基于GPS的给水管网事故导航系统构建

刘晓光 王璐

摘 要：为提高城市给水管网的管理水平，提供科学合理的事故抢修方案，精确定位事故管段和需关闭阀门的位置，对给水管网事故导航系统进行研究。以给水管网微观模型为基础，建立基于GPS的给水管网事故导航系统。根据SCADA系统实时监测的压力数据，对管网正常和事故状态进行模拟，定位事故管段，通过GIS系统分析确定事故关阀方案，利用GPS精确定位功能确定所需阀门的位置及最优操作路径。以东北某城市为例，利用基于GPS的给水管网事故导航系统，成功实现给水管网事故分析与抢修。该给水管网事故导航系统是实现城市给水管网科学调度、决策的有力工具。

关键字： 给水管网 事故导航 GPS 事故关阀

0 引言

我国城市给水管网规模庞大，拓扑结构复杂且隐蔽性强，大部分城市管网进入老化期，并且由于管道自身材料质量和安装质量有很大差异，致使给水管网事故问题日益突出。长期以来，我国城市给水管网事故依靠人力查阅图纸、确定抢修方案，再确认阀门后实施抢修。这种人为经验型管理不仅工作量大、速度慢，而且缺乏准确性、科学性。

目前，国内一些城市已引进地理信息系统，建立给水管网的图形数据库，对给水管网事故状态进行模拟。然而给水管线、阀门密集程度高，很多情况下在同一路口拥有多个各类给水井室，且彼此相隔仅有数米距离，极易混淆。所以当确定抢修方案后，需要精确定位所需的阀门，以求最短时间内解决给水管网事故。

1 基于GPS的给水管网事故导航系统的构成与功能

给水管网事故导航系统建立在给水管网微观模型基础之上，通过水力计算进行给水管网运行状态模拟。基于GPS的给水管网事故导航系统为实现城市给水管网事故分析、决策、抢修提供有效工具。该系统由三大模块组成，参见图1。

图1 基于GPS的给水管网事故导航系统

(1)基于给水GIS的管网数据库模块；

(2)基于给水管网GIS和SCADA系统的监控模块；

(3)基于GPS和管网地形图的导航模块。

1.1 给水GIS管网数据库模块

给水GIS管网数据库包括空间数据库和属性数据库。空间数据库存储给水管网图形信息，描述空间实体的空间位置、拓扑结构以及与其他空间目标的关系。属性数据库分为管网静态信息数据库和动态信息数据库。静态信息包括管段信息、节点信息、水源信息、水泵信息、监测点信息及地理信息等。动态信息需通过给水管网动态模拟或者数据实时控制采集系统获得，包括：阀门开启度、压力监测点和流量监测点信息、供水量、用户用水量等。数据录入方式主要有：外业测量、数据转换和图纸矢量化。

1.2给水管网GIS和SCADA系统的监控模块

监控模块主要由无线通信设备、监控平台、电子地图数据库服务器、大屏幕显示等组成，支持实现供水优化调度方案，是SCADA系统与给水管网GIS系统的结合。SCADA系统通过遥讯系统，把给水管网监测点的实际压力值、流量值，通过遥感采集到调度中心，向GIS系统提供原始数据。给水GIS进行计算、分析、预测和决策，然后利用SCADA系统发出调度指令，以使给水管网监测点达到要求的水量、水压。

当某地下管线出现爆管或漏水事故时，压力监测系统将压力信息反馈到监控中心。监控中心通过综合分析，定位事故点，确定关阀方案，调出需要关闭的阀门的坐标信息。监控中心将信息下达给管网维护人员，管网维护人员将坐标输入GPS流动站导航功能模块，流动站手簿就能获得当前的点位、与目标点的距离等信息，实时动态地找到阀门或检修井的准确位置进行抢修。

1.3管网GPS地形图导航模块

管网地形图是管网导航系统中显示管网维护人员当前所在点位的一个重要手段。它通过计算机进行信息管理和图形操作，在GPS接收机流动站的手簿屏幕上以地理表面物体为背景，显示目标点和当前点实时位置，是一项集计算机图形学、数据库、地理信息系统等技术于一体的综合应用。导航地形图不仅图形显示功能强大、信息方便查询，而且具有路径分析功能，按照用户输入的起始和终止位置信息计算最优路径。

对于管网导航地形图来说，还需将数字化后的市政管线及其附件信息（包括图形和属性信息）添加至地形图上，设为单独一个图层，作为管线导航的依据和地理背景一部分。

2 东北某城市给水管网的GPS事故导航分析实例

2.1 GPS事故导航系统的建立与应用

东北某城市利用GPS获取该市给水管网水力模型关键参数，在大量管网图、管网数据、用户水量数据等资料的基础上，建立基于GIS给水管网数字分析平台。并通过与SCADA系统连接，最终形成基于GPS的给水管网事故导航系统。

如图2所示，该市某次爆管事故，GIS系统分析得出事故管段和影响管段的位置。其中，红色管线表示事故管段，蓝色管段表示事故影响到的管段，黄色阀门为相关控制阀门。

图2 事故管段位置示意图图3 事故影响管段

事故影响管段报表及管段信息分别见图3和表1。

表1事故影响管段信息

通过GIS系统分析得出事故关阀方案，参见图4和表2。

图4 事故关阀方案表2事故关闭阀门信息

根据阀门的X、Y坐标，利用GPS导航功能精确定位所需关闭阀门的位置，确定最优抢修路径。

2.2 结果分析

实践证明，基于GPS的给水管网事故导航系统是城市给水管网事故调度决策及抢修的重要辅助工具。该系统具有如下优点：

1) 事故发现及时。利用SCADA系统实时监测管网压力数据，对管网进行正常和事故状态估计，并且确定事故管段。

2) 可确定事故影响管段和关阀方案。利用GIS中管网数据，进行给水管网水力模拟计算，确定事故影响管段，并通过GIS系统分析确定最优关阀方案。

3) 利用GPS精确定位事故抢修时所需关闭阀门的位置，并给出最优路径。

3 结语

通过在东北某城市建立基于GPS的给水管网事故导航系统，在管网工程师和经验丰富的技术工人参与下，对给水管网事故进行计算分析，参考系统给出事故抢修方案，精确定位事故管段及需关闭阀门的位置，具有以往单纯依靠人力、经验型管理无法比拟的优势，极大提高了工作效率，对城市供水安全保障具有重大的指导意义。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。