張建鵬，羅曉軍，陳加榮

（黎明職業(yè)大學，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[1]。尤其是當爆管等突發(fā)事件發(fā)生后，僅靠傳統(tǒng)圖紙和人工搜尋方式排查，不僅會耗費大量的時間和精力，甚至會因搶修不及時，進一步擴大影響區(qū)域。如何科學化、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題。就我國供水管網(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、施工人員等為邊界的“信息孤島”。這些問題都會對城市供水管網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運營和維護造成阻礙。對此，本文為優(yōu)化供水管線布局、解決工作人員搶修難等問題，基于GIS（geographic information system，地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，設(shè)計一套供水管網(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)搶修時效，增進效益。

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

為解決爆管突發(fā)事件出現(xiàn)時輔助維修信息化水平不足的問題，本文設(shè)計了基于GIS 的供水管網(wǎng)系統(tǒng)，通過WebApi 地圖接口將供水管網(wǎng)信息映射于地理圖層上，準確、高效地展示出供水管網(wǎng)的點、線、面及空間等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)供水管網(wǎng)精細化、可視化展示。同時，系統(tǒng)還引入圖論原理，分析爆管事件發(fā)生后對供水沿線產(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，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、計算機等科學技術(shù)的空間信息系統(tǒng)[5]，本文所設(shè)計的系統(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)，將地理坐標信息與供水管網(wǎng)信息融合，從而達到把供水設(shè)備信息位置映射到實際地理坐標的目的。

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，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、閥門井、閥門、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)集成過程中一系列問題，如數(shù)據(jù)規(guī)范性差、自成體系、不同系統(tǒng)之間的信息存儲格式與結(jié)構(gòu)無統(tǒng)一的標準等。

為滿足供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息集成化的需求，系統(tǒng)將清洗后的標準化、結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。在導(dǎo)入過程中，系統(tǒng)在原有的地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過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)的地理坐標中，并自動建立管線、管點以及沿線中的專業(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)一的供水數(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，對供水管網(wǎng)設(shè)備和供水信息提供查詢檢索功能，實現(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GIS圖層顯示設(shè)置，可實現(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態(tài)非線性網(wǎng)絡(luò)。管段和結(jié)點之間拓撲關(guān)系可以用圖論原理來動態(tài)模擬表示。為分析爆管后對沿線產(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（S）、供水管為有向帶權(quán)邊（E）、管線連接點為結(jié)點（V）、出水口為有向圖的終點（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

為實現(xiàn)管網(wǎng)的邏輯查詢，用戶可在地理圖層上通過框選方式，對選擇區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)進行信息查詢。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)點間的所有管網(wǎng)信息，具體算法思想如下：對圖中每個結(jié)點添加標志位，即棧標志位is-Stacked（標識結(jié)點是否入棧，初始置為0）和訪問標志位isVisited（標識該結(jié)點相鄰的結(jié)點是否已經(jīng)訪問，初始置為0）。

步驟1：初始化結(jié)點標志位，將源點（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isVisited 均為1，則查詢結(jié)束；否則，判斷棧頂結(jié)點V 到其余未入棧的所有點中，是否有直接連接且isVisited仍為0的結(jié)點，若存在，則步驟3，否則步驟4。

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

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

步驟5：當棧頂元素為出水口的終點時，置終點isVisited為0，輸出當前棧中所有元素和當前路徑中供水管網(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)點均被訪問，此時檢索查詢結(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S，依據(jù)供水方向逐層地訪問其鄰居結(jié)點，直到訪問完子圖中所有結(jié)點為止。

在圖1所示的供水管網(wǎng)中，節(jié)點A為源結(jié)點，與其相連的下游節(jié)點有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

當結(jié)點A或其上游爆管后，則以A為源結(jié)點，按供水量大小依次訪問與其相鄰的三個下游結(jié)點D、B 和H，分析這三點的受影響情況。同理分析次層受影響情況，分別視D、B 和H 為源點，逐層向下訪問分析，直至圖中下游結(jié)點均被訪問，此時，從源結(jié)點依次向下分析結(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)閉爆管點上流的所有閥門，停止對爆管點的供水，即可逆著水流方向逐步、并行地訪問上游圖中的各結(jié)點。在具體操作過程中，可設(shè)置第i層并行訪問的結(jié)點集合為Vi，已訪問結(jié)節(jié)集合為U，算法可描述為如下4步。

步驟1：若爆管點逆向訪問的子圖中所有結(jié)點都已訪問完，則遍歷停止。

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

步驟3：對Vi+1’中每個元素進行分析，看是否已經(jīng)逆向訪問，即是否在已逆向訪問結(jié)點集合U中。若Vi+1’中某個元素V已逆向訪問，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的結(jié)點集合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

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、標準、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)存儲層是指保存于物理硬盤上的數(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)、訪問日志、操作日志等。

（2）數(shù)據(jù)管理層是指管理人員對存儲數(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)上實現(xiàn)對數(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)一認證服務(wù)，實現(xiàn)安全管理。

（6）運營管理層是針對于軟硬件及數(shù)據(jù)的安全運行管理，主要包括人員維護、字典維護、設(shè)備類型維護、SCADA結(jié)點維護等。

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)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫建設(shè)主要完成數(shù)據(jù)獲取、識別、清洗、整合、入庫，并根據(jù)用戶需求進行分析統(tǒng)計，本系統(tǒng)采用Oracle 11g 作為后臺數(shù)據(jù)庫，主要數(shù)據(jù)庫如表1～表3所示。

表1 GIS圖層信息表

表2 管線臺賬信息表

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)安全驗證后即可查詢其所在城市的供水管網(wǎng)信息，也可通過事件配置方式實現(xiàn)邏輯查詢和空間查詢。在爆管等突發(fā)事件發(fā)生后，可通過圖論分析和一體化的數(shù)據(jù)接口，快速實現(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)運維

系統(tǒng)提供維護管理功能，實現(xiàn)用戶權(quán)限管理、人員維護、數(shù)據(jù)字典維護、SCADA 維護等系統(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。

4 應(yīng)用實例

4.1 研究區(qū)域地形地貌

本文研究選取某地級市為研究對象，全市面積2036 km2，人口163 萬人。本系統(tǒng)包含城市主要供水線路1萬多條，覆蓋全市范圍，系統(tǒng)可以直觀方式展示供水數(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，通過圖層疊加的方式，控制供水管網(wǎng)的管線信息的顯示，實現(xiàn)其可視化效果，同時，還可在“圖層控制”菜單欄中，根據(jù)實際運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，管理人員可通過爆管的空間查詢功能快速定位事件發(fā)生處。系統(tǒng)可通過關(guān)閥分析模擬爆管事件，后臺通過相應(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，當爆管點水管破裂溢水時，后臺快速模擬分析出所需緊急關(guān)閉的閥門，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

為了推動供水管理的信息化和數(shù)字化的進程，本文建立了基于GIS 的供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，準確、高效地展示出供水管網(wǎng)的點、線、面和空間整體信息。該系統(tǒng)通過圖層顯示方式實現(xiàn)供水數(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，為搶修工作爭得寶貴時間，使爆管事故損失降低到最低程度，提高供水管理的科學性。