農(nóng)村供水工程輔助設(shè)計系統(tǒng)研究

楊成杰，李孟奇，劉雪梅(.華北水利水電大學 資源與環(huán)境學院，鄭州 4500；. 汝陽縣水利水保技術(shù)推廣站，河南 洛陽 4700)

0 引 言

農(nóng)村供水工程是為了滿足農(nóng)村人民的生活和生產(chǎn)活動過程中對水在量和質(zhì)兩個方面的需求，包括規(guī)劃、設(shè)計和運行管理3個階段[1]。同城市相比，農(nóng)村居民點受自然因素影響大，布局分散，農(nóng)村供水工程具有數(shù)量眾多、供水區(qū)域較大、供水管線較長且落差大的特點，在此情況下，一個使整個供水系統(tǒng)運行可靠性最高、維修量最小的合理管網(wǎng)設(shè)計方案就顯得極為必要[2]。

隨著信息技術(shù)在水利行業(yè)應用的深入，傳統(tǒng)的供水工程設(shè)計方法復雜而繁瑣，效率低下的缺陷日漸突出，設(shè)計后的成果，圖形與屬性完全分離，對后續(xù)設(shè)計方案的調(diào)整、管材統(tǒng)計、工程預算、項目管理均不能提供直接支持，難以滿足信息化條件下設(shè)計工作升級換代的需求。將最新的信息化技術(shù)應用到農(nóng)村供水管網(wǎng)設(shè)計與管理中已勢在必行[3]。

1 供水管網(wǎng)信息系統(tǒng)設(shè)計分析

1.1 二次開發(fā)方式

目前工程領(lǐng)域，?；谏虡I(yè)化的計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design, 簡稱CAD)或地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)軟件進行專業(yè)圖形系統(tǒng)的開發(fā)。這種方式不必考慮復雜的底層算法，繁瑣的交互操作，只關(guān)注與專業(yè)相關(guān)的分析和計算，可快速研發(fā)出解決特定問題的軟件產(chǎn)品。然而，由于必須借助于成熟的商業(yè)系統(tǒng)，二次開發(fā)的信息系統(tǒng)在實際應用中存在以下幾個問題：

(1)CAD系統(tǒng)專注于工程制圖，沒有空間數(shù)據(jù)庫支持，在屬性數(shù)據(jù)的管理方面存在局限性，所開發(fā)的軟件除繪圖外的大部分工作還需要人工參與，難以進行自動化的分析與計算。

(2)基于GIS開發(fā)的系統(tǒng)，通過與GIS的集成，使管網(wǎng)圖形庫、屬性數(shù)據(jù)庫及外部數(shù)據(jù)庫融為一體，高效準確，且易于動態(tài)更新，大大提高了管網(wǎng)管理工作的效率和質(zhì)量[4]。然而，GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型、管理方式以及分析方法主要針對地理空間，圖形的精度以及絕大部分專業(yè)功能不能滿足設(shè)計行業(yè)需求。

(3)開發(fā)的軟件產(chǎn)品不能脫離商業(yè)平臺獨立運行，大范圍推廣應用需要投入巨額資金。

1.2 自主研發(fā)方式

隨著軟件開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，針對農(nóng)村供水工程的行業(yè)特點，開發(fā)一套適合中國國情，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，滿足供水管網(wǎng)設(shè)計流程且支持屬性與空間數(shù)據(jù)一體化管理的圖形系統(tǒng)，將是“數(shù)字水利”領(lǐng)域相關(guān)理論在農(nóng)田水利實際生產(chǎn)中的典型應用。這種模式研發(fā)的系統(tǒng)具有以下特點：

(1)較強的靈活性。靈活性是從底層開發(fā)圖形系統(tǒng)的最大特點，因為系統(tǒng)所有流程和數(shù)據(jù)都在設(shè)計者的控制之下，設(shè)計的系統(tǒng)短小精悍，軟硬件要求低，運行速度快，在專業(yè)系統(tǒng)開發(fā)時具有無可比擬的優(yōu)勢。

(2)擁有系統(tǒng)版權(quán)。開發(fā)者擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的底層技術(shù)，可為不同領(lǐng)域特定要求提供定制產(chǎn)品，并且易于擴展和升級，特別適合行業(yè)內(nèi)的大規(guī)模推廣應用。

(3)滿足個性化需求。能夠根據(jù)用戶的個性化需求，方便地添加新功能，滿足相同專業(yè)背景下不同應用人群的差異性需求，實現(xiàn)信息化與專業(yè)的完美結(jié)合。

目前市場上成熟的CAD、GIS軟件種類較多，這些產(chǎn)品各有特點，經(jīng)過考察和對比國內(nèi)外具有代表性的相關(guān)軟件，針對我國農(nóng)村供水工程的行業(yè)特點，最終選擇從底層自主研發(fā)的方式，開發(fā)了HotMap供水管網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)。

2 HotMap供水管網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)

HotMap是一套將計算機技術(shù)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水理論相結(jié)合研發(fā)的可視化管網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)，具有自主研發(fā)的幾何內(nèi)核， 在與主流CAD軟件高度兼容的前提下，將CAD精準制圖和GIS強大的屬性管理在一個平臺上完美融合，滿足了新一代CAD系統(tǒng)自動化、智能化需求。具有完善的數(shù)據(jù)交換、快捷的圖形繪制、強大的圖形編輯、靈活的屬性管理以及較強的專業(yè)分析功能。

2.1 系統(tǒng)框架

為兼顧效率與易用性，系統(tǒng)底層的數(shù)學庫、算法庫、幾何庫、圖形渲染庫、空間分析庫、數(shù)據(jù)訪問引擎等模塊全部采用C++語言編碼；中間層用C++/CLI語言封裝成組件庫和控件庫，以便用戶隨時進行系統(tǒng)的升級和定制；應用層采用.Net語言開發(fā)的插件進行功能擴展。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)模型

模型是用來表示實際的或抽象的實體對象。建立模型的幾何描述是對被處理對象進行設(shè)計、分析、模擬和研究的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)模型是一組實體以及它們之間關(guān)系的一般性描述，是真實世界的一個抽象[5,6]。如圖2所示，在HotMap中模型依據(jù)復雜程度抽象為點、線、面、體四種基本類型：點模型表示對點狀實體的抽象，可以具體指一個點狀地物、高程點、注記等；線模型用來表達管線、道路、河流、地形線、區(qū)域邊界等兩點之間的地理信息；面狀模型的邊界由具有方向的封閉曲線組成，如不同的地塊、土壤不同的類型，居民點等；體模型由有向封閉的面包絡為邊界，如系統(tǒng)中的管道、地層、構(gòu)造物等模型[7,8]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system architecture

圖2 基本幾何模型Fig.2 Basic geometric model

2.3 主要功能模塊

參考設(shè)計人員的工作習慣，并遵循文獻[1]中農(nóng)村供水工程設(shè)計的業(yè)務流程，將系統(tǒng)主要功能劃分為數(shù)據(jù)前處理、管網(wǎng)設(shè)計、成果輸出3個部分：

(1)前處理階段：設(shè)計人員可以在可視化狀態(tài)下根據(jù)導入的測量數(shù)據(jù)，快速地繪制管網(wǎng)并賦予管網(wǎng)各種屬性信息；

(2)系統(tǒng)設(shè)計階段：基于繪制的管網(wǎng)插入管網(wǎng)節(jié)點并構(gòu)建拓撲關(guān)系，設(shè)置和修改管網(wǎng)計算參數(shù)并進行管網(wǎng)水力計算，根據(jù)管網(wǎng)水力計算的結(jié)果確定有關(guān)技術(shù)參數(shù)，得到最優(yōu)設(shè)計方案；

(3)成果輸出階段：基于設(shè)計好的管網(wǎng)快速導出管徑計算圖、水壓計算圖、平面布置圖、縱斷面圖等各種設(shè)計圖表成果。

系統(tǒng)主要功能模塊如圖3 所示。

3 基于HotMap的農(nóng)村供水管網(wǎng)設(shè)計流程

3.1 繪制管網(wǎng)

繪制管網(wǎng)是供水設(shè)計內(nèi)業(yè)流程中的第一個步驟，為了滿足供水管網(wǎng)的需求，HotMap二維系統(tǒng)實現(xiàn)了除點、線、面、文字等常規(guī)幾何對象的繪制、編輯外，系統(tǒng)還增加了節(jié)點、閥門井、測量點等特殊對象。用戶可通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)導入功能與測量設(shè)備直接連接，導入測量點數(shù)據(jù)，然后基于測量點數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)的圖形繪制、對象編輯等功能繪制管網(wǎng)；也可以通過數(shù)據(jù)交互功能將AutoCAD繪制好的管網(wǎng)通過DXF文件導入到系統(tǒng)中。系統(tǒng)繪制的管網(wǎng)如圖4所示。

3.2 智能構(gòu)建拓撲

正確的拓撲關(guān)系是管網(wǎng)水力計算的保障，系統(tǒng)用“節(jié)點”來標示管線的拓撲關(guān)系，節(jié)點在系統(tǒng)中作為一種特殊的點對象，除包含點模型的幾何信息和屬性信息外還增加了流入和流出兩種水流方向，用于標示管網(wǎng)中流量的變化。當沒有流入只有流出時，該節(jié)點為根節(jié)點；當只有流入沒有流出時，該節(jié)點為葉子節(jié)點；當有流入也有流出時，該節(jié)點為中間節(jié)點。

通過節(jié)點可實現(xiàn)智能管網(wǎng)拓撲構(gòu)建及拓撲檢查功能，用戶插入管網(wǎng)節(jié)點時系統(tǒng)自動為每個節(jié)點編碼并將與之相關(guān)的管線添加節(jié)點信息；節(jié)點增加、刪除時，與之相關(guān)的管線節(jié)點信息也會隨之變化；節(jié)點插入完成后，利用系統(tǒng)的拓撲檢查功能驗證管網(wǎng)拓撲的正確性，如果有錯只需根據(jù)提示信息重新調(diào)整即可，直至管網(wǎng)拓撲完全正確。拓撲檢查如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)功能框圖Fig.3 Diagram of the system functions

圖4 管網(wǎng)繪制Fig.4 Piping drawing

圖5 管網(wǎng)節(jié)點Fig.5 Piping nodes

3.3 自動水力計算

水力計算是整個設(shè)計流程中最重要的環(huán)節(jié)，需要的參數(shù)比較多，供助與系統(tǒng)強大的屬性與空間數(shù)據(jù)一體化管理功能，影響水力計算的管長、節(jié)點高程等幾何信息可以直接從圖形系統(tǒng)中獲取，但人均用水量等指標與當?shù)氐娜丝谧匀辉鲩L率，管網(wǎng)的設(shè)計年限以及所在區(qū)域的供水量標準等因素有直接的關(guān)系，計算起來比較復雜且需要重復驗證。為解決這個問題，系統(tǒng)采用屬性表來管理管線的屬性信息及水力計算結(jié)果，并提供多種屬性輸入模式，用戶只需設(shè)置計算參數(shù)，系統(tǒng)能夠自動進行人均用水量、設(shè)計管徑、水頭損失等管網(wǎng)水力計算，計算結(jié)果能夠直觀反映在設(shè)計圖上，真正意義上實現(xiàn)管網(wǎng)方案調(diào)整與水力計算的聯(lián)動。水力計算設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6 水力計算參數(shù)Fig.6 Hydraulic calculation parameters

圖7 水力計算結(jié)果Fig.7 Hydraulic calculation results

3.4 設(shè)計方案檢測

經(jīng)過水力計算設(shè)計好的管網(wǎng)是否合理，還需要通過檢測功能進行檢測，系統(tǒng)采用“最不利管道”的方法來對設(shè)計方案進行檢查。以樹狀供水工程為例，其計算過程如圖8所示：從葉子節(jié)點開始計算每一個父節(jié)點下最大供水壓力，遞歸這個過程直至根節(jié)點，最終開成一個從根節(jié)點到某個葉子節(jié)點的“最不利管道”。

圖8中，每條支管水壓線的計算公式為：

圖8 最大供水壓力計算Fig.8 The maximum water pressure calculation

h=hf+hz+z1+z2(1)

H=max(h1,h2,…,hn) (2)

式中：h為每條支管需滿足的供水壓力水頭，m；hf為水管沿程水頭損失，m；hz為水管局部水頭損失，m；z1為出水口地面高程，m；z2為出水口要求壓力水頭，m；n為每個節(jié)點的分支管路數(shù)目；H為節(jié)點下最大壓力水頭。

方案檢測可以檢測某一個節(jié)點所處的主管道上任意節(jié)點的水壓是否滿足需求，如果全部滿足說明該方案設(shè)計合理，否則需要用戶自行調(diào)整管道的管徑，重新進行水力計算后并再次檢測，重復這個過程直至方案合理。如圖9所示，方案檢測功能每次會自動計算出整個管網(wǎng)中最不利的一條管道，并進行高亮顯示。

圖9 設(shè)計方案檢測Fig.9 Design scheme testing

3.5 設(shè)計成果輸出

工程圖紙是規(guī)劃、設(shè)計與生產(chǎn)過程的主要技術(shù)文件，自動化圖紙輸出功能能夠極大減少設(shè)計人員的工作量。系統(tǒng)根據(jù)水力計算結(jié)果，通過ActiveX將計算好的成果直接輸出到Word、Excel、AutoCAD等環(huán)境中，實現(xiàn)水力計算表、管徑計算圖、水壓計算圖、平面布置圖、縱斷面圖等專業(yè)圖表的自動編繪。這種方式既滿足了用戶對設(shè)計數(shù)據(jù)格式的需求，又保證圖紙與水力計算結(jié)果的聯(lián)動統(tǒng)一，方便數(shù)據(jù)維護更新。管網(wǎng)設(shè)計成果輸出如圖10所示。

3.6 三維可視化

隨著三維可視化技術(shù)在水利行業(yè)中的廣泛應用，人們已經(jīng)不僅僅滿足于一般的工程場景瀏覽，對系統(tǒng)的圖形、聲音、控制等有了更高的要求。用戶希望在友好的可視化人機界面交互下，像玩游戲一樣來控制三維場景，實現(xiàn)駕馭式可視化，直接在三維環(huán)境中完成工程規(guī)劃、設(shè)計、施工模擬、空間分析等工作[9]。采用三維可視化技術(shù)將項目區(qū)地形、地物、管線、工程設(shè)施等要素進行建模，轉(zhuǎn)化為具有三維交互特征的動態(tài)場景，便于設(shè)計人員對設(shè)計方案進行檢查和對比，及時發(fā)現(xiàn)并改進設(shè)計中存在的問題[10]。HotMap三維系統(tǒng)實現(xiàn)的管網(wǎng)及地形可視化效果如圖11、圖12所示。

4 結(jié) 語

我國是世界上淡水資源匱乏國家之一，北方地區(qū)缺水現(xiàn)象尤甚，合理、可靠的設(shè)計對于保障農(nóng)村飲水安全具有重要意義。結(jié)合我國水利行業(yè)特點，開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的管網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)，需要較高的開發(fā)技術(shù)和很大的開發(fā)量，但成果完全符合國內(nèi)設(shè)計標準，便于大規(guī)模應用。HotMap系統(tǒng)已經(jīng)在河南省汝陽縣幾十個工程中進行了全流程的應用，事實證明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和經(jīng)濟性，經(jīng)過進一步完善可推廣到其他相關(guān)領(lǐng)域。

圖10 設(shè)計成果輸出Fig.10 Design output

圖11 管網(wǎng)三維瀏覽Fig.11 Piping 3D browsing

圖12 管網(wǎng)布置分析Fig.12 Piping layout analysis

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