基于GIS的供水管网系统爆管分析研究

张建鹏，罗晓军，陈加荣

（黎明职业大学，福建泉州 362000）

城市的供水管网基本是依城市发展而建设，具有分布密集、错综复杂和埋藏于地底等物理特性，在图纸上难以完整地展示出来[1]。尤其是当爆管等突发事件发生后，仅靠传统图纸和人工搜寻方式排查，不仅会耗费大量的时间和精力，甚至会因抢修不及时，进一步扩大影响区域。如何科学化、信息化和可视化地管理供水管网，是市政工程管理中急需解决的问题。就我国供水管网建设而言，由于初期信息化管理水平较低，管网的数据信息都记载于纸质档案中，日常管理中容易材料缺失或不齐。目前虽已有一些供水管理系统，但这些系统自成体系，不同系统之间兼容、集成困难，容易形成以区域、部门、施工人员等为边界的“信息孤岛”。这些问题都会对城市供水管网的规划、建设、运营和维护造成阻碍。对此，本文为优化供水管线布局、解决工作人员抢修难等问题，基于GIS（geographic information system，地理信息系统）技术，设计一套供水管网的地理信息系统，采用逆供水方向关阀策略，提升供水管网信息化管理水平和提高管网抢修时效，增进效益。

目前，基于GIS 的信息系统建设在国内已取得一些创造性的研究成果，如结合GIS 设计了雨水出水口汇水区的自动划分算法，为暴雨季节城市积水问题的解决提供了建设性依据[2]；又如有学者设计的气象服务网站，提高了原本网站系统图形化及可视化[3]；还有学者对供水管网进行静态模拟分析和计算，为水厂建设提供合理建议[4]。但是，这些研究都没有解决爆管事件发生后，如何快速及时提供管网动态变化情况，以精确、高效地关阀的问题。

为解决爆管突发事件出现时辅助维修信息化水平不足的问题，本文设计了基于GIS 的供水管网系统，通过WebApi 地图接口将供水管网信息映射于地理图层上，准确、高效地展示出供水管网的点、线、面及空间等数据信息，实现供水管网精细化、可视化展示。同时，系统还引入图论原理，分析爆管事件发生后对供水沿线产生的影响和制定关阀策略，为供水管理提供权威、可靠和统一的决策支持，快速、有效地指引工作人员施工和维护，从而有效地降低损失。

1 基本理论

1.1 GIS技术

GIS是综合了地理、信息、计算机等科学技术的空间信息系统[5]，本文所设计的系统利用GIS提供的WebApi 地图接口，导入供水线路、专业供水设备等数据，将地理坐标信息与供水管网信息融合，从而达到把供水设备信息位置映射到实际地理坐标的目的。

1.2 数据整合

供水管网地理信息系统的基础数据源具有多样性特点，这些数据既有地理空间数据，又有供水管数据、专业设备数据（包括管线、阀门井、阀门、水表井、消防栓、弯头、出水口、变径、三通、四通、SCADA 数据等）。多源的数据也引发了系统集成过程中一系列问题，如数据规范性差、自成体系、不同系统之间的信息存储格式与结构无统一的标准等。

为满足供水管网数据信息集成化的需求，系统将清洗后的标准化、结构化基础数据导入。在导入过程中，系统在原有的地理信息数据基础上，通过1∶500的比例将带有供水信息的管网数据展示于相应的地理坐标中，并自动建立管线、管点以及沿线中的专业设备，最终形成一套整合了多样数据的供水管网系统。

1.3 可视化展示

系统所用到的可视化展示技术是建立在统一的供水数据信息和地理空间数据信息基础上，以GIS服务为主题，以Web技术为核心和支撑，利用浏览器的交互能力，对供水管网设备和供水信息提供查询检索功能，实现供水管网信息的可视化展示[6]。在交互性方面，系统通过GIS图层显示设置，可实现管网信息展示控制、供水输配沿线展示管理[7]和供水管网信息可视化展示。

1.4 管网模型

供水管网是一套基于供水传输路径的动态非线性网络。管段和结点之间拓扑关系可以用图论原理来动态模拟表示。为分析爆管后对沿线产生的影响以及制定关阀策略，系统在GIS基础上，基于图论原理[8]，将供水管网抽象为有向网络图，即水源为图的源点（S）、供水管为有向带权边（E）、管线连接点为结点（V）、出水口为有向图的终点（T），构建供水管网数据模型。

2 供水管网系统构建分析

2.1 管网信息查询

为实现管网的逻辑查询，用户可在地理图层上通过框选方式，对选择区域内管网进行信息查询。系统引入图论原理，采用邻接矩阵的非递归方式查询任意两结点间的所有管网信息，具体算法思想如下：对图中每个结点添加标志位，即栈标志位is-Stacked（标识结点是否入栈，初始置为0）和访问标志位isVisited（标识该结点相邻的结点是否已经访问，初始置为0）。

步骤1：初始化结点标志位，将源点（查询区域内供水管网的源头）isStacked置为1，并将其入栈。

步骤2：若栈中元素均为空，即所有结点isVisited 均为1，则查询结束；否则，判断栈顶结点V 到其余未入栈的所有点中，是否有直接连接且isVisited仍为0的结点，若存在，则步骤3，否则步骤4。

步骤3：若有，则将该结点入栈，修改其栈标志位isStacked和isVisited均置为1。

步骤4：如无，则栈顶结点V出栈，将与结点V相邻的全部结点的isVisited标志位均置为0。

步骤5：当栈顶元素为出水口的终点时，置终点isVisited为0，输出当前栈中所有元素和当前路径中供水管网信息，输出顺序即为管网支路的流向和沿线资产，接着，再取出栈顶元素。

步骤6：重复执行步骤2 至5，直至所有结点均被访问，此时检索查询结束。

2.2 爆管分析

供水管网的有向带权网络模型可用于模拟水流传输路径，权值可代表供水量，系统基于图论的广度优先遍历算法，分析爆管后对供水沿线影响。

广度优先遍历的基本思想是以爆管处为源结点S，依据供水方向逐层地访问其邻居结点，直到访问完子图中所有结点为止。

在图1所示的供水管网中，节点A为源结点，与其相连的下游节点有D、B和H，假设其管网AD、AB和AH的供水量分别为80、15和5，在图中用权值表示。同理，网管DE和DC的供水量分别为60和20，网管EF和EG的供水量分别50和10。

图1 爆管分析模拟图

当结点A或其上游爆管后，则以A为源结点，按供水量大小依次访问与其相邻的三个下游结点D、B 和H，分析这三点的受影响情况。同理分析次层受影响情况，分别视D、B 和H 为源点，逐层向下访问分析，直至图中下游结点均被访问，此时，从源结点依次向下分析结果即为供水沿线的影响情况。

2.3 关阀分析

对于爆管后如何快速关阀减少损失，从而制定有效的关阀策略，只需在爆管处逆着供水方向找到水阀，模拟关闭爆管点上流的所有阀门，停止对爆管点的供水，即可逆着水流方向逐步、并行地访问上游图中的各结点。在具体操作过程中，可设置第i层并行访问的结点集合为Vi，已访问结节集合为U，算法可描述为如下4步。

步骤1：若爆管点逆向访问的子图中所有结点都已访问完，则遍历停止。

步骤2：假定已逆向访问到了第i层，得到第i层的结点集合Vi。分别对Vi中的每个元素求其逆向邻居结点，全部放入初始集合为空集合的Vi+1’中。

步骤3：对Vi+1’中每个元素进行分析，看是否已经逆向访问，即是否在已逆向访问结点集合U中。若Vi+1’中某个元素V已逆向访问，则从集合Vi+1’中去除元素V，即Vi+1’=Vi+1’-{u}，最终得到未逆向访问的结点集合Vi+1’，令Vi+1=Vi+1’；U=U+Vi+1’。

步骤4：返回步骤1，直至遍历结束。

3 供水管网系统建设

3.1 总体设计

系统在充分整合现有的供水管网的软硬件资源的基础上，力求搭建一套完整、标准、结构化的供水管网地理信息系统，总体框架如图2 所示。

图2 总体架图

（1）数据存储层是指保存于物理硬盘上的数据，包括系统程序数据、网线信息、资产数据、SCADA数据、访问日志、操作日志等。

（2）数据管理层是指管理人员对存储数据的一些管理操作，包括数据的增删改查、爆管分析、空间查询、逻辑查询、资产报表、系统管理等。

（3）服务层主要适用于业务逻辑比较复杂的部分，起着服务接口层与数据层的通信作用，达到高内聚低耦合要求。

（4）接口层是指在服务层的基础上实现对数据操作的具体接口，包括供水GIS服务接口、关阀分析接口、空间查询服务接口、逻辑查询服务接口、图层控制服务接口等。

（5）用户管理层是为用户权限提供统一认证服务，实现安全管理。

（6）运营管理层是针对于软硬件及数据的安全运行管理，主要包括人员维护、字典维护、设备类型维护、SCADA结点维护等。

3.2 系统功能结构

系统利用模块化构建方式，分为管网信息可视化（包括基础数据、GIS图层控制、爆管分析、关阀分析）和后台管理等模块，如图3所示。

图3 系统功能结构图

3.3 数据库建设

数据库建设主要完成数据获取、识别、清洗、整合、入库，并根据用户需求进行分析统计，本系统采用Oracle 11g 作为后台数据库，主要数据库如表1～表3所示。

表1 GIS图层信息表

表2 管线台账信息表

表3 管网资产信息表

3.4 系统业务流程

管理人员经系统安全验证后即可查询其所在城市的供水管网信息，也可通过事件配置方式实现逻辑查询和空间查询。在爆管等突发事件发生后，可通过图论分析和一体化的数据接口，快速实现关阀分析，并以可视化形式在GIS 图层中展示。系统业务流程如图4所示。

图4 系统业务流程图

3.5 系统运维

系统提供维护管理功能，实现用户权限管理、人员维护、数据字典维护、SCADA 维护等系统管理和基础数据管理，保障系统的日常管理维护。

4 应用实例

4.1 研究区域地形地貌

本文研究选取某地级市为研究对象，全市面积2036 km2，人口163 万人。本系统包含城市主要供水线路1万多条，覆盖全市范围，系统可以直观方式展示供水数据。图5为供水管网GIS可视化展示的部分效果图，其原理是在GIS地图的基础上，通过图层叠加的方式，控制供水管网的管线信息的显示，实现其可视化效果，同时，还可在“图层控制”菜单栏中，根据实际运维工作需要控制供水设备显示，从而有效提升供水管网信息化管理水平。

图5 供水管网GIS二维可视化展示

4.2 关阀分析

爆管事件发生时，管理人员可通过爆管的空间查询功能快速定位事件发生处。系统可通过关阀分析模拟爆管事件，后台通过相应算法，快速分析出供水影响区域，以图6的供水管网为例，当爆管点水管破裂溢水时，后台快速模拟分析出所需紧急关闭的阀门，并在GIS图层上以直观方式显示，为减少损失制定有效的水阀关闭策略，辅助工作人员抢修。

图6 爆管分析图

5 结论

为了推动供水管理的信息化和数字化的进程，本文建立了基于GIS 的供水管网地理信息系统，准确、高效地展示出供水管网的点、线、面和空间整体信息。该系统通过图层显示方式实现供水数据可视化展示，采用图论原理抽象出供水管网数据模型，实现选定区域内沿线的逻辑和空间管网设备查询，分析爆管后影响，制定有效的关阀策略，为抢修工作争得宝贵时间，使爆管事故损失降低到最低程度，提高供水管理的科学性。