復(fù)雜燃氣管網(wǎng)爆管分析GIS算法設(shè)計與實現(xiàn)

王相業(yè) 李衛(wèi)東 徐子靖

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

地下管線是指城市范圍內(nèi)燃氣、電力、熱力、供水、排水、通信等管線及其附屬設(shè)施，是城市建設(shè)和發(fā)展的命脈。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，城市各類地下管線的數(shù)量和規(guī)模急速擴張，構(gòu)成狀況也愈加復(fù)雜。當復(fù)雜的地下管線發(fā)生爆管事故時，如何快速高效地得出最佳關(guān)閥方案，減少受影響區(qū)域和用戶，實現(xiàn)快速搶修，并降低損失，仍是當務(wù)之急。

目前，常用的爆管分析可分為兩種。一是基于流向的爆管分析法，二是基于圖論的爆管分析法。基于流向的爆管分析法是在由GIS組件式二次開發(fā)的ArcGIS Engine基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，通用性沒有基于圖論的爆管分析法應(yīng)用廣泛。在爆管分析時，管網(wǎng)中的流向是確定的，基于流向的爆管分析法實現(xiàn)簡單、效率高。所以，在流向確定的情況下，基于流向的爆管分析法更合適?；趫D論的爆管分析法應(yīng)用范圍廣，如公交路線查詢、物流調(diào)度等［1］。基于圖論的爆管分析法能通過搜索附近閥門來排除下游閥門，得到上游閥門，卻不能獲取下游閥門?；诹飨虻谋芊治鲅芯磕苤苯铀阉鞒錾嫌伍y門，不再搜索下游閥門，實現(xiàn)保氣閥門或下游閥門分析對爆管分析研究具有重要意義。目前，國內(nèi)外對爆管的研究普遍缺少對保氣閥門或下游閥門的分析［2］。

1 復(fù)雜燃氣管網(wǎng)爆管分析數(shù)據(jù)預(yù)處理

要素類（Feature Class）是具有相同空間制圖表達和一組通用屬性列的常用要素的同類集合，最常用的4 個要素類分別是點、線、面和注記。拓撲、幾何網(wǎng)絡(luò)等是對要素類的使用。爆管分析要準備的數(shù)據(jù)可分為4 個要素類，即管段（線要素類）、氣源（點要素類）、閥門（點要素類）、用戶（點要素類）。實際的燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要來源有3 種，即CAD 圖紙、RTK采集、繪圖。

以模擬的矢量數(shù)據(jù)（4 個要素類）為數(shù)據(jù)源，由ArcMap 繪圖生成矢量數(shù)據(jù)圖，采用ESRI 中Geodatabase的要素數(shù)據(jù)集和要素類模型對數(shù)據(jù)進行組織與存儲［3］。準備一個要素數(shù)據(jù)集在文件地理數(shù)據(jù)庫中新建要素數(shù)據(jù)集，導(dǎo)入坐標系，導(dǎo)入模擬好的管段、氣源、閥門、用戶要素類。模擬的管網(wǎng)數(shù)據(jù)展示如圖1 所示，其中包含3 個氣源、1 個環(huán)、3 段不與氣源連通的管段。

圖1 模擬管網(wǎng)數(shù)據(jù)

獲取數(shù)據(jù)后，還要確保數(shù)據(jù)可用。要對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行拓撲檢查和錯誤處理，以確保管段、閥門、氣源、用戶數(shù)據(jù)間拓撲關(guān)系的正確。

燃氣管網(wǎng)進行爆管分析要確保數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系符合爆管分析的要求?？墒褂猛負錇橐亻g的多種空間關(guān)系建模。如果有重疊且共享相同坐標位置、邊界或節(jié)點要素，拓撲有助于更好管理地理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為拓撲關(guān)系的查詢和導(dǎo)航（如確定要素鄰接性和連通性）提供支持，基于ArcGIS 的手動拓撲檢查處理過程如下，新建地理數(shù)據(jù)庫，在其中新建要素數(shù)據(jù)集，向要素數(shù)據(jù)集導(dǎo)入要檢查的數(shù)據(jù)，為要素數(shù)據(jù)集新建拓撲，根據(jù)向?qū)崾疽来屋斎胪負涿Q、選擇參與到拓撲中的要素類、指定要素等級、添加拓撲規(guī)則，驗證拓撲，導(dǎo)出拓撲錯誤［4］。

在要素數(shù)據(jù)集中構(gòu)建新拓撲，將模擬好的4 個要素類應(yīng)用于拓撲中。指定拓撲規(guī)則有以下4 個。①Famen：必須被其他要素的端點覆蓋。②Users：必須被其他要素的端點覆蓋。③Yuan：必須被其他要素的端點覆蓋。④Line：不能重疊、自重疊、有懸掛點。

應(yīng)用這些規(guī)則的目的是使閥門點務(wù)必與兩條不同管段的一個端點幾何重疊（即閥門連接兩條管段）、氣源和用戶與管段的一個端點幾何重疊（即氣源和用戶都位于管段末端）［5］。指定完規(guī)則后進行拓撲驗證［6］，再把新建的拓撲拖至工作空間，如圖2所示，最后對要素數(shù)據(jù)集進行幾何網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

圖2 管網(wǎng)拓撲關(guān)系錯誤處理

2 爆管分析模型設(shè)計與構(gòu)建

通過爆管分析得到4 個結(jié)果數(shù)據(jù)集，即必關(guān)閥門、停氣用戶、保氣閥門、停氣管段。爆管分析流程如圖3所示。

圖3 爆管分析流程

2.1 關(guān)閥分析

管網(wǎng)爆管時，要盡快對現(xiàn)場進行搶險工作，通過合理地關(guān)閉閥門來切斷氣流。通過對關(guān)閥進行分析，得到要關(guān)閉的閥門。爆管點［7］為爆管事故的位置（一個或多個），以爆管點為起點，向所有方向進行遍歷搜索，遇到有效閥門節(jié)點進行記錄，并在此方向停止，最終搜索得出爆管點附近上游和下游的最近閥門集合。

2.2 篩選必關(guān)閥門與保氣閥門

通過關(guān)閥分析，得到爆管點附近所有方向上最近的閥門集合，關(guān)閉其中可選的最少一部分閥門（也稱為必關(guān)閥門），從氣源就無法連通其他閥門（也稱為保氣閥門）。以氣源為起點，向四周遍歷搜索閥門，遇到附近閥門則記錄，并在此方向停止，最終搜索出爆管點上游必關(guān)閥門集合。對附近閥門集合與必關(guān)閥門集合進行空間關(guān)系比較，不相交或重合的閥門為下游非必關(guān)閥門，即保氣閥門集合。

2.3 停氣管段與停氣用戶分析

當爆管事故發(fā)生后，通過關(guān)閥分析找出必關(guān)閥門進行關(guān)閉，下游就不會有燃氣通過，其間會出現(xiàn)停氣管段與停氣用戶。以爆管點為起點，向四周遍歷搜索管段，遇到必關(guān)閥門，則在此方向上停止并記錄，最終得到停氣管段集合。通過對緩沖區(qū)分析，得到與停氣管段有一定空間距離（相距50 m 或0 m）的用戶信息，即為停氣用戶［8］。

2.4 排除失效閥門的二次爆管分析功能實現(xiàn)

在爆管分析關(guān)閥方案中，閥門應(yīng)當能正常關(guān)閉，但現(xiàn)實中的閥門可能因發(fā)生故障而造成閥門不可關(guān)閉［9］。在爆管分析過程中，需要考慮閥門是否有效的問題。常用方法是將閥門是否有效作為一個字段存儲在閥門的屬性表中，但當管網(wǎng)數(shù)據(jù)量大時，閥門數(shù)量多，維護困難。故本研究在創(chuàng)建要素圖層時，通過SQL 語句來進行有效閥門的選擇。在瀏覽器調(diào)用爆管分析服務(wù)后，從分析得出的必關(guān)閥門中選擇失靈閥門，獲取其主鍵屬性值，生成篩選有效閥門的SQL表達式。

3 爆管分析模型測試及應(yīng)用

3.1 發(fā)布地圖服務(wù)

將空間數(shù)據(jù)庫要素類拖入工作空間，設(shè)置好符號樣式后，分享為地圖服務(wù)。勾選Feature Access功能，其提供對地圖上矢量要素的訪問和編輯，可在瀏覽器客戶端生成要素圖層，從而捕捉管線爆管點。發(fā)布的地圖服務(wù)如圖4所示。

圖4 查看發(fā)布的地圖服務(wù)

3.2 發(fā)布地理處理服務(wù)

在成功運行模型后，打開結(jié)果選項卡，將運行過的模型分享為地理處理服務(wù)?？稍O(shè)置服務(wù)器返回的最大記錄數(shù)。燃氣公司的管線數(shù)據(jù)量大，一般需要將最大記錄數(shù)從1 000 修改為10 000，否則結(jié)果容易出錯［10］。

3.3 爆管分析模型應(yīng)用效果

通過以上方案進行爆管分析，結(jié)果如圖5 所示。圖中的氣源有3個，爆管點為1個，且位于環(huán)狀管網(wǎng)上，將得到的爆管分析結(jié)果在地圖上進行高亮顯示，并顯示其詳細記錄。分析得到3 個必關(guān)閥門（標簽形狀標記）、2個停氣用戶（三角標記）、停氣管段（加粗線段），停氣管段中不包括原本就不通氣的干擾管段。該方案可在環(huán)狀管網(wǎng)、多氣源、有干擾管段復(fù)雜管網(wǎng)中進行爆管分析。

圖5 多氣源、環(huán)路、單爆管點的爆管分析

4 結(jié)語

本研究對復(fù)雜燃氣管網(wǎng)爆管進行了全面分析，利用ArcGIS 幾何網(wǎng)絡(luò)模型對爆管分析數(shù)據(jù)進行組織。采用多種因素的爆管分析法，通過ArcGIS 工具箱來實現(xiàn)，并利用模型構(gòu)建器進行建模，得到爆管分析模型工具。該方案能在環(huán)狀管網(wǎng)、多氣源、多爆管點、有不連接管段的復(fù)雜情況下進行正確爆管分析，并能進行可無限疊加的二次爆管分析，實現(xiàn)在瀏覽器客戶端對爆管進行分析調(diào)用。本研究雖對復(fù)雜燃氣管網(wǎng)爆管進行了分析，但未考慮管網(wǎng)的壓力等級因素，后續(xù)研究需要將該因素加入到模型中，從而提高模型分析能力。