基于GIS的供水管網(wǎng)系統(tǒng)爆管分析研究

張建鵬，羅曉軍，陳加榮

（黎明職業(yè)大學(xué)，福建泉州 362000）

城市的供水管網(wǎng)基本是依城市發(fā)展而建設(shè)，具有分布密集、錯(cuò)綜復(fù)雜和埋藏于地底等物理特性，在圖紙上難以完整地展示出來(lái)[1]。尤其是當(dāng)爆管等突發(fā)事件發(fā)生后，僅靠傳統(tǒng)圖紙和人工搜尋方式排查，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，甚至?xí)驌屝薏患皶r(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)大影響區(qū)域。如何科學(xué)化、信息化和可視化地管理供水管網(wǎng)，是市政工程管理中急需解決的問(wèn)題。就我國(guó)供水管網(wǎng)建設(shè)而言，由于初期信息化管理水平較低，管網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息都記載于紙質(zhì)檔案中，日常管理中容易材料缺失或不齊。目前雖已有一些供水管理系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)自成體系，不同系統(tǒng)之間兼容、集成困難，容易形成以區(qū)域、部門(mén)、施工人員等為邊界的“信息孤島”。這些問(wèn)題都會(huì)對(duì)城市供水管網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)造成阻礙。對(duì)此，本文為優(yōu)化供水管線布局、解決工作人員搶修難等問(wèn)題，基于GIS（geographic information system，地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，設(shè)計(jì)一套供水管網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)，采用逆供水方向關(guān)閥策略，提升供水管網(wǎng)信息化管理水平和提高管網(wǎng)搶修時(shí)效，增進(jìn)效益。

目前，基于GIS 的信息系統(tǒng)建設(shè)在國(guó)內(nèi)已取得一些創(chuàng)造性的研究成果，如結(jié)合GIS 設(shè)計(jì)了雨水出水口匯水區(qū)的自動(dòng)劃分算法，為暴雨季節(jié)城市積水問(wèn)題的解決提供了建設(shè)性依據(jù)[2]；又如有學(xué)者設(shè)計(jì)的氣象服務(wù)網(wǎng)站，提高了原本網(wǎng)站系統(tǒng)圖形化及可視化[3]；還有學(xué)者對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)模擬分析和計(jì)算，為水廠建設(shè)提供合理建議[4]。但是，這些研究都沒(méi)有解決爆管事件發(fā)生后，如何快速及時(shí)提供管網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化情況，以精確、高效地關(guān)閥的問(wèn)題。

為解決爆管突發(fā)事件出現(xiàn)時(shí)輔助維修信息化水平不足的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于GIS 的供水管網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)WebApi 地圖接口將供水管網(wǎng)信息映射于地理圖層上，準(zhǔn)確、高效地展示出供水管網(wǎng)的點(diǎn)、線、面及空間等數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)精細(xì)化、可視化展示。同時(shí)，系統(tǒng)還引入圖論原理，分析爆管事件發(fā)生后對(duì)供水沿線產(chǎn)生的影響和制定關(guān)閥策略，為供水管理提供權(quán)威、可靠和統(tǒng)一的決策支持，快速、有效地指引工作人員施工和維護(hù)，從而有效地降低損失。

1 基本理論

1.1 GIS技術(shù)

GIS是綜合了地理、信息、計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)的空間信息系統(tǒng)[5]，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用GIS提供的WebApi 地圖接口，導(dǎo)入供水線路、專業(yè)供水設(shè)備等數(shù)據(jù)，將地理坐標(biāo)信息與供水管網(wǎng)信息融合，從而達(dá)到把供水設(shè)備信息位置映射到實(shí)際地理坐標(biāo)的目的。

1.2 數(shù)據(jù)整合

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源具有多樣性特點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)既有地理空間數(shù)據(jù)，又有供水管數(shù)據(jù)、專業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)（包括管線、閥門(mén)井、閥門(mén)、水表井、消防栓、彎頭、出水口、變徑、三通、四通、SCADA 數(shù)據(jù)等）。多源的數(shù)據(jù)也引發(fā)了系統(tǒng)集成過(guò)程中一系列問(wèn)題，如數(shù)據(jù)規(guī)范性差、自成體系、不同系統(tǒng)之間的信息存儲(chǔ)格式與結(jié)構(gòu)無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)等。

為滿足供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息集成化的需求，系統(tǒng)將清洗后的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。在導(dǎo)入過(guò)程中，系統(tǒng)在原有的地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)1∶500的比例將帶有供水信息的管網(wǎng)數(shù)據(jù)展示于相應(yīng)的地理坐標(biāo)中，并自動(dòng)建立管線、管點(diǎn)以及沿線中的專業(yè)設(shè)備，最終形成一套整合了多樣數(shù)據(jù)的供水管網(wǎng)系統(tǒng)。

1.3 可視化展示

系統(tǒng)所用到的可視化展示技術(shù)是建立在統(tǒng)一的供水?dāng)?shù)據(jù)信息和地理空間數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，以GIS服務(wù)為主題，以Web技術(shù)為核心和支撐，利用瀏覽器的交互能力，對(duì)供水管網(wǎng)設(shè)備和供水信息提供查詢檢索功能，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)信息的可視化展示[6]。在交互性方面，系統(tǒng)通過(guò)GIS圖層顯示設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息展示控制、供水輸配沿線展示管理[7]和供水管網(wǎng)信息可視化展示。

1.4 管網(wǎng)模型

供水管網(wǎng)是一套基于供水傳輸路徑的動(dòng)態(tài)非線性網(wǎng)絡(luò)。管段和結(jié)點(diǎn)之間拓?fù)潢P(guān)系可以用圖論原理來(lái)動(dòng)態(tài)模擬表示。為分析爆管后對(duì)沿線產(chǎn)生的影響以及制定關(guān)閥策略，系統(tǒng)在GIS基礎(chǔ)上，基于圖論原理[8]，將供水管網(wǎng)抽象為有向網(wǎng)絡(luò)圖，即水源為圖的源點(diǎn)（S）、供水管為有向帶權(quán)邊（E）、管線連接點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)（V）、出水口為有向圖的終點(diǎn)（T），構(gòu)建供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型。

2 供水管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建分析

2.1 管網(wǎng)信息查詢

為實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的邏輯查詢，用戶可在地理圖層上通過(guò)框選方式，對(duì)選擇區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)進(jìn)行信息查詢。系統(tǒng)引入圖論原理，采用鄰接矩陣的非遞歸方式查詢?nèi)我鈨山Y(jié)點(diǎn)間的所有管網(wǎng)信息，具體算法思想如下：對(duì)圖中每個(gè)結(jié)點(diǎn)添加標(biāo)志位，即棧標(biāo)志位is-Stacked（標(biāo)識(shí)結(jié)點(diǎn)是否入棧，初始置為0）和訪問(wèn)標(biāo)志位isVisited（標(biāo)識(shí)該結(jié)點(diǎn)相鄰的結(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)訪問(wèn)，初始置為0）。

步驟1：初始化結(jié)點(diǎn)標(biāo)志位，將源點(diǎn)（查詢區(qū)域內(nèi)供水管網(wǎng)的源頭）isStacked置為1，并將其入棧。

步驟2：若棧中元素均為空，即所有結(jié)點(diǎn)isVisited 均為1，則查詢結(jié)束；否則，判斷棧頂結(jié)點(diǎn)V 到其余未入棧的所有點(diǎn)中，是否有直接連接且isVisited仍為0的結(jié)點(diǎn)，若存在，則步驟3，否則步驟4。

步驟3：若有，則將該結(jié)點(diǎn)入棧，修改其棧標(biāo)志位isStacked和isVisited均置為1。

步驟4：如無(wú)，則棧頂結(jié)點(diǎn)V出棧，將與結(jié)點(diǎn)V相鄰的全部結(jié)點(diǎn)的isVisited標(biāo)志位均置為0。

步驟5：當(dāng)棧頂元素為出水口的終點(diǎn)時(shí)，置終點(diǎn)isVisited為0，輸出當(dāng)前棧中所有元素和當(dāng)前路徑中供水管網(wǎng)信息，輸出順序即為管網(wǎng)支路的流向和沿線資產(chǎn)，接著，再取出棧頂元素。

步驟6：重復(fù)執(zhí)行步驟2 至5，直至所有結(jié)點(diǎn)均被訪問(wèn)，此時(shí)檢索查詢結(jié)束。

2.2 爆管分析

供水管網(wǎng)的有向帶權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型可用于模擬水流傳輸路徑，權(quán)值可代表供水量，系統(tǒng)基于圖論的廣度優(yōu)先遍歷算法，分析爆管后對(duì)供水沿線影響。

廣度優(yōu)先遍歷的基本思想是以爆管處為源結(jié)點(diǎn)S，依據(jù)供水方向逐層地訪問(wèn)其鄰居結(jié)點(diǎn)，直到訪問(wèn)完子圖中所有結(jié)點(diǎn)為止。

在圖1所示的供水管網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)A為源結(jié)點(diǎn)，與其相連的下游節(jié)點(diǎn)有D、B和H，假設(shè)其管網(wǎng)AD、AB和AH的供水量分別為80、15和5，在圖中用權(quán)值表示。同理，網(wǎng)管DE和DC的供水量分別為60和20，網(wǎng)管EF和EG的供水量分別50和10。

圖1 爆管分析模擬圖

當(dāng)結(jié)點(diǎn)A或其上游爆管后，則以A為源結(jié)點(diǎn)，按供水量大小依次訪問(wèn)與其相鄰的三個(gè)下游結(jié)點(diǎn)D、B 和H，分析這三點(diǎn)的受影響情況。同理分析次層受影響情況，分別視D、B 和H 為源點(diǎn)，逐層向下訪問(wèn)分析，直至圖中下游結(jié)點(diǎn)均被訪問(wèn)，此時(shí)，從源結(jié)點(diǎn)依次向下分析結(jié)果即為供水沿線的影響情況。

2.3 關(guān)閥分析

對(duì)于爆管后如何快速關(guān)閥減少損失，從而制定有效的關(guān)閥策略，只需在爆管處逆著供水方向找到水閥，模擬關(guān)閉爆管點(diǎn)上流的所有閥門(mén)，停止對(duì)爆管點(diǎn)的供水，即可逆著水流方向逐步、并行地訪問(wèn)上游圖中的各結(jié)點(diǎn)。在具體操作過(guò)程中，可設(shè)置第i層并行訪問(wèn)的結(jié)點(diǎn)集合為Vi，已訪問(wèn)結(jié)節(jié)集合為U，算法可描述為如下4步。

步驟1：若爆管點(diǎn)逆向訪問(wèn)的子圖中所有結(jié)點(diǎn)都已訪問(wèn)完，則遍歷停止。

步驟2：假定已逆向訪問(wèn)到了第i層，得到第i層的結(jié)點(diǎn)集合Vi。分別對(duì)Vi中的每個(gè)元素求其逆向鄰居結(jié)點(diǎn)，全部放入初始集合為空集合的Vi+1’中。

步驟3：對(duì)Vi+1’中每個(gè)元素進(jìn)行分析，看是否已經(jīng)逆向訪問(wèn)，即是否在已逆向訪問(wèn)結(jié)點(diǎn)集合U中。若Vi+1’中某個(gè)元素V已逆向訪問(wèn)，則從集合Vi+1’中去除元素V，即Vi+1’=Vi+1’-{u}，最終得到未逆向訪問(wèn)的結(jié)點(diǎn)集合Vi+1’，令Vi+1=Vi+1’；U=U+Vi+1’。

步驟4：返回步驟1，直至遍歷結(jié)束。

3 供水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在充分整合現(xiàn)有的供水管網(wǎng)的軟硬件資源的基礎(chǔ)上，力求搭建一套完整、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)化的供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，總體框架如圖2 所示。

圖2 總體架圖

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是指保存于物理硬盤(pán)上的數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)、網(wǎng)線信息、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)、訪問(wèn)日志、操作日志等。

（2）數(shù)據(jù)管理層是指管理人員對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一些管理操作，包括數(shù)據(jù)的增刪改查、爆管分析、空間查詢、邏輯查詢、資產(chǎn)報(bào)表、系統(tǒng)管理等。

（3）服務(wù)層主要適用于業(yè)務(wù)邏輯比較復(fù)雜的部分，起著服務(wù)接口層與數(shù)據(jù)層的通信作用，達(dá)到高內(nèi)聚低耦合要求。

（4）接口層是指在服務(wù)層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)操作的具體接口，包括供水GIS服務(wù)接口、關(guān)閥分析接口、空間查詢服務(wù)接口、邏輯查詢服務(wù)接口、圖層控制服務(wù)接口等。

（5）用戶管理層是為用戶權(quán)限提供統(tǒng)一認(rèn)證服務(wù)，實(shí)現(xiàn)安全管理。

（6）運(yùn)營(yíng)管理層是針對(duì)于軟硬件及數(shù)據(jù)的安全運(yùn)行管理，主要包括人員維護(hù)、字典維護(hù)、設(shè)備類(lèi)型維護(hù)、SCADA結(jié)點(diǎn)維護(hù)等。

3.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)利用模塊化構(gòu)建方式，分為管網(wǎng)信息可視化（包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、GIS圖層控制、爆管分析、關(guān)閥分析）和后臺(tái)管理等模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)主要完成數(shù)據(jù)獲取、識(shí)別、清洗、整合、入庫(kù)，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，本系統(tǒng)采用Oracle 11g 作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，主要數(shù)據(jù)庫(kù)如表1～表3所示。

表1 GIS圖層信息表

表2 管線臺(tái)賬信息表

表3 管網(wǎng)資產(chǎn)信息表

3.4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

管理人員經(jīng)系統(tǒng)安全驗(yàn)證后即可查詢其所在城市的供水管網(wǎng)信息，也可通過(guò)事件配置方式實(shí)現(xiàn)邏輯查詢和空間查詢。在爆管等突發(fā)事件發(fā)生后，可通過(guò)圖論分析和一體化的數(shù)據(jù)接口，快速實(shí)現(xiàn)關(guān)閥分析，并以可視化形式在GIS 圖層中展示。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

3.5 系統(tǒng)運(yùn)維

系統(tǒng)提供維護(hù)管理功能，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理、人員維護(hù)、數(shù)據(jù)字典維護(hù)、SCADA 維護(hù)等系統(tǒng)管理和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，保障系統(tǒng)的日常管理維護(hù)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 研究區(qū)域地形地貌

本文研究選取某地級(jí)市為研究對(duì)象，全市面積2036 km2，人口163 萬(wàn)人。本系統(tǒng)包含城市主要供水線路1萬(wàn)多條，覆蓋全市范圍，系統(tǒng)可以直觀方式展示供水?dāng)?shù)據(jù)。圖5為供水管網(wǎng)GIS可視化展示的部分效果圖，其原理是在GIS地圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)圖層疊加的方式，控制供水管網(wǎng)的管線信息的顯示，實(shí)現(xiàn)其可視化效果，同時(shí)，還可在“圖層控制”菜單欄中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)維工作需要控制供水設(shè)備顯示，從而有效提升供水管網(wǎng)信息化管理水平。

圖5 供水管網(wǎng)GIS二維可視化展示

4.2 關(guān)閥分析

爆管事件發(fā)生時(shí)，管理人員可通過(guò)爆管的空間查詢功能快速定位事件發(fā)生處。系統(tǒng)可通過(guò)關(guān)閥分析模擬爆管事件，后臺(tái)通過(guò)相應(yīng)算法，快速分析出供水影響區(qū)域，以圖6的供水管網(wǎng)為例，當(dāng)爆管點(diǎn)水管破裂溢水時(shí)，后臺(tái)快速模擬分析出所需緊急關(guān)閉的閥門(mén)，并在GIS圖層上以直觀方式顯示，為減少損失制定有效的水閥關(guān)閉策略，輔助工作人員搶修。

圖6 爆管分析圖

5 結(jié)論

為了推動(dòng)供水管理的信息化和數(shù)字化的進(jìn)程，本文建立了基于GIS 的供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，準(zhǔn)確、高效地展示出供水管網(wǎng)的點(diǎn)、線、面和空間整體信息。該系統(tǒng)通過(guò)圖層顯示方式實(shí)現(xiàn)供水?dāng)?shù)據(jù)可視化展示，采用圖論原理抽象出供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)選定區(qū)域內(nèi)沿線的邏輯和空間管網(wǎng)設(shè)備查詢，分析爆管后影響，制定有效的關(guān)閥策略，為搶修工作爭(zhēng)得寶貴時(shí)間，使爆管事故損失降低到最低程度，提高供水管理的科學(xué)性。