馮明輝

昆山市發(fā)展和改革委員會(huì)

摘要：針對(duì)油氣管道高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)中信息更新不及時(shí)、劃分不精準(zhǔn)等問(wèn)題，改進(jìn)高后果區(qū)信息采集方法，并基于密度聚類法提出了高后果區(qū)識(shí)別程序設(shè)計(jì)思路，利用python開發(fā)了信息收集和高后果區(qū)識(shí)別程序。選取西氣東輸甪寶線部分管段為分析對(duì)象，將程序識(shí)別結(jié)果與人工劃分結(jié)果比對(duì)發(fā)現(xiàn)，程序識(shí)別可避免人為劃分失誤，為快速、準(zhǔn)確識(shí)別高后果區(qū)提供方法借鑒。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸管道; 高后果區(qū); 地理信息; 聚類算法

長(zhǎng)三角地區(qū)是最早引入管道天然氣的地區(qū)之一，也是長(zhǎng)輸管道敷設(shè)較為密集的區(qū)域[1]。隨著管道沿線土地開發(fā)強(qiáng)度增加，不少區(qū)域被動(dòng)進(jìn)入了管道高后果區(qū)。按照原國(guó)家安監(jiān)總局等八部委138號(hào)文件提出的“管好存量，嚴(yán)控增量”要求，近年來(lái)地方政府和管道企業(yè)全面加強(qiáng)了高后果區(qū)管理，管道沿線近距離開發(fā)建設(shè)的不安全行為得到有效遏制，但也相當(dāng)程度影響了土地的開發(fā)利用。如何平衡好管道保護(hù)和地方發(fā)展的關(guān)系，保障高后果區(qū)安全，是政府和企業(yè)共同的任務(wù)。

輸氣管道高后果區(qū)識(shí)別和管控主要依據(jù)GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》、SY/T 7380―2017《輸氣管道高后果區(qū)完整性管理規(guī)范》、GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。受高后果區(qū)數(shù)據(jù)完整性不足及管理人員主觀因素影響，管理過(guò)程中存在高后果區(qū)劃分不準(zhǔn)確、事前介入不及時(shí)的現(xiàn)象[2-4]。近年來(lái)，部分學(xué)者圍繞高后果區(qū)精準(zhǔn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估展開了研究：馬廷霞等[5]介紹了一種基于數(shù)據(jù)庫(kù)的高后果區(qū)識(shí)別軟件設(shè)計(jì)框架；楊宏偉等[6]采用緩沖區(qū)分析原理提出了一種高后果區(qū)識(shí)別的流程；盧建明等[7]基于ArcGIS + PostgreSQL地理信息平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了高后果區(qū)智能分析系統(tǒng)；盧琳琳等[8]提出了基于無(wú)人機(jī)航拍的管道高后果區(qū)打分識(shí)別方法；何軍等[9]采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高后果區(qū)進(jìn)行了識(shí)別分級(jí),這些研究從企業(yè)的視角為高后果區(qū)的精準(zhǔn)識(shí)別提供了思路。本文以政企聯(lián)動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)，介紹利用管道保護(hù)GIS平臺(tái)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)識(shí)別管道高后果區(qū)的方法。

1  大數(shù)據(jù)分析識(shí)別方法

1.1  信息采集

信息采集是高后果區(qū)識(shí)別的基礎(chǔ)。信息采集內(nèi)容包括管道屬性、運(yùn)行參數(shù)、檢測(cè)維護(hù)數(shù)據(jù)、應(yīng)急資源信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、人口和周邊建構(gòu)筑物分布等[10,11]，其中環(huán)境數(shù)據(jù)、人口和周邊建構(gòu)筑物分布數(shù)據(jù)變化相對(duì)頻繁，其他數(shù)據(jù)一般變化較小。所有采集到的數(shù)據(jù)，以圖層化的方式存儲(chǔ)在管道保護(hù)GIS平臺(tái)中。當(dāng)管道潛在影響半徑內(nèi)環(huán)境等數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，可按權(quán)限通過(guò)管道保護(hù)GIS平臺(tái)、微信小程序端口或管道保護(hù)熱線電話反饋情況。接到數(shù)據(jù)庫(kù)修改申請(qǐng)后，平臺(tái)統(tǒng)一生成并派發(fā)指令單，由相關(guān)管理人員核實(shí)并反饋情況，調(diào)整更新管道高后果區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，平臺(tái)通過(guò)高德地圖api接口[12]定期收集管道潛在影響半徑內(nèi)住宅、特定場(chǎng)所和易燃易爆場(chǎng)所的變化，由相關(guān)人員核實(shí)后更新數(shù)據(jù)，具體流程詳見圖 1。高后果區(qū)數(shù)據(jù)錄入界面如圖 2所示。

圖 1 高后果區(qū)信息采集流程

圖 2 高后果區(qū)數(shù)據(jù)錄入界面

1.2  識(shí)別程序設(shè)計(jì)

1.2.1  識(shí)別準(zhǔn)則量化

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和當(dāng)?shù)毓艿辣Ｗo(hù)實(shí)際，對(duì)管道高后果區(qū)識(shí)別準(zhǔn)則進(jìn)行量化（以輸氣管道為例）：

（1）Ⅲ級(jí)高后果區(qū)。管道兩側(cè)200 m范圍內(nèi)，有大于等于100戶居民，4層及以上建筑大于等于2幢，包含最大聚居戶數(shù)。

（2）Ⅱ級(jí)高后果區(qū)。管道兩側(cè)200 m范圍內(nèi)，有大于等于100戶居民，4層及以上建筑小于2幢，包含最大聚居戶數(shù)；或管徑大于762 mm，并且最大允許操作壓力大于6.9 MPa，輸氣管道潛在影響區(qū)域內(nèi)有特定場(chǎng)所的管段；或除符合Ⅲ級(jí)高后果區(qū)及本條第一款條件外，管道兩側(cè)各200 m內(nèi)有加油站、油庫(kù)等易燃易爆場(chǎng)所的管段。

（3）I級(jí)高后果區(qū)。管徑小于273 mm，并且最大允許操作壓力小于1.6 MPa，管道潛在影響區(qū)域內(nèi)有特定場(chǎng)所的管段；或其他管道兩側(cè)各200 m內(nèi)有特定場(chǎng)所的管段。

1.2.2  數(shù)據(jù)預(yù)處理

每一棟建筑物中心點(diǎn)可以看成一個(gè)帶有屬性的點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱“對(duì)象點(diǎn)”），對(duì)象點(diǎn)在管線周邊形成一定的空間散布。計(jì)算對(duì)象點(diǎn)到管線的投影坐標(biāo)和最近距離[13]，按照識(shí)別準(zhǔn)則將特定范圍內(nèi)的對(duì)象點(diǎn)篩選出來(lái)。根據(jù)建構(gòu)筑物的用途屬性將對(duì)象點(diǎn)歸為住宅點(diǎn)集、特定場(chǎng)所I點(diǎn)集、特定場(chǎng)所Ⅱ點(diǎn)集、易燃易爆場(chǎng)所點(diǎn)集，點(diǎn)集中的每一個(gè)點(diǎn)具有總戶數(shù)、樓層大于等于4層樓棟數(shù)等屬性。

1.2.3  核心算法

對(duì)住宅類點(diǎn)集，使用基于密度的聚類算法（DBSCAN）[14]進(jìn)行分類。該方法以任意住宅點(diǎn)為圓心，以特定半徑L畫目標(biāo)圓，若圓內(nèi)建筑密度大于等于設(shè)定值N，則圓心轉(zhuǎn)移至圓圈內(nèi)其他住宅點(diǎn)，直至圓內(nèi)所包含的建筑數(shù)量少于N。這些歸為一類（簇），直至歷遍所有住宅點(diǎn)。簇的屬性繼承了點(diǎn)的屬性。計(jì)算過(guò)程如圖 3所示。

圖 3 核心算法示意

對(duì)于住宅點(diǎn)集中的任意一簇（每個(gè)離散點(diǎn)作為一簇），計(jì)算簇邊界點(diǎn)在管道上投影點(diǎn)與其他簇的邊界點(diǎn)在管道上投影點(diǎn)的大地距離D，若D小于等于400 m，則將兩個(gè)簇合并，更新簇的屬性。特定場(chǎng)所、易燃易爆場(chǎng)所每一個(gè)對(duì)象點(diǎn)代表一個(gè)簇，直接參照住宅簇的合并方式進(jìn)行簇合并操作。簇合并操作完成后，根據(jù)高后果區(qū)識(shí)別準(zhǔn)則判斷各簇等級(jí)。

對(duì)于初步識(shí)別出的高后果區(qū)，計(jì)算不同高后果區(qū)的最近距離，若小于等于50 m的，將兩個(gè)高后果區(qū)合并，合并后的高后果區(qū)等級(jí)按照合并前最高等級(jí)計(jì)，屬性相應(yīng)合并，操作過(guò)程如圖 4所示。

圖 4 管道高后果區(qū)合并示意

2 高后果區(qū)識(shí)別實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目背景

西氣東輸甪寶線昆山高新區(qū)和巴城段（KS037-KS54）長(zhǎng)5.4 km，管道外徑610 mm，壁厚8 mm，管材采用X65鋼，設(shè)計(jì)壓力4 MPa，運(yùn)行壓力3.5 MPa，外加三層PE，管道陰極保護(hù)為強(qiáng)制電流保護(hù)[15]。管道周邊有居民區(qū)、工廠、學(xué)校、加油站、高速公路、河流、湖泊等，人口密度較高、交通頻繁。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)確認(rèn)，得到表 1所示管道識(shí)別區(qū)內(nèi)建構(gòu)筑物分布情況（潛在影響半徑121 m，識(shí)別半徑200 m）。 

2.2 識(shí)別結(jié)果

基于python對(duì)住宅、特定場(chǎng)所、易燃易爆場(chǎng)所分別進(jìn)行聚類、簇合并和等級(jí)判定操作（半徑L=200，N=5），利用地圖可視化組件folium得到圖 5所示初步劃分的高后果區(qū)識(shí)別圖，其中Ⅲ級(jí)高后果區(qū)3個(gè)，Ⅱ級(jí)高后果區(qū)1個(gè)，Ⅰ級(jí)高后果區(qū)4個(gè)。

圖 5 初步劃分的高后果區(qū)

為比較程序識(shí)別和人工識(shí)別的差別，選取2020年度西氣東輸甪寶支線對(duì)應(yīng)管段高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告和管控方案結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖 6所示。

圖 6 程序和人工識(shí)別結(jié)果對(duì)比

從對(duì)比情況來(lái)看，程序共識(shí)別出Ⅲ級(jí)高后果區(qū)3處、I級(jí)高后果區(qū)2處，人工識(shí)別出Ⅲ級(jí)高后果區(qū)2處、Ⅱ級(jí)高后果區(qū)1處，主要區(qū)別如下：圖 6（a）中高后果區(qū)①和（b）中高后果區(qū)①范圍基本相同，涵蓋大公小學(xué)（特定場(chǎng)所I），但高后果區(qū)等級(jí)不同，分別為I和Ⅱ級(jí)，主要原因是西氣東輸作業(yè)指導(dǎo)書中對(duì)人口密度與建筑物密度換算有更高的要求[16]；圖 6（a）高后果區(qū)②為圖5中Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)和I級(jí)高后果區(qū)合并得到的，而（b）中高后果區(qū)②未覆蓋到婁江以南的I級(jí)高后果區(qū)，可能是由于人工劃分失誤導(dǎo)致；（a）中③和④不符合合并條件，但在人工劃分中將兩者合并，人為擴(kuò)大了Ⅲ級(jí)高后果區(qū)范圍；（a）中④北部區(qū)域?qū)�兩處特定�?chǎng)所I一并納入，而（b）中③可能由于人為劃分失誤未予以統(tǒng)計(jì)。程序劃分相比人為劃分可在一定程度上減少人為劃分失誤因素，為精準(zhǔn)快速的高后果區(qū)劃分提供參考。

3  結(jié)論

采用線上線下相互結(jié)合、政府和企業(yè)相互聯(lián)動(dòng)的方式，多渠道獲取高后果區(qū)動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)管道保護(hù)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息共享、派單、查驗(yàn)和反饋，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)高后果區(qū)異動(dòng)，規(guī)范高后果區(qū)內(nèi)的建設(shè)行為，從源頭上管控安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，開發(fā)的基于密度聚類的高后果區(qū)劃分程序可快速、準(zhǔn)確地識(shí)別出高后果區(qū)，避免人工劃分過(guò)程中漏劃、錯(cuò)劃、多劃、少劃等情況發(fā)生，可在強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)管控的同時(shí)，合理利用管道沿線的土地資源，為高后果區(qū)精準(zhǔn)管控提供參考。

 

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作者簡(jiǎn)介：馮明輝，碩士研究生，2016年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，主要從事能源和資源環(huán)境管理工作，研究方向能源安全管理、燃燒數(shù)值模擬、地理信息輔助決策。聯(lián)系方式：15862637990，465939808@qq.com。