城市供水管网GIS系统中关阀分析的研究与实现 4页

'第20卷第4期华　中　科　技　大　学　学　报(城市科学版)Vol.20No.42003年12月　J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Dec.2003城市供水管网GIS系统中关阀分析的研究与实现12黄　玲　盛克苏(1.广州市城市规划自动化中心,广东　广州　510030;2.暨南大学,广东　广州　510632)摘　要:分析了目前城市供水管网GIS系统中关阀分析存在的不足,提出了建立供水管网数据拓扑关系和阀门控制关系的解决思路.通过实例,探讨了在系统中建立关阀分析机制的详细方法和实现流程,并将该方法成功地应用于实践.关键词:供水管网;　关阀分析;GIS;　拓扑关系;　控制关系中图分类号:TP319:TU991　　文献标识码:A　　文章编号:100025730(2003)0420085204　　近几年来,为适应城市供水管网高速发展及市民对供水服务质量要求提高的需要,建立基于地理信息系统(GIS)技术的供水管网管理信息系统已成为国内各自来水公司追逐的热点.目前的供水管网GIS系统大多只停留在对管网资料的[1]管理上,如何利用GIS系统进行关阀分析的研究很少,尚没有建立科学、高效的关阀分析功能.图1　不考虑支管情况下的阀门分析结果若将结果应用于实际生产,一是造成人力物1　关阀分析存在的问题力的浪费,耽误抢修时间,因为要关闭一些不需关根据图论的基本原理,城市供水管网是一个闭的阀门;二是无法准确地确定受影响用户名单.完整的“连通图”,在环状管网中,由水源点至管网传统分析方法主要存在以下三方面的不足.[2,3]任意点之间可有许多条“路径”.关阀分析在a.关阀分析效率低.在所需处理的数据量不GIS技术中属于网络分析范畴.建立数据间合理大的情况下,其运行速度和所得结果令人满意.但的拓扑关系是实现网络分析的高效方法,但目前对于大中城市的供水企业,由于管网数据量庞大,许多常用的GIS软件并没有专门建立网络拓扑而且除了确定应关阀门之外,还要确定受影响用机制.因此,目前的供水管网GIS系统多采用如户,采用这种方法很难满足要求.下方法来实现关阀分析:首先获得事故点所在管b.难以全面考虑专业特点.自来水管网中普段的起、止端点,然后分别以起、止端点为中心,按遍存在“环状管”和“支管”,支管的水流方向是单一定的搜索半径(往往很小)搜索与之相连的管段向的,当与这些支管相连的环状管上的阀门关闭[3]进行遍历,最终得到相关的阀门.后,支管就会停水.如图1所示为某市自来水管线的局部,当c.分析结论不可靠.由于受到搜索半径和水J21点处爆管时,在没有考虑“支管”的系统中,关流方向的影响,按现有阀门分析方法得出的结论阀分析功能得到的结果是J25,J18和J115处的可能产生不用关闭的阀门被关闭和应影响到的区阀门都需关闭.而实际上J18和J115处的阀门是域没指出等问题.无须关闭的,因为它们后面所连的都是进户管.由2　关阀分析机制设计于将J18和J115处的阀门认为是应关闭的,所以搜索到这两点就停止了,阀门后面的水表C17,2.1　网络拓扑的建立C18和C19也就无法进入受影响的用户名单了.针对关阀分析中现存的问题,提出建立并维收稿日期:2003205220.作者简介:黄　玲(19722),女,工程师;广东,广州市城市规划自动化中心(510030).©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. ·　　　　　　　　　　　　　华　中　科　技　大　学　学　报86·(城市科学版)2003年护供水管网拓扑关系的方案(表1),将每段管网为它的层级.图2中各阀门所处的层级见表4.的编码、管网起点管点的编码和管网终点管点的表2　阀门控制信息表结构[4]编码作为一条记录组成管网拓扑信息表,存储字段名说　　明数据类型在关系数据库中.供水区内的所有管线通过拓扑阀门号阀门的编号Char(11)控制阀门直接控制此阀门的阀门编号Char(11)关系构成了一个连通的大网.表1　拓扑信息管段编码FromTo⋯⋯⋯2030eeG1032030eeV232030eeB1362030eeG1042030eeB1362030eeB1372030eeG1052030eeB1372030eeV242030eeG1062030eeV242030eeV25⋯⋯⋯　　注:‘2030ee’为图号,‘G’代表管段,‘V’代表阀门,‘B’代表分支.采用这种表结构的好处是:可以方便、高效地进行网络拓扑分析;当进行开岔等图形编辑时,拓扑信息的更新较为简便;可以在此表的基础上快速生成水力分析所需的图形数据.图2　管　　网2.2　阀门间控制关系的建立表3　阀门控制信息要使供水管网GIS系统能真正应用于生产,阀门号控制阀门阀门号控制阀门阀门号控制阀门必须将传统分析结果中可不关的阀门剔除.通过f1水源f7f2f6f5深入分析,发现阀门与阀门之间存在一种控制:假f2f1f5f3f7f5设管网内处处都有水流动,若存在一组阀门(f2,f3f1f6f3f8f6f3,⋯,fn),当这组阀门被关闭后,阀门f1处不再f4f1f5f4有水流动,则称阀门(f2,f3,⋯,fn)共同控制了阀f5f2f6f4门f1.考虑到所要得到的是对用户影响最小的关表4　阀门层级信息阀方案,所以定义直接控制关系:在所有使阀门f阀门号所在层级阀门号所在层级处断水的关阀组合中,使停水区域最小的那个组f11f53f22f63合中的阀门称为阀门f的直接控制阀门.如果知f32f73道阀门之间的直接控制关系,就很容易找到可以f42f84不关的阀门.如图1中,阀门J18和J115都受阀　　对整个管网按上述方式进行广度优先遍历,门J25的直接控制,可以从应关阀门的初步分析获得阀门控制信息,并将阀门控制信息(包括阀门结果中将阀门J18和J115剔除,并从这两点开始控制信息表和阀门层级信息表)存储到关系数据继续向前搜索,找出所有受影响的用户.库中,供网络分析时使用.当在管网中增加或删除因此,要解决的主要问题是如何得到阀门控管段及阀门时,阀门控制信息也应随之更新.以下制信息.可以通过对管网的遍历来得到阀门控制举例说明增加管段和阀门时,阀门控制信息的更信息.两阀门之间是否有直接控制关系的判定方新步骤.删除管段和阀门时的处理步骤与之相似.法为:设由阀门f1出发搜索到了阀门f2,目前已在图2中加入3个管段和2个阀门(f9和知的直接控制f2的阀门集为S,由阀门f1上溯到f10),如图3(b1,b2为两个开岔点).步骤如下.水源的路径中若至少有一条路径不经过S中的a.由开岔点开始搜索,找出周围直接受影响阀门,则f1可以直接控制f2,否则f1不能直接控的阀门,构成一个封闭的区域.制f2.阀门控制信息表的结构如表2.若某阀门由b.找出有水流入封闭区域的阀门,将这些阀多个阀门共同控制,则在表中用多条记录分别记门按它们在管网中所处的层级排序.本例中,可以载.对于图2所示的管网,其阀门控制信息表如表找到f2,f5,f7,f9,f6,f8及f10等阀门(分别从3.阀门所在层级信息将在更新阀门控制信息时使b1,b2点出发),可以确定有水流入封闭区域的阀用.对于同时处于多个层上的阀门,取最高一层作©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 第4期黄　玲等:城市供水管网GIS系统中关阀分析的研究与实现·87·过的管段G1={g1,g2,⋯,gm};如果事故发生点所在管段两端均不为阀门,则分别从两端进行遍历搜索所有阀门S,并记录所有经过的管段G1.由于建立了管网数据拓扑关系,因此进行广度遍历时,不需再对管网数据进行空间关系分析,只需使用拓扑信息表即可完成搜索,因此,搜索效率非常高.b.使用阀门控制信息对S中的阀门进行筛选,得到必须关闭的阀门集V1和不须关闭的阀门集V2.将S中找到的阀门放入栈;如果栈不为空,取出栈顶阀门v,否则结束;从控制信息表中取出v的所有直接控制阀门C={c1,c2,⋯,cn},如果,CAS,则v∈V2,如果C¤S,则v∈V1;重复前两个图3　更新后的管网步骤.门有f2,f5和f6;f7和f8没有水流入;f9和f10是c.最后确定所有受影响的用户G.取vi∈V2新加入的阀门,不考虑.将f2,f5和f6按所在层由(i=1,2,⋯);从vi出发进行遍历,如果与vi相连高到低排序得f2,f5,f6.的管段gi∈G,则跳过并记录所有经过的管段G2;c.依次从f2,f5和f6出发沿水流方向作遍G=G1∪G2.历,对所搜寻到的阀门的控制信息进行更新.若对当某个应关阀门无法关闭时,就需进行扩大搜寻到的某一个阀门的控制信息不必做更新或不关阀.由于有了阀门控制信息表,只需查询出失效能直接控制此阀门,则停止在此方向上的遍历.例阀门的直接控制阀门就得到了扩大关阀中应关的如从f2开始遍历,搜寻到f5,f7和f9,经过判断得阀门,无须再做遍历.知f2可以直接控制f5和f7,与目前阀门控制信在供水管网GIS管理系统中,作者对采用本息表中的记录一样,不必更新,故停止沿f5和f7方案前后的关阀分析结果进行了对比.图4为采的遍历.f2可以直接控制f9,是新生成的信息,故用传统分析方法得到的关阀方案,其中“X”型符可以沿f9继续遍历.号所示处为事故点,带矩形块的阀门为分析得到确定有水流入封闭区域阀门的方法是:若某的需要关闭的阀门,虚线所示管段为分析得到的阀门能直接控制搜索到的阀门集合中的另一个阀停水管段.图5为采用本方案进行改进后的分析门,则此阀门就是有水流入封闭区域的阀门.从模结果.可以看出,采用本方案得到的结果是令人满拟水的流动出发,只从有水流入封闭区域的阀门意的,它成功地剔除了传统方法中不应关闭的阀开始搜索,并按阀门层级由大到小顺序进行.门,找出了所有受影响的管段,增强了处理问题的准确性和科学性,大大提高了工作效率.3　关阀分析的实现事故分析的第一步是从爆管地点出发对管网进行遍历,找到构成最小封闭区域的所有阀门;然后使用阀门控制信息进行筛选,得到必须关闭的阀门;最后从不必关闭的阀门出发作遍历,找到所有受影响用户.a.在不考虑“支管”的情况下找出所有的阀门S和管段G1.如果事故发生点所在的管段g1两端{v1,v2}均为阀门,则关闭这两个阀门,即S={v1,v2},G1={g1};如果事故发生点所在的管段只有一端为阀门v1,则首先关闭该侧的阀门,然后从另一侧端点出发,进行广度遍历,搜索全部与事故图4　基于传统方法的事故分析结果点相邻的阀门S={v1,v2,⋯,vn},并记录所有经©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. ·　　　　　　　　　　　　　华　中　科　技　大　学　学　报88·(城市科学版)2003年方案的特点是同时利用了管网数据的拓扑关系以及阀门之间的控制信息,并在建立管网数据的同时,将这些信息生成放入关系数据库中,利用关系数据库对大容量数据的高效检索和管理能力,在爆管时迅速准确地得到应关阀门表和扩大关阀的阀门表.参考文献[1]王朝瑞.图论[M].北京:高等教育出版社,1984.[2]　田一梅,等.GIS技术在供水系统中的应用与发展[J].中国给水排水,2000,(9):21223.[3]　邓海英,等.供水管网事故时阀门关闭方案的确定图5　基于本方案的事故分析结果[J].中国给水排水,2000,(6):42244.[4]　樊　红,詹小国.ARCöINFO应用与开发技术(修订4　结　语版)[M].武汉:武汉大学出版社,2000.对比目前供水管网关阀分析的各种方法,本StudyandImplementoftheValve-turnoffAnalysisinGISforUrbanFlowPipeNetworkManagement12HUANGlingSHENGKe2su(1.GuangzhouUrbanPlanning&AutomatizationCenter,Guangzhou510030,China;2.JinanUniv.,Guangzhou510632,China)Abstract:ForthepresentGISofurbanflowpipenetworkmanagement,theproblemsinthevalve2turnoffanalysisareanalyzed,andthemethodofbuildingthetopologyrelationshipofdataandthecon2trollingrelationshipamongthevalvesareputforward.Basedonanexample,themethodtosetupthevalue2turnoffanalysismodelintheGISisstudiedandtheimplementprocessisdescribedindetail.Fi2nally,thenewmethodissuccessfullyusedinpractice.Keywords:flowpipenetwork;valve2turnoffanalysis;GIS;topologyrelationship;controllingrela2tionship©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.'