基于WebGIS的給水管線爆管關(guān)閥研究

杜澤欣，李宏偉，周 海，連世偉，馬雷雷

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450000）

基于WebGIS的給水管線爆管關(guān)閥研究

杜澤欣1，李宏偉1，周 海1，連世偉1，馬雷雷1

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450000）

針對(duì)目前給水管線發(fā)生爆管事故后的信息上報(bào)不及時(shí)、關(guān)閥響應(yīng)慢等問題，設(shè)計(jì)了基于流向的管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型和幾何網(wǎng)絡(luò)模型，利用WebGIS技術(shù)，建立了爆管事故關(guān)閥及影響區(qū)域分析B/S架構(gòu)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，在爆管事故發(fā)生后，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地分析爆管信息，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閥，有效提高爆管事故后的響應(yīng)速度，降低爆管事故造成的經(jīng)濟(jì)損失，提高供水企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平。

WebGIS；ArcGIS Server；爆管；關(guān)閥分析；影響區(qū)域

隨著城市現(xiàn)代化的高速發(fā)展，作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，城市地下管線的規(guī)模也逐漸擴(kuò)大[1]。然而，早期建成的地下管線逐步進(jìn)入事故多發(fā)階段，地下管線爆管事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響人們的日常生活，并造成資源的極大浪費(fèi)。雖然地下管網(wǎng)爆管的應(yīng)急搶修投入了大量的人力物力，但由于對(duì)地下管網(wǎng)信息管理的滯后，爆管信息不能及時(shí)上報(bào)，制定的關(guān)閥方案失效時(shí)不能快速通知搶修人員二次關(guān)閥方案等原因，使得爆管應(yīng)急搶修工作不能做到及時(shí)有效[2,3]。

針對(duì)以上問題，本文提出了基于WebGIS的爆管關(guān)閥方案[4]。利用空間信息技術(shù)，結(jié)合ArcGIS Server和Android技術(shù)，以地下管線和城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了爆管事故關(guān)閥及影響區(qū)域分析B/S架構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)爆管后快速定位、爆管分析自動(dòng)化或半自動(dòng)化、準(zhǔn)確生成影響區(qū)域，達(dá)到爆管后快速響應(yīng)、減少經(jīng)濟(jì)損失、降低事故風(fēng)險(xiǎn)的目的[5]。

1 關(guān)閥流程

關(guān)閥流程如圖1所示。

圖1 關(guān)閥流程圖

1）發(fā)生爆管后，應(yīng)急管理人員根據(jù)上報(bào)的爆管位置在網(wǎng)頁(yè)端的地圖上標(biāo)注爆管位置，該位置也可由巡查人員使用手持巡查系統(tǒng)遠(yuǎn)程標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)快速精確的爆管定位。

2）標(biāo)注爆管位置后，將分析命令傳給ArcGIS Server服務(wù)器端，由SOE擴(kuò)展服務(wù)進(jìn)行分析，并返回待關(guān)閥門信息。

3）關(guān)閥人員根據(jù)待關(guān)閥門信息到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后判斷閥門是否可以正常關(guān)閉，若閥門無法關(guān)閉，返回服務(wù)器端繼續(xù)分析，直到得到可用結(jié)果。由于本文中爆管分析的功能是在Web端以服務(wù)的形式提供的，搶修人員也可以配備移動(dòng)設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)初次爆管分析的待關(guān)閥門無法使用時(shí)，可以馬上進(jìn)行二次分析，直接得到下一個(gè)待關(guān)閥門，節(jié)省搶修人員與應(yīng)急中心通信的時(shí)間。搶修人員還可以在移動(dòng)設(shè)備上直接查看管線和閥門的屬性，為搶修提供必要的信息支持。

4）確定可正常關(guān)閉閥門的信息后進(jìn)行影響區(qū)域分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)受影響用戶進(jìn)行通報(bào)并啟動(dòng)相應(yīng)等級(jí)的應(yīng)急預(yù)案。

2 數(shù)據(jù)模型

爆管分析是基于流向的幾何網(wǎng)絡(luò)分析[6]，進(jìn)行分析前需要先將數(shù)據(jù)構(gòu)建幾何網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置流向。幾何網(wǎng)絡(luò)模型是由線和交匯點(diǎn)組成的，主要用于對(duì)具有流向的網(wǎng)絡(luò)建模。其中線用于描述該網(wǎng)絡(luò)模型中的線狀要素，交匯點(diǎn)用于描述該網(wǎng)絡(luò)模型中連接線的點(diǎn)狀要素，線之間通過交匯點(diǎn)關(guān)聯(lián)并傳遞資源。在地理數(shù)據(jù)庫(kù)中，線和交匯點(diǎn)被稱為網(wǎng)絡(luò)要素，它們不僅具有其他要素所共有的特性，還具有特殊的附加行為，如線通過交匯點(diǎn)關(guān)聯(lián)等。

ArcGIS提供3種流向設(shè)置方式，分別是With Digitized Direction、Against Digitized Direction、With Sources Sinks。數(shù)字化方向是管線普查時(shí)管線繪制的方向，地下管網(wǎng)一般呈樹狀或環(huán)狀，按照國(guó)家和行業(yè)相關(guān)規(guī)定，管線測(cè)量時(shí)從起始點(diǎn)沿著一條管線逐個(gè)向與它相連的其他管線進(jìn)行測(cè)量，所以按這種方式普查的管線其數(shù)字化方向必定是管線流向方向或管線流向反方向中的一種。本實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)源是通過標(biāo)準(zhǔn)管線普查方法進(jìn)行普查得到的，且普查時(shí)均是按管線內(nèi)物質(zhì)的流向進(jìn)行測(cè)量，因此在研究時(shí)按With Digitized Direction方式設(shè)置管線流向。

流向設(shè)置的具體操作方法為：首先在ArcCatalog中將管線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何網(wǎng)絡(luò)，然后通過ArcGIS工具箱ArcToolbox下的Set Flow Direction工具對(duì)幾何網(wǎng)絡(luò)各個(gè)邊設(shè)置流向。

3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)功能主要分為3部分。

3.1 爆管信息上報(bào)

采用ArcGIS為Android系統(tǒng)提供的GIS功能軟件開發(fā)包ArcGIS API for Android實(shí)現(xiàn)巡查系統(tǒng)的爆管信息上報(bào)功能。

移動(dòng)Android設(shè)備訪問服務(wù)器發(fā)布的地圖，通過GPS定位功能或者手動(dòng)選點(diǎn)在地圖上定位爆管位置。選擇管線類型、填寫必要備注并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍照后將爆管信息通過WebService技術(shù)發(fā)送給服務(wù)器。

3.2 關(guān)閥分析

采用基于ArcGIS網(wǎng)絡(luò)流向的分析方法，首先確定地下管線的流向，然后采用流向追蹤法獲取需要關(guān)閉的上游閥門。該方法直接調(diào)用ArcGIS Server已經(jīng)封裝好的接口和方法，代碼量小，簡(jiǎn)單易懂，且不需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遍歷，運(yùn)行效率高。具體流程如圖2所示。

圖2 關(guān)閥分析流程圖

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）定位爆管點(diǎn)。利用ESRI.ArcGIS.NetworkAnalysis. ITraceFlowSolverGEN接口的PutEdgeOrigins方法和PutJunctionOrigins方法標(biāo)記爆管管線和管點(diǎn)。

2）通過管線類型過濾出閥門，利用ESRI.ArcGIS. NetworkAnalysis.INetElementBarriersGEN 接 口 的SetBarriers將閥門點(diǎn)設(shè)置為障礙點(diǎn)。

3）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記定位發(fā)生爆管的管線，運(yùn)用ArcGIS Server提供的流向追蹤接口ESRI.ArcGIS.NetworkAnalysis. ITraceFlowSolverGEN的FindFlowEndElements方法進(jìn)行追蹤，獲取爆管點(diǎn)上游的直接閥門，判斷其是否可用；若閥門失效，繼續(xù)向“上游”搜索，直至找到可用閥門。

4）服務(wù)器將結(jié)果返回后，由客戶端對(duì)管線點(diǎn)和管線進(jìn)行渲染，在地圖上以直觀的線符號(hào)來表示管線流向，并以表格形式顯示管線屬性信息。

3.3 影響區(qū)域分析

根據(jù)爆管點(diǎn)位置或關(guān)閥位置，運(yùn)用流向追蹤接口ESRI.ArcGIS.NetworkAnalysis.ITraceFlowSolverGEN 的FindFlowElements方法進(jìn)行追蹤，沿流向方向找到下游所有管線點(diǎn)。通過對(duì)管線點(diǎn)的管線類型字段進(jìn)行篩選，找出所有與受影響區(qū)域關(guān)聯(lián)的管線點(diǎn)；應(yīng)用ESRI. ArcGIS.Client.Tasks.Query方法，通過幾何查詢，進(jìn)一步確定所有受影響的小區(qū)；再次應(yīng)用幾何查詢功能，找到受影響區(qū)域內(nèi)所有建筑物，并根據(jù)所得到建筑物信息計(jì)算出所有受影響住戶數(shù)量。然后通過統(tǒng)計(jì)得到爆管事故所有受影響的小區(qū)數(shù)量和住戶數(shù)量，將小區(qū)和建筑物進(jìn)行渲染，用面狀符號(hào)在地圖上直觀表示。

該功能在事故初期就將受影響區(qū)域的大小準(zhǔn)確地計(jì)算出來，并直觀表示在圖上，根據(jù)影響大小啟動(dòng)不同級(jí)別的應(yīng)急預(yù)案，使得應(yīng)急處理更加有效。具體流程如圖3所示。

圖3 影響區(qū)域分析流程圖

4 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)使用Microsoft Visual Studio .NET作為開發(fā)工具，以ArcGIS Server 10.2作為服務(wù)器端開發(fā)平臺(tái)，采用Silverlight + ArcGIS for Silverlight API作為Web客戶端開發(fā)工具、 Android + ArcGIS API for Android作為移動(dòng)端開發(fā)工具、SQL Server 2008+ ArcSDE for SQL Server為空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

ArcGIS Server是一個(gè)用于構(gòu)建集中管理、支持多用戶的企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用平臺(tái)。使用ArcGIS Server可以構(gòu)建Web應(yīng)用、Web服務(wù)以及其他運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的.NET和J2EE Web服務(wù)器上的企業(yè)應(yīng)用。ArcGIS Server支持SOE（server object extension）擴(kuò)展，根據(jù)需求自定義服務(wù)，SOE是能夠封裝業(yè)務(wù)邏輯（自定義渲

染器、類擴(kuò)展等）的特殊擴(kuò)展方法。本功能通過ArcGIS Server提供地圖服務(wù)，通過自行編寫SOE實(shí)現(xiàn)分析功能。Silverlight是一個(gè)跨瀏覽器、跨平臺(tái)的插件，使用ArcGIS for Silverlight API進(jìn)行客戶端開發(fā)，使爆管分析可以在網(wǎng)頁(yè)上使用，方便搶修人員隨時(shí)隨地使用。ArcSDE是一種高效的空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，使用ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎可以使每次分析時(shí)使用的數(shù)據(jù)都是最新的，分析結(jié)果更具時(shí)效性，能避免數(shù)據(jù)過時(shí)引發(fā)的錯(cuò)誤。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以洛陽(yáng)市給水管網(wǎng)為例，假設(shè)該管網(wǎng)一管段于2014年某月某日發(fā)生爆管事故。事故發(fā)生后，由巡查人員上報(bào)事故發(fā)生位置，并在Web端標(biāo)注顯示，爆管點(diǎn)位置位于圖4中“爆管點(diǎn)”所在位置，用空心“×”符號(hào)表示。經(jīng)分析，待關(guān)閥門位置位于圖4中“待關(guān)閥門”所在位置，用空心“☆”符號(hào)表示，并可進(jìn)一步查看閥門詳細(xì)信息[7]。受影響的小區(qū)在圖4中用面狀符號(hào)表示，受影響小區(qū)信息在圖4中右下角處顯示。

與傳統(tǒng)關(guān)閥流程比較，本系統(tǒng)在爆管發(fā)生后事故上報(bào)階段，使用移動(dòng)Android設(shè)備上報(bào)爆管信息可以更加快速準(zhǔn)確地確定爆管位置；在關(guān)閥分析過程中，可以給關(guān)閥人員提供便捷的關(guān)閥分析功能，若遇到待關(guān)閥門失效等情況，關(guān)閥人員還可以直接進(jìn)行二次關(guān)閥分析，節(jié)省二次關(guān)閥的響應(yīng)時(shí)間；閥門關(guān)閉后，可以精確計(jì)算受此次事故影響的用戶范圍，輔助應(yīng)急措施的制定。

P208

B

1672-4623（2015）03-0104-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.037

2014-08-27。

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271392）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41401463）。