Применение аэрокосмических и геоинформационных технологий для поиска оптимальных трасс и проектирования трубопроводов

Разработанная ООО «РНГС-Инжиниринг» кибернетическая система для автоматизации проектирования и управления строительством трубопроводных комплексов состоит из отдельных модулей, использующих единую информационную основу – «Виртуальный мир», построенный с применением современных аэрокосмических и геоинформационных технологий, пространственного моделирования природных и техногенных структур.

Цель создания кибернетических систем – значительно повысить эффективность крупных и дорогостоящих трубопроводных проектов, максимально снизить их отрицательное влияние на окружающую среду, повысить их инвестиционную привлекательность. Ниже приведен перечень первоочередных задач, решаемых с помощью кибернетической системы.

1. Создание и обновление базы данных трехмерных конструкций трубопроводных систем (трубопроводов, наземных опор, вантовых и подводных переходов, насосных станции, задвижек, резервуаров). Создание и обновление Базы Данных нормативно-справочной информации трубопроводных систем (завод-изготовитель, спецификации, стоимость и др.).

2. Инженерные изыскания трасс. Топографо-геодезические изыскания. Инженерно-геологические изыскания. Геоэкологические изыскания. ОВОС.

3. Гидравлический и тепловой расчеты нефте- и газопроводов. Гидравлический расчет трубопроводной системы. Расстановка насосных и компрессорных станций. Тепловые расчеты резервуарных парков.

4. Конструирование. Прочностные расчеты. 3D конструирование трубопроводных систем. 3D конструирование водных переходов. Противокоррозийная защита (активная и пассивная). 3D конструирование резервуарных парков. Проектирование системы SCADA.

5. Проектирование морских трубопроводных систем.

6. Разработка кибернетической системы управления проектами.

7. Разработка кибернетической системы управления рисками (геополитическими, природно-техногенными, экологическими, социально-экономическими) и предупреждения чрезвычайных ситуаций.

8. Разработка кибернетической системы управления качеством проектирования и строительства.

Впервые в России создается кибернетическая система, которая одновременно сможет решать различного рода многочисленные задачи управления трубопроводными проектами на единой информационной основе путем создания «Виртуального мира». Эти задачи можно сгруппировать с учетом единства технологии их решения.

В РАО «Роснефтегазстрой» была разработана технология интегрированной обработки данных аэрокосмических и наземных съемок, многомерного моделирования сложных структур и экспертного анализа с применением геоинформационных технологий и систем, состоящих из:

- технического обеспечения (мощные графические станции на базе Pentium-III специальной конфигурации);

- программного обеспечения с базовым ГИС-пакетом Microstation и пакетами прикладных программ Descartes для создания электронных карт и фотокарт, Terra Modeler для построения трехмерных моделей местности, трассирования и профилирования и другие программы;

- информационного обеспечения – баз картографических данных (электронных топографических карт, фотокарт или ортофотокарт, геологических и других тематических карт, аэрокосмофотоснимков), баз знаний (образцов и эталонов дешифрирования геоэкологических объектов по аэрокосмическим снимкам) и метазнаний (формализованных правил пользования базами знаний).

Электронные топографические карты создаются путем сканирования и векторизации традиционных топографических карт соответствующего масштаба, охватывающие по территории все возможные варианты трасс. В первую очередь рассчитывается координатная сетка, с ней совмещается карта, по которой векторизуются рельеф, гидрография, пункты геодезической сети и отметки высот. Это осуществляется с помощью ГИС-технологий; базовой программой служит Microstation. Процесс векторизации производится в полуавтоматическом режиме для совмещенных оригиналов карт или в автоматическом при наличии расчлененных оригиналов или копий, где отдельно представлены рельеф, гидрография и другие объекты.

Трехмерная модель рельефа создается по электронным топографическим картам в автоматическом режиме с помощью программы Terra Modeler, совместимой с Microstation.

Электронные фотокарты или ортофотокарты создаются путем совмещения электронных топокарт, представленных в векторном виде, с аэро- или космическими снимками высокого разрешения, представленными в растровом геокодированном виде, где каждая ячейка растра определена в трехмерном пространстве. Они необходимы для обновления топокарт, в основном, инфраструктуры, и составления инженерно-геологических карт. Масштаб фотокарты определяется разрешающей способностью изображения. Так, при использовании спектрозональных космических снимков, полученных камерой КФА-1000, возможно создание фотокарт с увеличением до масштаба 1:15 000. Составляемые для этих целей электронные фотокарты, благодаря контрастно-сочетающейся цветовой гамме и теневого эффекта, дают полное представление об исходном ландшафте в его трехмерном визуальном восприятии, что значительно упрощает процесс совмещения геологической, экзодинамической, морфологической и другой информации при экспертном анализе. Совмещение аэрокосмических изображений с топографической картой (послойный синтез) усиливает эффект объемности изображения и помогает быстро и точно с помощью ландшафтных индикаторов и сопоставления разновременных снимков определить динамику развития природных процессов. В результате дешифрирования экзогенных геологических процессов уже на этапе экспресс-проектирования можно подсчитать коэффициент пораженности участков трассы этими процессами, что позволяет дать количественное определение опасности и экономическую оценку «риска» нанесения ущерба самому трубопроводу и сопутствующему хозяйству. Фотоизображения местности позволяют выделить кадастровую информацию в соответствии с требованиями федеральных, региональных и местных законодательств и подсчитать размер возмещения убытков землепользователям. По фотоснимкам можно прогнозировать направления развития городского строительства и других населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, железных и автомобильных дорог, чтобы избежать многочисленных согласований по трассе на этапе экспресс-проектирования.

Трассирование по каждому варианту производится в трехмерном пространстве в интерактивном режиме. При трассировании используются электронные топокарты, фотокарты, трехмерные модели рельефа и другая имеющаяся в распоряжении информация о местности. Необходимо отметить, что положение трубопроводов на местности на протяжении сотен километров определяет столь большое многообразие различного рода условий, что учет всех факторов на данном этапе не представляется возможным. Результат трассирования – координаты точек поворота трасс, выбранные с учетом рельефа и инфраструктуры местности, ландшафтов, кадастровых характеристик, геоморфологии и геоэкологии местности. По этим данным с помощью программы Terra Modeler строятся профили трасс в автоматическом режиме. По результатам сравнения профилей выбирается основной и альтернативные варианты трассы. При сопоставлении вариантов трасс учитывается протяженность трубопровода, коэффициент извилистости трассы, перепады высот, количество переходов через водные препятствия, а также геоэкологические характеристики трассы.

Профилирование, т. е. построение высотного положения трубопровода, сопровождается указанием отметок поверхности грунта, уклона трубопровода на каждом участке, расстояний между смежными отметками, пикетажа, категорий участков трубопровода и краткой инженерно-геологической характеристикой в полосе строительства, взятых из результатов инженерно-геологических исследований.

Инженерно-геологические изыскания выполняются по данным оперативных спектрозональных космических съемок МСУ-Э с разрешающей способностью 25 – 30 м на местности, что по детальности отображения отвечает задачам экспресс-проектирования, а также КФА-1000 с разрешением на местности 5-8 м, которые используются при рабочем проектировании. Возможность использования данных дистанционного зондирования Земли в разные годы и сезоны, полученных в различных диапазонах одновременно, и их интегрированная обработка на ЭВМ по специально разработанным технологиям интерпретации и экспертного анализа позволяют не только наиболее полно отдешифрировать объекты и представить ситуацию на местности, но и оценить динамику опасных экзогенных и геоэкологических процессов, во многом определяющих степень риска или опасности строительства и эксплуатации трубопровода. Снимки содержат информацию о таких процессах, свойствах и качественных характеристиках среды, которые недоступны при использовании прямых наблюдений или измерений на местности. Это прежде всего касается задач выявления участков потенциальной опасности – тектонически ослабленных «узлов» и гравитационно неустойчивых массивов для составления карт опасных явлений или «карт риска», рассчитанных на прогнозирование возможных опасных ситуаций, оценку степени риска при строительстве и эксплуатации нефтегазопроводов и соотношение этих результатов с другими вариантами проекта трассы как для технико-экономического, так и экологического обоснования принимаемых решений по выбору трассы.

Магистральные трубопроводы и их участки делятся на категории, требования к которым в зависимости от технических и природных условий различны. Трехмерная визуализация частей трубопровода осуществляется с помощью программы Microstation или AutoCAD, совместимые по формату обмена данными. Благодаря этой технологии в короткий срок можно выполнить трассирование, профилирование и инженерно-геологические изыскания по результатам интегрированной обработки данных аэрокосмических и наземных съемок (фондовых топографических и геологических карт и отчетов).

Экспресс-проектирование не предусматривает использование самых дорогостоящих и трудоемких работ - наземных топографических съемок и инженерно-геологических изысканий. Их в значительной степени заменяют результаты интегрированной (компьютерной) обработки и экспертного анализа данных дистанционного зондирования Земли (аэрокосмических спектро-зональных изображений местности) и существующих топографических карт, геологических карт и отчетов, материалов бурения скважин и других данных, имеющихся в федеральных и местных фондах.

Контрольные вопросы

1. Задачи, решаемые при выборе оптимальных трасс магистрального трубопровода.

2. Критерии оптимальности.

3. Определение области поиска оптимальных трасс магистрального трубопровода.

4. Системный подход к проблеме выбора трасс и оптимального проектирования трубопроводов.

5. Применение аэрокосмических и геоинформационных технологий для поиска оптимальных трасс и проектирования трубопроводов.