Геоинформационное обеспечение автоматизированного трассирования трубопроводов

Актуальность темы

исследования. В последние годы экономика России, переживающая сложный этап, во многом зависит от экспорта нефти и газа. Основным средством транспортировки нефти и газа является трубопроводный транспорт. Строительство крупных нефтепроводов для экспорта иефти в сопредельные страны является задачей особой важности и непосредственно затрагивает интересы государства. Не менее важной проблемой остается строительство дополнительных ниток трубопроводов, сгущающих существующую сеть для решения проблемы газои нефтеобеспечения новых и увеличения объемов поставок в старые регионы. Кроме того, стремительно увеличивается доля трубопроводных участков, подлежащих капитальной реконструкции во избежание возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) и прекращения поставок нефти и газа на длительный срок. Выработка запасов старых месторождений и необходимость подключения к существующим трубопроводным системам новых источников углеводородного сырья также требует строительства новых участков.

Результаты оценки современных тенденций развития отрасли рядом аналитиков говорят о том, что к 2006 г. следует ожидать резкого всплеска активности в области строительства новых трубопроводных систем, и, следовательно, массового проведения изыскательских работ по трассам будущих трубопроводов. Стоимость изысканий и строительства подобных объектов чрезвычайно высока.

В настоящее время методы трассирования и выбора оптимального расположения трассы трубопровода (на стадии рабочего проектирования) разработаны достаточно хорошо, однако в этом случае трасса трубопровода не может выходить за пределы коридора, выбранного на стадии технико-экономического обоснования проекта (ТЭО). В то же время методология выбора трассы трубопровода на этапе ТЭО разработана недостаточно. В особенности это касается не самих методов оптимизации трассы по готовому набору данных, а методики подготовки этих данных к использованию: сбору, анализу и цифровой интерпретации пространственного распределения характеристик окружающей среды.

Использование автоматизированных методов фактически не распространено. Классические методики основываются на бумажно-аналоговых технологиях. При незначительном изменении входного набора данных (смена границ района трассирования, изменение весовых коэффициентов, появление новой или просто другой информации) все операции по подготовке данных приходится делать заново, и, как правило, вручную. Это имеет место и сейчас, несмотря на то, что функции сбора, подготовки анализа и синтеза пространственно-координированных данных являются непосредственными прерогативами ГИС, и развиты очень хорошо как теоретически, так и практически. Также отсутствует методика оценки качества трассирования.

В то же время теория алгоритмов поиска оптимального пути трассирования и математический аппарат для решения данной задачи разработаны достаточно хорошо. В отечественной печати опубликован ряд трудов, посвященных этой проблеме. Однако использования этих методов в сочетании с современными системами обработки информации (ГИС) не происходит, несмотря на то, что общее информационное обеспечение проектов трубопроводного строительства находится на достаточно высоком уровне. Широкое использование геоинформационных систем и пространственных баз геоданных в сочетании с достаточной изученностью территории Российской Федерации создают хорошие предпосылки для развития и внедрения методов автоматизированного трассирования и количественной (а не качественной) оценки трасс трубопроводов.

Следует также отметить недостаточную разработанность технологической цепочки применения ГИС для оптимизации трассирования трубопроводов.

Цслыо диссертационной работы является разработка теоретических основ геоинформационного обеспечения и методики автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе технико-экономического обоснования (ТЭО) с оценкой стоимости строительства в каждой точке тестового региона. Для достижения данной цели было необходимо следующее:

• Проанализировать опыт и подходы отечественных и зарубежных исследователей в области трассирования, обосновать возможность использования существующих данных и применения различных программных и технических средств для создания ГИС, предназначенных для проведения автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе ТЭО.

• Разработать геоинформационную методику обработки данных для оценки влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопровода (на этапе технико-экономического обоснования).

• Разработать методы обработки и хранения данных об окружающей среде в составе ГИС с целью их использования для автоматизированного трассирования трубопроводов и методику автоматизированного трассирования и оценки качества трассирования с использованием ГИС.

• Продемонстрировать возможности интерпретации полученных результатов с использованием виртуальных моделей местности.

Настоящие исследования основаны на анализе влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопроводов (при учете уже существующих и принятых к исполнению норм оцени! финансовых затрат в зависимости от условий строительства, а также требованиях СНиП для магистральных трубопроводов), а также на достижениях геоинформационных технологий в области анализа многомерных данных и обработки исходной информации.

Разработка методики геоинформационного обеспечения автоматизированного трассирования основана на личных исследованиях автора за период работы в 2001;2005 г. г. В работе использовались картографические материалы, предоставленные НИЛ комплексного картографирования географического факультета МГУ, ЗАО «Диорит», ЗАО «Аркон», а также материалы публикаций, посвященных объекту исследования.

Структура диссертационной работы охватывает процесс создания целевой ГИС территории от начального этана обработки исходных данных до оценки результатов автоматизированного трассирования. Методика автоматизированного трассирования строится на упорядоченном анализе влияния компонентов географической среды на стоимость строительства с последующей интеграцией полученной синтетической информации и получением на ее основе данных с высокой пространственной дискретностью об относительной стоимости строительства в пределах исследуемой территории с последующим расчетом оптимальной трассы и ее оценкой.

Критерием оптимальности трассы выбрана минимизация финансовых затрат на строительство линейной части трубопровода (без отводов) без учета экологической и социальной составляющей, методика точной финансовой оценки которых недостаточно разработанакроме того, подобные затраты не входят в стоимость самого проекта и не учитываются при разработке проектной документации. Несомненно, влияние этих двух составляющих стоимости проекта должно рассматриваться при оценке трасс, однако на данном этапе это не представляется возможным по ряду причин.

В работе рассмотрен масштабный уровень 1:200 000, соответствующий этапу технико-экономического обоснования проектаметодические принципы и коэффициенты, указанные в работе для тестового региона, корректны для диапазона масштабов 1:100 000 — 1:300 000. Рассмотрение других масштабных уровней являет собой отдельные задачи, решаемые по совершенно другим принципам и с использованием иных подходов, что также не входит в круг задач данной работы.

Основные результаты н их научная новизна. Выполненные исследования и обобщение опубликованных работ позволили автору получить следующие результаты:

— разработана геоинформационная методика оценки (с высокой пространственной дискретностью) влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопровода.

— предложены методы обработки и хранения данных о географической среде в составе ГИС с целью их использования для геоинформационного обеспечения автоматизированного трассирования трубопроводов.

— научно обоснована возможность использования существующего картографического обеспечения РФ и геоинформационных систем (ГИС) для автоматизированного трассирования трубопроводов.

— на базе разработанной методики создана геоинформационная система для проведения автоматизированного трассирования на примере Березовского района ХМАО и предложена методика автоматизированного трассирования на различных масштабных уровнях.

Практическая ценность проведенных исследований заключается в разработке научно-методических подходов к количественной оценке качества предлагаемых трасс трубопроводов средствами ГИС-технолошй и разработке производствеппо-применимых ГИС-приложений для автоматизированного трассирования трубопроводов на этапе ТЭО с оптимизацией трасс по критерию «минимальные финансовые затраты». Результаты работ представляют интерес для широкого круга специалистов нефтегазовой и транспортной отраслей.

Предложенная методика трассирования (в масштабе 1:100 000−1:300 ООО) востребована в первую очередь проектными институтами, направление деятельности которых заключается в проектировании трубопроводных и иных транспортных систем, осуществлении контроля за существующими трубопроводами, планировании и решении расчетных задач.

Реализованная ГИС с приложенным инструментарием и наборами данных в сочетании с методикой их интерпретации позволяет вести полностью автоматизированное трассирование между любыми двумя точками, указанными пользователем на исследуемой территории с одновременной оценкой качества полученной трассы.

В научно-исследовательских работах целевая ГИС, составленная по предложенной методике, может служить базой для решения задач моделирования возможного дальнейшего развития и реконструкции транспортных трубопроводных систем, расчета возможности возникновения и ликвидации последствий ЧС и т. п.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений, включающих описание методики работы с итоговой ГИС для автоматизированного трассирования, списка литературы.

Основные результаты и их научная новизна. Выполненные исследования и обобщение опубликованных работ позволили автору получить следующие результаты:

— разработана геоинформациоппая методика оценки (с высокой пространственной дискретностью) влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопровода.

— предложены методы обработки и хранения данных о географической среде в составе ГИС с целью их использования для геоинформационного обеспечения автоматизированного трассирования трубопроводов.

— научно обоснована возможность использования существующего картографического обеспечения РФ и геоинформационных систем (ГИС) для автоматизированного трассирования трубопроводов.

— на базе разработанной методики создана гсоинформационная система для проведения автоматизированного трассирования на примере Березов-ского района ХМАО и предложена методика автоматизированного трассирования на различных масштабных уровнях.

В работе были рассмотрены этапы исследования и решения данной задачи, их основные преимущества и недостатки. Одновременно с этим был произведен анализ информационной обеспеченности территории РФ картографическими материалами, необходимыми для решения поставленной задачи, и оценка возможности применения ГИС для непосредственного получения трассы трубопровода. Поскольку данная работа предполагает возможность использования описанной методики на любой части РФ, обработка данных с целью проведения автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов велась с учетом требований, предъявляемых к трассе трубопровода на этапе технико-экономического обоснования.

В результате анализа существующих методик был сделан вывод о низкой перспективности существующих способов оптимизации трассирования, и был предложен принципиально другой метод оценки условий строительства трубопроводов. Предложенный метод основывается не па жестком классифицировании территории по типам (где стоимость строительства элементарного участка трубопровода одинакова в пределах выделенного типа территории), а на совокупном анализе различных факторов осложнения трассирования и последующей оценке их совокупного влияния для каждой точки территории. При этом итоговая дискретность результатов оценки стоимости прокладки трубопровода в каждой точке территории возрастает (по сравнению с существующими методами) на 3−5 порядков. Кроме того, была разработана методологическая цепочка получения технологически значимой информации о факторах осложнения строительства с использованием стандартных топографических и инженерно-геологических карт, описывающих в явной форме не условия строительства трубопроводов, а компоненты окружающей среды (литологическую основу, гидрографию, растительность, проч.).

Основой методологической цепочки является блок сметных расчетов, связывающий пространственную информацию о природно-биосферных и социально-экономических объектах со стоимостью прокладки трубопровода по территории, где они встречаются. Указанный блок расчетов был подготовлен автором к вычислениям и рассчитан с использованием существующих методик проведения сметных расчетов, актуальных для промышленных предприятий в настоящее время. Это позволило получить набор весовых коэффициентов, позволяющих пронормировать (по совокупным затратам) влияние каждого из факторов осложнения строительства, и получить итоговую поверхность стоимости прокладки для каждой точки территории возможного строительства трубопровода.

Для реализации разработанной методики на практике и создания информационной системы трассирования трубопроводов использовались геоинформационные системы (ТИС), в частности — АгсУшу 3.2. Было принято решение об отработке методики трассирования с использованием разработанной методики и ГИС на крупном тестовом полигоне. В качестве такового была выбрана территория Березовского района Ханты-Мансийского округа.

Территория Березовского района Ханты-Мансийского автономного округа является весьма перспективной с точки зрения возможности строительства на ней трубопроводов крупного диаметра для транспортировки нефти и газа. Расположенный в западной части ХМАО, регион лежит на пути между основными добывающими регионами (Западная Сибирь и Ямал) и Центральной Россией, что обуславливает его высокую транспортную значимость. В то же время, Березовский район характеризуется большим разнообразием природных условий, оказывающих существенное влияние на стоимость строительства трубопроводов. Таким образом, актуальность разработки методики оптимизации трассирования трубопроводов для данного региона достаточно высока, а хорошая информационная обеспеченность создает благоприятные предпосылки для создания ГИС трассирования Березовского района.

Исходя из вышеуказанных соображений и используя разработанную и рассчитанную (с учетом особенностией региона) методику создания поверхности стоимости трассирования трубопровода, была создана ГИС трассирования для территории Березовского района, позволяющая интерактивно задавать начало и конец трассы трубопровода и автоматически получать осевую линию этой трассы и оценивать затраты на ее строительство в соответствии с существующими на 2004 г. расценками. Основным масштабом ГИС Березовского района был принят 1:200 ООО, точность пространственного положения осевой линии трубопровода составляет около 50 м.

Для оценки качества трассирования был произведен анализ различных подходов к оценке качества трасс трубопроводов, и были сделаны выводы о приемлемости предложенного метода и, как следствие, востребованности данной системы. Также был выполнен анализ возможности проведения итерационного трассирования с использованием картографических материалов различного масштаба и прочих источников информации.

Данная работа представляет значительный интерес для транспортных и проектных организаций, ведущих работы по созданию новых трубопроводных систем большого диаметра. Использование методики, описанной в данной работе позволяет добиться значительно более оптимальной прокладки трассы, что позволит значительно снизить финансовые затраты на строительство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом данной диссертационной работы является разработка методики трассирования магистральных трубопроводов с использованием геоинформационных технологий.

В ходе достижения поставленных в работе целей были успешно решены следующие задачи:

• Проанализировать опыт и подходы отечественных и зарубежных исследователей в области трассирования, обосновать возможность использования существующих данных и применения различных программных и технических средств для создания ГИС, предназначенных для проведения автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе ТЭО.

• Разработать геоинформационную методику обработки данных для оценки влияния компонентов географической среды на стоимостиь строительства трубопровода (на этане технико-экономического обоснования).

• Разработать методы обработки и хранения данных об окружающей среде в составе ГИС с целью их использования для автоматизированного трассирования трубопроводов и методику автоматизированного трассирования и оценки качества трассирования с использованием ГИС.

• Продемонстрировать возможности интерпретации полученных результатов с использованием виртуальных моделей местности .