三維地理應(yīng)急系統(tǒng)在含硫氣田開發(fā)過程中的建設(shè)與應(yīng)用(安全)
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三維地理應(yīng)急系統(tǒng)在含硫氣田開發(fā)過程中的建設(shè)與應(yīng)用(安全)
余忠仁1，潘用平1，付 新1，高 偉2
（1．中石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧629000；2．北京睿呈時(shí)代信息科技有限公司，北京100016）
摘要：針對四川復(fù)雜地形含硫氣田開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的火災(zāi)、爆炸、原料氣泄漏等突發(fā)事故，難以及時(shí)判斷事故的發(fā)展趨勢并確定有效的應(yīng)對措施，加之對事發(fā)點(diǎn)周邊的社會和地理環(huán)境不熟悉，極易造成群死群傷事故。研究了適用于安全監(jiān)管與應(yīng)急防控一體化的管理系統(tǒng)及“平戰(zhàn)結(jié)合”的運(yùn)行模式，開發(fā)了石油化工領(lǐng)域?qū)Ｓ玫目臻gGIS平臺，以空間關(guān)系做為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的底層邏輯，形成貫穿氣田設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營全生命周期的數(shù)據(jù)完整性管理體系。并重點(diǎn)針對含硫天然氣事故災(zāi)害類型和應(yīng)急支撐數(shù)據(jù)采集內(nèi)容進(jìn)行研究，形成應(yīng)急管理與快速響應(yīng)整套技術(shù)方法及示范工程，顯著縮短了風(fēng)險(xiǎn)辨識和預(yù)警時(shí)間，提高了應(yīng)急響應(yīng)速度和應(yīng)急決策能力。
關(guān)鍵詞：含硫氣田；空間GIS；全生命周期；協(xié)同演練；災(zāi)害推演
中圖分類號：X937 doi: 10. 11731/j. issn．1673-193x. 2016. 05. 022
0 引言
含硫氣田地面工程的場站和管道等設(shè)施分布點(diǎn)多，線長、面廣，一旦發(fā)生原料氣泄漏將會給周邊社會的人員和環(huán)境安全帶來嚴(yán)竣挑戰(zhàn)，極易發(fā)生次生或衍生事故。應(yīng)急體系建設(shè)方面，普遍重視組織機(jī)構(gòu)與物資裝備建設(shè)，一般只能應(yīng)對企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域范圍內(nèi)的突發(fā)事件，面對四川地區(qū)地形復(fù)雜居民雜散分布的特殊情況，一旦出現(xiàn)采（集）氣管線泄漏或超出廠（場）區(qū)范圍的事故災(zāi)害，其響應(yīng)時(shí)間和處置能力將面臨巨大挑戰(zhàn)，且與周邊社會應(yīng)急隊(duì)伍的協(xié)同還未列入日�；�(xùn)練的范疇。應(yīng)急管理方面，川東北高含硫氣田在開發(fā)建設(shè)過程中進(jìn)行大量的風(fēng)險(xiǎn)辨識與評估工作，按照采氣管線的走向開展了大量環(huán)境調(diào)研工作，編制了應(yīng)急疏散區(qū)圖冊，可供突發(fā)事件情況下查閱。應(yīng)急準(zhǔn)備方面，普遍對本單位生產(chǎn)人員和應(yīng)急搶險(xiǎn)人員進(jìn)行周期性培訓(xùn)演練，能夠在一定程度上提高企業(yè)自身應(yīng)急響應(yīng)能力，但一般的應(yīng)急培訓(xùn)靠講課和桌面推演，不易理解且效果不佳。應(yīng)急支撐技術(shù)方面，普遍注重現(xiàn)場數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)測以及應(yīng)急通訊系統(tǒng)的建設(shè)，缺乏針對應(yīng)急所需決策信息進(jìn)行全面有效采集與高效分析的數(shù)據(jù)支撐體系，含硫氣田發(fā)生火災(zāi)、爆炸、原料氣泄漏等類型災(zāi)害，難以及時(shí)判斷事故的發(fā)展趨勢并確定有效的應(yīng)對措施；加之對事發(fā)點(diǎn)周邊的社會和地理環(huán)境不熟悉，極易造成群死群傷事故，如何能夠在突發(fā)事故災(zāi)害后第一時(shí)間做出科學(xué)的判斷和有效的決策，是企業(yè)安全管理人員和應(yīng)急指揮員面臨的一大挑戰(zhàn)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建
1.1 業(yè)務(wù)需求與系統(tǒng)定位
氣田運(yùn)營企業(yè)普遍認(rèn)為應(yīng)急管理或應(yīng)急準(zhǔn)備工作應(yīng)圍繞事故這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)展開，偏重于事故發(fā)生后如何能夠及時(shí)響應(yīng)和開展救援，也就更多的把注意力投放在應(yīng)急業(yè)務(wù)支撐軟硬件的建設(shè)中，例如：按照國家法規(guī)要求編制應(yīng)急預(yù)案并周期性更新，組建應(yīng)急搶險(xiǎn)專業(yè)隊(duì)伍并配備各類救援設(shè)備，進(jìn)行周期性應(yīng)急培訓(xùn)并開展現(xiàn)場演習(xí)，以及按照設(shè)計(jì)規(guī)范儲備相應(yīng)的應(yīng)急物資等，這些應(yīng)急準(zhǔn)備工作的目標(biāo)是在事故發(fā)生后最大限度的降低事故的損失。
按照安全管理領(lǐng)結(jié)理論，事故發(fā)生前管理的目標(biāo)是控制隱患的出現(xiàn)以及轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿实挠|發(fā)因素，從這個(gè)角度出發(fā)提出了“平戰(zhàn)結(jié)合”的應(yīng)急管理方法以及應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，將現(xiàn)場的管理和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警納入應(yīng)急管理范疇，從而用廣義上的應(yīng)急理論來指導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)，即從三個(gè)層面開展應(yīng)急管理（如圖1所示）。
第一個(gè)層面，圍繞現(xiàn)場運(yùn)行的采氣、輸氣、凈化設(shè)施，對其進(jìn)行全生命周期的數(shù)據(jù)完整性管理（即貫穿設(shè)計(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)營全過程的各類數(shù)據(jù)及時(shí)采集入庫），同時(shí)對物料屬性、工藝過程狀態(tài)參數(shù)、周邊人員與社會環(huán)境以及作業(yè)人員的現(xiàn)場操作過程等進(jìn)行持續(xù)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，做到現(xiàn)場全面感知。
第二個(gè)層面，通過持續(xù)跟蹤氣田設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)評估數(shù)據(jù)（如：管道腐蝕檢測數(shù)據(jù)、巡線數(shù)據(jù)、溫壓流數(shù)據(jù)、隱患排查數(shù)據(jù)等），及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除隱患同時(shí)又實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對各類風(fēng)險(xiǎn)的持續(xù)記錄，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件做到信息可查詢、問題可追溯，便于快速查明原因采取處置措施。
第三個(gè)層面，一旦發(fā)生突發(fā)事件，基于對現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備、周邊環(huán)境的掌握，結(jié)合過程中風(fēng)險(xiǎn)因素的分布以及系統(tǒng)集成的各類動態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可為決策者提供及時(shí)、全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，便于快速決策。另外，應(yīng)急演練業(yè)務(wù)也可在預(yù)案制定的演習(xí)計(jì)劃基礎(chǔ)上，持續(xù)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)、隱患的變化趨勢調(diào)整演練內(nèi)容和目標(biāo)，促進(jìn)訓(xùn)練內(nèi)容更大限度實(shí)用化。
1.2 系統(tǒng)構(gòu)建
通過研發(fā)氣田行業(yè)專用3DGIS平臺，采用N層架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各層之間獨(dú)立封裝，便于工業(yè)部署和日后維護(hù)升級。系統(tǒng)建有獨(dú)立的施工期數(shù)據(jù)采集填報(bào)功能，可實(shí)現(xiàn)伴隨式數(shù)據(jù)采集和入庫，集成生產(chǎn)管理類、安全管理類系統(tǒng)，并通過統(tǒng)一的ETL總線發(fā)布接口為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)（如圖2所示）。
應(yīng)用層按照氣田建設(shè)階段劃分為兩個(gè)階段類功能，其中設(shè)計(jì)和建設(shè)期的主要服務(wù)于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、填報(bào)、查詢；運(yùn)營期通過日常生產(chǎn)、安全、設(shè)備資產(chǎn)管理保持系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時(shí)更新和操作不斷熟練，該類數(shù)據(jù)又供模擬演練進(jìn)行使用并校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一旦發(fā)生突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急處置和輔助決策，確保數(shù)據(jù)可及時(shí)全面獲取。
從數(shù)據(jù)建設(shè)方面打造三個(gè)專業(yè)類型數(shù)據(jù)庫，即設(shè)備完整性數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)／安全實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，應(yīng)急專業(yè)支撐數(shù)據(jù)庫，基于上述平臺圍繞安全與應(yīng)急管理核心業(yè)務(wù)達(dá)到井場無人化值守和風(fēng)險(xiǎn)在線預(yù)警，一旦出現(xiàn)異常報(bào)警系統(tǒng)可自動觸發(fā)災(zāi)情判定并實(shí)現(xiàn)“八級截?cái)�、三級放�?rdquo;，
同時(shí)基于平臺的融合通訊進(jìn)行企地應(yīng)急聯(lián)動，業(yè)務(wù)模型如圖3所示。
2 建設(shè)成果與現(xiàn)場應(yīng)用
該項(xiàng)研究圍繞提高氣田的應(yīng)急管理水平和應(yīng)急處置能力，重新將生產(chǎn)控制類系統(tǒng)與安全監(jiān)測類系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)和應(yīng)用層面的整合，依托三維地理應(yīng)急系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)承載與計(jì)算分析能力，實(shí)現(xiàn)了以下業(yè)務(wù)應(yīng)用。
2.1 周邊環(huán)境與敏感目標(biāo)可視化動態(tài)管理
建立了覆蓋全氣田工區(qū)范圍的高精度三維地形地貌，在此基礎(chǔ)上采用應(yīng)急信息調(diào)繪的方式，將井站、站場與原料氣管線周邊1km范圍內(nèi)的單戶居民與周邊2 km范圍內(nèi)的敏感目標(biāo)定位入庫（如圖4所示）；此外還包括采氣設(shè)施周邊5 km范圍內(nèi)的應(yīng)急救援力量及應(yīng)急搶維修道路進(jìn)行矢量化入庫，并通過巡線隊(duì)的管道巡線系統(tǒng)進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)更新，實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)計(jì)算確定疏散人員的短信群發(fā)快速通知功能，較以往人工通知和喊話的形式，有效縮短了應(yīng)急疏散時(shí)間。
2.2形成全工藝鏈完整性管理平臺
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和流程建模，打造工藝的完整性管理平臺，使其成為伴隨氣田設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營全生命周期管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)承載和應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井筒完整性、管道場站完整性管理數(shù)據(jù)持續(xù)入庫，并通過標(biāo)準(zhǔn)類型的工業(yè)接口與氣田現(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)（氣田物聯(lián)
網(wǎng)）上各類實(shí)時(shí)監(jiān)測控制系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)集成通道，將具有含硫氣田特殊業(yè)務(wù)邏輯的工業(yè)大數(shù)據(jù)變?yōu)槠髽I(yè)生產(chǎn)管理、安全管理與應(yīng)急管理的可用“資產(chǎn)”，并支持透明化調(diào)用與跨系統(tǒng)共享，實(shí)現(xiàn)“測、控、管、用”的網(wǎng)絡(luò)化，初步形成了氣田業(yè)務(wù)管理“互聯(lián)網(wǎng)+”的雛形。
基于該“互聯(lián)網(wǎng)+”業(yè)務(wù)管理形態(tài)，現(xiàn)有生產(chǎn)及安全業(yè)務(wù)逐步趨向現(xiàn)場無人化和控制集中化，實(shí)現(xiàn)了采氣、集輸、凈化全產(chǎn)業(yè)鏈一體化調(diào)度管控，消除多機(jī)構(gòu)交叉管理與現(xiàn)場交疊控制產(chǎn)生的“真空地帶”，減少人為分析工作量和現(xiàn)場高危環(huán)境暴露時(shí)長，在減員增效的同
時(shí)降低了企業(yè)運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)。
2.3 集成事故計(jì)算模型建立三維應(yīng)急系統(tǒng)
1)系統(tǒng)集成了行業(yè)權(quán)威的火災(zāi)、爆炸與氣體泄漏快速計(jì)算模型，特別針對四川地區(qū)復(fù)雜地形和氣象特征進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，支持實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，可在演練或真正事故發(fā)生時(shí)第一時(shí)間推演有毒氣體（重氣體）的擴(kuò)散范圍，把以往通過大型服務(wù)器運(yùn)算數(shù)十個(gè)小時(shí)的工作時(shí)長，極大的縮短到數(shù)十秒給出結(jié)果并貼合地形進(jìn)行疏散人員分析，為應(yīng)急指揮和疏散贏得了寶貴時(shí)間（如圖7所示）。
2)建立動態(tài)可視化的預(yù)案管理技術(shù)，按照事故類型和預(yù)案級別編制可視化應(yīng)急處置方案并分別關(guān)聯(lián)到各井場及場站等作業(yè)單位，并將充分論證的應(yīng)急處置流程圖轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的應(yīng)急處置指揮導(dǎo)圖，可指導(dǎo)企業(yè)調(diào)度中心的應(yīng)急接警、處警人員進(jìn)行快速調(diào)度，自動關(guān)聯(lián)和推送應(yīng)急指揮決策所需信息，緊密圍繞接警后黃金半小時(shí)如何開展有效處置和救援進(jìn)行業(yè)務(wù)流程組態(tài)，為一線應(yīng)急指揮和科學(xué)快速處置提供了直接有效的指導(dǎo)方案（如圖8所示）。
3)基于事故影響范圍計(jì)算，系統(tǒng)可快速檢索地方公安、消防、醫(yī)療救護(hù)等應(yīng)急救援力量信息，通過群發(fā)短信與融合通訊等方式通報(bào)事故災(zāi)情并爭取配合，應(yīng)對必要的警戒、疏散、救護(hù)等周邊社會范圍應(yīng)急處置需要，實(shí)現(xiàn)企業(yè)與地方應(yīng)急協(xié)同聯(lián)動。
4)系統(tǒng)植入了采氣、集輸、凈化的工藝流程數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)過程建模，通過事故點(diǎn)上下游工藝查詢分析，快速分析確定應(yīng)急控制方案，并由關(guān)聯(lián)的SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，全氣田范圍內(nèi)可在事故發(fā)生后第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)“八級截?cái)�、三級放�?rdquo;的遠(yuǎn)程操控，無需人員現(xiàn)場操作，提高反應(yīng)速度的同時(shí)大大降低了人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。
5)基于3DGIS平臺技術(shù)進(jìn)行氣田三維場景構(gòu)建與屬性數(shù)據(jù)植入，實(shí)現(xiàn)氣田現(xiàn)場可視化、培訓(xùn)可視化和演練可視化，結(jié)合真實(shí)生產(chǎn)工藝及設(shè)備三維實(shí)景，形成觀摩受訓(xùn)和交互演練相結(jié)合的應(yīng)急培訓(xùn)形式，并定期開展系統(tǒng)模擬應(yīng)急演練，使機(jī)構(gòu)人員應(yīng)急處置能力提升與系統(tǒng)應(yīng)急支撐數(shù)據(jù)更新互為促進(jìn)。
2.4優(yōu)化配套應(yīng)急管理機(jī)制
2. 4.1 結(jié)合三維應(yīng)急系統(tǒng)開展應(yīng)急培訓(xùn)
將生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備操作規(guī)程、應(yīng)急流程等文件植入系統(tǒng)，并結(jié)合三維場景生成可視化操作過程，以對各作業(yè)單位操作工、管理人員等進(jìn)行應(yīng)急處置流程培訓(xùn)，并開展設(shè)置情景的應(yīng)急模擬演練，提高應(yīng)對突發(fā)事件的處置能力。
2.4.2 固化應(yīng)急疏散信息定期更新
為實(shí)現(xiàn)更為快速的應(yīng)急響應(yīng)和周邊居民疏散，將系統(tǒng)中的應(yīng)急信息按照事故推演分析結(jié)果，分為八個(gè)方向?qū)С鼍用裥畔⒉⒋蛴〕蓛裕浜蠎?yīng)急疏散路線圖制成“陜速疏散手冊”，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件確定風(fēng)向后可直接組織疏散。
2.4.3 掌握應(yīng)急救援力量與應(yīng)急物資動態(tài)
基于系統(tǒng)應(yīng)急救援力量數(shù)據(jù)，通過定期聯(lián)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新和有效性檢驗(yàn)，并對應(yīng)急物資庫儲備的物資進(jìn)行出入庫管理，做到應(yīng)急時(shí)調(diào)度可行、物資可用。
2.4.4 實(shí)景演練
將應(yīng)急演練分級細(xì)化到班組，列入應(yīng)急預(yù)案并報(bào)備，形成應(yīng)急演練制度，每半年開展一次氣礦級應(yīng)急演練，每季度開展一次作業(yè)區(qū)級應(yīng)急演練，半月一次班組級應(yīng)急演練。
2.4.5 基于數(shù)字化的應(yīng)急處置
基于應(yīng)急支撐數(shù)據(jù)庫的動靜態(tài)數(shù)據(jù)，在應(yīng)急處置過程中實(shí)時(shí)獲取氣象參數(shù)以及采氣、集輸運(yùn)行參數(shù)．結(jié)合事故計(jì)算模型與推演模型快速分析事故趨勢，通過系統(tǒng)快速通知應(yīng)急處置人員與疏散人員，同時(shí)在開展現(xiàn)場應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)可調(diào)閱設(shè)備制造、安裝、檢維修信息，快速制定搶修方案；在廠（場）外應(yīng)急過程中可通過系統(tǒng)聯(lián)系地方政府及各類應(yīng)急救援隊(duì)伍，并使用系統(tǒng)通報(bào)災(zāi)情協(xié)調(diào)救援，提升了響應(yīng)速度和處置能力。
3 結(jié)論
1)本項(xiàng)目研究針對油氣田開發(fā)生產(chǎn)所涉及的管理內(nèi)容，融合地質(zhì)油藏、地面場站、管道線路等三大類特性數(shù)據(jù)體系進(jìn)行一體化的數(shù)據(jù)承載和場景構(gòu)建，研發(fā)了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的油氣田專用空間GIS平臺。
2)結(jié)合含硫氣田風(fēng)險(xiǎn)評估報(bào)告、安全評價(jià)、應(yīng)急預(yù)案以及專家論證意見，形成應(yīng)急支撐數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，對含硫天然氣采氣設(shè)施周邊“三個(gè)緩沖帶”的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確定義，并在南充某含硫氣田和遂寧某含硫氣田進(jìn)行了伴隨式數(shù)據(jù)采集實(shí)踐，大幅提高了決策支持能力。
3)對重氣泄漏快速數(shù)值模擬分析模型進(jìn)行了創(chuàng)新，并通過自動化高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入與實(shí)時(shí)氣象參數(shù)導(dǎo)入等方式實(shí)現(xiàn)了零建模過程，從大型服務(wù)器計(jì)算幾十個(gè)小時(shí)優(yōu)化為數(shù)十秒鐘計(jì)算過程，提高應(yīng)急推演分析速度和科學(xué)性。
4)通過虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)場景和實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急協(xié)同演練和現(xiàn)場演習(xí)的有機(jī)結(jié)合，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、人員行為回傳、系統(tǒng)模擬分析、指揮指令下達(dá)等環(huán)節(jié)之間無障礙，切實(shí)提高演練真實(shí)性和戰(zhàn)時(shí)指揮的有效性。
