基于WebGIS的管道仿真模型构建

刘天尧，朱 峰，高海康，任学军

（1. 中国石油管道科技研究中心，河北 廊坊 065000）

我国长输油气管道规模庞大，设计规格各异，结构复杂，为了保证管道长期稳定运行，管道仿真软件不可或缺[1]。管道仿真软件市场主要由SPS、REEG和TGNET/TLNET等国外产品垄断，然而国外软件在国内存在诸多不适用性，因此中国石油管道公司自主研发了商业级管道仿真软件RealPipe，并在国内油气管网进行了成功应用[2]。目前，国内外对管道仿真软件的研究重仿真计算引擎算法的精度和效率问题，轻管道模型建立过程。模型构建方式多为纯文本手工编辑，使得管道模型建立过程较为复杂，学习成本高、建模效率低、错误率高[3-4]。为了简化管道仿真软件建模过程，提高模型直观效果，本文将WebGIS技术和油气管道固有的空间属性引入管道仿真软件，为管道仿真模型构建提供了一条新思路[5-6]。

1 管道仿真技术分析

1.1 管道仿真流程分析

管道仿真主要是通过水力、热力计算的方式，模拟管道中介质（液体或气体）的流动状态。总结现有管道仿真软件工作原理，管道仿真的一般流程如图1所示。

图1 管道仿真流程图

管道仿真流程主要分为4个步骤：

1）管道模型文件的构建。SPS、TGNET等国际主流软件主要按照其提供的拓扑规则，通过手工编写模型文本文件的方式，编写管道模型文件。

2）管道模型验证。编写好管道模型文件后，一般不可避免地存在拓扑或逻辑错误，因此需进行模型文件验证，若模型文件存在错误则需返回修改。

3）仿真计算。对管道模型进行验证后，利用仿真计算引擎对管道模型进行数学解析，构建计算矩阵，进行仿真计算。

4）结果展示。通过报表、图形、交互动画等方式展示仿真计算的结果。

管道仿真的核心是仿真计算引擎，其求解方法、求解精度、运算速度等决定了仿真软件的可用性。随着仿真计算引擎的成熟，管道模型的规模与复杂程度的增加，纯手工文本编辑的方式不仅费时费力，而且缺乏直观性，学习成本高，不易排错，模型构建效率和结果展示效果逐渐成为制约管道仿真计算软件发展的瓶颈，急需开发基于图形化的仿真模型构建方式。

1.2 管道模型图形化构建的可行性分析

图形化建模是否可行，取决于管道模型的数据规则与内在逻辑是否严谨。管道模型是对真实管道简化抽象后形成的关系模型，其最小单元为元件——管道及其沿线设备的抽象表示。管道仿真模型以元件为基础，以有向图的方式对管道进行关联表达，以SPS模型的组织形式为例，其按照“元件类型 元件ID 第一节点ID [第二节点ID] [节点属性1] [换行+元件属性名 属性值]…”的格式进行记录，管道模型存储示例记录为：

E ES01 ND01 TAKE

+P 10

T PL01,ND01 ND02

B BV01 ND02 ND03

E ED01 ND03 SALE

+Q 80

T PL02 ND01 ND04

B BV02 ND04 ND05

E ED02 ND05 SALE

该存储格式适合管道模型的线性化数学模型构建，方便手工书写模型代码，在管网模型较小时可快速编写，但随着模型结构的扩大，其编写难度和出错概率会呈倍数增长。

由管道模型有向图可知，元件与元件以节点相连构成管道模型，若将节点归入元件自身属性，则可将元件分为单节点元件（如注入、分输）和双节元件（如管段、阀门）[7]两大类；若再将管道模型实际坐标位置信息或工艺流程图空间相对位置信息加入有向图中，则管道模型存储示例可表示为图2的形式。

图2 管道元件与仿真模型图示样例

综上所述，管道模型图形化构建不仅可行，而且可加入地理空间信息这一新维度，将管道仿真模型表达得更直观；同时可引入GIS相关分析功能，使得利用WebGIS技术开发管道模型构建与展示系统切实可行。

2 基于WebGIS的管道模型构建系统

2.1 架构设计

管道仿真的核心部分是仿真计算引擎，而管道模型构建过程主要是为仿真计算引擎提供初始参数，因此管道仿真系统架构需围绕仿真计算引擎进行设计。利用现有WebGIS工具，在保证对现有仿真数值计算引擎改动最小的前提下，结合软件模块化思想，设计高内聚、低耦合的基于WebGIS的管道模型构建系统架构如图3所示[8]。

通过B/S模式构建Web应用程序，系统架构由用户界面、文件通信和后台模块3部分构成，各部分功能为：

1）用户界面。利用开源WebGIS的Openlayers3设计管道模型图形化构建引擎，用于构建与显示管道模型，并负责结果显示与用户交互。

2）文件通信。系统涉及的主要交互文件和通信过程包括基于GML编写的管道模型文件，便于快速计算的二进制模型文件，基于网络常用数据交换格式JSON的仿真结果文件以及管道模型保存和验证、仿真运行、结果显示过程等内容[9]。

3）后台模块。管道仿真过程涉及两个核心计算模块，GML管道模型验证模块负责验证管道模型中管道拓扑的正确性，并将正确的管道模型简化为二进制数学运算模型；仿真计算引擎模块负责调用二进制模型文件，根据管网水力热力学模型构建数学矩阵模型，进行仿真计算并返回结果。

图3 系统架构图

用户通过Openlayers3提供的WebGIS图形编辑功能构建模型，并以GML格式储存模型文件；再经过后台管道模型验证后生成中间过程的二进制模型文件；最后进行仿真引擎计算，返回结果并显示。

系统架构通过文件通信的方式保证了用户界面与后台功能模块的高效分离，Openlayers3与GML的结合可保证在Web上提供管道模型的图形编辑与展示能力，二进制模型文件由传统模型文件压缩而来，作为GML模型与传统模型的中间缓冲，以保证对仿真计算引擎的改动最小。

2.2 管道模型组织方式重构

由于传统的基于有向图的管道模型组织方式缺少坐标信息，不利于GIS的编辑和展示，因此需要重新构建。为了便于Openlayers3快速解析，在使用GIS通用数据格式的前提下，选用GML作为存储格式对管道模型进行全新设计。

管道模型整体呈线状结构，由两点可确定一条直线原理可知，双节点元件的位置可由前后两节点坐标进行定位，单节点元件由设备符号坐标和节点坐标进行定位。管道模型元件类型通过GML格式扩展功能进行定义，构建元件类型库，以节点为元件的平级标签，然后在元件标签内部进行引用嵌套，避免节点坐

标重复定义，设计的GML管道模型存储格式为：

＜RP:ND ID=”第一节点ID”＞

＜coord＞＜X＞x坐标＜/X＞＜Y＞y坐标 ＜/Y＞＜/coord＞

＜/RP:ND＞

[＜RP:ND ID=”第二节点ID”＞

＜coord＞＜X＞x坐标＜/X＞＜Y＞y坐标 ＜/Y＞＜/coord＞

＜/RP:ND＞]

＜RP:元件类型 ID=”元件ID”＞

＜!—单节点元件坐标--＞

[＜coord＞＜X＞x坐标＜/X＞＜Y＞y坐标＜/Y＞＜/coord＞]

＜RP:ND ID=”第一节点ID”＞

[＜RP:ND ID=”第二节点 ID”＞]

[＜RP:属性 1 AT=“属性 1”＞]

＜/RP:元件类型＞

GML管道模型最大程度地保留了传统管道模型的结构框架，在通过模型验证后仅需去掉一级节点标签和所有坐标标签，顺序解析即可恢复传统管道模型的数据组织结构；并在二进制压缩后可被仿真计算引擎直接调用，解决了在保证仿真计算引擎改动最小的前提下对管道模型数据格式的重构问题。

2.3 管道模型图形化构建引擎设计

为了提高管道模型的构建效率，减少错误率，图形化构建引擎必不可少。Openlayers3不仅具有强大的WebGIS编辑与显示能力，而且开源易用，是定制开发管道模型图形化构建引擎很好的选择。

由于管道模型由元件组成，选用拖拽式的建模方式更为简便、快速，因此本文设计的引擎界面（图4）主要由两部分组成：①管道模型元件选择面板，对模型元件进行封装后提供选择和拖拽功能；②图形绘制面板，将从元件选择面板中拖拽而来的模型元件以图形的方式进行表示，并提供元件节点的吸附连接功能，保存时通过解析Openlayers3图层元素得到GML管道模型文件。除此之外，为了直观显示仿真结果，还设计了元件信息展示气泡用于结果展示。

图4 管道模型构建界面

2.4 管道模型图形化建模实用效果

通过实际测试，单从满足仿真建模的角度来讲，基于WebGIS的管道模型构建系统生成的模型文件格式更加清晰，在学习成本、建模效率和模型可靠性等方面远远优于传统手工模型编写方式，对比效果如表1所示。

实际上引入WebGIS构建管道仿真模型的好处不仅在于提高了模型的构建效率，更重要的是其引入的空间属性维度，利用GIS相关分析能力，为管道在空间上的仿真拓展了更多可能。

表1 模型构建对比

3 结 语

通过将WebGIS技术与管道仿真技术相结合，对基于有向图方式的管道模型数据组织方式进行了基于坐标表示方式的重新构建，设计了基于WebGIS的管道模型构建系统，可有效简化管道模型构建过程和提升易用性，提高管道仿真建模效率和可靠性。不仅如此，管道仿真模型引入的空间属性可与GIS有效结合，为管道仿真系统的模型构建以及管道仿真技术的发展提供了一种新思路。