利用GIS进行阀门管理的研究

黄宇阳 韩德宏

　　摘要：本文对计算机管理阀门的方法进行了一般性的介绍，对在通用GIS平台上，利用二次开发的方法开发爆管关阀分析系统进行了重点论述。并在此基础上，介绍了利用AUTOMAP3.0开发阀门管理系统的步骤、方法，重点论述了爆管分析功能模块程序的开发。最后，通过一个实例说明了该系统在实际工作中的应用。

　　阀门管理是给水管网管理的重要内容之一，阀门的启闭，是管网局部停水检修的唯一方法，同时也对用户的水量、水压造成直接的影响。阀门管理工作中还存在许多问题，如：阀门的位置在现场难以确认；阀门的运行状况难以确定，不知是否能正常启闭；管网中的某一点停水时，需关闭哪些阀门；关闭这些阀门后对哪些用户会产生影响难以估计；这些问题靠人工进行阀门管理是难以解决的。随着计算机技术的发展，利用计算机技术进行管网阀门的管理已经成了一种必然。

　　1. 计算机进行阀门管理方法简介

　　计算机进行阀门管理最简便的方法是建立阀门的数据库，并在数据库的基础上建立MIS系统。这种方法是最初步的方法。其程序编制简单，利用通用的数据库管理系统如FOXPRO、ORACLE等就能达到要求。但由此建立的MIS系统只能对阀门的数据进行查询、统计等操作，而不能进行图形的查询，更不能进行爆管关阀等专业分析。
　　随着GIS技术的发展，利用GIS系统进行阀门的管理已成为可能。GIS系统将图形数据与属性数据链接在一起，统一进行管理。建立系统后使用者可以进行由图查数、由数查图的双向查询操作，标有阀门精确位置的图形、阀门的属性数据能同时显示在同一屏幕上，方便、直观。GIS系统最初是利用FORTRAN、C++等专用语言进行开发的，由于开发的难度较大，所以系统的应用一直都不很成熟。后来，出现了商品化的通用GIS软件平台，如：ARCINFO、MAPINFO、AUTOMAP等，系统开发人员在这些软件平台的基础上，按照自己的需要进行二次开发，形成专业的GIS系统。这种方法由于开发工作量小，开发效率高而被广泛采用。
　　随着用户要求的不断增加，GIS系统功能也不断得到完善。除了通用的图数双向查询功能外，多媒体技术，网络拓扑分析技术等不断应用于GIS系统。如：AUTOMAP中的网络拓扑分析模块具有最短路径分析，洪水淹没分析及缓冲区分析等功能，按照用户的应用要求不同，开发人员可以利用系统提供的功能函数开发自己的专业程序。

　　2. 爆管关阀分析系统的建立

　　深圳市自来水公司一直在进行利用GIS系统管理阀门的尝试，最后，在AUTOMAP的基础上，利用二次开发的方法，我们建立了阀门管理的GIS系统，并在此基础上开发了爆管分析的子程序。该系统包括8000多条市政管线，3000多个市政管线上的阀门，3000多个大用户数据。现将系统的开发方法说明如下：
　　2.1 原始数据收集、整理
　　要建立阀门管理的GIS系统，应首先绘制给水管网图形。公司在对全市管网竣工图调查的基础上，绘制了全市的1：10000市政给水管网图，并在图上精确绘制了市政管线上的阀门。后经几年的不断修改、完善，市政管线、阀门的位置及精度基本能满足现场作业的要求。其后，我们又发动各分公司对全市的阀门情况进行了大规模的普查，共收集了全市5000多阀门（包括市政及预留口阀门）的位置及型号等属性数据，并对每一阀门定制了阀门卡片，编号存档，基本查清了阀门的数据。
　　2.2对阀门按路名编号，将阀门基础数据输入计算机，建立阀门数据库，同时建立用户及管线数据库
　　为了查询、统计及现场查找的方便，阀门的编号是按各条道路进行的，对于每条路，按从东至西或从南至北的方向对阀门按顺序依次进行编号。这样编号便于现场的查找，也便于按道路进行统计。阀门编号并整理成卡片后，输入计算机，考虑到数据库的通用性及AUTOMAP外挂数据库的能力，我们选用FOXPRO的数据库格式建立了有5000多条纪录的阀门属性数据库。
　　为了能分析爆管时所影响的管段、用户等数据，必须将管线及用户的属性数据建立数据库。我们同样利用FOXPRO的数据格式，建立了8000多条管线，3000多个大用户的属性数据库。
　　2.3 利用AUTOMAP提供的整饰功能，对图形进行整饰，建立正确的拓扑关系
　　AUTOMAP是通用的GIS开发平台，其具有图形整饰的功能。图形整饰是将AUTOCAD等格式的电子地图，整理成为具有正确拓扑关系的地图。具体在阀门管理系统中，就是要建立正确的节点、管线、阀门的连接关系。如：在绘制电子图形中，管线在节点或阀门处有时没有断开，系统自动生成拓扑关系时就会出现管线与节点的错误连接，要避免此种错误，在建立拓扑关系前就必须用图形整饰的功能，手动或自动地将管线在该节点处断开。类似的，在电子图形中还存在伪节点、重复管线、节点，悬挂节点等错误，这些错误都要利用图形整饰功能一一进行消除。在消除这些错误后，利用系统的自动生成拓扑结构的功能自动生成表示管段、阀门、节点正确拓扑关系的拓扑结构。
　　2.4 将管网图形上的阀门、管线等图形与数据库中的阀门数据、用户数据建立链接关系
　　该步骤的工作是建立图形中的管线、阀门与外部数据库中的阀门、管线及用户数据的链接关系，以便进行图数的双向查询或进行爆管关阀分析时，搜索相关的阀门、管段用户等属性信息。ＧＩＳ技术中图形与属性数据的链接方法有许多种，一种方法是将链接的属性数据保存在图形中，图形与属性的链接关系也保存在图形中。一种方法是将属性数据保存在外部数据库，而链接关系保存在图形中。还有一种方法是属性数据保存于外部数据库中，链接关系也保存于外部数据库中。这三种方法各有优缺点，AUTOMAP中提供了前两种链接方法。考虑到图形链接的属性数据较多，如果属性数据按第一种方法存取，将会使图形文件过于庞大，因此，阀门等属性数据的存取是按第二种方法进行的，即属性数据存储于外部数据库，而图形与属性的链接关系存储于图形中。
　　2.5 利用拓扑分析功能函数编制关阀分析程序
　　上述的四步都是进行的图形和数据的整理，完毕后就要进行爆管关阀分析系统的二次开发工作。该系统是以AUTOMAP的内嵌开发语言AUTOLISP进行二次开发而成。包括阀门、管线、用户等图数的双向查询、编辑功能、数据统计功能及爆管分析功能等，现以爆管分析功能为例，说明开发的方法。
　　爆管分析功能模块应具有管网中某一点出现故障后，计算管网停水应关阀门及影响管段、用户的能力，经分析，该模块包括以下子程序：
　　①初始化
　　初始化的功能是将拓扑关系装入内存，并建立与外部数据库的链接关系。为计算关阀方案作准备。
　　②指定故障点
　　管网中的故障点可以是管段、节点或者阀门，使用者可以在图上用鼠标指定。程序返回故障点的拓扑ID号。
　　③关阀方案计算
　　进行关阀策略计算。该子程序主要利用AUTOMAP3.0提供的拓扑分析函数（FLOOD TRACE函数）完成。这些函数提供了网络拓扑追踪的功能，能从点、线建立的网络拓扑中的某一点出发，自动追踪该点的所有连线及相应的下游点，直到所经过路径的阻力值之和大于指定值为止。这些函数能返回所有追踪到的点、线的拓扑ID号，从而得到相应的属性数据。子程序利用这些函数，生成受影响管段、节点及应关阀门的数据，并在图上用不同的颜色表示。可以做连续的关阀方案计算。
　　④关阀方案数据查询及报告生成
　　可以查询受影响管段、节点、用户及应关阀门的属性数据，并可以生成文本报告，以便编辑、打印。
　　⑤图形打印
　　利用AUTOMAP3.0的打印命令打印图形。
　　⑥复位
　　删除关阀方案计算后的结果数据标注及将颜色换为原来的颜色，以备再一次做关阀策略计算。
　　⑦结束
　　先将拓扑数据从内存中卸下，并断开与外部数据库的链接关系。然后退出子系统。

　　3. 应用实例

　　该系统已建成，应用于深圳市自来水公司，效果良好。例如，如图所示的局部管网，阀门LHZSE005发生故障，需要停水维修，利用系统进行关阀分析，所得结果如图所示。
　　其中，停水管段用粗线表示，应关阀门已做了标记，相应编号也已标注在图上。系统自动生成停水报表，包括故障点编号，应关阀门数据，停水管段数据及影响用户数据等内容，如附表所示。
　　综上所述，利用GIS的二次开发技术，建立阀门管理系统，进而建立爆管关阀分析系统是可行的。系统建立后，将会对阀门及停水的管理大有帮助，使阀门管理工作上一个新台阶。

深圳市某局部地区停水关阀分析结果表
管网故障部件编号:LHZSE005

参考文献：
1.深圳市自来水公司 “城市供水管网计算机图形管理系统” 鉴定材料 1994
2.姜乃昌、韩德宏 “计算机技术在供水管网中的应用综述” 给水委员会交流材料 1995
3.孙文深、韩德宏“城市供水管网爆管抢修关阀的计算机策略”《给水排水》1998.8.
4.黄宇阳、许仕荣 “给水管网图形信息系统的研究” 《给水排水》 1998
5.AUTODESK公司 《AutoCAD Map User’s Guide》 1998年

作者单位：黄宇阳, 韩德宏, 深圳市自来水公司