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【摘要】本文提出了一种3维GIS平台技术与数据信息管理相结合的开发平台的系统构架，并创新性的提出开发平台在开发管道管理应用中源码完全复用的思想。研究了是石油化工管道管理中的数据的总体结构、系统功能、软件实现流程。。
【关键词】管道数据管理系统 三维 GIS MIS 开发平台
化工生产需要通过大量的管线来输送各种物料，这些管线大量的是压力管线，根据生产的需要输送不同的物料。燕化的物料输送管线大多通过管廊集中安装和管理。这些管线是生产管理的重要组成部分，是工厂高效率、高质量运转的保证；管线资料是工厂规划、建设和管理的基础资料，也是安全生产的保证。根据专业化管理的要求，加强对管线关键点的控制方便快捷，了解管线状态的实际信息，便显得尤为重要。
数字管线又是数字地面工程中的重要组成部分，目前出现的利用管线的数字化、三维可视化等进行很好地专题研究。管线的数字化、智能化及其信息管理、共享建设等也是一个很大的课题，因此，数字管线也是值得进行一些深入的探索的。
管道的管理是各个石油石化企业普遍关心的问题。传统模式下，种类繁多数量巨大的管网信息全部标注在图纸上，不仅装订存放不便，而且经过多次翻阅折叠后图纸破损，很容易造成数据丢失。紧急情况下的应变能力差，如发生爆管时，需要迅速提供应关闭的闸门和因此影响到的管网范围。传统管理方式在业务量逐渐增长的情况下，已经逐渐暴露出它的不适应性：耗费大量人力物力、数据准确性不高以及紧急情况下迅速反应能力差等等。因此，必须尽快以先进的计算机技术代替传统的管理方式。由于管道信息中有大量的地理属性数据，并且所有的信息只有通过地图才能表述出来，所以是一般数据库系统所无法完成的。而GIS的信息可视化技术可以显示、存储和处理地图数据，并将各种属性数据与地图数据有机地结合起来，特别适合石油天然气管道信息的管理。
1 系统设计与管理优化
1.1 燕化管道三维（3D）的建设目标
建立管廊3D管理展示体系，提高燕化公司管廊管理及决策水平。达到燕化公司管廊管理系统的更加实用化，结合目前的新的工作模式想融合，达到规范化，标准化，简洁化，实用化的效果（图1）。
1.2 系统的构建
1.2.1？系统工具
系统工具体现在系统工具栏中。为简化系统操作简化，仅采用系统工具栏完成对系统级的操作。工具栏包括打开项目、关闭项目、退出、导航窗口、属性窗口、信息窗口以及工具窗口等功能，实现对系统的全面操作。对项目的具体操作体现在导航窗口、属性窗口、信息窗口以及工具窗口中。
1.2.2？模型工具
模型工具体现在工具栏中。工具栏的打开和关闭由系统工具栏中的工具窗口功能控制。工具栏是针对当前三维场景中的管网模型提供操作功能的，其内容根据对管网模型的选择而变化，即只有当前需要的操作功能出现，以避免误操作或操作界面的复杂化。1.2.3？导航目录
导航目录体现在导航窗口中，导航窗口的打开或关闭由系统工具栏中导航窗口功能控制。导航目录给出整个管网模型的对象的组织结构，主要包括管廊、管网两大部分以及下属的各层模型对象。每个上层都有一个或多个下级，每个下级只有一个确定的上级。选择导航目录中任何一级对象，工具栏中都会出现相应的操作功能，以实现对该级的操作。
1.2.4？数据表
数据表体现在信息窗口中，信息窗口的打开或关闭由系统工具栏中信息窗口功能控制。数据表包括管廊管架、管网、管线、管线段、直管、弯头、盲管以及阀门等。数据表给出所有数据的字段和记录，包括各个模型对象的空间数据和属性数据，供建模或运行阶段中检查或参考。
1.2.5？属性
属性体现在属性窗口中，属性窗口的打开或关闭由系统工具栏中的属性窗口功能控制，属性存储在配置文件中。属性主要包括对管廊、管网操作的选项，包括显示、颜色等。在属性窗口中改变选择项后，立即在三维场景中体现出改变的效果，并保存改变的选择项到配置文件中。
1.2.6？三维场景
三维场景体现在图形窗口中，图形窗口是系统的主窗口，用于展现管网模型并实现对模型的操作，包括建模、浏览、查询等。
2 系统主要业务功能2.1 系统管理功能
2.1.1？三维GIS基本功能
将整个厂区的管网模型放置在三维场景中，可以对三维场景进行基本的操作，包括放大、缩小、平移、旋转等。另外可以在特定视角对管网模型进行观察，包括标准斜视、正上、正下、正北、正南、正西、正东，其中标准斜视力和正上方观察较多地应用在实际操作中。
2.1.2？模型的建立、修改和删除
模型的建立包括建立模型的组织结构和建立模型部件。通过设置模型部件的参数，可以建立起模型的部件。模型部件建立后，便实时展现在场景中，并可以进行修改和删除，包括重新建立等。2.1.3？模型的快速定位
在实际的操作中，需要观察管网模型的特定部件，需要场景快速定位到该部件上，并以合适的尺寸和视角展现，便于观察。模型的快速定位有两种方式：一是在目录树中快速定位当前选择的部件；二是在当前的操作状态下快速回归定位到选择的部件。
2.1.4？模型的展现
模型的展现包括选择显示管网、修改管网显示的颜色等。可以有选择性地打开一些管网和关闭另一些管网，满足工作的需要。可以根据工作需要改變管网的颜色，以区分不同的管网，或突出当前操作的管网等。管网颜色的改变实时地反映在三维场景中。
2.1.5？模型的标注
管网模型的标注主要体现在管架的标注和闸阀的标注上，标注可以在三维场景中为观察者提供精确地空间定位，提高对管网模型进行操作的效率。可以根据实际需要打开或关闭相应的标注，或改变标标注的尺寸或颜色等。 2.1.6？阀门开关状态
在三维场景中，直接对管网中的阀门进行操作，改变阀门的开关状态。阀门的开关状态不仅用于展现阀门当前的状态，而且用于计算管网网络的拓扑结构。阀门的开关状态带日期，表明阀门操作的时间。
2.1.7？管网查询
在三维场景中，直接对管网进行查询。管网查询包括网线查询和阀门查询，网线查询项包括管道编号、管道起点、管道止点、管道规格、管道长度、管道材料、保温绝热、伴热情况、伴热规格、输送介质、最高工作压力、最高工作温度、防腐方式、标
识、单线图号等，阀门查询项包括位置、起
点、终点、型号、压力等。
2.1.8？应急维护
在三维场景中，针对某个管网，确定某个具体的管线段或直管、弯头、盲管后，可以立即获取其上下有阀门；同样确定某个具体的阀门后，可以立即获取其上下游阀门。用于在紧急情况下，维修点的上下游阀门，确保安全生产。
3 系统软件设计3.1 三维引擎平台
管网建模采用可视化工具函数库（visualization toolkit，VTK）作为三维引擎平台。
VTK是在面向对象原理基础上设计和实现的，它的内核是用C++构建的，包含大约2.5万行代码，650多个类，VTK可以在Windows以及Unix平台上操作。
VTK是一个跨平台、支持并行处理的图形应用函数库，曾应用在具有1024个处理器的大型系统中，处理的数据约1个PT，计算节点高达2.5兆。VTK通过体、面、光源等对科学试验数据进行逼真的渲染，帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。VTK完全可以胜任管网模型图形图像的处理、展现和操作等工作。
3.2 数据的组织管理
管网模型数据按照管廊管架、管网、管线、管线段、直管、弯头、盲管、阀门等数据进行分类管理，包括空间数据和属性数据。管网可以由一个或多个子管网组成，子管网之间由阀门连接。管线包含子管网的属性信息。管线段为单连通域，阀门为连通控制节点，管线段与阀门形成管网网络拓扑关系。阀门包括闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、止回阀、疏水阀等。3.3 对象的组织管理
管网模型的对象主要包括管架、直管、弯头、盲管、阀门等，这些对象由相应的数据生成，对象采用vtkAssembly进行部件装配，并存储在各自的链表中，通过vtkRenderer将对象加入或移出场景。各个对象通过自身的空间数据和属性数据，以不同的尺寸、方向、颜色等展现在相应的空间位置上。系统通过vtkInteractorStyleTrackballCa mera拾取对象，实现对对象的操作。
对象的组织结构见下图：
3.4 属性管理
管网模型的属性主要是管网的颜色属性，用于区分不同的管网以及引导正确地操作系统。属性在模型建立时进行初始化，并可以在运行过程中进行改变，并在场景中实时地反映出。属性管理有两种方式；一种是对象自身的属性，相关属性数据存储在各自对象相关数据表的记录中，一旦属性改变，只改变对象自身，不影响其他对象，这类属性主要是用于区分管网的颜色属性；另一种是对象的统一属性，相关属性数据存储在配置文件中，属性的改变是针对所有对象的，这类属性主要是用于对象拾取等操作。
还有一种特别的属性，如闸门的开关状态，这类属性数据也存储在各自对象相关数据表的记录中，除用于对象的展示外，还用于计算网络拓扑关系。
3.5 大数据量管理
我们知道：32位Windows系统，单进程最大内存寻址为2GB，大数据模式下为3GB；64位Windows系统，单进程最大内存寻址为3GB，大数据模式下为4GB。为保证在大数据量情况下系统能正常运行，主要采用两种方式保证系统在最大内存寻址能力范围内工作。一是控制模型对象的细化度，在不影响模型外观的前提下降低模型的细化度，减少总体三角面的数量，减少模型对内存的需求。二是在降低模型细化度后，模型对内存的需求仍然突破最大限度的情况下，对厂区进行分区展现和操作，以达到实时操作场景的目的。
通过控制模型对象的细化度，对總长约250公里，各类对象约1万个的管网模型场景，在实际操作中取得了明显的效果。
4 系统技术比较
4.1 平台式系统与普通系统优劣比较4.1.1？可靠
系统依托于平台的性能与普通系统相比，大大提高了系统运行的可靠性。4.1.2？安全
系统依托平台的安全机制，大大提高了系统的安全性，
4.1.3？较高性价比
平台式系统易于维护，易于扩展，容易拓展系统的各种增值服务。5 结论
本文中重点研究了系统的结构组成、特点、和实现方式。开创性的提出了基于GIS+MIS+平台式开发系统的设计模式，并深入研究了系统特点及技术指标。
参考文献
[1] 计算机软件质量保证计划规范 GBT12504-90
[2] 网络综合布线规范GB/T50311-2000
[3] 地图符号库建立的基本规定
[4] 数字测绘产品质量要求》
[5] 1：50001：10000 1：25000 1：50000 1：100000 地形图形要素分类与代码
[6] 计算机信息系统保密管理暂行规定》国保发[1998]1号
【关键词】管道数据管理系统 三维 GIS MIS 开发平台
化工生产需要通过大量的管线来输送各种物料，这些管线大量的是压力管线，根据生产的需要输送不同的物料。燕化的物料输送管线大多通过管廊集中安装和管理。这些管线是生产管理的重要组成部分，是工厂高效率、高质量运转的保证；管线资料是工厂规划、建设和管理的基础资料，也是安全生产的保证。根据专业化管理的要求，加强对管线关键点的控制方便快捷，了解管线状态的实际信息，便显得尤为重要。
数字管线又是数字地面工程中的重要组成部分，目前出现的利用管线的数字化、三维可视化等进行很好地专题研究。管线的数字化、智能化及其信息管理、共享建设等也是一个很大的课题，因此，数字管线也是值得进行一些深入的探索的。
管道的管理是各个石油石化企业普遍关心的问题。传统模式下，种类繁多数量巨大的管网信息全部标注在图纸上，不仅装订存放不便，而且经过多次翻阅折叠后图纸破损，很容易造成数据丢失。紧急情况下的应变能力差，如发生爆管时，需要迅速提供应关闭的闸门和因此影响到的管网范围。传统管理方式在业务量逐渐增长的情况下，已经逐渐暴露出它的不适应性：耗费大量人力物力、数据准确性不高以及紧急情况下迅速反应能力差等等。因此，必须尽快以先进的计算机技术代替传统的管理方式。由于管道信息中有大量的地理属性数据，并且所有的信息只有通过地图才能表述出来，所以是一般数据库系统所无法完成的。而GIS的信息可视化技术可以显示、存储和处理地图数据，并将各种属性数据与地图数据有机地结合起来，特别适合石油天然气管道信息的管理。
1 系统设计与管理优化
1.1 燕化管道三维（3D）的建设目标
建立管廊3D管理展示体系，提高燕化公司管廊管理及决策水平。达到燕化公司管廊管理系统的更加实用化，结合目前的新的工作模式想融合，达到规范化，标准化，简洁化，实用化的效果（图1）。
1.2 系统的构建
1.2.1？系统工具
系统工具体现在系统工具栏中。为简化系统操作简化，仅采用系统工具栏完成对系统级的操作。工具栏包括打开项目、关闭项目、退出、导航窗口、属性窗口、信息窗口以及工具窗口等功能，实现对系统的全面操作。对项目的具体操作体现在导航窗口、属性窗口、信息窗口以及工具窗口中。
1.2.2？模型工具
模型工具体现在工具栏中。工具栏的打开和关闭由系统工具栏中的工具窗口功能控制。工具栏是针对当前三维场景中的管网模型提供操作功能的，其内容根据对管网模型的选择而变化，即只有当前需要的操作功能出现，以避免误操作或操作界面的复杂化。1.2.3？导航目录
导航目录体现在导航窗口中，导航窗口的打开或关闭由系统工具栏中导航窗口功能控制。导航目录给出整个管网模型的对象的组织结构，主要包括管廊、管网两大部分以及下属的各层模型对象。每个上层都有一个或多个下级，每个下级只有一个确定的上级。选择导航目录中任何一级对象，工具栏中都会出现相应的操作功能，以实现对该级的操作。
1.2.4？数据表
数据表体现在信息窗口中，信息窗口的打开或关闭由系统工具栏中信息窗口功能控制。数据表包括管廊管架、管网、管线、管线段、直管、弯头、盲管以及阀门等。数据表给出所有数据的字段和记录，包括各个模型对象的空间数据和属性数据，供建模或运行阶段中检查或参考。
1.2.5？属性
属性体现在属性窗口中，属性窗口的打开或关闭由系统工具栏中的属性窗口功能控制，属性存储在配置文件中。属性主要包括对管廊、管网操作的选项，包括显示、颜色等。在属性窗口中改变选择项后，立即在三维场景中体现出改变的效果，并保存改变的选择项到配置文件中。
1.2.6？三维场景
三维场景体现在图形窗口中，图形窗口是系统的主窗口，用于展现管网模型并实现对模型的操作，包括建模、浏览、查询等。
2 系统主要业务功能2.1 系统管理功能
2.1.1？三维GIS基本功能
将整个厂区的管网模型放置在三维场景中，可以对三维场景进行基本的操作，包括放大、缩小、平移、旋转等。另外可以在特定视角对管网模型进行观察，包括标准斜视、正上、正下、正北、正南、正西、正东，其中标准斜视力和正上方观察较多地应用在实际操作中。
2.1.2？模型的建立、修改和删除
模型的建立包括建立模型的组织结构和建立模型部件。通过设置模型部件的参数，可以建立起模型的部件。模型部件建立后，便实时展现在场景中，并可以进行修改和删除，包括重新建立等。2.1.3？模型的快速定位
在实际的操作中，需要观察管网模型的特定部件，需要场景快速定位到该部件上，并以合适的尺寸和视角展现，便于观察。模型的快速定位有两种方式：一是在目录树中快速定位当前选择的部件；二是在当前的操作状态下快速回归定位到选择的部件。
2.1.4？模型的展现
模型的展现包括选择显示管网、修改管网显示的颜色等。可以有选择性地打开一些管网和关闭另一些管网，满足工作的需要。可以根据工作需要改變管网的颜色，以区分不同的管网，或突出当前操作的管网等。管网颜色的改变实时地反映在三维场景中。
2.1.5？模型的标注
管网模型的标注主要体现在管架的标注和闸阀的标注上，标注可以在三维场景中为观察者提供精确地空间定位，提高对管网模型进行操作的效率。可以根据实际需要打开或关闭相应的标注，或改变标标注的尺寸或颜色等。 2.1.6？阀门开关状态
在三维场景中，直接对管网中的阀门进行操作，改变阀门的开关状态。阀门的开关状态不仅用于展现阀门当前的状态，而且用于计算管网网络的拓扑结构。阀门的开关状态带日期，表明阀门操作的时间。
2.1.7？管网查询
在三维场景中，直接对管网进行查询。管网查询包括网线查询和阀门查询，网线查询项包括管道编号、管道起点、管道止点、管道规格、管道长度、管道材料、保温绝热、伴热情况、伴热规格、输送介质、最高工作压力、最高工作温度、防腐方式、标
识、单线图号等，阀门查询项包括位置、起
点、终点、型号、压力等。
2.1.8？应急维护
在三维场景中，针对某个管网，确定某个具体的管线段或直管、弯头、盲管后，可以立即获取其上下有阀门；同样确定某个具体的阀门后，可以立即获取其上下游阀门。用于在紧急情况下，维修点的上下游阀门，确保安全生产。
3 系统软件设计3.1 三维引擎平台
管网建模采用可视化工具函数库（visualization toolkit，VTK）作为三维引擎平台。
VTK是在面向对象原理基础上设计和实现的，它的内核是用C++构建的，包含大约2.5万行代码，650多个类，VTK可以在Windows以及Unix平台上操作。
VTK是一个跨平台、支持并行处理的图形应用函数库，曾应用在具有1024个处理器的大型系统中，处理的数据约1个PT，计算节点高达2.5兆。VTK通过体、面、光源等对科学试验数据进行逼真的渲染，帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。VTK完全可以胜任管网模型图形图像的处理、展现和操作等工作。
3.2 数据的组织管理
管网模型数据按照管廊管架、管网、管线、管线段、直管、弯头、盲管、阀门等数据进行分类管理，包括空间数据和属性数据。管网可以由一个或多个子管网组成，子管网之间由阀门连接。管线包含子管网的属性信息。管线段为单连通域，阀门为连通控制节点，管线段与阀门形成管网网络拓扑关系。阀门包括闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、止回阀、疏水阀等。3.3 对象的组织管理
管网模型的对象主要包括管架、直管、弯头、盲管、阀门等，这些对象由相应的数据生成，对象采用vtkAssembly进行部件装配，并存储在各自的链表中，通过vtkRenderer将对象加入或移出场景。各个对象通过自身的空间数据和属性数据，以不同的尺寸、方向、颜色等展现在相应的空间位置上。系统通过vtkInteractorStyleTrackballCa mera拾取对象，实现对对象的操作。
对象的组织结构见下图：
3.4 属性管理
管网模型的属性主要是管网的颜色属性，用于区分不同的管网以及引导正确地操作系统。属性在模型建立时进行初始化，并可以在运行过程中进行改变，并在场景中实时地反映出。属性管理有两种方式；一种是对象自身的属性，相关属性数据存储在各自对象相关数据表的记录中，一旦属性改变，只改变对象自身，不影响其他对象，这类属性主要是用于区分管网的颜色属性；另一种是对象的统一属性，相关属性数据存储在配置文件中，属性的改变是针对所有对象的，这类属性主要是用于对象拾取等操作。
还有一种特别的属性，如闸门的开关状态，这类属性数据也存储在各自对象相关数据表的记录中，除用于对象的展示外，还用于计算网络拓扑关系。
3.5 大数据量管理
我们知道：32位Windows系统，单进程最大内存寻址为2GB，大数据模式下为3GB；64位Windows系统，单进程最大内存寻址为3GB，大数据模式下为4GB。为保证在大数据量情况下系统能正常运行，主要采用两种方式保证系统在最大内存寻址能力范围内工作。一是控制模型对象的细化度，在不影响模型外观的前提下降低模型的细化度，减少总体三角面的数量，减少模型对内存的需求。二是在降低模型细化度后，模型对内存的需求仍然突破最大限度的情况下，对厂区进行分区展现和操作，以达到实时操作场景的目的。
通过控制模型对象的细化度，对總长约250公里，各类对象约1万个的管网模型场景，在实际操作中取得了明显的效果。
4 系统技术比较
4.1 平台式系统与普通系统优劣比较4.1.1？可靠
系统依托于平台的性能与普通系统相比，大大提高了系统运行的可靠性。4.1.2？安全
系统依托平台的安全机制，大大提高了系统的安全性，
4.1.3？较高性价比
平台式系统易于维护，易于扩展，容易拓展系统的各种增值服务。5 结论
本文中重点研究了系统的结构组成、特点、和实现方式。开创性的提出了基于GIS+MIS+平台式开发系统的设计模式，并深入研究了系统特点及技术指标。
参考文献
[1] 计算机软件质量保证计划规范 GBT12504-90
[2] 网络综合布线规范GB/T50311-2000
[3] 地图符号库建立的基本规定
[4] 数字测绘产品质量要求》
[5] 1：50001：10000 1：25000 1：50000 1：100000 地形图形要素分类与代码
[6] 计算机信息系统保密管理暂行规定》国保发[1998]1号