QGas: Interactive Gas Infrastructure Toolkit

能源系統的低碳轉型正推動天然氣管網向多載體系統演進，但全球基礎設施資訊目前散落於 3 大異質資料源中：圖論數據、無顯式圖論的地理資訊，以及影像化基礎設施計畫圖。為解決整合與重建複雜網路拓樸時耗時且易出錯的問題，奧地利格拉茲科技大學推出了 QGas 工具包。這套結合 Python 與 JavaScript 的網頁端互動環境，能在編輯地理幾何時自動保持網路拓樸結構的一致性，大幅降低多載體能源規劃的技術門檻。

突破既有 GIS 在多層能源管網規劃的拓樸限制

邁向淨零碳排的能源轉型，高度依賴基礎設施數據來進行戰略決策。現代開源能源系統優化模型（如 PyPSA、ZEN-garden）需要具備一致性、準確性與即時更新的管網基礎設施資訊。然而，當前的數據來源極度破碎，通常分為具備圖論拓樸但缺乏地理編輯性的數據集（如 SciGRID_gas）、缺乏顯式圖論結構的空間地理資訊（如 OpenStreetMap），以及僅提供粗略技術屬性的圖像化基礎設施計畫圖（如 ENTSOG 透明度地圖）。

整合這些來源是一項繁瑣的工程。傳統的 GIS（地理資訊系統）工具如 QGIS 或 ArcGIS 雖然支援精細的幾何編輯，卻無法原生保留管網的圖論拓樸結構。舉例來說，當使用者在傳統軟體中將單一節點拆分為多個子節點，以分離天然氣與氫氣管線時，必須手動切斷邊緣、建立新節點並重新分配連接；這類操作極易產生節點未連接或參照無效的結構錯誤。相對地，專注於圖論的環境又缺乏直接整合異質空間數據的圖形化介面，導致數據重建效率低落。

採用 Python 與 Leaflet 模組化數據架構

為了解決此問題，團隊開發了 QGas 軟體，其系統建立在模組化且易於擴充的三層式軟體架構上。後端採用基於 Python 的伺服器控制環境，負責管理本地端 HTTP 伺服器（預設為 8000 埠號），並處理底層圖論結構 GeoJSON 檔案與前端介面之間的資料交換。

使用者介面則依賴 HTML 與 JavaScript 打造，並導入開源的 Leaflet 繪圖函式庫來渲染互動式地圖。這種設計讓使用者能以視覺化方式探索空間網路結構，並無縫疊加圖像化的基礎設施計畫圖。所有編輯邏輯與拓樸修改功能，都封裝於獨立的 JavaScript 模組中，確保未來能輕鬆加入新功能，而不會影響核心軟體系統的穩定性。

在資料儲存層面，QGas 依賴兩個核心檔案構成系統骨幹：記錄所有網路節點的 nodes.geojson 以及儲存管線邊緣的 pipelines.geojson。兩者透過節點參照（node references）建立拓樸關聯，無論新增壓縮機站、儲氣設施或電解槽，都能獨立匯出為特定的層級檔案（layers.geojson），並無縫相容於核心網路結構。視覺化外觀與圖層預設屬性則由 conf.xlsx 設定檔統一管理，在匯出時自動同步更新。

維持拓樸一致性的管線與節點幾何編輯工具

系統內建的互動式 JS 工具箱，是維持複雜管網拓樸一致性的技術核心。QGas 提供四種主要類型的操作模組，涵蓋屬性編輯、拓樸操作、圖層管理以及資料整合。在基礎編輯模式下，使用者可直接點擊地圖上的網路元件，修改管線直徑、壓力等技術屬性，或透過幾何編輯工具拖曳節點位置，系統會在背景自動維持原本的網路圖論連結。

面對複雜的結構改造，Split Node（拆分節點） 工具扮演了樞紐角色。當特定基礎設施需要將部分天然氣管網改造為氫氣管路時，該工具能在原有節點位置生成多個子節點，並讓使用者透過圖形互動重新分配連接管線，徹底免除手動更新參照代碼的風險。此外，Change Direction（改變方向） 可一鍵視覺化並反轉管線流向；若面臨設施遷移，Reconnect Infrastructure（重新連接設施） 則能確保節點與管線在轉移至新位置時，網路圖形依然保持完整無誤。

針對擴建計畫的數位化，Add Infrastructure Plans（加入基礎設施計畫） 工具允許匯入圖片格式的官方規劃圖，將其設定為半透明背景並對齊地圖地標。隨後可使用新增管線工具直接描繪新路線，系統不僅會自動計算幾何長度，還會套用預設的屬性欄位，確保跨來源資料格式的一致性。

奧地利克恩頓邦多載體氣體管網升級的實測案例

為了驗證 QGas 在真實場域的應用潛力，研究團隊選用奧地利克恩頓邦（Carinthia）的天然氣管網數據為基礎，模擬將其擴張為包含天然氣、氫能與二氧化碳網路的多載體系統。過程中，團隊匯入奧地利天然氣網路管理機構（AGGM）發布的氫能擴建路線圖，以及相關的碳捕捉傳輸可行性評估報告圖片。

多數規劃中的氫氣管網，是由現有的天然氣管線改建而來。操作人員先在 QGas 中複製天然氣圖層建立氫氣子層（Sublayers），將選定的管段轉移至新圖層以代表「設施轉用」。接著透過拆分節點工具，將天然氣與氫氣網路共用的節點安全解耦。對於全新的二氧化碳管線與生產站點，則建立獨立基礎設施圖層，並依照疊加的半透明規劃圖進行數位化描繪。

經過結構修改後，最終透過內建的 Topology Checker（拓樸檢查器） 進行全網驗證。系統成功辨識出天然氣、氫氣與二氧化碳三個獨立運作的子網路系統，並揪出潛在的斷線孤島。這項實測證明了 QGas 能具備高效率、低錯誤率的動態管網轉型設計能力。

支援歐洲跨國能源優化模型的網路數據擴展藍圖

隨著全球天然氣基礎設施快速朝向多載體系統與跨部門電網聯動發展，QGas 填補了高門檻圖論轉換與傳統 GIS 地理編輯之間的軟體介接空白。目前，該工具已成功應用於優化具指標性的開源 SciGrid_gas 數據集，並協助彙編奧地利至 2040 年邁向氫能轉型的四階段演進資料庫。

未來，開發團隊計畫將 QGas 轉型為雲端架構的網頁應用程式，支援更多元的空間資料格式，並導入更進階的空間網路聚合分析功能。透過直觀的操作介面，QGas 不僅能讓學術界專家參與資料維護，也能讓氫能專案開發商與市政單位評估管網發展潛力，進一步推動歐洲與全球能源領域的開放數據普及。

QGas 藉由無縫整合圖論拓樸自動運算與地理資訊視覺化編輯，為複雜的多載體能源系統規劃提供了一套能降低結構錯誤率的開源數位解方。