管线智能化管理平台构建项目技术方案

管线智能化管理平台构建项目
技术文件
2015年10月26日
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1.项目概述与总体需求分析
1.1.项目背景
酒泉分公司管辖范围内管线跨度广、距离长，针对管道管理业务建立了较多业务系统，由于各业务系统相对独立，数据相互割裂，某些业务应用上存在一定局限。

且管道保护业务、完整性管理业务产生的大量数据，如内外检测、完整性评价、地质灾害评估等数据，缺乏有效的整合。

目前基础地理信息数据已覆盖管道全线，数据精度不一，针对重点部位或工程其数据精度可能难以满足业务需求。

大部分数据已在PIS系统中入库，数据的准确性有待验证；缺失的数据可以从施工记录、竣工测量记录中获取，需人为提取。

因此，有必要建立一套智能化管线管理平台，整合各类数据与系统，可视化综合查询与智能分析，有效提升管道管理工作效率。

考虑酒泉分公司管辖范围内管线数量长，牵涉业务较多，为降低实施风险，以及满足现阶段主要需求，管线智能化管理系统选取试点管段（西气东输二线甘肃段46#阀室到桩1953#桩段，全长约342公里）开展部分业务的试点实施。

该管段数据质量相较其他管段比较完整，以此段为试点段最终形成酒泉分公司的智能化管线产品标准，未来基于该系统进行全线业务拓展与推广实施，逐步完善。

1.2.项目建设目标
1.2.1.总体目标
充分利用云计算、物联网、大数据分析、移动应用等信息化最新技术，按照平战结合的思路，遵循“定位清晰、安全高效、功能灵活、集成度高、扩展性强”的原则进行管道信息系统建设，为管道信息共享、现场操作、风险监控、快速维抢、完整性管理和决策提供全方位的信息支撑，最终实现管控一体化，决策智能化。

1.2.2.试点具体目标
（1）建立酒泉分公司管道一张图管理，对管道基础宏观信息进行查看，主要是分公司管道整体态势管理。

（2）三维场景可视化，将管线走向、本体及附属设施在三维场景中进行可视展示，便于分公司宏观了解查看。

（3）可视化应用功能开发，针对试点项目的业务应用开发相应应用功能，满足实际业务需求。

（4）应急辅助决策，系统具有丰富的辅助决策功能，可根据事故发生地点和资源情况自动匹配生成疏散路径和救援路线。

并提供相关灾情应急处理的全息展示或应急预案行动方案的三维展示，为救援指挥提供参考。

（5）生产数据集成，通过集成SCADA系统的数据，将管道及设施运行过程中的动态数据（如温度、压力、浓度等信息）结合真实的场景展现出来，为管道日常安全监管、应急指挥决策提供实时数据支持。

1.3.项目业务需求
1.3.1.管道三维展示与管理
建立与现实情况一致的管道三维场景，从而实现对于管道所有的细节信息“一目了然”。

利用管道走向能够三维展现具体某段管线在地下埋设的管体情况，并可宏观查看沿线管道的附属设施及周边地形地貌等信息。

1.3.
2.海量数据整合查询需求
管道设施从设计到建设，持续产生了大量的数据，管道投入运行后的维护信息、运行信息以及内外检测信息更是海量增加，这些数据对于管道的运行调度、完整性管理和管道应急抢修都具有重要意义。

然而，目前各类信息以不同形式记录在不同的介质或信息系统中，需要查询某一对象的具体信息时，需要花费很长时间去收集和整理，严重影响了工作效率，甚至会因为某些信息获取不及时导致严重后果。

1.3.3.业务系统整合需求
管道运营管理业务所需数据纷繁复杂，且分散在各个业务部门中。

在日常工作中关注某一管段或设备时，可能需要查询图纸、施工记录、维检修记录和当前工况参数等，就需要到多个部门调阅资料或登陆多个系统去查询，工作极为不便。

上述数据来自不同的单位或系统，数据格式、参照系等不尽相同。

要打破“信息孤岛”，将各类数据进行有效整合，需要建立具备强大数据兼容和处理能力的信息平台。

1.3.4.应急响应与辅助决策需求
管线途径地势较为复杂，沿途穿越情况复杂，给应急抢维修或突发事故的处理带来挑战。

在管道上任何一处出现险情时，都需要查询各方面信息作为决策依据，要求能够在应急状态时快速、准确地查询所关注的各类信息，特别是周边的人居分布、管道沿线高后果区分布和详细情况等信息，并将这些信息直观的展现出来，例如：事发点周边居民区分布情况、人口数量、需要疏散的范围、地形情况、疏散交通线路、应急资源分布等。

在发生事故后进行应急抢修时快速了解事故造成后果和影响区域，对敏感目标和脆弱目标进行快速救援、保护。

当泄露、地质灾害等灾情出现时，决策人员需要进行快速的响应，准确科学地判断灾情未来发展趋势，这些业务仅靠管线坐标或平面影像图不能满足需求的，要求结合三维可视化场景将应急处置所关注的各类信息、流程、分析结果进行综合呈现。

1.3.5.业务应用分层定制需求
针对作业区及基层站队的职责，进行需求分析和重构，定制满足实际业务需求的平台，
在日常管理业务中，作业区、基层站队所关注的工作内容不同，如酒泉分公司需要查看基于管道全生命周期的部分或全部数据，作业区、基层站队需要进行数据分析、后台管理等。

1.3.6.系统集成需求
暂先预留与PIS系统、SCADA系统集成的接口，待今后接入。

本项目系统与PIS系统进行集成对接，所需要的管道基础数据来源于PIS系统，集成对接后，该系统只负责查询与展示完整性数据，数据的更新维护均在PIS系统中完成，但两系统的数据实现同步更新。

若考虑对接周期，可在集成对接未完成之前，该系统也提供一定的数据维护功能。

2.系统总体方案及特点
2.1.建设依据
《长距离输油输气管道测量规范》SY/T0055-2003
《1:5001:10001:2000地形图图式》GB/T7929-1995
《石油工程制图标准》SY/T0003-2003
《工程测量规范》GB50026-93
《基础地理信息要素分类与代码》GB/T13923-2006
《输气管道系统完整性管理》SY/T6621-2005
《1：5000、1：10000、1：25000、1：50000、1：100000地形图要素分类与代码》GB/T15660-1995 《1：500，1：1000，1：2000地形图数字化规范》GB/T17160-1997
《计算机软件产品开发文件编制指南》GB/T8567-1988
《计算机软件需求规格说明规范》GB/T9385-2008
《计算机软件测试规范》GB/T15532-2008
2.2.建设原则
为实现上述本系统的建设目标，数字化管道系统建设遵循统筹规划、分步实施、先进适用的原则。

具体表现如下：
1)实用性的原则
采用国际先进的软件技术，结合国内外最佳实践，开发符合广东天然气管网业务需求的数字化系统平台，解决其建设和运营期的业务问题，并且保证系统稳定性和易用性。

可扩展性的原则
系统具有很强的可扩展性，随着新管道工程的建设，系统数据库能够随之扩展；同时随着业务需求的增加、技术的进步，系统能够增加新的功能子系统、功能模块，从而满足业务的需求。

可靠性的原则
采用成熟、可靠的经过实际验证的技术和方案，从而保证数据采集的精度，以及系统的可靠性。

标准化的原则
符合国家、行业、中海油企业内部的数字化建设和数据采集的标准规范。

先进性的原则
保证可靠，实用的前提下，选用成熟先进的成果和技术，通过技术改造与更新，保证系统
5-10年内的先进性。

开放性的原则
采用通用、开放的协议、数据格式、数据库类型从而保证系统的开放型，保证系统的方便扩展和升级，同时考虑为各种应用开发提供接口支持。

安全性的原则
采用全方位的系统安全保障，从系统单点一体化集成、单点登录、主机保护、访问用户身份识别、多级授权、病毒防护和入侵攻击检测等多方面保证数字化系统的安全。

重视过程管理的原则
应针对天然气管道建设特点，考虑到工程建设的不可逆性，对数据采集、审核、质量管理、管理方法、技术支持等相关工作提出具体工作方案，确保质量合格。

2.3.系统总体设计
2.3.1.系统建设架构
项目采用成熟的三维平台，平台应充分考虑到系统的灵活性和未来的扩展性，支持对更多类型的管道数据、GIS数据、业务数据的扩展，同时还支持在平台上开发更多的业务功能。

因此，该平台具备将酒泉分公司成果纳入的能力，并能为后续管道运营管理、安全应急管理提供业务支撑。

系
统架构图
2.3.2. 系统部署
基于网络传输模式，系统服务器部署建议集中部署在酒泉分公司，作业区和基层站队分别部署客户端，通过网络传输模式进行远程登录访问。

2.3.3. 关键技术路线
平台通过内容综合、形式统一的空间数据库，统一采集存贮和管理二维、三维地理信息及管线三维模型，实现大场景站线的二三维一体化管理，为各应用系统提供空间操作、空间分析、数据导航、三维展示、专题应用等空间数据处理、显示、计算、存储、共享与分发服务，满足后期二次开发进行应用扩展的需求。

2.3.3.1. 组件化、面向对象的设计开发模式
1) 组件化设计
“软件组件化”是一种理想的软件开发理念，它主张软件产品的开发应当像制造工业产品那样，首先通过专业化分工生产出不同功能的“零部件”，然后再将这些“零部件”合理地组装起来，形成所需的产品。

“软件组件化”，真正实现了软件复用和组件化生产，极大节约软件产品的开发时间和开发成本。

组件技术与面向对象的开发方法不同的是，面向对象的技术强调对个体的抽象，组件则更推广了对象封装的内涵，侧重于复杂系统中组成部分的协调关系，强调实体在环境中的存在形式。

为了说明组件化为什么是软件工厂的技术基础，我们先来看看组件的基本属性。

从广义上来说，组件有如下的几个基本属性：
✧组件是可独立配置的单元，因此组件必须自包容；
✧组件强调与环境和其他组件的分离，因此组件的实现是严格封装的，外界没机会
或没必要知道组件内部的实现细节；
✧组件可以在适当的环境中被复合使用，因此组件需要提供清楚的接口规范，可以
与环境交互；
✧组件不应当是持续的，即组件没有个体特有的属性，理解为组件不应当与自身副
本区别。

（1）基本组件描述
1)全息支撑组件
提供空间地理信息数据的组织、分类、编辑和管理服务。

提供空间数据及虚拟现实交互式显示服务。

2)系统管理组件
该组件是整个平台的核心控制与管理模块，是GIS平台其它模块构建的基础。

提供海量数据分发管理，依据数据存储及管理的特点，采取相应优化策略，提供三维分析、路由分析、数据处理等底层计算服务。

提供网络智能负载、部署、管理服务，提高系统性能。

3)数据管理组件
对本地各类三维模型数据和空间GIS数据进行管理和支持。

4)数据交换组件
提供专业的数据转换处理器，可以对不同类型、不同精度、不同坐标系的数据进行转换处理。

5)业务逻辑组件
提供企业业务逻辑拓扑关系的定义、维护、检索及组织管理服务。

6)场景显示组件
专用于三维场景中管理镜头特效、摄像机角度位置编辑，可以支持多媒体合成。

7)场景编辑组件
提供场景可视化编辑、模型节点处理，物件关系编辑等工具。

（2）外系统集成组件
已建成果的集成分两个层次，一种是简单集成，通过链接网站或执行程序的方式；一种是深度整合，通过集成已建成果的数据、界面、操作方式等，实现已建成果相关信息能及时在数字化LNG系统中显示。

针对以上两个层面的集成，可采用三种集成方式：数据库方式、网络通信方式、控件方式。

可作为外系统集成通讯网关，提供接口服务。

支持基于J2EE的B/S信息管理配置服务。

（3）标准化二次开发组件
GIS平台提供二次开发组件，支持扩展应用。

支持基于.NET、JAVA等技术体系的二次开发。

扩展应用通过接口，可直接调用平台提供的数据服务、显示服务、计算服务，完善其业务应用。

2)面向对象
面向对象是一种自下而上的程序设计方法，不像过程式设计那样一开始就要用main概括出整个程序，面向对象设计往往从问题的一部分着手，一点一点地构建出整个程序。

面向对象设计以数据为中心，类作为表现数据的工具，是划分程序的基本单位，而函数在面向对象设计中成为了类的接口。

面向对象设计自下而上的特性，允许开发者从问题的局部开始，在开发过程中逐步加深对系统的理解。

这些新的理解以及开发中遇到的需求变化，都会再作用到系统开发本身，形成一种螺旋式的开发方式。

在这种开发方式中，对于已有的代码，常需要运用Refactoring技术来做代码重构以体现系统的变化。

2.3.3.2.基于面向服务(SOA)架构搭建基础平台
在理解管线只能化管理平台构建项目功能需求的基础之上，我们认为应采用基于面向服务的体系结构（Service-OrientedArchitecture）完成系统之间整合的标准模式。

将应用系统的不同功能单元（称为“服务”）通过服务之间定义良好的接口和契约联系起来。

接口是采用中立的方式定义的，与实现服务的厂商、硬件平台、操作系统和编程语言无关，这样就可以使异构平台上实现的各种业务功能，可以以统一和通用的方式，互相调用和交换信息。

采用SOA 架构有利于项目的建设，它可以根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用。

服务层是SOA的基础，可以直接被应用调用，从而有效控制系统中与软件代理交互的人为依赖性。

在基于SOA架构的系统中，具体应用程序的功能是由一些松耦合并且具有统一接口定义方式的组件(也就是service)组合构建起来的。

SOA架构模型如下图所示：
SOA架构模型图
本项目将基于SOA架构模型进行系统的规划、设计与建设。

应用系统采用SOA架构的优点如下表：
2.3.3.3.基于J2EE技术框架及三层结构开发应用系统
整体技术体系上选用J2EE技术，采用Browser/WebServer/DataBaseServer三层结构进行应用系统的开发。

Browser/WebServer/DataBaseServer三层结构如上图所示，下面对B/S/D三层结构作详细的阐述。

实现数据与应用逻辑分离。

1)数据与应用逻辑分离的特征
Browser/WebServer/DataBaseServer结构指硬件的体系结构，也有相应的逻辑的体系结构相对应。

在Browser/WebServer/DataBaseServer计算模型中，要完成的功能在浏览器、Web应用服务器和数据库服务器之间进行划分。

硬件的Browser/WebServer/DataBaseServer结构，通常是指某项请求任务在浏览器或Web应用服务器和数据库服务器之间进行分配，其中浏览器用来发送请求和前端表示处理，Web应用服务器处理来自浏览器的请求，数据库服务器处理数据查询逻辑处理。

对逻辑系统体系来说，分为表示层、商业逻辑处理层、和数据处理层三层客户\服务器结构。

鉴于两层结构(C/S)在设计和应用的局限性，将复杂的业务数据处理提出，将复杂的业务数据处理提出，将系统的逻辑结构和物理结构分离，形成三层结构的客户\服务器结构，运用基于组件的分布式技术，从结构上就避免两层结构的局限性。

2)用户服务(客户层)
用户服务层是应用的用户接口部分，是用户与系统间交互信息的窗口。

它的主要功能是检查用户输入的数据，显示系统输出的数据。

如果用户服务层需要修改时，只需改写显示控制和数据校验程序，而不影响其他两层。

检查的内容也只限于数据格式和取值范围，不包括有关业务本身的处理逻辑。

3)商业服务(中间层)
崭新的一层是商业服务层，它是应用的主体，它包括了应用中全部的业务处理程序。

除了输入/输出在用户服务层、数据库在数据服务层外，全部的统计、汇总、分析、打印功能全部封装在商业服务层。

它的一方面起传递数据作用，一方面进行强大的数据处理。

该层还承担安全性检查的任务。

4)数据服务（数据库）
数据服务层就是数据库管理系统（DBMS），负责管理对数据库数据的读写。

DBMS能迅速执行大量的数据的更新和检索。

一般商业服务层通过发送SQL命令来操作数据库的数据。

5)采用B/S/D架构的优势
浏览器Browser/WEB服务器Server/数据库服务器Database是解决公共信息服务以及交互相应动态服务最适用的一种应用模型。

实现了真正意义上的瘦客户，大大简化了应用系统的分发、配置管理和版本管理工作。

2.3.3.4.使用AJAX技术实现页面级的数据质量控制和逻辑校验
Web应用的交互如Flickr,Backpack和Google在这方面已经有质的飞跃。

这个术语源自描述从基于网页的Web应用到基于数据的应用的转换。

在基于数据的应用中，用户需求的数据如联系人列表，可以从独立于实际网页的服务端取得并且可以被动态地写入网页中，给缓慢的Web应用体验着色使之像桌面应用一样。

许多重要的技术和AJAX开发模式可以从现有的知识中获取。

例如，在一个发送请求到服务端的应用中，必须包含请求顺序、优先级、超时响应、错误处理及回调，其中许多元素已经在Web服务中包含了，就像现在的SOA。

AJAX
开发人员拥有一个完整的系统架构知识。

同时，随着技术的成熟还会有许多地方需要改进，特别是UI部分的易用性。

AJAX开发与传统的CS开发有很大的不同。

这些不同引入了新的编程问题，最大的问题在于易用性。

由于AJAX依赖浏览器的JavaScript和XML，浏览器的兼容性和支持的标准也变得和JavaScript的运行时性能一样重要了。

这些问题中的大部分来源于浏览器、服务器和技术的组合，因此必须理解如何才能最好的使用这些技术。

综合各种变化的技术和强耦合的客户服务端环境，AJAX提出了一种新的开发方式。

AJAX开发人员必须理解传统的MVC架构，这限制了应用层次之间的边界。

同时，开发人员还需要考虑CS环境的外部和使用AJAX技术来重定型MVC边界。

最重要的是，AJAX开发人员必须禁止以页面集合的方式来考虑Web应用而需要将其认为是单个页面。

一旦UI设计与服务架构之间的范围被严格区分开来后，开发人员就需要更新和变化的技术集合了。

2.3.3.5.基于二三维一体化GIS技术
由于本系统是基于GIS的数据管理和业务应用系统，因此GIS技术将是本系统的核心技术，通过统一的二三维一体化GIS平台完成相关业务操作，具体技术方法表现为：
（1）采用大型关系数据库Sql-Server作为属性数据、业务数据和空间数据存储和管理平台；
（2）使用业主单位原有GIS作为海量空间数据引擎，连接和访问Sql-Server存储的空间数据，进行空间数据的管理、组织和访问；
2.3.4.系统性能指标
2.3.4.1.响应时间
1)业务查询最大耗时不超过3秒，平均不超过2秒（不包括打印时间）；
2)报表展现等系统其它操作最大耗时不超过8秒，平均不超过4秒；
3)信息检索的时间最大不能超过3秒，平均速度不能超过1秒；
4)其它页面打开速度平均速度不能超过3秒；
5)批处理时间最大耗时控制在5秒内。

2.3.4.2.稳定性指标
系统持续运行时间为7×24小时不间断运行。

2.3.4.3.吞吐量指标
1)外网同时在线用户数≧200人；并发用户数≧20人。

2)内网同时在线用户数≧200人；并发用户数≧50人。

2.3.4.4.数据量指标
1)系统支持存储量≥1T。

2)系统支持单次增量备份数据量≥1G。

3)系统数据单次备份时间≤7天。

2.3.5.应用灵活性设计
1)需求及流程变化
用户在使用系统一段时间后，可能会对现有的工作流程提出新的需求，本系统工作流程是可维护的，对工作流环节和节点内容可以进行修改，删除、新增等操作。

通过工作流管理模块可以保障在用户需求发生变动时，能及时修改工作流满足用户使用。

2)操作方式变化
用户可以通过系统定制功能，将自己常用的功能，将自己的操作习惯和常用的功能模块定制成用户指定的方式。

同时可以对定制后的结果进行维护。

3)机构人员变化
机构人员变化后用户权限也会发生相应变化，用户浏览的数据以及使用的功能也会发生变化。

通过用户权限管理功能，可以对用户使用的功能和浏览的数据进行权限维护。

保障使用系统机构人员变化，能正常安全的使用系统。

4)操作系统环境变化
平台采用基于SOA和JAVA?EE体系设计理念，便于实现跨平台与互操作。

J2EE能够开发部署在异构环境中的可移植程序。

基于J2EE的应用程序不依赖任何特定操作系统、中间件、硬件。

因此设计合理的基于J2EE的程序只需开发一次就可部署到各种平台。

同时利用Web?Services方法实现一种松散耦合的异构式环境的集成，数据功能封装成接口，构建面向服务的系统平台。

2.3.6.系统安全设计
1)防止主机崩溃方法
采用高可靠性集群是目前关键业务系统提高系统可靠性的重要手段之一。

实现方式是采用多台服务器运行管理业务系统，一台服务器作为另一台的备份或者在几台服务器之间平均分布负载，以达到在一台服务器出现故障时系统仍然能够正常运行的目的。

采用负载均衡动态集群技术，使用多台服务器协同服务，保证管线智能化管理平台系统稳定性。

2)防治病毒方法
建立全方位的安全体系。

安装防病毒软件和防火墙；通过对特定网段、服务建立的访问控制体系；建立良好的认证体系以防止攻击者假冒合法用户；通过对安全漏洞和的周期检查，即使攻击可到达攻击目标，也可使绝大多数攻击无效；通过对特定网段、服务建立的攻击监控体系，实时检测绝大多数攻击，并采取相应的行动（如断开网络连接、
记录攻击过程、跟踪攻击源等）等。

通过对管线智能化管理平台系统统一数据库的数据定期的查杀病毒，可以保障数据的安全性。

3)数据备份方法
备份系统规划采用统一的备份策略管理，通过专业的备份软件提供SAN的自动备份系统。

在备份系统中所有的服务器逻辑上分为两种：制定统一的备份策略和备份指令的发出；负责备份需求的支持和响应。

从总体上来讲，备份类型主要有三种：
(1)全备份
每次备份定义的所有数据，优点是恢复快，缺点是备份数据量大，数据多时做一次全备份需很长时间。

(2)增量备份
备份自上一次备份以来更新的所有数据，其优点是每次备份的数据量少，缺点是恢复时需要全备份及多份增量备份。

(3)差分备份
备份自上一次全备份以来更新的所有数据，其优缺点介于上两者之间。

在备份类型选择时，一般的规则是：
a)对于操作系统和应用程序代码，可在每次系统更新或安装新软件时做一次全
备份。

b)对于一些日常数据更新量大，但总体数据量不是非常大的关键应用数据，可
每天在用户使用量较小的时候安排全备份。

对于日常更新量相对于总体数据量较小，而总体数据量非常大的关键应用数据，可每隔一个月或一周安排一次全备份，再此基础上，每隔一个较短的时间间隔做增量备份。

2.4.实施阶段及进度
具体实施进度按项目要求进行。

2.5.构建地理信息场景
2.5.1.数字地球
通过平台，加载数字高程模型、数字正射影像图、周边矢量等信息，构建三维数字地球。

系统支持大场景加载优化技术，能够加载海量数据。

数字地球可显示地球大气层、星空，模拟天气变化情况，通过改变视角和相机高度，自定义显示管线三维场景及周边的彩色地景、行政区划、敏感地带及人口等信息。

管道基础数据可视化展示系统、内检测数据可视化展示系统等子系统通过地理信息场景进入。

数字地球
天空背景
天气模拟。