智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

（上海航天動力科技工程有限公司，上海 200233）

隨著智慧城市信息化建設(shè)步伐的加快，我國智慧水務(wù)行業(yè)同步賦能升級，引入了高端信息技術(shù)，整體提高了水務(wù)行業(yè)的生產(chǎn)服務(wù)水平。新的智慧水務(wù)管理平臺，高效、精準(zhǔn)配置水資源，有效緩解水資源短缺、解決水環(huán)境問題、保障水安全。智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥分析系統(tǒng)是智慧水務(wù)管理平臺子系統(tǒng)，該系統(tǒng)為智慧水務(wù)管網(wǎng)爆管事故提供快速的GIS可視化智能關(guān)閥方案。在智慧水務(wù)供水管網(wǎng)維護中，采用智能關(guān)閉閥分析方法快速生成最佳的關(guān)閥停水方案，對供水安全維護具有重要意義。

本文介紹了智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出一種新型快速關(guān)閥分析方法。在自主研發(fā)智慧水務(wù)供水管理平臺的實際運用中，能夠幫助調(diào)度人員快速做出指揮決策、輔助爆管事故處理、減少管網(wǎng)漏損率等，得到了有效驗證。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥分析系統(tǒng)以智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)與供水調(diào)度監(jiān)測平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用計算機信息網(wǎng)絡(luò)、3S技術(shù)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析等集成管理技術(shù)來實現(xiàn)，其計算機信息網(wǎng)絡(luò)的分布式設(shè)計提高了各測壓點的數(shù)據(jù)獲取效率。3S技術(shù)中的GIS系統(tǒng)為智慧水務(wù)空間信息提供了與現(xiàn)實對應(yīng)的真實場景，GIS系統(tǒng)可展示復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)將城市地下管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，結(jié)合RS和GPS技術(shù)，利用北斗衛(wèi)星和高清RS圖像數(shù)據(jù)為依據(jù)，實時較正GlS。考慮多處爆管或施工、管網(wǎng)復(fù)雜節(jié)點屬性、特殊閥門不可關(guān)閉等復(fù)雜工況要求，選擇集成多領(lǐng)域技術(shù)設(shè)計了一套實時關(guān)閥分析算法模型。該模型運算過程高效、直觀、可靠，能夠根據(jù)特殊工況的變化快速實時分析出可靠的關(guān)閥方案。系統(tǒng)最終在地圖上以不同顏色的點（符號、圖片等）和線等來直觀展示，并以表格形式顯示需要關(guān)閉閥門的信息和相關(guān)管段信息。

本系統(tǒng)主要分為五個子模塊，分別為關(guān)閥管網(wǎng)GIS基礎(chǔ)功能、爆管關(guān)閥分析功能、關(guān)閥方案查詢功能、3S實時GlS自校正功能、實時關(guān)閥方案庫。用戶在本系統(tǒng)中可查看GIS地圖上管網(wǎng)和監(jiān)測點位置數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)測各監(jiān)測點數(shù)據(jù)變化，對監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，對特定環(huán)境做預(yù)測爆管告警，依托管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和側(cè)壓點壓力值、爆管位置等數(shù)據(jù)和實時關(guān)閥方案庫，本系統(tǒng)能夠依據(jù)某爆管事故點快速分析生成可靠的關(guān)閥方案，并在GIS地圖上直觀展現(xiàn)。

2 核心算法研究

智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥分析系統(tǒng)的核心算法為關(guān)閥分析算法，該算法通過輸入要素爆管點位置和管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，最終輸出快速關(guān)閥方案。研究國內(nèi)外處理相關(guān)技術(shù)的方案方法，發(fā)現(xiàn)廣度優(yōu)先算法（BFS）為目前最通用的方法。為減少復(fù)雜度，本系統(tǒng)引用該算法為技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)圖像結(jié)構(gòu)，自定義了一套規(guī)范的拓?fù)浞治鰣D形結(jié)構(gòu)，通過解析算法先快速將水力模型管網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可用于判斷和分析的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浞治鰣D結(jié)構(gòu)，再對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯推算。該推算引入了BFS和遞歸等算法，基于管網(wǎng)信息化的數(shù)據(jù)支持，考慮復(fù)雜管網(wǎng)包含樹狀、環(huán)狀系統(tǒng)，考慮多爆管點并發(fā)性等事件，為解決GIS數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和避免BFS的弊端，創(chuàng)新引入RS、GPS、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，設(shè)計出一套新的算法模型，最終得到高效可靠的關(guān)閥方案。

在智慧水務(wù)管理系統(tǒng)中，水務(wù)管網(wǎng)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用水務(wù)、GIS等軟件以不同結(jié)構(gòu)圖形式表達(dá)管網(wǎng)，結(jié)構(gòu)圖分別以不同格式文件保存，如ini、shp、json、gml等?；谶@些結(jié)構(gòu)圖可以深度剖析處理出有價值的信息用于水務(wù)智能化管理，關(guān)閥分析算法就是剖析處理管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖的一個重要應(yīng)用需求。

（1）設(shè)計一個新的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)，以此定義關(guān)閥分析輸入數(shù)據(jù)規(guī)則。考慮多種軟件創(chuàng)建的數(shù)據(jù)管網(wǎng)，設(shè)計轉(zhuǎn)換多種數(shù)據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換方法，該方法規(guī)范了多種管網(wǎng)關(guān)閥分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于關(guān)閥分析算法模型的建立。統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式使算法模型不受多數(shù)據(jù)格式影響。抽取已有管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，定義標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范名稱，并加入重要的關(guān)鍵字段，作為快速關(guān)閥分析算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）依據(jù)定義的規(guī)則數(shù)據(jù)，創(chuàng)建關(guān)閥分析管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。以最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)圖模型為例，創(chuàng)建一個空間結(jié)構(gòu)圖對象G。

創(chuàng)建結(jié)構(gòu)圖點集合V=[0（2，2），1（2，3），2（2，1），3（1，2），4（3，2），7（1，3），9（1，1），10（3，1）]；添加屬性，定義有T的為需要判斷關(guān)閉閥的閥門。

g.VS[type]=[S，T，T，T，T，S，S，S，S]；添加網(wǎng)絡(luò)中的點到G中，G.addV(V)；創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)中的邊集合E=[（0，1），（0，2），（0，3），（0，5），（1，5），（4，5），（1，7），（3，7），（3，9），（2，9），（2，10），（4，10）]。

（3）基于管網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計關(guān)閥分析算法模型，智慧水務(wù)管網(wǎng)是由管點和管線（模型中為管段）組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，任何一點出現(xiàn)故障或?qū)ζ渲腥魏我惶庍M(jìn)行施工，都會影響網(wǎng)絡(luò)中其他實體。當(dāng)出現(xiàn)故障或施工時，需基于故障點或施工點以及規(guī)范的關(guān)閥分析管網(wǎng)數(shù)據(jù)做分析判斷，管網(wǎng)數(shù)據(jù)必須真實可靠，需考慮流量、壓力、流向、特殊閥門不可關(guān)閉等條件因素，部分分析算法模型圖如圖1所示。

圖1 快速關(guān)閥分析算法模型

（4）設(shè)計模擬規(guī)律，引入RS和GPS技術(shù)，基于RS圖像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)實時修正GIS數(shù)據(jù)，在GIS管網(wǎng)不被修改的情況下，機器自學(xué)習(xí)生成關(guān)閥分析方案庫，該庫可快速響應(yīng)各種工況需求，當(dāng)管網(wǎng)被修改時，系統(tǒng)自動設(shè)置啟動項，重新生成關(guān)閥方案庫。

（5）設(shè)計GIS關(guān)閥功能展示界面，在GIS上顯示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，鼠標(biāo)點選爆管位置后，可快速顯示關(guān)閥方案。

3 核心技術(shù)測試

以江蘇吳江地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立關(guān)閥分析模型，選擇多個爆管位置進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確率基本為98%，部分結(jié)果不相同處，分析后發(fā)現(xiàn)均為管網(wǎng)數(shù)據(jù)不可靠造成，不可靠原因多為多節(jié)點編號重疊、管段拓?fù)潢P(guān)系中斷等。重新修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，結(jié)果與預(yù)期完全一致。

測試記錄：

（1）測試1：結(jié)果相同。

測試管段FH11616～FH11615；

坐標(biāo)（70 571.782，64 364.301）。

正元地理《吳江華衍水務(wù)管網(wǎng)GIS管理系統(tǒng)》分析結(jié)果一地圖如圖2所示，關(guān)閉閥列表如表1所示。

圖2 分析結(jié)果一關(guān)閥分析地圖

表1 分析結(jié)果一關(guān)閉閥列表

測試程序一結(jié)果如圖3所示，關(guān)閉閥列表如表2所示。

圖3 測試程序一分析結(jié)果地圖

表2 測試程序一關(guān)閉閥列表

（2）測試2：結(jié)果相同。

測試管段FH26116～FH26115；

坐標(biāo)（73 208.471，64 467.321）。

分析結(jié)果二地圖如圖4所示，關(guān)閉閥列表如表3所示。

圖4 分析結(jié)果二關(guān)閥地圖

表3 分析結(jié)果二關(guān)閉閥列表

測試程序二結(jié)果如圖5所示，關(guān)閉閥列表如表4所示。

圖5 測試程序二分析結(jié)果地圖

表4 測試程序二關(guān)閉閥列表

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

以亳州市給水管網(wǎng)為例，系統(tǒng)實現(xiàn)了亳州譙城區(qū)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥爆管分析，主要包括關(guān)閥管網(wǎng)GIS基礎(chǔ)功能、關(guān)閥分析功能、關(guān)閥方案查詢功能、3S實時GlS自校正功能、實時關(guān)閥方案庫五個主模塊。

關(guān)閥管網(wǎng)GIS基礎(chǔ)功能：包含GIS管網(wǎng)地圖展示、GIS地圖放大、縮小、平移、漫游、鷹眼等基礎(chǔ)功能，結(jié)合管網(wǎng)數(shù)據(jù)的加載，用戶可隨意查看感興趣的管網(wǎng)信息、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)情況、管網(wǎng)設(shè)備節(jié)點分布等。

關(guān)閥分析功能：可根據(jù)爆管或特殊工況，在地圖上選擇相關(guān)爆管位置點，選擇相應(yīng)爆管點后，系統(tǒng)會快速高亮顯示需關(guān)閥的閥門位置，同時被選爆管位置和相關(guān)管段都會以不同顏色高亮顯。亳州管網(wǎng)系統(tǒng)處理過程秒級實現(xiàn)，無等待延時現(xiàn)象。

關(guān)閥方案查詢功能：利用關(guān)閥分析出關(guān)閥點后，可通過表信息窗口查詢相關(guān)需關(guān)閥的閥門信息和管段信息等，可對相關(guān)信息進(jìn)行排序等。

3S實時GlS自校正功能：基于GPS和RS高清圖像數(shù)據(jù)實時校正GIS管網(wǎng)數(shù)據(jù)，解決GIS管網(wǎng)精度、可靠性問題。

實時關(guān)閥方案庫：基于固定的GIS數(shù)據(jù)實時更新切換關(guān)閥方案庫，作為關(guān)閥分析系統(tǒng)模型的判斷條件之一，有效提高模型計算的分析效率。綠色為爆管事件點，紅色為需要關(guān)閉閥的閥門，點擊爆管事件點后系統(tǒng)可快速分析，生成關(guān)閥方案以圖像形式顯示。

GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥爆管分析系統(tǒng)如圖6、圖7所示。

圖6 GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥爆管分析系統(tǒng)

圖7 快速關(guān)閥爆管分析系統(tǒng)截圖

5 結(jié)語

本文研究實現(xiàn)智慧水務(wù)GIS管網(wǎng)快速關(guān)閥分析系統(tǒng)，有助于提高供水調(diào)度監(jiān)測中心監(jiān)管效率、降低漏損率、減少運營成本，提升整個智慧水務(wù)體系的綜合管理水平。本系統(tǒng)核心算法可應(yīng)用于多類型工況背景下的流體管控，如礦井、煤氣、石油、天然氣的開采等領(lǐng)域。隨著5G正式商用，依托5G技術(shù)高帶寬、低時延、大連接的技術(shù)特性，結(jié)合NB-IoT等，本系統(tǒng)所構(gòu)建的分析模型及系統(tǒng)在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍工、科學(xué)試驗中均具有重要的價值。