發布時間：所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：海底管道路由選擇與海底管道建設、運營以及后期管理等工作存在密切聯系，對管道工程經濟性、安全性和合理性有著重要意義。考慮影響海底管道路由選擇的自然與社會環境因素，構建了量化的評價體系，以AHP層次分析方法作為數學依據確定評價權重，建立了標
摘要：海底管道路由選擇與海底管道建設、運營以及后期管理等工作存在密切聯系，對管道工程經濟性、安全性和合理性有著重要意義。考慮影響海底管道路由選擇的自然與社會環境因素，構建了量化的評價體系，以AHP層次分析方法作為數學依據確定評價權重，建立了標準化的路由選擇評判模型。進一步，將該模型與GIS空間分析技術相結合，生成以地圖可視化方式表現的海底管道最佳路由選擇方案。最后，通過工程案例演算，驗證了方法的可行性。分析表明AHP方法與GIS技術相結合，實現了評價依據的定量化和評價結果的可視化，可以為海底管道路由選擇研究提供參考。
關鍵詞：海底管道;路由選擇;層次分析法;地理信息系統;空間分析技術
引言
海底管道是海上油氣田開發生產系統的重要設施，是一種經濟、高效的油氣運輸方式。對于海底管道工程項目而言，在前期建設階段，需要保證施工的可行性并控制建設成本。在管道服役期內，還需要考慮局部沖刷、海床運動、水動力沖擊以及腐蝕等作用[1]導致的管道失效破壞。同樣，還必須評估管道工程完成后，對自然環境和人類活動的影響[2]。在每一個環節中，路由選擇都起著至關重要的作用。首先，管道路由的工程地質和水力要素條件，直接影響管道自身的設計和建設難度，也決定了管道運營期間的環境荷載和面臨的災害風險[3]，管道路由確定后，其對沿線的生態環境、海域規劃與使用等造成的影響程度也基本可以大致確定[4-6]。因此，路由選擇對保障海底管道工程的經濟性、安全性以及合理性有重要意義。
海底管道路由選擇涉及多學科多領域，很多學者從不同的角度開展了相關研究。在路由選擇的調查手段方面，鐘世榮等[7]以岙山—冊子島—鎮海段海底管道為例，介紹了路由選擇的地球物理勘探以及氣象水文動力環境觀測等調查方法;年永吉[8]介紹了工程物探在南海東部海區平臺場址和管道路由調查的應用;王豪巍[9]歸納了海底路由的勘察方法。在獲得海底管道路由調查數據后，相應的評判和設計也是研究的熱點，如徐慧等[10]和劉志剛[11]分別建立了路由選擇的風險評估模型和半定量評價模型。孫國民等[12]基于中國海區已運行海底管道項目的總結，介紹了復雜地質條件下海底管道路由選擇流程;邵懷海等[13]介紹了礁石區海底管道路由的設計方法，以及土石方工程量計算方法;夏日長[14]基于流花4-1項目，提出了較深水的路由設計方法，以及曲率半徑計算方法;馮現洪等[15]通過三維海床建模，給出了復雜地形條件下的海管路由選擇方案。
可以看到，現有海底管道路由選擇研究不僅需要大量的外業踏勘資料后，且評判結果很大程度上依賴設計者的經驗，缺乏定量的評價標準，選線過程的科學性較弱，因而導致偶然性與不確定性較高。同時，現有方法大多是針對特定案例進行選線研判和優化，還不具備一種適用性強的設計模式，所得評價結果還不夠簡單直觀，對工程設計人員而言還相對比較困難，不利于對比推廣和實際應用。所以，需要科學合理、簡單有效的評價方法，為海底管線路由選擇提供一條新的思路。本研究力圖利用GIS的空間分析方法，結合具體的決策分析手段，建立一種以地理信息數據為主要數據源，以數學分析模型為手段的定量評價體系，為海底管道路由選擇提供參考的模式。
1技術方法
研究中主要使用GIS技術中基于柵格/矢量數據模型的空間分析方法，進行評價數據的處理與分析，處理后的數據作為路由選擇的評判指標，使用層次分析方法(AHP)進行各指標權重賦值，最后在Arc-GIS軟件平臺上使用基于柵格數據格式的空間分析方法進行數據運算，得到評判結果的地圖顯示輸出。
1.1層次分析方法AHP
層次分析方法是基于專家知識，通過估計每兩個影響因子之間的關系，來確定所有影響因子的兩兩比較關系判別矩陣，從而決定各個影響因子比重的一種多因素分析、多指標分級的評價方法。處于同一層次的若干因子經兩兩比較總能分出優劣，兩兩因子定性比較的數量標度值如表1所示。
為避免其他因子對判別矩陣的干擾，保證判斷矩陣排序的可信度和準確性，在實際中要求進行一致性檢驗，計算CI值(CI=(λmax-n)/(n-1)，n表示判別矩陣的階數)，若CI=0，則表示該判斷矩陣具有完全的一致性;反之，若CI值越大，該判斷矩陣的一致性就越差，為消除CI受n的影響，引入一致性比率，CR=CI/RI，公式中RI是平均隨機一致性指標。一般要求CR的值小于0.1，若該值小于0.1，則表示該判別矩陣具有滿意的一致性并能通過一致性檢驗，否則需要對判別矩陣進行修正[16]。
1.2GIS空間分析技術
地理信息系統(GIS)是獲取、存儲、查詢、處理、分析和表達與空間位置相關的數據的計算機系統。GIS數據庫中存儲的大量與空間位置有關的數據，使地理信息系統可以應用在許多與空間信息處理分析有關的行業。而大量以組件形式嵌入在GIS軟件中的模塊集成了多種空間分析方法，讓GIS軟件能夠用專題建模的方式分析解決實際問題，生成具備一定智能水平的專家系統。
GIS技術在本研究中起到了將研究結果以地圖可視化方式輸出的作用：用基于GIS的空間技術方法將外業測量數據地圖圖層化，并用插值方式將其中呈離散分布的點狀數據轉換成連續分布柵格數據;將最佳管道路由評價模型與圖形代數運算結合，生成管道路由選擇環境背景數據;最后，利用ArcGIS基于柵格數據的距離分析工具，從環境背景數據中提取出最佳路由結果等服務功能。
1.2.1數據形式的轉換
在ArcToolbox工具箱中，使用“轉換工具”，可以將調查與地質踏勘數據從Excel形式轉換為Arc-GIS所接受的表格形式數據，再利用ArcMap中‘添加XY’數據功能，直接將表格文件轉換為可利用的Shapefile格式的點圖形文件[17]。
1.2.2克里金插值
點數據文件中數據呈離散分布特點，對數據引入到空間代數模型，進行圖層代數運算造成一定的不便。需要將離散分布的點數據通過合理的插值方法，轉換為空間上連續分布形式，從而有利于多因素圖層函數運算。克里金插值法是一種統計分析方法，其算法基于包含自相關的統計模型，與一些傳統方法相比，該方法能夠對預測的確定性與準確性提供一定的度量。克里金插值數學表達式為：z槇()s0=∑Ni=1λiz(si)。其中，z(si)是第i個位置處的測量值;λi是第i個位置處的測量值的未知權重;s0是預測位置;N是測量值數。在該模型中，權重λi取決于點的位置，點間距離以及點值之間空間關系的擬合模型[18]。
1.2.3基于柵格數據的距離分析工具集
距離分析工具集是ArcGIS中ArcToolbox工具箱下SpatialAnalyst擴展模塊中的一個基于柵格數據進行諸如距離計算、路徑成本分析的工具集。在本研究中，主要使用了其中成本回溯鏈接分析、成本距離分析與成本路徑三個分析工具，三個工具按數據流次序使用，最終得到最佳路由結果[18]。
(1)成本回溯鏈接分析(Costbacklink)。以提供標識一幅從任一像元沿最小成本路徑返回最近源的基礎道路地圖，是用來計算從源到目標的最小成本路徑的方法。運行該算法時主要輸入源柵格圖層與成本柵格圖層，計算得出回溯鏈接柵格值域從0～8，這些值用于定義方向，或從某柵格單元開始沿最小累計成本路徑表示下一個鄰近單元，以達到最小成本源，從而指明從成本距離柵格中的每個像元返回源時的行進方向。其命令形式如下：
Cost_BackLink=CostBacklink(Source_Ras，Cost_Ras)該命令中，Cost_BackLink代表生成的成本回溯鏈接圖層，CostBacklink代表成本回溯鏈接命令，而Source_Ras則代表起始點位置信息圖層，Cost_Ras代表輸入成本柵格數據。
(2)成本距離分析(CostDistance)。將成本回溯鏈接分析得到的柵格圖層作為該算法的一個輸入參數，同時仍以源柵格圖層與成本柵格圖層做為必要輸入圖層，通過運算生成成本距離柵格，該柵格圖層記錄了各個像元到達最近源所耗費的累計成本，該算法目的是確定“分析”窗口中各個像元到達最近源所耗費的累計成本。其命令形式如下：
Cost_Dist=CostDistance(Source_Ras，Cost_Ras)
該命令中，Cost_Dist代表生成的成本距離圖層，CostDistance是成本距離執行命令，而Source_Ras則代表起始點位置信息圖層，Cost_Ras代表輸入成本柵格數據。
(3)成本路徑(Costpath)。在成本距離工具集中，成本路徑工具主要生成用于記錄最小成本路徑或從所選位置到累計成本面內所定義的最近的源像元之間的路徑的輸出柵格。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｝)
該命令中，CostPath為執行命令，in_destination_data為目標(終點)位置信息圖層，in_cost_distance_raster為(2)中生成的成本距離圖層，in_cost_backlink_raster為(1)中生成的成本回溯鏈接圖層，{｝為可選擇輸入參數，在本研究中，我們沒有考慮該參數的數據輸入。
2實例應用
我國北方某海灣需要鋪設油氣管道，將海上采油平臺生產的油氣向某指定目標點輸送，在獲得影響該海域海管路由的諸多因素下，利用GIS空間分析技術結合AHP層次分析方法，獲得經過該海域的最佳海底管線路由。
相關期刊推薦：《海洋湖沼通報》TransactionsofOceanologyandLimnology(季刊)1979年創刊，辦刊宗旨為：促進海洋湖沼科學領域的研究及交流。刊發內容包括海洋、湖沼科學研究和管理研究的論文、調查及實驗報告;海洋、湖沼科學和管理的綜合評述、重要書刊及論文的評介;海洋、湖沼科學研究和管理研究的論文、調查及實驗報告;國內外海洋、湖沼科學和管理的先進經驗及學術動態。主要讀者對象：海洋湖沼科學及管理工作者及有關專業的研究生、高年級學生。
基于GIS空間分析技術與AHP層次分析法的海底管道最優路由選擇方法基本步驟如下：Ⅰ.確定評價因子與建立評價指標體系;Ⅱ.評價指標值的量化與標準化(歸一化);Ⅲ.利用克里金插值法實現各評價因子的地圖可視化(以柵格化為主);IV基于AHP方法的各指標權重體系的確定;V.基于ArcGIS平臺，完成最佳管道路由模型運算。具體而言又可以細分如下步驟完成。a.引入AHP方法生成的各因子權重，生成因子評價指標體系，利用柵格數據圖層代數運算功能，生成路由環境總評價圖(柵格數據形式);b.使用ArcGIS成本距離分析工具集，將a過程生成的路由環境總評價圖作為成本柵格圖層，按序運算該工具集中三個工具即：成本回溯鏈接分析工具、成本距離分析和成本路徑，最終得到最佳路由選擇方案。
2.1評價指標體系建立
整個路由指標體系由4個一級指標構成，分別是海底管道工程環境、海底工程地質條件、地震安全與海洋規劃和開發活動，在這4個一級指標下，依層生成相應的二、三級指標，整個指標體系構成如圖1所示。
(1)海底管道工程環境二級指標層的建立
鑒于海底管道工程環境具有建設投資大、施工質量要求高、環境惡劣多變與工程組織復雜的特點，影響路由工程環境的因素主要是物資供應、施工條件等。所以，研究中主要選取了以下4個指標作為對應的二級指標，分別是：基地離岸距離、風環境條件、波浪/海流危險天數、水深等。其中，離岸距離影響施工中的生活與生產物資供應，以及施工的穩定;風環境條件用兩個三級指標“危險風日”與“平均風力”來表達。風環境影響施工進度，選擇風環境影響小的海域施工能節約時間，減少成本，保證施工安全。波浪/海流條件和風環境條件類似，所以在評價過程中要去除當地風環境引發的因子，只包括因大洋環流或季風等因素產生的因子，波浪、海流影響施工的準確布控，帶來風險，是影響海管路由布放與管理的重要因素。所以，在施工中盡量選擇深度較淺的海域施工，從而降低施工難度，并且便于運營管理。
(2)海底工程地質條件二級指標層的建立
海底工程地質條件主要受到海底地層條件、海底地形條件以及地層構造等方面的影響。由此，可確定3個二級指標，即：施工深度內地層分布、海底坡度分布以及斷層類型。3個指標中，施工深度的地層分布決定著施工方法、施工參數，也決定著經濟投入。而海底坡度則在一定程度上決定著施工難度，因為海底坡度越大發生海底滑坡的可能性越大。斷層不僅對管道施工有不利的影響，也對維護管理造成一定的難度。同時，不同的斷層類型，會對管道工程建設造成不同程度的影響，這在后面的指標量化中均需要考慮到。
(3)地震安全二級指標層的確定
由于地震活動資料自身所具有的特殊性，這里將活動帶劇烈程度作為唯一的二級指標。而歷史經驗與已測得的地震帶數據只作為咨詢資料使用。
(4)海洋規劃與開發活動二級指標層的確定
海洋規劃與開發活動不僅影響到管道施工進度，還可能影響到未來的運營管理，一般來說能對海底管道路由產生影響的相關二級指標有：修橋、修隧道、其他管道工程、商/漁船航道、填海活動等。在路由選擇中，一般原則均是選擇避開密集區域。
2.2評價指標量化
為便于評價模型與GIS技術的結合，需對各指標值進行量化，從而有利于數字化分析。而標準化(歸一化)則有利于整個模型中不同量綱的參數進行整合運算。
(1)海底管道工程環境
離岸(基地)距離主要是基于ArcGIS“PointDistance”功能計算得到，這樣可獲得整個施工海域各種各柵格單元到達基地點的直線距離;平均風力由氣象數據統計得出，一般用預估工時內的平均風級即可，閾值由海洋工程船抗風級數確定，值為具體的施工日數;波浪海流由海洋觀測部門的經驗數據獲得，值同樣是危險天數;水深值則由海域地形圖或海底數字DEM獲取。
(2)海底工程地質條件
該部分需要量化的指標分別是：Ⅰ施工深度黏土厚度;Ⅱ施工深度砂層厚度;Ⅲ施工深度灰巖厚度;Ⅳ施工深度古土壤層厚度;Ⅴ海底坡度;Ⅵ正斷層;Ⅶ逆斷層;Ⅷ走滑斷層。前4個指標分別用各自的土層厚度來表征。斷層指標則用二值化方式表示，即“存在斷層”賦值為1，“無斷層”則賦值為0。這些指標值需要將海域地質構造圖與現場實測結合獲取。
(3)地震安全及海洋開發與規劃活動
大型地震活動帶賦值方式與斷層指標方式一致，用值“1”代表存在，而“0”則代表不存在。海洋開發與規劃活動的4個二級指標均采用二值化賦值法，與地震活動及斷層指標方式一致。
2.3評價指標標準化(歸一化)
為便于不同量綱指標統一在評價模型中參與運算，各指標值通過歸一化處理，使其值域在“0～1”之間，二值化指標值由于其自身值就在“0”或“1”間取舍，所以不需進行任何處理。
2.4評價指標地圖化(柵格化)
在評價指標值地圖化工作之前，利用ArcGIS軟件構建一幅路由海域的輪廓地圖(Shapefile形式)，該圖限定其他指標值柵格化數據的運算空間范圍。路由選擇海域輪廓如圖2(a)所示。圖中，紫色區域是路由選擇的海域，而綠色海域則屬于其他區域。——論文作者：胡樹林1，左勖1，*，馬安青2，潘淑杰2，王兆耀2