发布时间：2021-03-15所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：海底管道路由选择与海底管道建设、运营以及后期管理等工作存在密切联系，对管道工程经济性、安全性和合理性有着重要意义。考虑影响海底管道路由选择的自然与社会环境因素，构建了量化的评价体系，以AHP层次分析方法作为数学依据确定评价权重，建立了标
摘要：海底管道路由选择与海底管道建设、运营以及后期管理等工作存在密切联系，对管道工程经济性、安全性和合理性有着重要意义。考虑影响海底管道路由选择的自然与社会环境因素，构建了量化的评价体系，以AHP层次分析方法作为数学依据确定评价权重，建立了标准化的路由选择评判模型。进一步，将该模型与GIS空间分析技术相结合，生成以地图可视化方式表现的海底管道最佳路由选择方案。最后，通过工程案例演算，验证了方法的可行性。分析表明AHP方法与GIS技术相结合，实现了评价依据的定量化和评价结果的可视化，可以为海底管道路由选择研究提供参考。
关键词：海底管道;路由选择;层次分析法;地理信息系统;空间分析技术
引言
海底管道是海上油气田开发生产系统的重要设施，是一种经济、高效的油气运输方式。对于海底管道工程项目而言，在前期建设阶段，需要保证施工的可行性并控制建设成本。在管道服役期内，还需要考虑局部冲刷、海床运动、水动力冲击以及腐蚀等作用[1]导致的管道失效破坏。同样，还必须评估管道工程完成后，对自然环境和人类活动的影响[2]。在每一个环节中，路由选择都起着至关重要的作用。首先，管道路由的工程地质和水力要素条件，直接影响管道自身的设计和建设难度，也决定了管道运营期间的环境荷载和面临的灾害风险[3]，管道路由确定后，其对沿线的生态环境、海域规划与使用等造成的影响程度也基本可以大致确定[4-6]。因此，路由选择对保障海底管道工程的经济性、安全性以及合理性有重要意义。
海底管道路由选择涉及多学科多领域，很多学者从不同的角度开展了相关研究。在路由选择的调查手段方面，钟世荣等[7]以岙山—册子岛—镇海段海底管道为例，介绍了路由选择的地球物理勘探以及气象水文动力环境观测等调查方法;年永吉[8]介绍了工程物探在南海东部海区平台场址和管道路由调查的应用;王豪巍[9]归纳了海底路由的勘察方法。在获得海底管道路由调查数据后，相应的评判和设计也是研究的热点，如徐慧等[10]和刘志刚[11]分别建立了路由选择的风险评估模型和半定量评价模型。孙国民等[12]基于中国海区已运行海底管道项目的总结，介绍了复杂地质条件下海底管道路由选择流程;邵怀海等[13]介绍了礁石区海底管道路由的设计方法，以及土石方工程量计算方法;夏日长[14]基于流花4-1项目，提出了较深水的路由设计方法，以及曲率半径计算方法;冯现洪等[15]通过三维海床建模，给出了复杂地形条件下的海管路由选择方案。
可以看到，现有海底管道路由选择研究不仅需要大量的外业踏勘资料后，且评判结果很大程度上依赖设计者的经验，缺乏定量的评价标准，选线过程的科学性较弱，因而导致偶然性与不确定性较高。同时，现有方法大多是针对特定案例进行选线研判和优化，还不具备一种适用性强的设计模式，所得评价结果还不够简单直观，对工程设计人员而言还相对比较困难，不利于对比推广和实际应用。所以，需要科学合理、简单有效的评价方法，为海底管线路由选择提供一条新的思路。本研究力图利用GIS的空间分析方法，结合具体的决策分析手段，建立一种以地理信息数据为主要数据源，以数学分析模型为手段的定量评价体系，为海底管道路由选择提供参考的模式。
1技术方法
研究中主要使用GIS技术中基于栅格/矢量数据模型的空间分析方法，进行评价数据的处理与分析，处理后的数据作为路由选择的评判指标，使用层次分析方法(AHP)进行各指标权重赋值，最后在Arc-GIS软件平台上使用基于栅格数据格式的空间分析方法进行数据运算，得到评判结果的地图显示输出。
1.1层次分析方法AHP
层次分析方法是基于专家知识，通过估计每两个影响因子之间的关系，来确定所有影响因子的两两比较关系判别矩阵，从而决定各个影响因子比重的一种多因素分析、多指标分级的评价方法。处于同一层次的若干因子经两两比较总能分出优劣，两两因子定性比较的数量标度值如表1所示。
为避免其他因子对判别矩阵的干扰，保证判断矩阵排序的可信度和准确性，在实际中要求进行一致性检验，计算CI值(CI=(λmax-n)/(n-1)，n表示判别矩阵的阶数)，若CI=0，则表示该判断矩阵具有完全的一致性;反之，若CI值越大，该判断矩阵的一致性就越差，为消除CI受n的影响，引入一致性比率，CR=CI/RI，公式中RI是平均随机一致性指标。一般要求CR的值小于0.1，若该值小于0.1，则表示该判别矩阵具有满意的一致性并能通过一致性检验，否则需要对判别矩阵进行修正[16]。
1.2GIS空间分析技术
地理信息系统(GIS)是获取、存储、查询、处理、分析和表达与空间位置相关的数据的计算机系统。GIS数据库中存储的大量与空间位置有关的数据，使地理信息系统可以应用在许多与空间信息处理分析有关的行业。而大量以组件形式嵌入在GIS软件中的模块集成了多种空间分析方法，让GIS软件能够用专题建模的方式分析解决实际问题，生成具备一定智能水平的专家系统。
GIS技术在本研究中起到了将研究结果以地图可视化方式输出的作用：用基于GIS的空间技术方法将外业测量数据地图图层化，并用插值方式将其中呈离散分布的点状数据转换成连续分布栅格数据;将最佳管道路由评价模型与图形代数运算结合，生成管道路由选择环境背景数据;最后，利用ArcGIS基于栅格数据的距离分析工具，从环境背景数据中提取出最佳路由结果等服务功能。
1.2.1数据形式的转换
在ArcToolbox工具箱中，使用“转换工具”，可以将调查与地质踏勘数据从Excel形式转换为Arc-GIS所接受的表格形式数据，再利用ArcMap中‘添加XY’数据功能，直接将表格文件转换为可利用的Shapefile格式的点图形文件[17]。
1.2.2克里金插值
点数据文件中数据呈离散分布特点，对数据引入到空间代数模型，进行图层代数运算造成一定的不便。需要将离散分布的点数据通过合理的插值方法，转换为空间上连续分布形式，从而有利于多因素图层函数运算。克里金插值法是一种统计分析方法，其算法基于包含自相关的统计模型，与一些传统方法相比，该方法能够对预测的确定性与准确性提供一定的度量。克里金插值数学表达式为：z槇()s0=∑Ni=1λiz(si)。其中，z(si)是第i个位置处的测量值;λi是第i个位置处的测量值的未知权重;s0是预测位置;N是测量值数。在该模型中，权重λi取决于点的位置，点间距离以及点值之间空间关系的拟合模型[18]。
1.2.3基于栅格数据的距离分析工具集
距离分析工具集是ArcGIS中ArcToolbox工具箱下SpatialAnalyst扩展模块中的一个基于栅格数据进行诸如距离计算、路径成本分析的工具集。在本研究中，主要使用了其中成本回溯链接分析、成本距离分析与成本路径三个分析工具，三个工具按数据流次序使用，最终得到最佳路由结果[18]。
(1)成本回溯链接分析(Costbacklink)。以提供标识一幅从任一像元沿最小成本路径返回最近源的基础道路地图，是用来计算从源到目标的最小成本路径的方法。运行该算法时主要输入源栅格图层与成本栅格图层，计算得出回溯链接栅格值域从0～8，这些值用于定义方向，或从某栅格单元开始沿最小累计成本路径表示下一个邻近单元，以达到最小成本源，从而指明从成本距离栅格中的每个像元返回源时的行进方向。其命令形式如下：
Cost_BackLink=CostBacklink(Source_Ras，Cost_Ras)该命令中，Cost_BackLink代表生成的成本回溯链接图层，CostBacklink代表成本回溯链接命令，而Source_Ras则代表起始点位置信息图层，Cost_Ras代表输入成本栅格数据。
(2)成本距离分析(CostDistance)。将成本回溯链接分析得到的栅格图层作为该算法的一个输入参数，同时仍以源栅格图层与成本栅格图层做为必要输入图层，通过运算生成成本距离栅格，该栅格图层记录了各个像元到达最近源所耗费的累计成本，该算法目的是确定“分析”窗口中各个像元到达最近源所耗费的累计成本。其命令形式如下：
Cost_Dist=CostDistance(Source_Ras，Cost_Ras)
该命令中，Cost_Dist代表生成的成本距离图层，CostDistance是成本距离执行命令，而Source_Ras则代表起始点位置信息图层，Cost_Ras代表输入成本栅格数据。
(3)成本路径(Costpath)。在成本距离工具集中，成本路径工具主要生成用于记录最小成本路径或从所选位置到累计成本面内所定义的最近的源像元之间的路径的输出栅格。其命令形式如下所示：CostPath(in_destination_data，in_cost_distance_raster，in_cost_backlink_raster，{path_type｝，{destination_field｝)
该命令中，CostPath为执行命令，in_destination_data为目标(终点)位置信息图层，in_cost_distance_raster为(2)中生成的成本距离图层，in_cost_backlink_raster为(1)中生成的成本回溯链接图层，{｝为可选择输入参数，在本研究中，我们没有考虑该参数的数据输入。
2实例应用
我国北方某海湾需要铺设油气管道，将海上采油平台生产的油气向某指定目标点输送，在获得影响该海域海管路由的诸多因素下，利用GIS空间分析技术结合AHP层次分析方法，获得经过该海域的最佳海底管线路由。
相关期刊推荐：《海洋湖沼通报》TransactionsofOceanologyandLimnology(季刊)1979年创刊，办刊宗旨为：促进海洋湖沼科学领域的研究及交流。刊发内容包括海洋、湖沼科学研究和管理研究的论文、调查及实验报告;海洋、湖沼科学和管理的综合评述、重要书刊及论文的评介;海洋、湖沼科学研究和管理研究的论文、调查及实验报告;国内外海洋、湖沼科学和管理的先进经验及学术动态。主要读者对象：海洋湖沼科学及管理工作者及有关专业的研究生、高年级学生。
基于GIS空间分析技术与AHP层次分析法的海底管道最优路由选择方法基本步骤如下：Ⅰ.确定评价因子与建立评价指标体系;Ⅱ.评价指标值的量化与标准化(归一化);Ⅲ.利用克里金插值法实现各评价因子的地图可视化(以栅格化为主);IV基于AHP方法的各指标权重体系的确定;V.基于ArcGIS平台，完成最佳管道路由模型运算。具体而言又可以细分如下步骤完成。a.引入AHP方法生成的各因子权重，生成因子评价指标体系，利用栅格数据图层代数运算功能，生成路由环境总评价图(栅格数据形式);b.使用ArcGIS成本距离分析工具集，将a过程生成的路由环境总评价图作为成本栅格图层，按序运算该工具集中三个工具即：成本回溯链接分析工具、成本距离分析和成本路径，最终得到最佳路由选择方案。
2.1评价指标体系建立
整个路由指标体系由4个一级指标构成，分别是海底管道工程环境、海底工程地质条件、地震安全与海洋规划和开发活动，在这4个一级指标下，依层生成相应的二、三级指标，整个指标体系构成如图1所示。
(1)海底管道工程环境二级指标层的建立
鉴于海底管道工程环境具有建设投资大、施工质量要求高、环境恶劣多变与工程组织复杂的特点，影响路由工程环境的因素主要是物资供应、施工条件等。所以，研究中主要选取了以下4个指标作为对应的二级指标，分别是：基地离岸距离、风环境条件、波浪/海流危险天数、水深等。其中，离岸距离影响施工中的生活与生产物资供应，以及施工的稳定;风环境条件用两个三级指标“危险风日”与“平均风力”来表达。风环境影响施工进度，选择风环境影响小的海域施工能节约时间，减少成本，保证施工安全。波浪/海流条件和风环境条件类似，所以在评价过程中要去除当地风环境引发的因子，只包括因大洋环流或季风等因素产生的因子，波浪、海流影响施工的准确布控，带来风险，是影响海管路由布放与管理的重要因素。所以，在施工中尽量选择深度较浅的海域施工，从而降低施工难度，并且便于运营管理。
(2)海底工程地质条件二级指标层的建立
海底工程地质条件主要受到海底地层条件、海底地形条件以及地层构造等方面的影响。由此，可确定3个二级指标，即：施工深度内地层分布、海底坡度分布以及断层类型。3个指标中，施工深度的地层分布决定着施工方法、施工参数，也决定着经济投入。而海底坡度则在一定程度上决定着施工难度，因为海底坡度越大发生海底滑坡的可能性越大。断层不仅对管道施工有不利的影响，也对维护管理造成一定的难度。同时，不同的断层类型，会对管道工程建设造成不同程度的影响，这在后面的指标量化中均需要考虑到。
(3)地震安全二级指标层的确定
由于地震活动资料自身所具有的特殊性，这里将活动带剧烈程度作为唯一的二级指标。而历史经验与已测得的地震带数据只作为咨询资料使用。
(4)海洋规划与开发活动二级指标层的确定
海洋规划与开发活动不仅影响到管道施工进度，还可能影响到未来的运营管理，一般来说能对海底管道路由产生影响的相关二级指标有：修桥、修隧道、其他管道工程、商/渔船航道、填海活动等。在路由选择中，一般原则均是选择避开密集区域。
2.2评价指标量化
为便于评价模型与GIS技术的结合，需对各指标值进行量化，从而有利于数字化分析。而标准化(归一化)则有利于整个模型中不同量纲的参数进行整合运算。
(1)海底管道工程环境
离岸(基地)距离主要是基于ArcGIS“PointDistance”功能计算得到，这样可获得整个施工海域各种各栅格单元到达基地点的直线距离;平均风力由气象数据统计得出，一般用预估工时内的平均风级即可，阈值由海洋工程船抗风级数确定，值为具体的施工日数;波浪海流由海洋观测部门的经验数据获得，值同样是危险天数;水深值则由海域地形图或海底数字DEM获取。
(2)海底工程地质条件
该部分需要量化的指标分别是：Ⅰ施工深度黏土厚度;Ⅱ施工深度砂层厚度;Ⅲ施工深度灰岩厚度;Ⅳ施工深度古土壤层厚度;Ⅴ海底坡度;Ⅵ正断层;Ⅶ逆断层;Ⅷ走滑断层。前4个指标分别用各自的土层厚度来表征。断层指标则用二值化方式表示，即“存在断层”赋值为1，“无断层”则赋值为0。这些指标值需要将海域地质构造图与现场实测结合获取。
(3)地震安全及海洋开发与规划活动
大型地震活动带赋值方式与断层指标方式一致，用值“1”代表存在，而“0”则代表不存在。海洋开发与规划活动的4个二级指标均采用二值化赋值法，与地震活动及断层指标方式一致。
2.3评价指标标准化(归一化)
为便于不同量纲指标统一在评价模型中参与运算，各指标值通过归一化处理，使其值域在“0～1”之间，二值化指标值由于其自身值就在“0”或“1”间取舍，所以不需进行任何处理。
2.4评价指标地图化(栅格化)
在评价指标值地图化工作之前，利用ArcGIS软件构建一幅路由海域的轮廓地图(Shapefile形式)，该图限定其他指标值栅格化数据的运算空间范围。路由选择海域轮廓如图2(a)所示。图中，紫色区域是路由选择的海域，而绿色海域则属于其他区域。——论文作者：胡树林1，左勖1，*，马安青2，潘淑杰2，王兆耀2
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