安智琮，劉文彬，楊劍鋒，龔華偉，陳良超（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

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石化企業(yè)設(shè)備管理平臺GIS系統(tǒng)的應(yīng)用研究

安智琮，劉文彬，楊劍鋒，龔華偉，陳良超
（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029）

摘要：將GIS（“地理信息系統(tǒng)Geographic Information System”簡稱）技術(shù)應(yīng)用于石化企業(yè)設(shè)備管理，從系統(tǒng)的需求分析、總體設(shè)計、技術(shù)實現(xiàn)以及系統(tǒng)功能和應(yīng)用等方面闡述了石化企業(yè)設(shè)備管理平臺GIS系統(tǒng)應(yīng)用的解決方案，實現(xiàn)了石化企業(yè)設(shè)備的可視化管理。

關(guān)鍵詞：GIS；石化企業(yè)；設(shè)備管理；可視化

我國石化企業(yè)設(shè)備眾多，危險性較大，設(shè)備管理水平相對落后，開發(fā)出適用于企業(yè)員工使用的設(shè)備管理平臺是極其迫切的。石化企業(yè)設(shè)備管理平臺GIS系統(tǒng)的應(yīng)用研究，就是研究如何將煉化裝置設(shè)備管理平臺上大量復(fù)雜的設(shè)備信息以“地圖”的形式呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)設(shè)備管理的可視化。它依據(jù)地圖及其應(yīng)用的概念、采用辦公自動化的操作、集成多種數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、融合計算機地圖方法、使用地理數(shù)據(jù)庫技術(shù)、加入了地理信息系統(tǒng)分析功能，形成了極具實用價值的可視化設(shè)備管理系統(tǒng)［1］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)在石化設(shè)備可靠性管理的思想下以GIS“地圖”的形式呈現(xiàn)出來，界面簡潔、明目，功能全面且易于操作，正好符合目前我國石化企業(yè)的需求。石化企業(yè)設(shè)備按大類分，主要有動、靜設(shè)備，設(shè)備可靠性管理就是在這種分類方法的依據(jù)下按照不同設(shè)備的特點，確立不同的監(jiān)管路線，采集設(shè)備的動、靜態(tài)數(shù)據(jù)，近而通過計算機進(jìn)行運算處理，分析運行趨勢，診斷可能出現(xiàn)的故障，采取科學(xué)、有效的方法進(jìn)行預(yù)防維修。因此，設(shè)備監(jiān)管路線的確立，即GIS呈現(xiàn)方式的有效選擇顯得非常重要，該系統(tǒng)因監(jiān)管目標(biāo)的不同，在不同層次的GIS呈現(xiàn)下，劃分為靜設(shè)備腐蝕監(jiān)測、LDAR泄漏檢測、動設(shè)備振動監(jiān)測等子系統(tǒng)，系統(tǒng)包含GIS基本操作、查詢和定位、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專題應(yīng)用、輸出、系統(tǒng)管理等功能模塊［2］。

1.1系統(tǒng)需求分析

國內(nèi)外企業(yè)管理軟件紛繁眾多，其中如ERP、MES、PCMS等優(yōu)秀管理軟件在某方面都取得了成功，但對于我們的現(xiàn)狀來說，即使引進(jìn)到企業(yè)，也不能很好地發(fā)揮其作用，這主要是我們的企業(yè)員工計算機能力欠缺、信息化觀念不強等原因。針對這種情況，利用GIS技術(shù)實現(xiàn)管理型軟件的可視化，是很有必要的。我國大型石化企業(yè)一般都有若干子公司，公司各部門對設(shè)備信息關(guān)注的側(cè)重點不同。在設(shè)計GIS系統(tǒng)時，首先使用mark在擁有地理位置的全國地圖中標(biāo)示出母公司和若干子公司的所在位置，方便公司各個階層的員工快速進(jìn)入系統(tǒng)管理界面；然后，呈現(xiàn)的是各子公司的廠區(qū)分布情況，廠區(qū)裝置如常減壓、加氫裂化等在不同styles的渲染下，以熱區(qū)的形式呈現(xiàn)在廠區(qū)圖中；另外，根據(jù)動、靜設(shè)備使用的監(jiān)測手段和評估方法的差異，以工藝流程圖、風(fēng)險風(fēng)布圖等形式呈現(xiàn)出專業(yè)分析結(jié)果；最后，全方位地呈現(xiàn)每臺設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和運行情況，做到無死點、無遺漏。

根據(jù)以上需求分析，本系統(tǒng)實現(xiàn)4級界面的逐層呈現(xiàn)，第一級為總公司級，該級通過包含基本屬性要素的中國地圖以瓦片的形式呈現(xiàn)，見圖1。

圖1　系統(tǒng)全貌圖Fig.1 System up view

在中國地圖上標(biāo)記出某石化集團(tuán)公司及其所轄煉化分公司的大致位置，方便不同權(quán)限的管理人員、操作人員、系統(tǒng)維護(hù)人員快速進(jìn)入分公司界面；第二級為分公司級，該級呈現(xiàn)的是廠區(qū)分布圖，各裝置位置容易辨別，用鼠標(biāo)點擊裝置名稱即可進(jìn)入裝置層級，另外，此層級可以在不同呈現(xiàn)方式間切換，廠區(qū)矢量圖、廠區(qū)衛(wèi)星圖、廠區(qū)影像以及三維虛擬圖從不同方位呈現(xiàn)廠區(qū)的全貌；第三級為單元裝置級，該級通過改變流程圖各部分的樣式，實現(xiàn)裝置整體運行狀態(tài)（如正常運轉(zhuǎn)、異常報警、事故報警等狀態(tài)）的實時監(jiān)測；第四級為設(shè)備級，該級通過在設(shè)備裝配圖、零件圖、三維立體圖、影像圖之間切換，可以查看設(shè)備運行狀態(tài)，檢測介質(zhì)泄漏情況、動設(shè)備發(fā)生故障部位、轉(zhuǎn)軸受力分析以及靜設(shè)備腐蝕防護(hù)情況等。

1.2系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)備管理平臺GIS系統(tǒng)，建立了準(zhǔn)確、全面的設(shè)備信息資源共享空間數(shù)據(jù)庫，采用ArcGIS、Eclipse、Tomcat應(yīng)用開發(fā)平臺，結(jié)合geoserver、SketchUp、 Udig、CAD及PostGIS空間數(shù)據(jù)庫和海量數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，實現(xiàn)各種管理信息（包括設(shè)備基本信息、設(shè)備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備備品配件信息、設(shè)備檢維修案例數(shù)據(jù)、設(shè)備空間數(shù)據(jù)等）的動態(tài)提交、檢校及轉(zhuǎn)換入庫、管理數(shù)據(jù)共享及查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和專題應(yīng)用等功能。

1.2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)平臺采用三層系統(tǒng)架構(gòu)，通過B/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。主要包含數(shù)據(jù)服務(wù)層、后臺管理層、應(yīng)用層。平臺基本框架詳見圖2。

（1）數(shù)據(jù)服務(wù)層數(shù)據(jù)服務(wù)層，在應(yīng)用開發(fā)與集成框架的支持下，負(fù)責(zé)提供應(yīng)用系統(tǒng)和各類服務(wù)，主要包括GIS圖形、表單、報表、工作流、查詢分析等服務(wù)，支持完整的可視化應(yīng)用及其一體化協(xié)同運行，采用ArcGIS Server和Web Service技術(shù)結(jié)合發(fā)布空間數(shù)據(jù)和影像服務(wù)、分析成果服務(wù)。系統(tǒng)管理人員需要利用ArcMap將入庫的空間數(shù)據(jù)分專題進(jìn)行符號化，將圖層保存為mxd.文件后，利用ArcGISServer發(fā)布為空間數(shù)據(jù)服務(wù)，將分析成果利用Web Service技術(shù)進(jìn)行上傳和發(fā)布。

圖2　平臺總體構(gòu)架Fig.2 platform overall framework

（2）后臺數(shù)據(jù)管理層后臺數(shù)據(jù)管理層是整個平臺的核心，是平臺的信息資源中心，系統(tǒng)利用后臺管理模塊為系統(tǒng)管理員提供整個數(shù)據(jù)庫的維護(hù)管理界面，實現(xiàn)對后臺管理層的用戶信息、元數(shù)據(jù)、各類統(tǒng)計分析工具插件、數(shù)據(jù)服務(wù)、成果服務(wù)、ArcGISServer服務(wù)器、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時還可以設(shè)置不同信息的各類操作權(quán)限。該層采用Geodatabase技術(shù)管理了ArcGIS Server服務(wù)器的連接信息、管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編目信息、管理編目下的空間數(shù)據(jù)表信息和空間數(shù)據(jù)服務(wù)信息、分析成果服務(wù)等信息。其核心是規(guī)劃綜合數(shù)據(jù)庫，它是在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范的規(guī)定下，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)等組成。在該層中還將部署統(tǒng)一信息交換平臺，以實現(xiàn)各類信息資源在平臺其他系統(tǒng)之間的共建共享。

（3）平臺應(yīng)用層平臺應(yīng)用層，是應(yīng)用系統(tǒng)的實現(xiàn)及表現(xiàn)層，包含數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)編輯和前臺應(yīng)用模塊。該層建立在“應(yīng)用開發(fā)與集成框架”基礎(chǔ)之上，與具體應(yīng)用需求相結(jié)合，開發(fā)并集成各類規(guī)劃應(yīng)用功能，主要包含GIS基本操作、檢索和查詢、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專題應(yīng)用、輸出、系統(tǒng)管理這7個功能模塊。

1.2.2系統(tǒng)運行環(huán)境的搭建系統(tǒng)硬件采用阿里云的云服務(wù)器，簡單高效，處理能力強，可彈性伸縮的計算服務(wù)可以快速構(gòu)建更穩(wěn)定、安全的應(yīng)用。另外，運維效率高，價格合理，操作系統(tǒng)純凈、方便自己定制，這些都成為系統(tǒng)開發(fā)的有力保障。

系統(tǒng)采用Microsoft公司的windows操作系統(tǒng)，服務(wù)器使用開源的tomcat web應(yīng)用服務(wù)器和esri公司的ArcGis Server的GIS服務(wù)器，使用eclipse作為開發(fā)工具。

系統(tǒng)所需空間數(shù)據(jù)龐大，選擇PostGIS空間數(shù)據(jù)庫，具有使用方便、特性豐富、功能強大、與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點，可跨越從運行Microsoft Windows 98的膝上型電腦到運行Microsoft Windows 2000的大型多處理器的服務(wù)器等多種平臺的使用，可以滿足系統(tǒng)要求。

1.3系統(tǒng)實現(xiàn)

設(shè)備可靠性管理平臺通過GIS門戶系統(tǒng)，實現(xiàn)“一站式”登錄，即可以使用其權(quán)限所含的所有應(yīng)用系統(tǒng)，提供個性化的應(yīng)用界面［3］。平臺軟件環(huán)境應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的操作系統(tǒng)平臺采用Windows Server 2008，客戶端操作系統(tǒng)可選用Windows XP或Windows 7，PostGIS空間數(shù)據(jù)庫、ArcGIS、ArcGIS Server+OpenLayers是構(gòu)建“設(shè)備管理平臺GIS系統(tǒng)”解決方案的核心。

系統(tǒng)通過ArcGIS系列桌面軟件實現(xiàn)“地圖”的創(chuàng)建和使用、編輯和管理以及分析建模等功能，再通過WebGIS系列軟件實現(xiàn)“地圖”的發(fā)布、共享和顯示［4］。所開發(fā)的WebGIS是在原有的GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上所做的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)，把WebGIS框架分為三個部分：基于OpenLayers開發(fā)的地圖客戶端和Web瀏覽器為展示層；以ArcGIS Server地圖服務(wù)器和Web服務(wù)器作為處理層，選用Tomcat作為Web服務(wù)器；最后以文件系統(tǒng)與PostGIS空間數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)層［5］。

系統(tǒng)首先通過客戶端輸入信息或請求并提交給處理層，處理層再通過Web服務(wù)器處理客戶端的請求，并通過地圖服務(wù)器ArcGIS Server提供的接口與數(shù)據(jù)層（存儲空間數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等）通信，將最終查詢到的結(jié)果通過地圖服務(wù)器ArcGIS Server、Web服務(wù)器Tomcat、地圖客戶端OpenLayers，顯示在瀏覽器上［6］。

2　系統(tǒng)功能

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，結(jié)合系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺的特點，本系統(tǒng)劃分了多個功能模塊，各個功能模塊由數(shù)個子功能組成，如圖3所示，下面分別敘述各個模塊的詳細(xì)功能：

＞GIS基本操作包括圖形的放大、縮小、全屏顯示、漫游、刷新、動態(tài)標(biāo)注等基本顯示功能和圖形間的切換功能。

＞查詢和定位包括對圖形名稱和編碼、設(shè)備屬性、文檔信息、設(shè)備運行記錄報表等的多條件多組合模糊查詢功能，并對整個系統(tǒng)四層界面進(jìn)行分級定位。

圖3　系統(tǒng)功能圖Fig.3 System function chart

＞數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理：系統(tǒng)接收測繪數(shù)據(jù)、設(shè)計圖紙、屬性表格等基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，特別注意對數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢查和錯漏的處理；數(shù)據(jù)入庫：將接受到的數(shù)據(jù)，如測繪數(shù)據(jù)、設(shè)計圖紙、電子表格、其它格式的電子地圖等經(jīng)接口軟件處理后進(jìn)入到數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)更新與維護(hù)：主要分為圖形編輯、歷史數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)據(jù)更新升級、數(shù)據(jù)添加等內(nèi)容；影像、矢量數(shù)據(jù)的疊加顯示：對遙感影像、矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并通過疊加（影像圖層在底部、矢量圖層在上部）的方式顯示。

＞數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計包括設(shè)備和管線的分類統(tǒng)計、監(jiān)測點及其報警統(tǒng)計、風(fēng)險等級統(tǒng)計等，統(tǒng)計結(jié)果可制作成各種統(tǒng)計圖（如立體圖、柱圖、餅圖）或表格等。

＞專題應(yīng)用提供高級的分析功能，包括：危險化學(xué)品泄漏應(yīng)急方案制定、監(jiān)測點分布和狀態(tài)統(tǒng)計分析、裝置腐蝕回路圖和風(fēng)險分布圖的動態(tài)顯示、虛擬廠區(qū)建模等。

＞輸出包括圖形輸出、文檔資料輸出、各類專題地圖輸出等。

＞系統(tǒng)管理系統(tǒng)設(shè)定系統(tǒng)管理員，由系統(tǒng)管理員對使用本系統(tǒng)的用戶、角色進(jìn)行管理控制，對于每一個用戶，系統(tǒng)管理員細(xì)致地設(shè)置其使用權(quán)限。另外，系統(tǒng)管理員還需對系統(tǒng)運行模塊進(jìn)行維護(hù)、備份數(shù)據(jù)、對規(guī)則流程進(jìn)行配置等。

這些功能實現(xiàn)了對設(shè)備的專業(yè)化信息管理，為企業(yè)的規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、運行、維護(hù)等部門提供快速、可靠的信息服務(wù)［7］。

3　系統(tǒng)應(yīng)用

＞危險化學(xué)品泄漏應(yīng)急方案通過對石化企業(yè)各裝置產(chǎn)生的有毒、有害物質(zhì)泄漏監(jiān)測數(shù)據(jù)的提取，建立有毒、有害物質(zhì)的擴散緩沖區(qū)模型。解決在突發(fā)災(zāi)害時，通過快速定位事故現(xiàn)場和對泄漏物質(zhì)污染范圍的確定，便于救援人員能夠按照事故的影響范圍，準(zhǔn)確、及時的制定出救援方案，安排最佳的人員撤離路線，合理調(diào)配各種資源，減少財產(chǎn)的損失［8］。

＞監(jiān)測點的分布、狀態(tài)及運行趨勢統(tǒng)計分析用于監(jiān)測石化裝置運行狀態(tài)的儀器種類較多，有用于監(jiān)測動設(shè)備的振動傳感器，用于監(jiān)測靜設(shè)備腐蝕狀況的探針，也有用于監(jiān)測危險化學(xué)品泄露的氣體檢測儀，等等。監(jiān)測點的分布統(tǒng)計是指對全廠各裝置同類型監(jiān)測點進(jìn)行數(shù)量上的統(tǒng)計，通過統(tǒng)計圖（如立體圖、柱圖、餅圖）或表格形式顯示；監(jiān)測點的狀態(tài)通常為離線、正常、報警；運行趨勢是對長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測估計。對監(jiān)測點的分布情況、狀態(tài)及運行趨勢進(jìn)行統(tǒng)計分析，為裝置運行狀況進(jìn)行風(fēng)險分析提供依據(jù)。

＞裝置腐蝕回路圖的動態(tài)顯示裝置在運行過程中，介質(zhì)成分和各工藝參數(shù)在時刻變化，設(shè)備的腐蝕因子也在變動著，這將對設(shè)備的腐蝕形態(tài)產(chǎn)生影響，從而有可能造成腐蝕機理的改變。通過對介質(zhì)成分和工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)的提取，對比閥值，對數(shù)據(jù)差異較大設(shè)備腐蝕情況再次進(jìn)行分析，更新GIS數(shù)據(jù)庫數(shù)值，呈現(xiàn)新的腐蝕回路圖。

＞裝置風(fēng)險分布圖的動態(tài)顯示同腐蝕回路圖的動態(tài)顯示，通過后臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的判斷，更新設(shè)備的風(fēng)險等級數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)新的風(fēng)險分布圖。

＞建立虛擬廠區(qū)數(shù)字廠區(qū)是真實廠區(qū)的虛擬對照體，如圖4所示，利用ArcGIS和SketchUp進(jìn)行的廠區(qū)三維建模及其可視化展示，建立了三維數(shù)字化廠區(qū)，擺脫了二維的廠區(qū)管理系統(tǒng)無法真實再現(xiàn)裝置全景的弊端，實現(xiàn)多角度瀏覽。

圖4　虛擬廠區(qū)圖Fig.4 Virtual factory figure

4　結(jié)語

GIS管理系統(tǒng)在石化企業(yè)中的成功應(yīng)用，簡化了系統(tǒng)操作界面，方便了企業(yè)員工的操作，直接提高了企業(yè)的設(shè)備管理水平。另外，基于可靠性管理思想的融入使企業(yè)風(fēng)險管理能力同時也得到了提升。

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生產(chǎn)與技術(shù)改造

導(dǎo)師簡介：劉文彬（1979-），男，北京人，博士、副教授，現(xiàn)為北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：設(shè)備的智能化診斷。

Applied research of GIS system for equipment management platform in petrochemical enterprises

AN Zhi-cong，LIU Wen-bin，YANG Jian-feng，GONG Hua-wei，CHEN Liang-chao
（Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Abstract：The GIS（Geographic Information System）technology is used in equipment management of the petrochemical enterprises. From the aspects of requirement analysis, overall design, technical realization of the system as well as system functions and applications, elaborates the solutions of GIS system application of equipment management platform in petrochemical enterprises, and achieves the visualization management of equipment in petrochemical enterprises.

Key words：GIS；petrochemical enterprises；equipment management；visualization.

中圖分類號：TP31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

DOI：10.16247/j.cnki.23-1171/tq. 20160448

收稿日期：2016-03-02

作者簡介：安智琮（1991-），男，碩士研究生，主要從事煉化設(shè)備信息化管理研究。