Сергей Корсей, Роман Прохожаев, Илья Рыльский,
ЗАО ППФ «Диорит», Москва, Тел.: 241-83-81, 241-28-02, 241-49-66
В настоящее время ППФ «ДИОРИТ» осуществляет комплексные исследования в области оптимизации трасс трубопроводов.
При проектировании трассы трубопровода необходим комплексный учет всех факторов, влияющих на удорожание строительства. Эта задача очень трудоемка для решения вручную, без применения современных технологий.
При проектировании ранее предлагалось проводить районирование территории строительства с последующим определением средней стоимости прокладки на каждом из типов местности. Каждый из типов делился на классы, однако обычно их число было невелико, что не позволяло отразить все многообразие местных условий. Кроме того, стоимость строительства даже в пределах одного территориального класса может меняться очень сильно. В то же время, провести анализ и оптимизацию с использованием большого количества классов (более 20) вручную практически невозможно, потому данный метод не нашел широкого применения.
Более распространено было деление территорий по категориям сложности (4 категории), позволяющее легко вычислять сметные затраты. Но получаемый результат был весьма далек от оптимального. С появлением средств ГИС-анализа и мощных компьютеров ситуация в значительной степени изменилась.
Метод комплексной оптимизации
Для проведения данной работы был предложен и разработан метод, основанный на факторном анализе с использованием средств ГИС. Данный метод дает возможность проводить оптимизацию трассы не в узком коридоре вдоль линии, принятой на этапе обоснования инвестиций, а по всей территории региона строительства. При выполнении оптимизации используются данные о рельефе, углах наклона и экспозиции склонов, кривизне поверхности, высотах, характеристиках грунтов, сейсмичности и геологическом строении, растительности, мерзлотных процессах и по 14 прочим характеристикам (рис. 1).
Рис. 1. Учет факторов, влияющих на стоимость строительства.
В качестве тестового полигона была выбрана территория в Западном Прибайкалье. Она включает в себя акваторию озера Байкал, Тункинскую котловину и северные отроги хребта Хамар-Дабан. Территория относится к районам с особо сложными условиями строительства. В настоящий момент здесь планируется строительство магистрального нефтепровода. Полученный результат (альтернативный вариант трассы трубопровода) сравнивался с трассой, предложенной при проектировании по классической технологии, не использующей средств ГИС-анализа.
Цифровой основой являлись векторные топографические карты масштаба 1:200 000, векторные геологические карты масштаба 1:200 000, а также карты инженерно-геологической тематики масштаба 1:500 000 и вспомогательные карты (сейсмика, мерзлота и др.). Для обновления информации о современном состоянии транспортной сети и водных объектов использовались снимки Landsat 7 (15м), МК-4 (8 м) и данные лазерного сканирования (0,3м). Данные лазерного сканирования использовались также для определения точности цифровой модели рельефа (ЦМР).
На основании векторной топографической карты была построена ЦМР, по которой проводился расчет производных карт (углы наклона, кривизна, высотные ступени, водотоки, выделение водораздельных поверхностей и пр.). ЦМР строилась в ArcInfo Workstation с учетом существующих водотоков.
Рис. 2. Карта транспортной доступности местности, построенная средствами факторного анализа.
Рис. 3. Расчет осредненной крепости грунтов.
В ходе проведения комплексного анализа были построены также карты транспортной доступности местности (рис. 2), осредненной крепости грунтов (рис. 3), зон возможного затопления, а также выделены территории, на которых строительство запрещено. Построение карт велось с использованием стандартных средств ArcView и модуля Spatial Analyst. Некоторая часть работы выполнялась с использованием скриптов Avenue для подключения типовых команд Spatial Analyst, не доступных через стандартный интерфейс.
Для выбора оптимальной трассы по каждому из осложняющих строительство факторов (анализировалось 47 факторов) были составлены весовые гриды, где вес каждой ячейки пропорционален степени удорожания строительства при наличии на территории данного фактора. Данные о степени удорожания строительства были получены от экспертов, ранее принимавших участие в проектировании, строительстве и в последующей эксплуатации трубопроводов большого диаметра.
На основе промежуточных весовых гридов был построен суммарный грид удорожания строительства. К этому гриду была применена функция расчета стоимости пути CostPath из пакета Spatial Analyst. В результате была построена линия минимальных суммарных затрат, т.е. маршрут оптимальной трассы в свете заданных весовых коэффициентов (Рис. 4).
Рис. 4. Использование функции CostPath.
Полученные результаты и выводы
Сравнение маршрута трассы, полученной средствами ГИС-анализа, с трассой, спроектированной без использования таких методов, показало, что подавляющее большинство показателей, влияющих на стоимость строительства, у ГИС-трассы оказались лучше, чем у трассы классической, причем разница составила до 65% в сторону улучшения (рис. 5).
Рис. 5. Сравнительная таблица характеристик трасс.
Таким образом, применение ГИС для проведения трассирования обеспечивает огромную экономию средств и времени, позволяет гибко менять и корректировать трассу трубопровода при поступлении новых данных или изменении старых. В настоящее время также отлажена система автоматизированной оценки качества трассы.
Следует отметить, что предложенная методика не ограничивается оптимизацией только линейной части трубопровода. ППФ «ДИОРИТ» успешно проведена работа по оптимизации размещения станций НПС и дроссельных заслонок (ДЗ) на трассе вышеупомянутого нефтепровода. Расположение этих объектов в большей степени зависит от рельефа и продольного профиля трассы, а также от намечаемых технических характеристик объекта. Кроме того, очень важно расположить объект на территории, удобной для строительства с точки зрения подъездных путей, характеристик грунтов и прочих инженерных свойств.
Были сформулированы критерии выбора мест под строительство НПС и ДЗ: углы наклона, прочность и обводненность грунтов, транспортная доступность, близость населенных пунктов и т.д., всего 25 характеристик. Выделение на территории мест, пригодных под строительство НПС, было произведено тем же методом, который применялся для построения суммарного грида удорожания строительства (см. выше). В результате была получена аналитическая карта расположения мест для НПС и ДЗ. После этого в автоматическом режиме проводилось построение продольного профиля трассы, определялись участки трубопровода, пригодные для расположения на них объектов инфраструктуры.
Далее выполнялся расчет положений НПС и ДЗ с учетом перепада высот, вязкости планируемой к перекачке нефти и прочих динамических характеристик с использованием продольного профиля трассы и подразделения участков трассы на пригодные и непригодные для строительства НПС. В случае наличия на трассе значительных участков, не пригодных для строительства, но из-за большого перепада высот на этих участках НПС необходимы, проводилось перетрассирование с введением поправок в стоимостной грид (рис. 6).
Рис. 6. Корректировка расположения НПС и ДЗ.
Сравнение полученных результатов с результатами традиционного проектирования показало, что наша методика позволила уменьшить количество НПС на 12%, а количество ДЗ — на 50%.
Таким образом, практика использования ГИС-анализа для проведения работ по проектированию и оптимизации строительства трубопроводов представляется в высшей степени оправданной. ППФ «Диорит» осуществлена не только разработка новой технологии проектирования, но и ее качественная и количественная проверка путем сравнения с результатами аналогичных работ без применения ГИС. Учитывая немногочисленность и уникальность каждого строящегося трубопровода, этот опыт является наиболее ценным для дальнейшей работы.
