Геоинформационное обеспечение автоматизированного трассирования трубопроводов

Рыльский, Илья Аркадьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геоинформационное обеспечение автоматизированного трассирования трубопроводов
ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационное обеспечение автоматизированного трассирования трубопроводов"

На правах рукописи

РЫЛЬСКИЙ Илья Аркадьевич

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТРАССИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

25.00.35 - геоинформатика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 2006

Работа выполнена в лаборатории комплексного картографирования географического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор географических наук,

профессор B.C. Тикунов

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

старший научный сотрудник МЛ. Козлов

кандидат географических наук, доцент Е.Г. Капралов

Ведущая организация: ОАО «СтройТрансГаз»

Защита состоится 11 мая в 15:00 на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криолитологии Земли, картографии, геоинформатике (Д-501.001.61) в Московском государственном университете им М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские Горы, МГУ, географический факультет, аудитория 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже географического Факультета МГУ по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы, Главное здание МГУ, географический факультет.

Автореферат разослан 10 апреля 2006 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим отправлять по адресу 119899, Москва, ГСП-2, Ленинские Горы, МГУ, географический факультет. Факс: (095) 939-38-01. e-mail: geogco@geogrmsu.su

Ученый секретарь диссертационного

совета, д/J KjtU^&jtUVj Ю.Ф. Книжников

¿ос£А 723<3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования. Строительство крупных нефтепроводов для транспортировки углеводородов - задача особой важности для РФ Истощение старых месторождений и необходимость подключения новых к существующим трубопроводным системам требует строительства новых участков. Стоимость проектных изысканий и строительства подобных объектов чрезвычайно высока.

В настоящее время методология выбора трассы трубопровода на этапе ТЭО разработана слабо. Использования автоматизированных методов практически нет, работа ведется на основе субъективного анализа материалов без точных количественных расчетов. При незначительном изменении входного набора данных все операции по подготовке данных приходится переделывать, как правило, вручную. Отсутствует методика оценки качества трассирования, несмотря на то, что методики сбора, подготовки и анализа пространственных данных с использованием ГИС разработаны достаточно хорошо.

В то же время разработаны математические алгоритмы поиска оптимального пути по заданной стоимостной поверхности, опубликован ряд трудов, посвященных этой проблеме. Однако использования этих методов в сочетании с современными системами обработки информации нет. Достаточная изученность территории РФ создает хорошие предпосылки для развития и внедрения методов автоматизированного трассирования и количественной оценки оптимальности трасс трубопроводов.

Целыо диссертационной работы является разработка теоретических основ геоинформационного обеспечения и методики автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе технико-экономического обоснования (ТЭО) с оценкой стоимости строительсхва в каждой точке тестово! о региона.

Для достижения данной цели было необходимо следующее:

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА.. I СПегерЬрг ЧШ,

зоа тя^шж^и^}

• 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 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 .

Методика исследования. Настоящие исследования основаны на покомпонентном анализе факторов среды, осложняющих строительство трубопроводов (при учете уже существующих и принятых к исполнению норм оценки финансовых затрат в зависимости от условий строительства, а также требованиях СНиП для магистральных трубопроводов), а также на методических принципах тематического картографирования и достижениях геоинформационных технологий в области анализа мноюмерных данных и обработки исходной информации.

Разработка методики картографирования базировалась 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 ППФ

«Диорит», РАО «РосНефтегазСтрой» , а также материалы публикаций, посвященных объекту исследования.

Структура диссертационной работы охватывает процесс создания целевой ГИС территории от начального этапа обработки исходных данных до количественной оценки трасс, полученных автоматизированными методами. Методика автоматизированного грассирования ароится на иерархически упорядоченном анализе факторов среды строительства и оценке их влияния на стоимость работ с последующей интеграцией полученной синтетической информации. Результатом интеграции является поверхность распределения величины дополнительных затрат на строительство трубопровода для исследуемой территории с последующим автоматизированным расчетом оптимальной трассы между любыми 2-мя точками исследуемой территории

Критерием оптимальности трассы выбрана минимизация финансовых затрат на строительство линейной части трубопровода (без отводов) без учета ■экологической и социальной составляющей, методика точной финансовой сметной оценки которых недостаточно разработана; кроме того, подобные затрат 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 эти аспекты нами не рассматривались.

В работе проанализирован масштабный уровень 1:200 ООО, соответствующий этапу технико-экономического обоснования проекта; методические принципы и коэффициенты, указанные в работе для тестового региона, корректны для диапазона масштабов 1:100 ООО - 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 и их научная новизна. Выполненные исследования и обобщение опубликованных рабог позволили автору получить следующие результаты:

-разработана геоинформационная методика оценки (с высокой пространственной дискретностью) влияния компонентов географической среды на стоимость строи гельства 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 карюграфическою обеспечения РФ и геоинформационных систем (ГИС) для автоматизированного трассирования трубопроводов.

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

Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработке научно-методических подходов к количественной оценке качества предлагаемых грасс трубопроводов средствами ГИС и разработке производственно-применимых ГИС для автоматизированного трассирования трубопроводов на этапе ТЭО с оптимизацией трасс по критерию «минимальные финансовые затраты на строительство линейной части трубопровода». Результаты работ представляют интерес для широкого круга специалистов нефтегазовой и транспортной отраслей, а также географов. Предложенная методика трассирования (в масштабе 1:100 000-1:300 000) востребована в первую очередь проектными институтами.

пользователем на исследуемой территории (Березовский район Хангы-Мансийского автономного округа) с автоматическим расчетом стоимости полученной трассы.

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

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, приложений, включающих нормативные требования к грассированию, примеры визуализации наборов данных для проведения автоматизированного трассирования и списка использованной литературы. Работа содержит 181 страницы машинописного текста, 29 иллюстраций. Библио1рафия включает 66 наименований.

Апробация работы.

Основные результаты работы рассматривались на международных научных конференциях (ИнтерКарто-10, 8-й конференции пользователей ESR1, Голицино 2002), на 10-м Международном симпозиуме по управлению пространственными данными (Advances in spatial data handling, 10,h International Symposium on Spatial Data Handling, 2002 г.), а также опубликованы в ряде изданий (Вестник Московского Университета, серия 5, География. 2004; в учебном пособии «Основы геоинформатики» и учебнике «Геоинформа-ика» и др.). Методика излагалась студентам Российского химико-техноло-ического университета им.Д.И.Менделеева в процессе чтения курса «Геоинформатика». Методика применялась при составлении некоторых карт для Атласа Ханты-Мансийского автономного округа (2005).

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в формировании структуры работы и в процессе ее выполнения B.C. Тикунову, а также И.К. Лурье, М.Н. Губанову, Ю. В. Онищенко за ценные советы и практическую

помощь. Выражаю признательность Д.А. Парамонову за помощь в подготовке исходных материалов. Автор признателен всем сотрудникам Лаборатории комплексного картографирования и кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ за ценные замечания, высказанные в процессе написания работы и ее обсуждения.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО И КАРТОГРАФИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРАССИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ.

Решением проблемы автоматизированного трассирования трубопроводов начали заниматься в начале 1970-х годов, когда вышли в свет работы, посвященные теоретическому решению задачи оптимального трассирования с использованием математических моделей [Березин В Л, Бородавкин П.П.,1973]. К 1980 г. начинают применяться ЭВМ, при этом используется цифровая модель региона строительства [Бородавкин П.П., 1977], представленная не в виде пространственно-координированных данных об объектах с атрибутивной и геометрической составляющими, а в виде созданной и вводимой сети векторов (возможных направлений трассирования), информация для которой вручную снималась с карт, анализировалась и подвергалась дополнительным расчетам. В результате машина производила оптимизацию трассы с использованием данной сети (без пространственной привязки), то есть была реализована полуавтоматическая методика.

Дальнейшее развитие автоматизированного трассирования в СССР шло по пути математического моделирования, в то время как для решения подобной задачи более подходит геоинформационное моделирование. Несмотря на развитие геоинформационных технологий в 90-е гг., проблемы автоматизированного трассирования решены не были. В данный момент использование ГИС для информационного обеспечения трубопроводного строительства (и трассирования) находится на недостаточном уровне;

фактически ГИС используются как хранилища информации, реализующие функции простейшего анализа данных и запросов к ним.

Наибольший прогресс в области автоматизации методов трассирования был достигнут на этапе рабочего проектирования, ведущегося в пределах некоторого коридора шириной 1-4 км. Однако основное влияние на цену строительства всей трубопроводной системы оказывает выбор трассы на этапе технико-экономического обоснования (ТЭО), когда определяется тот коридор, в пределах которого ведется рабочее проектирование. К сожалению, разработок по автоматизированному трассированию на этапе ТЭО в последние годы не было.

Основными проблемами, препятствующими проведению автоматизированного трассирования средствами ГИС и в настоящее время, являются:

- отсутствие четкого критерия оптимальности трассы;

- отсутствие методики адекватной оценки стоимости строительства на некоторой элементарной терри юрии в соответствии с представленными на ней объектами среды;

-отсутствие методики информационного обеспечения

автоматизированного трассирования средствами ГИС;

- отсутствие четких критериев оценки качества трассирования.

В ходе исследований 1970-1990-х г.г были разработаны актуальные и в настоящее время методы определения границ региона, подлежащего информационному обеспечению; выделены основные факторы окружающей среды, оказывающие влияние на прокладку трубопровода; а также определены основные алгоришы нахождения оптимальной трассы трубопровода по решетчатой модели направлений возможных движений - алгоритмы Беллмана, Ли, ускоренного поиска и проч. Также были разработаны методы создания решетчатых моделей с использованием топокарт и аэрофотоснимков (с ручным вводом данных и хранением в кодированной форме в памяти компьютера). В

измененной форме эти методы могут быть использованы и сейчас Современный уровень развития ГИС-технологий позволяет значительно ускорить и автоматизировать ввод информации с целью последующего использования ее для автоматизированного трассирования. При этом, в отличие от описанных методик, работа ведется с пространственно координированными данными, дающими возможность после проведения трассирования сразу же получить трассу в реальных пространственных координатах (например, в системе СК 42). Кроме того, Современный уровень развития вычислительной техники пошоляет решать задачи оптимизации трассы на сетях с размерностью в сотни миллионов ячеек, решая задачи грассирования на огромных территориях.

Наиболее важным этапом в подготовке информационного обеспечения является оценка стоимости строительства на некоторой территории Начиная с 70-х г г , она решалась путем введения системы категорий и типов территорий с последующим расчетом осредненной стоимости строительства по каждой из категорий Основным недостатком этой системы являлось чрезвычайное загрубление и осреднение разнообразия природных условий. Так, наиболее полные системы категорий для трассирования включали в себя 80 категорий, в то время как по самым скромным подсчетам количество вариантов сочетаний природных условий (стоимость прокладки по каждому из вариантов является уникальной) составляет до 1000 000.

Подобное количество категорий местности не может быть описано заранее. Представляется более правильным перейти к оценке влияния каждого из факторов природной среды на формирование стоимости прокладки в каждой точке территории - с тем, чтобы впоследствии перейти к интегральной оценке суммарного влияния факторов природной среды. В данной работе описывается методика финансовой оценки влияния каждого из факторов среды на стоимость строительства в данной точке и учета совокупного влияния факторов в каждой точке региона строительства.

Несмотря на отсутствие четкой методики информационного обеспечения строительства, общая картографическая и информационная обеспеченность территории РФ находится на достаточно высоком уровне. Наиболее полно представлены топографические и геологические карты масштаба 1:2000001.50000 (в том числе и в векторной форме), являющиеся основными источниками информации для трассирования. Это создает хорошие предпосылки для использования разработанной методики на всей территории РФ.

Для практической отработки методики трассирования в качестве тестового полигона был выбран Березовский район Ханты-Мансийского АО площадью около 90 000 км2. Район характеризуется достаточно сложными климатическими условиями, низкой хозяйственной освоенностью, но эта территория обязательно будет использоваться для строительства новых трубопроводных систем. Реализация здесь любого проекта по строительству трубопроводов будет связана со значительными издержками, и потому задача их минимизации особенно важна.

В данной работе предложена методика автоматизированного построения трассы трубопровода по критерию «минимальные финансовые затраты на строительство линейной части трубопровода». В качестве основной методики информационного обеспечения автоматизированного грассирования было выбрано создание целевой ГИС автоматизированного трассирования на базе коммерческого пакета АгсУ1еш 3.2

2. МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ГИС ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАССИРОВАНИЯ

Были выделены следующие природные и антропогенные факторы, влияющие на стоимость строительства:

Таблица 1

Фактор Число 1радаций

Рельеф' продольные уклоны (градации: <15 градусов, 15-20, 20-28, > 28) 4

Рельеф: поперечные уклоны (градации- <12 градусов, 12-18, > 18) 3

Грунт прочность (5 условных категорий) 5

Гидрография, реки (<10м, 10-30м, 30-100м, 100-300м, 300-1500 м, >1500) 6

Гидрография, озера (наличие-отсутствие) 2

Гидрография: болота (1,11,111 категория) 3

Растительность: тип (лес хвойный, лиственный, лес смешанный, нет леса) 4

Растительность толщина (<16 см, до 20, до 24, до 28, до 32, >32 см) 6

Уровень грунтовых вод (высокий, низкий) 2

Мерзлота (4 условных категории) 4

Пересечения коммуникаций (пересечение автодороги с покрытием, автодороги без покрытия, ж/д, ЛЭП, трубопровода, нет пересечений) 6

Ответственность строительства (4 условных категории) 4

Тип прокладки (подземный, наземный,надземный) 3

Наличие опасных процессов (активные разломы, осыпи, оползни, курумы, сели, зоны затопления, районы высокой сейсмичности, нет) 8

Наличие запретных объектов (есть-нет) 2

Использование в сельском хозяйстве (используется-неиспользуется) 2

С учетом невозможности сочетания целого ряда факторов, фактическое число возможных типов территорий с разной стоимостью строительства составляет около 360 ООО вариантов. В то же время максимальное количество типов территорий в предшествовавших исследованиях составляло 80. Кроме того, ранее для автоматизированного трассирования использовались решетчатые модели с ячейками очень большого размера - 1000м и более, что соответствует детальности масштаба 1:2500000, а это совершенно недостаточно для трассирования на этапе ТЭО. Несомненно, даже при такой длине дуг ручная технология сбора пространственных данных является крайне непродуктивной.

Для устранения этих недостатков представляется целесообразным проводить автоматизированное трассирование на основании:

-использования компонентного подхода с последующей агрегацией данных и синтезом расчетной величины стоимости строительства трубопровода (факторный анализ компонентов окружающей среды);

-использования шага сетки в 100 м, адекватного точности картографических материалов масштаба 1:200 ООО, что приемлемо для этапа ТЭО. Использование более мелкого шага возможно, однако сопряжено с экспоненциальным повышением затрат на получение входной информации (данные масштаба 1:50 000 и крупнее) и проблемой ее частичного отсутствия либо чрезвычайной разнородности.

-использования ГИС как основного инструмента для сбора, обработки и синтеза информации, в том числе - для создания итоговой сети дуг для построения по ней оптимальной трассы трубопровода и проведения автоматизированного трассирования. В качестве основного пакета для создания целевой ГИС был выбран коммерческий пакет АгсХПеи' З.2., позволяющий легко создавать пользовательские модули ГИС-анализа и управления данными.

Возможность реализации упомянутого компонентного подхода с последующим синтезом расчетной величины стоимости строительства фубопровода в каждой точке пространства имеет следующее обоснование

Согласно существующим правилам оценки (СНиР-91 (сборники 51-69), и т.п.), если на некоторой территории встречается более одного осложняющего факюра, то расчет итоговой стоимости прокладки ведется следующим образом.

Участок представлен крутым склоном, поросшим лесом За 1 принимается стоимость прокладки трассы данной протяженности на иеосложненной территории; пусть (1+Х) - стоимость прокладки трассы данной протяженности в лесу, а (1+У) - стоимость прокладки трассы данной протяженности на склоне. Итоговая стоимость прокладки на залесенном склоне составит: (1+Х+У). В некоторых случаях, оговоренных в нормативных документах, предусматривается перемножение коэффициентов (когда повышение цены на все виды работ носит систематический характер -например, проведение работ в районах Крайнего Севера).

Таким образом, современная система сметной оценки стоимости строительства (принятая для всех хозяйственных операций на территории

РФ в течение последних 30 лет) основывается на принципе суперпозиции, когда каждая из величин увеличения может быть рассмотрена в отдельности, а затем итоговый результат получается суммированием слагаемых, и, в отдельных случаях - их перемножением .

В приведенном примере величины X и У назовем дополнительными относительными затратами (ДОЗ) по каждому из факторов осложнения строительства. Вычислить величину ДОЗ по одному фактору (Бх) возможно путем сравнения абсолютной стоимости строительства на идеальной территории (стоимость I) и на той же территории, осложненной только этим фактором (стоимость Р). Пронормировав величину I по И, мы получим коэффициент Кх, отражающий относительный вклад фактора X в стоимость прокладки трубопровода.

Из таблицы I следует, что общее количество подобных расчетов составляет 64. Проведя их в соответствии с учетом всех сметных нормативов, мы получим величины ДОЗ по каждому фактору в каждой из градаций, что позволит нам, используя принцип суперпозиции, произвести расчет стоимости строительства для любого из 360 ООО возможных вариантов сочетаний факторов осложнения строительства и в любой точке тестового полигона. Использование в расчетах относительной, а не абсолютной стоимостей дает исследователю большую гибкость. Это позволяет не привязываться в расчетах к конкретным ценам текущего периода, которые (относительно друг друга) остаются более или менее одинаковыми, а также позволяет производить расчеты и публиковать материалы не опасаясь нарушения чьей-либо коммерческой тайны.

После проведения анализа существующих методов расчета стоимости прокладки трубопровода была составлена следующая таблица факторов и их градаций, для которых должны были быть произведены комплексы факторных расчетов. Количество градаций факторов в данной таблице было несколько уменьшено, поскольку для ряда градаций изменение стоимости работ (из-за

наличия отдельных градаций того или иного фактора осложнения строительства) согласно сметным нормам одинаково.

Полный расчет абсолютной стоимосш прокладки по каждому из вариантов трасс, указанных в таблице, позволяет выделить абсолютный вклад каждого фактора осложнения строительства в итоговую стоимость строительства в пределах некоторой территории, где набор факторов осложнения и их градации остаются неизменными. В дальнейшем будем называть подобную территорию элементарным участком трассирования.

Для практической реализации вышеописанного компонентного подхода и пофакторной оценки итоговой стоимости строительства необходим переход от данных информационного обеспечения проекта к градациям, приведенным в Таблице 1. . Основными источниками информации для трассирования являются топографические, геологические, инженерно-геологические карты, а также данные дистанционного зондирования (аэрофотоснимки, космические снимки), и ряд прочих материалов. Использование ГИС для обработки, ввода и хранения исходных данных позволяет применить для этого средства автоматизации и геомоделирования.

Итоговый расчет трассы осуществляется по регулярной модели данных (поверхности), представленной в формате GRID. Поэтому в ходе этапов

Тип прокладки Уклон про-дольн Уклон попе-речи. Кате-гория проч-ности Iрунта Реки Бол 01 а категории Лес с толщ, ство-лов Наличие обводненного грунта Уровень ответ-ствен-ности (1,11,III,IV) Переходы через коммуникации

П 0-15 , 0-12 1 нет нет нет не обв 4 нет

П 15-20 0-12 1 нет нет нет не обв 4 нет

П 20-28 0-12 1 нет нет нет не обв 4 нет

П >28 0-12 1 нет нет нет не обв 4 нет

П 0-15 12-18 1 нет нет нет не обв. 4 нет

П 0-15 18-28 I нет нет нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 2 нет нет нет не обв. 4 нет

П 0-15 0-12 3 нет нет нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 4 нет нет нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 >5 нет нет нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 10-30 нет нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет 1 нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет 2 нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет <16 см не обв. 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет <20 см не обв. 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет <24 см не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет <28 см не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 1 нет нет <32 см не обе 4 нет

П 0-15 0-12 1 | нет нет >32 см не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет нет обв гр. 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв 3 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв 2 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв. 1 нет

П 0-15 0-12 1 нет | нет нет не обв 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв. 4 нет

П 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв. 4 А/д без покр.

п 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв 4 А/д с покр.

п 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв 4 Ж/д

п 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв 4 лэп

п 0-15 0-12 1 нет нет нет не обв 4 Труб-вод

II »-и _I_ нет _нет_нет _не оов_ _ч__I руо-вод_

Таблица 2 Сокращения. «П» - подземный, «Н» - наземный, «НД» - надземный. «Не обв.» - не обводнен, «Обв. гр». - обводненный грунт. «А/д без покр » - автодорога без покрытия. «А/д без покр.» - автодорога с покрытием

обработки данных происходит последовательное преобразование различных видов моделей данных к регулярной модели (GRID). При использовании векторных данных технология перехода к модели GRID такова:

Выбирается группа объектов полигонального, линейного или точечного характера (например, реки, представленные линейными знаками). Для объектов данного типа определяется (см. ниже) размер буферной зоны, и строится соответствующая буферная зона. В итоге получается полигональный объект. Полученному полигональному объекту присваивается атрибут - вес, равный величине дополнительных относительных затрат, возникающих из-за наличия данного объекта в данном месте. Полигональный объект конвертируется в регулярную модель данных (GRID) с заданным пространственным разрешением.

Данные в векторной форме и в виде регулярных моделей данных (РМД) пригодны для автоматизированной обработки сразу. Данные в растровой форме (карты, ДДЗ) геопривязываются и используются для создания новых или обновления устаревших векторных данных. Информация о рельефе может быть использована в автоматизированном режиме только при хранении данных в виде цифровой модели рельефа (ЦМР) в форме РМД. Инструментарий построения ЦМР регулярного типа по векторным данным на сегодняшний день достаточно развит, и не представляет значительных методологических трудностей.

Обработка картографических данных и перевод их в форму РМД в формате GRID производились с использованием специализированных программных модулей, создававшихся как в среде ArcView 3.2 (язык Avenue), так и в среде Delphi.

Для каждого объекта, относящегося к факторам осложнения строительства строилась буферная зона, величина которой устанавливалась в соответствии с СНиП на строительство трубопроводов.

Финальная РМД относительной стоимости прокладки трубопровода (описывающая «ценовую поверхность») строилась как функция от всех РМД по каждому из факторов:

GRID FIN = (GRID А)*( GRID RL + GRID RT + GRID G + GRID H + GRID SW + GRID V+ GRID HU+GRID D + GRID COM + GRID INJ + GRID FRZ + GRID PRH+BASE),

Здесь- BASE - базовая стоимость прокладки на идеальной территории, GRID А -поверхность распределения умножшельного коэффициент удорожания <оа тип рельефа» и «•¡а наличие инженерно-геологических процессов, обусловленных данным типом рельефа», GRID RL - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания «за продольные уклоны» и «поперечные уклоны» ; GRID О - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за прочность грунта»; GRID H -поверхнос[ь распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за объекты гидрографии», GR TD SW - поверхность распределения суммируемою коэффициента удорожания (ДОЗ) «за болота»; GRID V - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за растительность»; GRID HIJ - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за грунтовые воды»; GRID D - поверхность распределения суммируемою коэффициента удорожания (ДОЗ) «за уровень о1ветс1венности»; GRID СОМ - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за пересечение коммуникаций», GRID FRZ - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за многолетнемерзлые )рунты». GRID PRH - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за запретные территории»; GRID CRACK - поверхность распределения суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) «за активные геологические разломы». GRID FIN итоговая поверхность, вычисляемая с испотьзованием всех вышеперечисленных РМД

В ходе работ было произведено построение цифровой модели рельефа (ЦМР) региона трассирования по новой методике, позволяющей получить более корректные резульза1ы без использования дополнительных данных. Указанная методика не реализована в существующих ГИС-пакетах и потребовала создания специализированных ГИС-приложений. Был отработан ряд решений по реализации рассмотрения нескольких вариантов прохождения трассы по склону, поперек него и по диагонали. Для этого используются данные как абсолютной величины уклонов, так и экспозиции склонов, чего не предусматривает стандартное программное обеспечение ни одного ГИС-пакета. Итогом проделанного комплекса работ является ГИС, включающая в себя следующие наборы данных:

1 .Блок исходных подготовленных данных: - векторные топографические карты, геопривязанные космические снимки, гидрологически корректные цифровые модели рельефа;

2. Блок дополнительных материалов - растровых картографических данных и данных дистанционного зондирования Земли;

3 Блок производных картографических данных- обновленные по спутниковым снимкам векторные материалы, поверхности углов наклона и экспозиции склонов, векторные полигональные буферные зоны объектов, относящихся к каждому фактору осложнения строительства в каждой из градаций (рек, озер, запретных территорий и т.п.).

4. Блок регулярных моделей данных по каждому из факторов в каждой из градаций, показывающих наличие или отсутствие в данной точке местности данного фактора в данной градации (бинарные РМД),

Помимо указанных блоков данных, обеспечивающих всестороннее информационное обеспечение автоматизированного трассирования, был разработан собственно блок трассирования, включающий в себя инструментарий для проведения интерактивного трассирования по полученным наборам данных.

3.АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ТРАССИРОВАНИЕ: ОПТИМИЗАЦИЯ ТРАССЫ, ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Основываясь на указанных в таблице 2 вариантах сочетаний факторов осложнения строительства (в приведенных градациях) был произведен комплекс сметных расчетов абсолютной величины стоимости строительства трубопроводов.

Поскольку проведение сметных расчетов стоимости строительства трубопроводов является крайне сложной, детальной и многоплановой операцией, и таких комплексов операций требовалось произвести несколько десятков, мы обратились за помощью в организацию, специализирующуюся на подобных расчетах.

Комплекс сметных расчетов был выполнен ЗАО НПВО «НГС Оргпроектэкономика» (Москва, ул. Народная, д.4, официальный сайт -\\ \у\у естоБ ги) Данная компания имеет большой опыт сметных расчетов, и, что особенно важно - значительный опыт работы именно в условиях российской экономики последних 10-15 лет. Наиболее значимые комплексы расчетов были проделаны данной компанией в рамках реализации проектов трубопроводных систем «Северные районы Тюменской области (СРТО)-Торжок» и «Восточная Сибирь - Тихий Океан (ВСТО)» - наиболее крупный проект трубопроводного строительства в России за последние 15 лет. Все расчеты производились по единой схеме с использованием средств автоматизированного учета нормативных требований, государственных стандартов (ГОСТ), строительных норм и расценок (СНиР) и строительных нормативов и правил (СНиП). В качестве идеального участка, для которого величина ДОЗ (дополнительные относительные затраты) принималась равной 0, а величина ПОЗ (полные относительные затраты) равной 1, был выбран следующий тип местности: ветчина продольных и поперечных уклонов менее 10 градусов, сложен рыхлыми грунтами, не обводнен используется подземный тип прокладки, растительности, объектов гидрографии и болот нет, переходов через коммуникации и через разломы нет, опасных инженерных процессов на территории не отмечено.

В качестве вводных параметров для проектируемого трубопровода принимались следующие: проектируется строительство нефтепровод, диаметр нефтепровода - 1420 мм, строится 1 нитка трубопровода в районе, приравненном к условиям Крайнего Севера, , в сметную стоимость заложена цена отечественной трубы Цены рассчитаны на конец 2003 г После выполнения всех расчетов по каждому из вариантов была составлена Отметим, что запретным территориям присваивался крайне большой весовой коэффициент осложнения, или дополнительные относительные затраты -

Таблица 3.

№ Полная Стоимость Полная Стоимость Величина Величин

сметная отечествен- сметная отечественн ДОЗ а ПОЗ

стоимость ных труб стоимост ых труб (дополните (пол-ные

за 20 км диаметром ь за 0.1 диаметром льные отно-

трассы, 1420 мм за км 1420 мм за относител сительн.

тыс. р. 20 км трас- трассы, 0.1 км трас- ьные зат- затраты),

сы, тыс. р. тыс. р. сы, тыс. р. раты),% %

1 642130 369 176 3211 1846 000,0 100

2 659114 369 176 3296 1846 002,6 103

3 686063 369 176 3430 1846 006,8 107

4 1246372 369 176 6232 1846 094,1 194

5 1136435 369 176 5682 1846 077,0 177

6 1137690 369 176 5688 1846 077,2 177

7 643103 369 176 3216 1846 000,1 100

8 648194 369 176 3241 1846 000,9 101

9 1125732 369 176 5629 1846 075,3 175

10 1136789 369 176 5684 1846 077,0 177

11 642130 369 176 3211 1846 000,0 100

12 928714 369 176 4644 1846 044,6 145

13 1059852 369 176 5299 1846 065,0 165

14 648045 369 176 3240 1846 000,9 101

15 649446 369 176 3247 1846 001,1 101

16 653018 369 176 3265 1846 001,7 102

17 651663 369 176 3258 1846 001,5 101

18 649933 369 176 3250 1846 001,2 101

19 651894 369 176 3259 1846 001,5 102

20 778751 369 176 3894 1846 021,3 121

21 757528 443 809 3788 2219 018,0 118

22 1416617 598 959 7083 2995 120,6 221

23 1775870 779 184 8879 3896 176,6 277

24 1801345 369 176 9007 1846 180,5 281

25 1221866 369 176 6109 1846 090,3 190

31 4100000 779200 20500 3896 1177,0 1277

32 33 4400000 4800000 779200 779200 22000 3896 3896 1270,4 1370

24000 1395,0 1495

34 1775870 779184 8879 3896 176,6 277

стоимость строительства здесь дороже в 100 раз. Анализируя данную таблицу, следует учитывать, что более половины от стоимости строительства на «идеальной» территории, где величина ДОЗ =0, а ПОЗ=1, составляет стоимость трубы, в данном случае - отечественной.

Используя уже готовые наборы данных (регулярные модели данных, или РМД) в формате GRID, которые являют собой поверхности распределения

суммируемого коэффициента удорожания (ДОЗ) по каждому фактору осложнения строительства (наличие-отсутствие данного фактора в данной градации), и рассчитанные величины ДОЗ, стало возможно перейти к созданию блока 5 ГИГ автоматизированного трассирования (см. гл.2), где каждая новая РМД получена путем перемножения соответствующей РМД (из блока 4) на ДОЗ соответствующего фактора в соответствующей градации. Информационное наполнение блока 6 было осуществлено пуз ем создания итоговой РМД, по которой и будет производиться автоматизированное трассирование Для этого мы использовали формулу, приведенную ранее GRID FIN = (GRID A)*(GRID RL + GRID G + GRID H + GRID SW + GRID V+ GRID HU+GR1D D + GRID COM + GRID CRACK + GRID FRZ + GRID PRII+BASE), где BASE - базовая стоимость прокладки на идеальной территории.

В данном случае, поскольку во всех РМД, используемых в данной формуле, используются величины ДОЗ (дополнительных относительных затрат по каждому фактору осложнения строительства), то величина BASE равна 1. Полученная итоговая РМД - GRID FIN - является исходной информацией для построения по ней сети дуг (регулярной сети с диагоналями), пригодной для расчета оптимальной трассы с использованием алгоритма Ли.

Для проведения непосредственного автоматизированного трассирования по полученной РМД (GRID FIN) из точки А в точку К использовался ГИС-пакет Arc View 3.2а: базовый модуль и дополнительный модуль пространственного анализа Spatial Analyst. Точки А и К могут быть произвольно выбраны в ЛЮБОМ месте тестового полигона. Итогом обработки запроса пользователя является трасса и отчет о стоимости прокладки между <•

указанными пользователем точками в абсолютных или отностительных величинах. Время трассирования при протяженности трассы до 500 км составляет не более 6 часов, что на несколько порядков превышает темпы трассирования с использованием экспертного метода, принятого на сегодняшний день в качестве основного.

Рис 1 Нахождение оптимального пути по поверхности стимости прокладки с использованием ArcView Spatial Analyst

Для оценки качества трассирования предложенным методом был применен способ выборочной сметно-проектной оценки, суть которого состоит в выборе некоторого (относительно короткого) участка трассы, осложненного наличием на территории более чем 1 фактора осложнения строительства, и последующем определении стоимости его строительства как предложенным способом (ГИС-методика), так и путем проведения стандартных сметных расчетов общей стоимости работ, и последующего сравнения результатов. За эталон точности при данном способе выбирается сметная оценка.

Был произведен комплекс расчетов, состоявший из 6 участков, осложненных наличием 2 факторов осложнения, и 4 участков, осложненных 3 факторами. Величина полученного отклонения результатов, полученных ГИС-методом, от результатов, полученных путем сметных расчетов, составила до 2 9%, что оценивается как вполне приемлемый результат,

Рис 2 Визуализация трехмерной блок-диаграммы с трассой трубопровода, наложен-ной на «цифровую модель рельефа», где высота точки соответствует стоимости прокладки

принимая во внимание то, что точность самих сметных расчетов не превышает 7-10%. Осуществить сравнение подобным образом на трассе какого-либо трубопровода целиком в рамках данной работы не представляется возможным ввиду значительных финансовых затрат. Для визуализации вариантов трасс трубопроводов использовались методы создания виртуапьно-реальностных изображений и анимаций, описанных в работах (2, 3, 5-9). Пример трассы трубопровода в пространстве виртуальной модели местности приведен на рис 2.

В заключение отметим, что реализация данного подхода на практике не ограничиваем детальностью этапа технико-экономического обоснования -например, рабочего проектирования. Несмотря на достаточно большие финансовые затраты экономический эффект от автоматизированного трассирования составляет сотни процентов величины затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе научно-исследовательской работы решена основная задача диссертации - разработка теоретических основ геоинформационного обеспечения и методики автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов на этапе технико-экономического обоснования (ТОО) с оценкой стоимости строительства в каждой точке тестового региона.

.Результаты исследовательской работы состоят в следующем-

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

• Предложены методы обработки и хранения данных об окружающей среде в составе ГИС с целью их использования для автоматизированного трассирования трубопроводов.

• 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 Ханты-Мансийского автономного округа.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные научные результаты изложены в статье опубликованной в рекомендованном ВАК РФ журнале:

1. Рыльский И.А. Оптимизация трасс трубопроводов с использованием ГИС-технологий. - Вестник Московского Университета, серия 5, География. 2004, №4, с. 34-41,

а также следующих публикациях:

2. Rylsky I.A., Tikunov V.S., Yanvareva L.F. Animated Maps of the Forest and Tield Dynamics in European Russia for the last 300 Years. - Proceedings of the 20th International Cartographic Conference. ICC 2001. Beijing, China, August 6-10, 2001, vol.2, pp. 1011-1021

3. Bogomolov N., Rylskiy I., Tikunov V. Creation of the Ananorphoses-Based 3D-Pyramidal BlockDiagrams. - Advances in spatial data handling: 10th International Symposium on Spatial Data Handling/Dianne E.Richardson, Peter van Oosterom (ed.) - Berlin, Heidelberg, New York, Barcelona, Hongkong, London, Mailand, Paris, Tokyo: Springer, 2002, pp. 465-473.

4. Rylskiy I.A. Corporative GIS and virtual modeling for pipeline systems. Angarsk-Datsin key study. - Proceedings of the International conference "Sustainable development of terrotories: GIS and practical experience", InterCarto/InterGIS 10, Vladivostok, Changchun (China), 2004, pp. 412-415.

5. Рыльский И.А. Виртуально-реальностные изображения. - В кн : Основы геоинформатики В 2-х кн., Кн 1: Учебн. пособ. для студ. вузов. Под ред. В С.Тикунова М., Академия, 2004, с. 298-313.

6 Рыльский И.А., Тикунов B.C. Картографические анимации. - В кн.-Основы геоинформатики. В 2-х кн., Кн 1: Учебн. пособ. для студ. вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2004, с. 313-331. 7. Рыльский И.А. Виртуально-реальностные изображения. - В кн ■ Геоинформатика. Учебн. для студ. вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2005, с 232-247.

8. Рыльский И.А., Тикунов B.C. Картографические анимации. - В кн. Геоинформагика. Учебн. для студ. вузов. Под ред. В.С Тикунова. М., Академия, 2005: с. 247-265.

9. Рыльский И.А., Тикунов B.C. Картофафические анимации в кн.- Сборник задач и упражнений по геоинформатике. - Учебное пособие для студентов вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2005, с. 380-434.

Отпечатано в копицентре «СТ ПРИНТ» 4П л. Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус www.stprint.ru e-mail, zaka2@sto1int.ru тел 939-33-38 Тираж 150 экз. Подписано в печать 06.04.2006 г.

<2006 ft

i i

»"7236

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Рыльский, Илья Аркадьевич

МОСКВА

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИНФОРМАЦИ-ОННОГО И КАРТОГРАФИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРАССИРОВАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ.

1.1. Современный опыт применения ГИС для информационного обеспечения работ в трубопроводном строительстве.

1.1.1. Краткий обзор общей истории развития ГИС в мире.

1.1.2. Краткий обзор использования ГИС в трубопроводной отрасли РФ.

1.2. Обзор существующих методик проложения трасс трубопроводов.

1.2.1. Общие сведения о решении задачи оптимизации трасс трубопроводов в СССР и РФ.

1.2.2. Информация, необходимая для выбора оптимальной трассы.

1.2.3. Разделение трассы трубопровода на участки и категории. Классификация по макро-типам территории.

1.2.4. Критерии оптимальности трасс трубопроводов.

1.2.5. Определение области поиска оптимальной трассы трубопровода.

1.2.6. Использование цифровой модели местности (классическая технология).

1.2.7. Выбор оптимальной трассы и кратных трасс по сетке между двумя точками. Поиск оптимальной трассы.

1.3. Картографическая обеспеченность автоматизированного трассирования магистральных трубопроводов.

1.3.1. Общие положения.

1.3.2. Общегеографические данные.

1.3.3. Данные о литосфере.

1.3.4. Данные об объектах гидрографии.

1.3.5. Биогеографические данные.

1.4. Тестовый полигон для создания ГИС автоматизиро-ванпого трассирования.

1.4.1. Выбор тестового полигона для создания ГИС автоматизированного трассирования.

1.4.2. Физико-географическое описание тестового полигона.

1.4.3. Экономико-географическое описание тестового полигона.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ГИС ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТРАССИРОВАНИЯ.

2.1. Методологические предпосылки для проведения автоматизированного трассирования средствами факторного анализа и ГИС.

2.1.1. Основные недостатки существующих методик и подходы к решеиию задачи оптимизации трасс трубопроводов и пути их устранения.

2.1.2. Обоснование актуальности использования геоипформационпых систем для автоматизированного трассирования и выбор программного обеспечения.

2.1.3. Учет факторов, влияющие на проложение трассы: аспекты компонентов географической среды.

2.1.4. Учет факторов, влияющие на проложение трассы: аспекты автоматизированного использования картографической информации.

2.1.5. Точностные аспекты трассирования па этапе ТЭО. Разработка требований к ГИС для проведения автоматизированного трассирования трубопроводов (ГИС АТТ).

2.2. Сбор и обработка двумерных данных.

2.2.2. Сбор и использование растровых картографических материалов.

2.2.3. Сбор и использование данных дистанционного зондирования Земли.

2.3. Сбор и обработка трехмерных данных.

2.3.1. ЦМР: точность построения и особенности информации, нанесенной на топокарты.

2.3.2. Методы и программное обеспечение для построения ЦМР.

2.3.3. Методика подготовки данных для построения ЦМР и особенности построения ЦМР.

2.3.4. Построение ЦМР и производных от нее поверхностей.

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ТРАССИРОВАНИЕ: ОПТИМИЗАЦИЯ

ТРАССЫ, ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ.

3.1. Оптимизация трассы трубопровода с использованием ГИС.

3.1.1. Разработка системы весовых коэффициентов осложнения строительства и ее использование.

3.1.2. Создание наборов поверхностей распределения в пространстве величины осложненное™ строительства по каждому из факторов.

3.1.3. Создание итоговой РМД величины относительной стоимости строительства трубопровода к каждой точке местности.

3.1.4. Проведение автоматизированного трассирования средствами ГИС.

3.2.Оценка качества трассирования.

3.2.1. Подходы к оценке качества трасс трубопроводов.

3.2.2. Методы оценки точности полученных результатов трассирования.

3.2.3. Оценка точности и анализ результатов автоматизированного трассирования

3.3. Практическое применение автоматизированного трассирования и его оптимизации и перспективы.

3.3.1. Возможности практического применеиия описанной методики.

3.3.2. Предполагаемая методология практического применения автоматизированного трассирования для трасс большой протяженности.

3.3.3. Перспективы использования автоматизированного трассирования средствами ГИС.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 нефти 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 газо- и 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 па 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 повой 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.

Целью 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:

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

Настоящие исследования основаны на анализе влияния компонентов географической среды на стоимость строительства трубопроводов (при учете уже существующих и принятых к исполнению норм оценки финансовых затрат в зависимости от условий строительства, а также требованиях СНиП для магистральных трубопроводов), а также на достижениях геоипформационных технологий в области аиализа 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 этапа обработки исходных данных до оценки результатов автоматизированного трассирования. Методика автоматизированного трассирования строится на упорядоченном анализе влияния компонентов географической среды па 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 разработана; кроме 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 проекта; методические 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 и их научная повнзна. 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 храпения данных о географической среде в составе ГИС с целью их использования для геоипформационного обеспечения автоматизированного трассирования трубопроводов.

-научно обоснована возможность использования существующего картографического обеспечения РФ и геоинформациониых 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-техпологий и разработке производственно-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 1:100 000-1:300 000) 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.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Рыльский, Илья Аркадьевич

Основные результаты и 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.

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

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 на 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 природпо-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 (ГИС), в частности - ArcView 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:

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Рыльский, Илья Аркадьевич, Б.м.

1. Агапкин В.М., Борисов С.Н., Кривошеин Б.Л., «Справочное руководство по расчетам трубопроводов», М., Недра, 1987, 187.

2. Антипов А.Н., Вакулин С.С., «Ландшафтно-гидрологические характеристики Западной Сибири», Иркутск, 1989, 231.

3. Бабин Л.А., Григоренко П.Н., Ярыгин Е.Н., «Типовые расчеты при сооружении трубопроводов», М., Недра, 1995, 241.

4. Бакаев А.А., Кайдан Л.И., «Методологические основы построения диалоговой системы проектирования трубопроводов ДИСПРОТ», Киев, АН УССР, 1981,102.

5. Бармин В.И., Белецкий Б.Ф., «Технологическое проектирование строительства магистральных трубопроводов», М., Недра, 1992,288.

6. Березкип В.В., «Сооружение газонефтепроводов и хранилищ», М., Недра, 1985,289.

7. Березин В.Л., Бородавкин П.П., «Выбор оптимальных решений при надземной прокладке трубопроводов», М., ВНИИЭг, 1973, 52

8. Берлянт A.M., «Картография», М., Аспект-Пресс, 2001, 336.

9. Бородавкин П.П., «Подземные трубопроводы», М., Недра, 1972 г., 298

10. Бородавкин П.П., «Проектирование подземных трубопроводов», М., 1982, 386

11. Бородавкин П.П., «Вопросы автоматизации проектирования сооружений нефтяной и газовой промышленности», М., ГАНГ им. Губкина, 1984, 389.

12. Бородавкин П.П., Сощенко Е.М., Ким Б.И., «Выбор оптимальных трасс трубопроводов большой протяженности», М., ВНИИОЭНГ, 1977,57

13. Бородавкин П.П., Сунарчин А.Х., «Строительство магистральных трубопроводов в сложных условиях», М., Недра, 1965, 207

14. Бородавкин П.П., Глоба В.М., «Сооружение трубопроводов в горах», М., Недра, 1978,131

15. Бородавкин П.П., Березин В.Л., Рудерман С.Ю., «Выбор оптимальных трасс магистральных трубопроводов», М., Недра, 1974,129

16. Бородавкин П.П., Березин В.Л., «Сооружение магистральных трубопроводов», М., Недра, 1987, 481.

17. Бородавкин П.П., Бабин Л.А., Дерцакян А.К., «Оптимизация трасс магистральных трубопроводов», тематический научно-технический обзор, М., ВНИИЭОПТИ, 1970, 62

18. Бородавкин П.П., Березин В.Л., « Сооружение магистральных трубопроводов», М., Недра, 1977,431

19. Бородавкин П.П., Березин В.Л., « Сооружение магистральных трубопроводов», М., Недра, 1987,407

20. Вашуркин И.О., «Строительство линейных коммуникаций в Западной Сибири», Тюмень, изд-во Тюменского нефтегазового университета, 2000, 213.21. «Выбор оптимальных трасс магистральных нефтепродуктопроводов», М„ ВНИИОЭНГ, 1974.

21. Грачев В.В., Щербаков С.Г., Яковлев Е.И., «Надежность магистральных газопефтепроводов», М., Недра, 1982, 81.

22. Евсеева Н.С., Земцов А.А., «Рельефообразование в зоне Западно-Сибирской равнины», Томск, 1990, 241.

23. Жуков В.Т., Сербенюк С.Н., Тикунов B.C., «О математико-картографических моделях // Теоретическая география, Рига, 1973,90-94.

24. Жуков В.Т., Сербенюк С.Н., Тикунов B.C., «Математико- картографическое моделирование в географии», М, Мысль, 1980, 224.

25. Иванец В.К., Телегин Л.Г., «Сооружение магистральных трубопроводов», М., 1993

26. Инструкция по проектированию магистральных трубопроводов в сейсмичных районах», ML, ВНИИСТ, 1982, 119.

27. Инструкция по производству работ при сооружении магистральных стальных трубопроводов, М., ВНИИСТ, 1983, 122.

28. Капралов Е.Г., Кошкарев А. В., Тикунов B.C., «Основы геоинформатики», М., Академия, т.1 и т.2,2004, 34631. «Кайнозойские отложения, почвы, мерзлотные и инженерно-геологические условия Западной Сибири», М., изд-во МГУ, 1980, 220

29. Лим В.Г., Красильников А.Л., Кузнецов П.А., «Автоматизированные информационно-вычислительные системы для организационно-технологического проектирования ремонтно-строительных работ на магистральных трубопроводах», М., ОАО «Газпром», 1992, 341.

30. Методика определения ущерба окружающей природной среде при авариях на магистральных нефтепроводах (утверждена Минтопэнерго РФ 01.11.1995 г.

31. Морозов В.Н., «Магистральные трубопроводы в сложных инженерно-геологических условиях», М., Недра, 1987, 123

32. Новоселов В.В., Иванов В.А., Кретов B.C., «Федеральные и временные дороги для строительства и ремонта трубопроводов», Тюмень, 1999, 245.41. «Новые расчетно-экспериментальные модели в трубопроводном строительстве», сборник научных трудов, М., 1986,162

33. Римский П.А., «Разработка методов формирования экспертной системы проектирования и строительства линейной части магистральных трубопроводов», М., ГАНГ им. Губкина, 1997, 50.

34. Рыльский И.А., «Оптимизация трасс трубопроводов с использованием ГИС-технологий», М., «Вестник Московского Университета», серия «География», 2004 г., № 4, с. 34 41, изд-во Московского Университета.

35. Рыльский И.А. Виртуально-реальностные изображения. В кн.: Основы геоинформатики. В 2-х кн., Кн. 1: Учебн. пособ. для студ. вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2004, с. 298-313.

36. Рыльский И.А., Тикунов B.C. Картографические анимации. В кн.: Основы геоинформатики. В 2-х кн., Кн. 1: Учебн. пособ. для студ. вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2004, с. 313-331.

37. Рыльский И.А. Виртуально-реальностные изображения. В кн.: Геоинформатика. Учебн. для студ. вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2005, с. 232-247.

38. Рыльский И.А., Тикунов B.C. Картографические анимации. В кн. Геоинформатика. Учебн. для студ. вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2005: с. 247-265.

39. Рыльский И.А., Тикунов B.C. Картографические анимации в кн.: Сборник задач и упражнений по геоинформатике. Учебное пособие для студентов вузов. Под ред. В.С.Тикунова. М., Академия, 2005, с. 380-434.

40. Сергиенко А.А., «Математическое моделирование при проектировании магистральных трубопроводов», Киев, Наукова Думка, 1990,152.

41. Скрипко В.П., «Современные достижения в трубопроводном строительстве», М., 1981,67

42. СНиП 2.05.06-85 (2000), «Магистральные трубопроводы»

43. СНиП 2.04.12-86, «Расчет на прочность стальных трубопроводов»

44. СНиП 2.04.14-88 (1998), «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»

45. СНиП 2.05.11-83 (1984), «Внутрихозяйственные автомобильные дороги»

46. СНиП Ш-42-80 (с изм. 1983, 1987,1997), «Магистральные трубопроводы»

47. СП 103-34-96, «Свод правил сооружения магистральных трубопроводов. Подготовка строительной полосы»

48. СП 104-34-96, «Свод правил сооружения магистральных трубопроводов. Производство земляных работ».

49. Совершенствование технологии и организации строительства линейной части трубопроводов, сборник статей, М., Недра, 1982, 289

50. Справочник базовых цен на проектные работы для строительства. Утвержден Министерством строительства Российской Федерации, 2001.

51. Справочник базовых цен на инженерно-геологические изыскания для строительства, Госстрой РФ, разработан ФГУП ПНИИС, М., 2004,134.

52. Строительство магистральных трубопроводов», справочник, М., Недра, 1991, 474 «Трубопроводный транспорт», М.,изд-во нац. Ком.СССР по нефти, 1971, 91

53. Строительство магистральных трубопроводов, справочник, М., Недра, 1991, 470. «Трубопроводный транспорт», М., ВИНИТИ, 1970, 198463. «Трубопроводный транспорт», т.5, М., ВИНИТИ, 1974, 14964. «Трубопроводный транспорт нефти и газа», М., Недра, 1975,179

54. Tomlinson R.F. Geographic Information Systems, Spatial Data Analysis and decision making in Government, University of London, July, 1974,444.

Информация о работе

Рыльский, Илья Аркадьевич
кандидата географических наук
Б.м., 0
ВАК 25.00.35

Диссертация

Геоинформационное обеспечение автоматизированного трассирования трубопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы