地物及其統計信 息。點緩沖區查詢。通過給定任意一點以及緩沖距離，自動生成圓形緩沖區，查 詢其范圍內的地物及其統計信息。線緩沖區查詢。通過給定的多義線以及緩沖距 離，自動生成條形緩沖區，查詢其范圍內的地物及其統計信息。
5.地圖打印輸出模塊：將現有地圖視圖窗口中的數據輸出為*. jpg格式，以 便用戶打印使用。
4.3. 2管網設備臺賬管理子系統
1.設備信息編輯模塊：錄入、更改、刪除設備的運行、使用和維修情況數據；
2.設備查詢模塊：可以按設備類型、設備名稱、管理部門、時間查詢設備的 運行、維修和使用情況；
3.維修報警模塊：根據管道的使用年限和維修次數作為檢測參數，對超出使 用年限以及維修次數過多的管段進行篩選，并及時電腦自動報警，根據設備使用 年限，生成相應維修預案，以便管理部門及時派遣人員進行重點巡查以及設備更 換。按設備維修日期、期限等情況對需要維修的設備，提示相應管理部門或人員 進行維修；
4•數據統計圖模塊，根據設備情況按月、年生成設備維護情況表、設備明細 表等生成相應的統計圖。
4.3. 3管網風險預警子系統
1.擴散模擬分析模塊：根據高斯擴散模型，系統實現了天然氣泄漏擴散模擬 分析。通過用戶自定義選擇來設置燃氣泄露故障點處的氣壓、風速、擴散時間等 實時參數因子，根據泄露特點，系統能夠自動在圖中模擬出天然氣擴散濃度的二 維平面圖，并生成擴散危險區域。
2.定量風險分析模塊：根據定量風險計算流程，系統實現了定量風險評估模 塊，結合數據庫管網運行參數，對燃氣管網的事故概率及爆炸、噴射火、火球等 事故后果進行了分析，系統能夠有效的分析出區域內任意位置由城市管網帶來的 個人風險值，并由此進一步生成區域內的個人風險等值線以及社會風險曲線圖， 根據相關風險標準，自動生成相應的緩解預案，從而有效地管理風險。
3.半定量風險分析模塊：采用英國學者Muhlbuer的風險指數評價法，根據管 道設計、腐蝕、第三方破壞等風險指標，采用管道綜合指數評分來計算出管道風 險等級，結合風險矩陣圖，生成相應的風險緩解預案，實現風險合理控制。管網 風險專題顯示。根據默認的管線風險評價參數,對城區管網進行風險半定量分析。 分析完成后，將根據管網風險程度，進行風險地圖專題顯示。管網風險評估管理。 可對風險參數設置界面，根據需要，可以添加，刪除，更新，相關參數，使得評 價結果更加合理。管網風險預先性分析。，將對評價管網進行風險程度評估，以 及分析風險緩解措施。
4•管道風險指標動態管理模塊：基于由管道Kent指數法，采用層次分析法系 統辨識出管道風險評價的危害因素并賦予相應因素權重固定，危害因素指標采用 Xml儲存，并可對指標進行增，刪，改等功能界面，實現危險因素指標的有效管 理。
4.3. 4城市天然氣管網應急決策子系統
1.事故記錄查詢模塊：根據事故類別、時間等查詢以往事故記錄，并生成相 應的統計圖表；結合事故發生頻率，系統生成相應的經驗總結預案。
2.最優路徑搜索模塊：根據事故點位置與救援點位置自動生成最佳搶險路 線，并結合業務數據，生成相應救援預案，實現資源人員調配。
3.事故影響區域分析模塊：根據事故發生時間、地點、類型、環境狀況（風 向）等信息生成危險濃度圖，然后與區域的居民地信息疊加生成相應的影響區域。
4•爆管分析模塊：根據設定的事故爆管點，查詢出其所在的地理位置，自動 顯示出需要關閉的閥門信息，結合居民地信息圖層，生成受停氣影響的居民信息。
5.最近救援設施分析模塊：搜索距事故最近消防站或能時間最快到達的消防
站，也可以是其它救援設施，例如醫院、應急單位等。
4. 3. 5用戶管理子系統
1.用戶權限管理模塊:通過訪問權限的設定和菜單項的過濾驗證保證數據的 安全。管理員可增刪用戶、也可以更改用戶使用的權限。由于管網信息的重要性, 必須對其進行嚴格的保密管理，防止數據的流失，所以應按照不同的級別設置不 同的用戶權限，從而對管網信息進行層層嚴格的管理。
2.用戶管理模塊：增加，刪除，更改用戶密碼及相關的信息資料。
第五章系統數據庫設計
5.1系統數據庫總體設計
城市燃氣管網信息管理預警系統數據庫主要包括天然氣地下管線空間數據 庫和預警應急業務相關數據庫。地理空間數據不僅能夠精確直觀地顯示燃氣管網 及周圍的地理要素的地理位置，還能夠實現空間信息查詢與定位、空間分析、專 題制圖等功能⑼。城市燃氣管網布設與周圍的地理要素緊密相關，因此在將原始 CAD底圖數據進行數字化時，需要采集管網局域內的道路、居民地、河流、等高 線等地理要素，然后對采集的管網數據進行拓撲檢測等預處理。系統采用SQL+SDE 儲存地理數據，存儲管線、閥門、道路、居民地、行政區劃圖、行政中心、水系、 等高線等地理要素類，針對城市燃氣管網事故應急處理需求，將道路網構建網絡 數據集以實現最優路徑分析、救援點搜索等功能。將管線、調壓箱及閥門圖層構 建幾何網絡圖層以實現管網連通性分析、爆管分析等空間分析功能。對于管網風 險評價分析、用戶管理、設備臺賬管理等需要的業務屬性數據獨立數據庫形式存 儲于SQL Server數據庫中。系統數據庫結構如圖5T所示。
圖5-1數據庫關系圖
5.2系統數據庫構建
5.2. 1概念結構設計
系統開發的目標在于將GIS（地理信息系統）技術引入天然氣管網風險預測與 應急處理輔助綜合管理中，將天然氣管線的地理位置及其分布特點、各類管理信 息與地圖數據有機地結合，充分利用燃氣公司現有業務管理系統、管網等地理信 息等數據資源，依靠地理信息系統先進的圖形顯示功能和工程風險管理技術，為 管線現代化管理、領導決策、管網風險預警應急以及應急救災提供全面準確的決 策支持和統計分析信息。系統要求同時面向使用者和管理者，為管理者提供基于 地圖的統計分析功能，同時滿足設計者和管理者的雙重需求，基于管網失效率和 管網的失效后果對管網進行風險值評估，根據綜合風險評估值或已發生事故地的 損失評估情況，生成應急預案等。系統依靠地理信息系統直觀的電子地圖、專題 圖形顯示功能，將管線資料與管線的空間分布相對應，為管理者提供了管網風險 值評估、應急路線輔助決策等，同時也提供對管線網絡的空間分析功能和事故統 計功能。為管理者提供了強大的基于地圖的統計分析功能，并提供管網事故記錄， 為領導決策提供全面、準確的參考信息。系統最終將形成一套完整的管線資料管 理、管網風險預警應急、空間地物等地理信息于一體的領導決策支撐系統。
由系統實現的目標可知，需要對以下幾類信息進行管理：
1.系統權限管理信息
即包括系統所有使用者和管理者的相關信息和分配權限，以及所有功能的編 號和分組。系統根據功能的分組管理來實現使用權限的差別管理，主要分為三級 權限：系統管理員、管理員、用戶。其中系統管理員的權限級別最高，擁有系統 所有的功能使用權，該級別一般分配給公司領導或技術主管；管理員擁有主要的 操作功能，但是不能對系統用戶信息進行更改，也就是沒有分配他人功能權限的 權力；用戶是指一般的資料瀏覽者，只是通過系統提供的信息查詢手段獲取管線 信息，而不具備系統用戶管理和管線數據更改的權限。
2.管網風險調查信息
即管網中管段的設計，實施，以及周邊環境等信息：人口密度，巡線頻率， 腐蝕情，施工單位情況，埋深，活動情況等等。
3.管網事故記錄信息
即管網事故設施記錄信息以及事故應急救援決策記錄表信息以存儲事故發 生地點、事件、采取措施等信息。
4.管線及附近特征信息
即天然氣輸氣管線以及管線閥門的空間位置和屬性信息，以及管線兩側 100^200內地理要素的相關信息:閥門（點）、調壓箱（點）、管線（:線）、居住區 （面）、建筑物（面）、街道（面）、街道（線）。
5.行政區域底圖信息
即樂山峨沙天然氣主線所在樂山市的行政區域內的基本信息。主要包括：行 政中心（點）、高速公路（線）、鐵路（線）、國道（線）、省道（線）、水系（面）、 行政區劃（面）。
以上信息流為本系統的基本信息，由這些信息可以衍生出相關的各類統計信 息，這些衍生表的構建可在運行過程中逐步完善。
5.2. 2數據分類
按照數據庫的實際建設情況，數據主要包括如下5種類型：
1.天然氣管線及閥門的空間和屬性信息。
2.管網風險調查表數據。
3.管網事故記錄信息。
4.GIS圖形數據信息，包括基本的背景信息及各專業圖層。
5•系統運行的基礎信息，包括單位/道路維護和系統權限設置。
5.2. 3邏輯結構設計
根據上分析，本節將具體定義各實體的表結構及相互關系。
系統權限管理信息
1.用戶權限管理［表名：Staffinfo］
表5-1用戶權限管理信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
標示號 ID Numeric &0 PK Identity (1,1)
使用者 Name varchar 50 Not null
密碼 Password varchar 50 Not null
真實姓名 Truename varchar 30 Not null
用戶組別 Groupname varchar 30 Not null 取值：系統管理員/管理員
/用戶
所在部門 Department varchar 40 Not null
職位 Position varch 20 null
描述 Userintro varchar 100 null
說明：
a.該表主要用于存儲各用戶的權限信息。
b.操作權限用于限定用戶為系統管理員、管理員、用戶。
c.該表需和功能分組表［FunctionGroup］同時使用。
2•系統功能管理［表名：Function］
表5-2系統功能管理信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
功能標示號 FuncID Numeric 6 PK
功能名稱 FuncName varchar 40 Not null
功能組別 Functioncolumn varchar 40 Not null
說明：
a.該表主要用于管理系統的全部功能編碼。
b.系統功能編碼分為系統管理、風險管理、地圖瀏覽等。
c.這些編碼是系統內部維護信息，與用戶無直接關系。
3.功能分組表［表名：FunctionGroup］
表5-3功能分組信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
標示號 ID Numeric 8,0 PK Identity (1,1)
分組名稱 GoupName varchar 50 Not null
功能標示號 FuncID varchar 6 Not null
說明：按照系統管理員、管理員、用戶三級將系統功能分組。 管網風險調查表信息
4.管段第三方破壞記錄表
表5-4管段第三方破壞記錄信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
風險評價管段編 號 FeaturelD nchar(lO) 8,0 Not null Identity (1,1)
人口密度 人口密度 nchar(lO) 50
管線埋深 管線埋深 float 10
自然災害 自然災害 nchar(lO)
活動水平 活動水平 nchar(lO)
管道防護設施有 無 管道防護設施有 無 nchar(lO)
宣傳力 宣傳力度 nchar(lO)
居民對管道法認 識 居民對管道法認 識 nchar(lO)
流動人口狀況 流動人口狀況 nchar(10)
沿線標志清晰程 度 沿線標志清晰程 度 nchar(lO) 10
巡線頻率 巡線頻率 nchar (10) 10
與當地居民關系 與當地居民關系 nchar (10)
說明：該表主要存儲風險評價管網第三方破壞情況的記錄信息。
5.管段腐蝕情況記錄表
表5-5管段腐蝕情況信息記錄表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
風險評價管段編 號 FeaturelD nchar (10) &0 Not null Identity(l, 1)
管道物質腐蝕性 管道物質腐蝕性 nchar (10)
陰極保護情況 陰極保護情況 varchar
防腐層情況 防腐層情況 nchar (10)
管道服役年限 管道服役年限 Int
腐蝕檢測頻率 腐蝕檢測頻率 nchar (10)
腐蝕檢測手段 腐蝕檢測手段 nchar (10)
檢測人員素質 檢測人員素質 nchar (10)
說明：該表主要存儲風險評價管網腐蝕壞情況的記錄信息。
6.管段誤操作記錄表
表5-6管段誤操作記錄信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
風險評價管段編 號 FeaturelD nchar(lO) 8,0 Not null Identity (1,1)
施工人員素質 施工人員素質 varchar
運行檢測人員素 質 運行檢測人員素 質 varchar
管道維護人員素 質 管道維護人員素
質 nchar(10)
說明：該表主要存儲風險評價管網誤操作情況的記錄信息。
7.管段設計施工記錄表
表5-7管段設計施工記錄信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
風險評價管段編
號 FeaturelD nchar(10) &0 Not null Identity (1,1)
管道材質情況 管道材質情況 varchar
設計單位資質 設計單位資質 varchar
說明：該表主要存儲風險評價管網設計情況的記錄信息。
管網事故記錄管理信息
&事故設施記錄表
表5-8事故設施記錄信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
事故設施記錄編 號 事故設施記錄編 號 Numeric &0 PK Identity(l, 1)
事故類型 事故類型 varchar 50 Not null
設施類型 設施類型 varchar 10 Not null
事故設施編號 設施編號 Int
設施安裝日期 設施安裝日期 datetime Not null
設施損壞日期 設施損壞日期 datetime
記錄日期 記錄日期 datetime
事故傷亡人數 事故傷亡人數 int
設施損壞次數 設施損壞次數 int
事故地點 事故地點 varchar 10
事故原因 事故原因 varchar 10
說明：該表主要存儲管網設施事故的記錄信息。
管線及附近特征信息
9•管線分段信息表單[表名：Pipe]
表5-9管線分段信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象編號 ObjectID numeric 1& 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE geometry 500 Not null
管線名稱 GXName varchar Not null
管線規格 GXGG varchar 50 null
管線長度 GXLong Double null
安裝日期 JGDate datetime 50 null
維修日期 TYDate datetime 50 null
編號 編號 varchar null 人工編制唯一編號
深度 深度 varchar null 設備埋設深度
廠家 廠家 varchar null 生產廠家
負責人 負責人 varchar null 設備管理維護
描述 描述 varchar null 設備周邊信息描述
說明：該表主要用于存儲分段管線的基本信息。
10.管線閥門信息表單[表名：Valve]
表5-10管線閥門信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象編號 0BJECTID Numeric 18, 0 PK Identity(l)1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
有效性 Enabled smallint null 表示閥門是否可用（false或 true）
AncillaryR AncillaryR smallint null
角色 AncillaryRole smallint null 值域 none\source\sink
出廠日期 出廠日期 datetime null
維修日期 維修日期 datetime null
序號 序號 Varchar 10 null 人工編制唯一編號
說明：該表主要用于存儲管線閥門的基本信息O
11.調壓箱信息表單[表名：Ddss]
表5-11調壓箱信息表單
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象編號 0BJECTID Numeric 18, 0 PK Identity(l, 1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
有效性 Enabled smallint null 表示調壓箱是否可用（false 或 true）
AncillaryR AncillaryR smallint null
角色 AncillaryRole smallint null 值域 none\source\sink
出廠日期 出廠日期 datetime null
維修日期 維修日期 datetime null
序號 序號 Varchar 10 null 人工編制唯一編號
編號 編號 Varchar 10 null 設備出廠所帶標識
深度 深度 Varchar 10 null
規格 規格 Varchar 10 null
廠家 廠家 Varchar 10 null 生產廠家
負責人 負責人 Varchar 10 null 設備管理維護人員
描述 描述 Varchar 50 null 設備周邊信息描述
說明：該表主要用于存儲閥門的基本信息。
12.居住區建筑物信息表單［表名：Settlement］
表5-12居住區建筑物信息表單
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID 0BJECTID numeric 18, 0 PK Identityd, 1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
名稱 Name Varchar 50 null
線長 SHAPE_Length Double null
面積 SHAPE„Area Double null
說明：該表主要用于存儲建筑物的基本信息。
13.城區街道信息表單［表名：Street］
表5-13城區街道信息表單
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID 0BJECTID numeric 18, 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
街道名稱 Name Varchar 50 null
線長 SHAPE_Length Double null
面積 SHAPE Area Double null
說明：該表主要用于存儲建筑物的基本信息。
行政區域底圖信息
14.行政中心信息表單［表名：行政中心］
表5-14行政中心信息表單
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID 0BJECTID numeric 18, 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
ID ID numeric 18, 0 PK Identity (1,1)
行政中心名 XZZXName Varchar 50 null
行政等級 Levels Short int null
說明：該表主要用于存儲行政中心的基本信息。
15.國道信息表單［表名：國道］
表5-15國道信息表單
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID 0BJECTID numeric 1& 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
ID ID numeric 18, 0 PK Identity(l, 1)
國道名稱 GDName Varchar 50 null
線長 Shape Length Double null
說明：該表主要用于存儲國道的基本信息。
16•省道信息表單［表名：省道］
表5-16省道信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID 0BJECTID numeric 18, 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
ID ID numeric 18, 0 PK Identity (1,1)
省道名稱 SDName Varchar 50 null
線長 Shape_Length Double null
說明：該表主要用于存儲省道的基本信息。
17.鐵路信息表單［表名：鐵路］
表5-17鐵路信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID 0BJECTID numeric 18, 0 PK Identity(l, 1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
ID ID numeric 18, 0 PK Identity(l, 1)
鐵路名稱 TLName Varchar 50 null
線長 Shape_Length Double null
說明：該表主要用于存儲鐵路的基本信息。
18.高速公路信息表單［表名：高速公路］
表5-18高速公路信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID OBJECTID numeric 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
ID ID numerie 1& 0 PK Identity (1» 1)
高速公路名稱 GSName Varchar 50 null
線長 Shape Length Double null
說明：該表主要用于存儲高速公路的基本信息。
19.行政區劃信息表單［表名：行政區劃］
表5-19行政區劃信息表
名稱 字段名 字段類型 長度 說明 備注
對象ID OBJECTID numeric 18, 0 PK Identity (1,1)
幾何形狀 SHAPE Geometry Not null
ID ID numeric 18, 0 PK Identityd, 1)
行政區劃名稱 XZName Varchar 50 null
線長 Shape_Length Double null
面積 Shape Area Double null
說明：該表主要用于存儲行政區劃的基本信息。
第六章系統實現
基于前面章節討論的城市燃氣管網信息管理預警系統的總體設計及關鍵技 術，構建了城市燃氣管網信息管理預警系統。系統采用SQL Server數據庫管理 空間數據與屬性，具體功能實現通過ArcGIS Engine組件包和C#. Net編程完成。 系統界面采用傳統的菜單欄、工具欄和狀態欄，便于用戶使用，實現目標在于簡 單易懂、界面友好、易于維護、安全穩定、擴展性強等。下面對該系統的主要功 能作一個簡單介紹。
6.1系統主界面
系統用戶通過登錄界面輸入用戶名和密碼后進入系統主界面，如圖6-1所 示。系統主界面包括菜單欄、常用導航工具欄、圖層顯示圖、鷹眼圖、底圖可視
化區域及狀態欄。
圖6-1系統主界面
6.2系統主要功能實現
6.2. 1管網空間信息管理與查詢功能
1•管網數據管理：當管線、閥門、周邊地物等信息發生變化時，管理員也可 直接通過空間數據編輯工具條對相關對象進行空間信息和屬性信息的添加、刪 除、修改等操作，當修改完成，點擊保存按鈕將數據保存到數據庫，進行地圖數 據更新。系統也提供了地圖瀏覽工具條方便地圖放大、縮小、平移等通用操作。
圖6-2管網數據管理
2.空間信息查詢：系統提供了通用查詢功能，根據用戶在查詢條件中輸入對 象的某個屬性信息，則查詢出符合該條件的所有對象信息，雙擊某一空間對象， 則自動定位到該對象所處的空間位置，查詢與定位功能實現界面如圖6-3所示。 同時，系統還提供了矩形框查詢、多邊形查詢和點(或線、面)緩沖區查詢。多 邊形查詢結果如圖6-4(a)所示；在進行點、線緩沖區查詢時，彈出提示框，根 據提示輸入一定的緩沖區半徑，則顯示出該緩沖區內所有對象的空間及屬性信 息，并可將查詢結果輸入至Excel表中，線緩沖區查詢結果如圖6-4 (b)所示。
圖6-3某一配氣站信息查詢與空間定位
6.2.2數據管理功能
1.用戶數據管理
主要用戶權限管理:對不同的用戶進行不同權限分配，實現用戶的分級管理, 保證系統安全。其中包括用戶查詢、新建、增加、刪除等功能。
圖6-5用戶管理
2•管網臺賬設備管理
主要對實現錄入、更改、刪除設備的運行、使用和維修情況數據，并根據選 擇條件進行統計。
圖6-6臺賬設備管理
3.事故數據管理
主要實現對管網事故信息錄入、更改、刪除，并對事故發生類型頻率等進行 分析與評估，總結經驗、教訓，改進管理與安全生產中存在的不足，防止類似事 故的再次發生。
圖6-7事故數據管理
6.2.3管網風險預警功能
1•管道定性風險評估
及管線調查信息數據，用戶可以根據管道實際情況，添加相應的管線失效的 影響因子，從而使得管線評價結果更加客觀、準確。如圖6-8所示是指標管理界 面，采用這種管理模式，可以實現對指標信息的動態管理。
圖6-8指標管理界面
根據用戶確定出管線失效的因素：第三方破壞、腐蝕、設計和誤操作的各級 分指標、各分指標相對權重、指標等級及其分值，結合區域內管線調查信息數據。 按照管線風險評價流程對管線進行分析評價得岀的評價結果如表3所示，并將管
線相對風險值評價結果專題可視化顯示，如圖6-9o
表6-1管線風險評價結果表
OJECTID 編號 Shape 相對風險值 評價結果
1 PolyLine 75 危險
2 PolyLine 60 次危險
3 PolyLine 50 不危險
PolyLine
110 PolyLine 65 次危險
111 PolyLine 62 次危險
112 PolyLine 55 次危險
圖6-9管線相對風險值專題顯示
用戶可查看管網的評價結果，并對評價管網進行風險程度評估，以及分析風 險緩解措施。
圖6-10風險緩解預案
2.管道定量風險評估
個人風險評估：首先根據第三章介紹的個人風險計算方法實現區域管道周邊 個人風險的計算，建立覆蓋整個管道區域的風險點格網，根據前面風險計算模型, 即可分析出針對整個區域的社會風險評估值曲線圖，如圖6-12所示。
6.2.4管網應急決策功能
1.事故記錄查詢模塊：根據事故類別、時間等查詢以往事故記錄，并生成相應統
計圖表；結合事故發生頻率，系統生成相應的經驗總結預案。
圖6-13事故記錄查詢界面
2.最優路徑搜索模塊：根據事故點位置與救援點位置自動生成最佳搶險路線，并 結合業務數據，生成相應救援預案，實現資源人員調配。
3•事故影響區域分析模塊：
首先設置泄露源，輸入參數主要泄露點參數：泄露孔徑大小，風速，風向, 大氣穩定度，泄漏時間等。
冠知、
根據事故發生時間、地點、類型、環境狀況(風向)等信息生成危險濃度圖, 然后與區域的居民地信息疊加生成相應的影響區域。
圖6-16泄漏區域分析
4•爆管分析模塊：根據設定的事故爆管點，查詢出其所在的地理位置，自動顯示
出需要關閉的閥門信息，結合居民地信息圖層，生成受停氣影響的居民信息。
圖6-17爆管分析
5.最近救援設施分析模塊：搜索距事故最近消防站或能時間最快到達的消防站,
也可以是其它救援設施，例如醫院、應急單位等。
圖6-18最近救援設施分析
結論與展望
1.結論
本文在分析國內外城市燃氣輸配管網風險分析模型的基礎上，結合城市燃氣 行業需求、管網網絡模型、數據庫與GIS等技術，提出一種將GIS技術應用到 城市燃氣管網風險分析中的技術路線并設計了系統數據庫總體結構與系統總體 架構，最后采用C#語言對系統各模塊進行了編程實現。
論文的主要工作和成果如下：
1.研究了管道定量風險分析理論，基于GIS技術，結合城市燃氣管網物理拓 撲結構，對其各評價步驟中風險計算模型進行分析、改進、總結，并提出一種基 于城市燃氣管網網絡模型的多管段作用下城市燃氣管網定量風險方法，該方法結 合管線失效率和失效后不同的事故后果計算特定位置在多管段共同影響的風險 值；
2.研究了英國學者Muhlbuer的管道評價方法，提出一種半定量風險分析計 算方法，通過引入模糊數學的思想，結合風險指標的動態管理技術，將風險指標 的某些影響因素模糊化，建立備擇集和隸屬矩陣，采用綜合指數評分確定管道風 險等級，根據風險矩陣圖，自動生成管網維護預案，實現風險安全管理。
3.根據構建的系統框架和數據庫模型結合.Net、ArcEngine編程技術和數據 庫技術，開發了城市天然氣生產信息管理預警系統，具備災害事故預測與自動報 警、管網風險定級的計算、自動生成應急處理預案，對已發生事故進行科學分析 與總結等功能。
2.存在不足與展望
由于城市天然氣管網風險評價技術標準、相應管道事故歷史信息數據的缺乏 以及GIS空間分析技術的復雜性，以及資料、時間及個人水平有限，對于該課題 的有些研究較為粗略，有些還未來得及進行研究或需要進一步研究。以后的工作 建議從以下幾個方面進行完善：
1.結合我國的城市燃氣管網運行具體情況，通過評價結果與實際情況比較, 建立完善的天然氣管道風險評價指標體系。
2•對定量風險分析模型分析研究中，還可進一步考慮管道內部風險，風險事 故在管道內部傳播，管道內相繼失效，進而計算經濟風險。
3.本文對于事故后果的分析主要包括人員傷亡，并未考慮到財產損失。因 此，可以進一步研究考慮到事故后財產損失，并用相同的度量尺度表征人員傷亡 和財產損。
致 謝
碩士研究生三年的時光給我留下了許多美好的回憶。在此畢業設計（論文） 完成之際，衷心感謝所有關心和幫助過我的老師、同學、朋友和家人。
首先深深地感謝我的導師李永樹教授!感謝李老師在生活和學習上就給予了 我悉心的指導和關懷。在李老師的指導下，我不僅掌握了更多的專業理論知識, 還加強了動手實踐能力，同時，也傳授了很多做人做事的人生經驗，這都為我以 后的研究和工作奠定了良好的基礎。李老師嚴謹的治學態度、寬廣的知識面和一 絲不茍的學術作風，教導了我如何做人。
感謝徐京華教授在學習期間對我學習和生活的關心和幫助，使我對地圖制 圖學的相關知識有了更深入的了解。
感謝測量工程系2010級碩士研究生同學的支持和幫助，感謝1212實驗室， 1331實驗室的學友在三年學習期間及論文選題、撰寫期間給予了我的支持與鼓 勵。
另外，向一直默默支持我學業的父母和家人致以崇高的敬意。
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