（市政工程专业论文）蒙城县供水管网数字化管理系统的设计与实现.pdf

蒙城县供水管网数字化管理系统的设计与实现 摘要 安徽省蒙城县地处淮北平原中部，人口众多，水环境恶劣。由于水源涡河 水质污染超标，蒙城县县城从1 9 9 3 年起己全部改用地下水源供水。随着经济的 高速发展以及城区的不断扩大，在饮用水资源紧缺的大环境下，蒙城县供水管 网变得越来越庞杂。而在供水管理上，一些先进的技术手段未能得到及时广泛 的应用，这无疑束缚了蒙城县经济建设的可持续发展。因此蒙城县作为安徽省 供水问题突出的区域之一，在供水管理数字化的研究方面具有一定的代表性。 供水管网数字化管理系统是g i s 技术在供水管理中的具体应用。建立蒙城 县供水管网数字化管理系统的主要目标是实现对蒙城县供水管网的数字化管 理，利用g i s 分析、模拟与预测的强大功能，为供水管网的数据查询、规划设 计、建设施工以及事故抢修等提供有力的决策支持。 本论文以蒙城县县城及县城供水所覆盖的周边农村为研究区域，建立供水 现状管网和近期规划管网的数字化管理系统。系统以a r c g i s 为基础平台，采 用m a p o b j e c t s 组件进行集成式二次开发，以蒙城县地图和供水管网信息为采集 对象，根据系统的总体目标及设计原则，在分析供水管网数据的基础上，给出 了系统的总体架构。其中，重点对爆管关阀分析子模块进行了深入细致的分析 和设计，结合使用图论的方法，运用了基于多层次广度优先遍历算法的关阀优 化方案。最后，在上述基础上，给出了系统的具体实现，并成功应用于蒙城县 供水管理中。 关键词：a r c g i s ：m a p o b j e c t s 组件；集成式二次开发；广度优先遍历；爆管关 阀分析 d i g i t a ls y s t e md e s i g n i n go nt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k m a n a g e m e n to fm e n g c h e n gc o u n t yt o w n a bs t r a c t m e n g c h e n gc o u n t yo fa n h u ip r o v i n c ei sl o c a t e di n t h ec e n t r a lo fh u a i b e i p l a i n ，w h i c hh a sag r e a tp o p u l a t i o na n d b a dw a t e re n v i r o n m e n t t h ew a t e rs u p p l vo f m e n g c h e n gc o u n t yt o w nh a dc h a n g e dt og r o u n d w a t e rs o u r c eb e c a u s eg u or i v e r ，s w a t e rw a ss e r i o u sp o l l u t e ds i n c e19 9 3 w i t ht h er a p i de c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n d c o n t i n u o u se x p a n s i o no fu r b a na r e a s ，m e n g c h e n g c o u n t yt o w n sw a t e rs u p p l y n e t w o r ki sb e c o m i n gm o r ea n d m o r eh u g ea n dc o m p l e xu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo f d r i n k i n gw a t e rs h o r t a g e a tt h es a m et i m e ，s o m ea d v a n c e dt e c h n i q u e sh a v en o tb e e n u s e d w i d e l y a n d t i m e l y i nw a t e r s u p p l ym a n a g e m e n t ，w h i c hu n d o u b t e d l y c o n s t r a i n e dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni nm e n g c h e n g c o n s e q u e n t l y ，m e n g c h e n gc o u n t yt o w ni sc e r t a i nr e p r e s e n t a t i v e n e s sa so n eo fb a d w a t e rs i t u a t i o nr e g i o n sa b o u tt h er e s e a r c ho fw a t e rs u p p l ym a n a g e m e n ti na n h u i p r o v i n c e t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kd i g i t a lm a n a g e m e n ts y s t e mi sa ne x a m p l eo ft h e g i s t e c h n o l o g ys p e c i f i ca p p l i c a t i o n i nw a t e r s u p p l ym a n a g e m e n t t h e e s t a b l i s h m e n to ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kd i g i t a lm a n a g e m e n ts y s t e m sm a i na i m t oa c h i e v et h ed i g i t a lm a n a g e m e n to fm e n g c h e n gc o u n t yt o w n sw a t e rs u p p l y n e t w o r k t h ep o w e r f u lf u n c t i o no fg i sa n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o nw e r e u t i l i z e dt op r o v i d ep o w e r f u ld e c i s i o n s u p p o r tf o rw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k p l a n n i n ga n dd e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，r u s hr e p a i r sa n do p t i m a lo p e r a t i o ni nv a r i o u s o p e r a t i o ns t a t e s t h i sa r t i c l et a k em e n g c h e n gc o u n t yt o w na n dt h ec o u n t r i e ss u r r o u n d i n go fi t w h i c hc o v e rb yt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ka sr e s e a r c ha r e a s ，a n de s t a b l i s ht h es t a t u s a n ds h o r t r a n g e p l a n n i n go fw a t e rs u p p l yn e t w o r kd i g i t a lm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do i la r c g i s p l a t f o r m ，a n dv i s u a lb a s i ca n dm a p o b je c t sw e r eu s e df o r i n t e g r a t e ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h em a p sa n dw a t e rs u p p l yn e t w o r ki n f o r m a t i o n o fm e n g c h e n gc o u n t yt o w nw e r et a k e na s c o l l e c t i n gs u b je c t s a c c o r d i n gt ot h e s y s t e m so v e r a l la i m s ，d e s i g n i n gp r i n c i p l e sa n dt h eb a s i ca v a i l a b l ei n f o r m a t i o n ， c o m b i n ew i t hw a t e rs u p p l yn e t w o r kd a t aa n a l y s i s ，t h es y s t e m sw h o l ef r a m e w o r k w a sg i v e n e s p e c i a l l y ，am u l t i - l e v e lb r e a d t h f i r s ts e a r c h a l g o r i t h mb a s e do ft h e v a l v e - o f fo p t i m i z a t i o ns o l u t i o n si sp r o p o s e db ya n a l y z e do f v a l v e 。o f fm o d u l ef o r p i p eb u r s ti nd e t a i la n du s e d 。fg r a p ht h e o r ya p p r o a c h f i n a l l y ，t h es y s t e m h a db e r e a l i z a t i o nb a s e do nc o n d i t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，a n da p p l i e d t ow a t e rs u p p l y m a n a g e m e n ti nm e n g c h e n gc o u n t yt o w ns u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：a r c g i s ；m a p o b j e c t sc o m p o n e n t s ；i n t e g r a t e ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； b r e a d t h f i r s ts e a r c ha l g o r i t h m ；a n a l y s i so fv a l v e c l o s i n gf o rp i p eb u r s t 插图清单 图2 1 二次开发过程步骤图1 3 图2 2 系统总体结构图1 3 图3 1 蒙城县a u t o c a d 电子地图1 8 图3 2 蒙城县a u t o c a d 地图全貌1 9 图3 - 3 数据转换操作图1 9 图3 - 4 数据转换对话框2 0 图3 5 蒙城县s h p 格式电子地图2 0 图4 - 1 图的表示2 3 图4 - 2 无向图g 2 4 图4 3 无向图g 邻接表2 4 图4 4 广度优先搜索遍历示意图2 7 图4 - 5 待选关阀列表设计流程2 8 图4 - 6 优化过程设计方案流程图2 9 图4 - 7 虚拟管网图示例3 0 图4 8 单个元素的a t t r i b u t e 属性表编辑3 l 图5 - 1 部件对话框3 3 图5 2 显示在工具箱中的m a p o b j e c t s 地图控件3 4 图5 - 3 属性页对话框3 4 图5 - 4 系统框架图3 6 图5 - 5 蒙城县供水管网数字化管理系统主界面显示3 6 图6 - 1a c c e s s 数据库表3 8 图6 - 2 系统登录界面3 8 图6 - 3 系统管理功能3 9 图6 - 4a t t r i b u t e s 属性表3 9 图6 - 5 图层控制模块功能实现图4 l 图6 - 6 鹰眼功能实现图4 2 图6 - 7 属性查询界面4 3 图6 - 8 钻孔查询结果4 3 图6 - 9 工具栏图样4 7 图6 图6 图6 图6 图6 1 4 图6 - i5 附加功能图4 8 系统介绍功能4 8 系统爆管关阀分析功能示意图5 4 待选关阀列表系统示意图5 5 闪烁关阀位置示意图5 6 优化后最终关阀列表系统示意图5 6 插表清单 表3 1 结点数据属性信息表1 7 表3 2 管线数据属性信息表17 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 ( 、，、 学位论文作者签字：妙乏乏一签字日期：kf o 年s - , g 够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 佥目垦王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名：砂金了乙 ， 签字日期：弘f 。年歹月哆e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 碜南逊尚 导师签名：1 筑魂等 导师签名：1 岛锬 签字日期：弘lp 年f 月节日 致谢 紧张而充实的研究生求学生涯伴随着这篇论文的完成也渐进尾声。留在我 内心深处的是对这段学习生活的不舍及其对这个生活了八年的校园的无限眷 恋。能够师从陶月赞教授，是我最感荣幸和幸运的事情。导师高尚的道德情操、 严谨的治学态度、可贵的敬业精神以及导师对我们的真诚关爱感人至深，显示 出光辉的人格魅力；导师渊博的知识、开阔的视野、丰富的实践经验和敏锐的 洞察力，令我由衷地钦佩；从导师的身上我明白了什么是科学研究，什么是尊 重，什么是责任，什么是宽容。这些都将成为我一生宝贵的财富，我会永远铭 记于心。 本论文从选题到内容章节的安排都倾注了导师大量的心血，在整个论文的 撰写过程中得到了他的许多指点和帮助，同时提出了大量宝贵的建议，在此真 诚地对他说声“谢谢”。 感谢一直无私关爱着我的父母与家人。 感谢所有曾经给予我帮助的老师、同学、朋友。 作者：王会文 年月日 第一章前言 1 1 研究背景介绍 1 1 1 研究区域概况 蒙城县位于安徽省北部，淮北平原中部，东邻怀远，西接利辛，北靠涡阳、 濉溪、南与凤台以茨淮新河为界。全县下辖1 9 个乡镇、办事处，总人口1 2 3 0 6 万人，其中农村人口1 0 9 1 5 万人，国土面积2 0 9 1k m 2 ，农村入口密度约为5 3 5 人k i n 2 ，耕地面积1 8 3 9 万亩。全县年国内生产总产值为6 5 0 亿元，其中农业 总产值3 2 4 亿元，工业总产值3 0 4 2 亿元。全县农村人均年收入2 8 9 6 元。 1 1 2 蒙城县总体规划 1 9 8 1 年，蒙城县城建局拟订县城总体规划，1 9 8 4 年经审查批准实施。1 9 9 4 年，委托安徽省建筑工程学院编制了总体规划方案，经县人大常委会和阜阳市 人民政府审核后，报请省人民政府主管部门审批备案。2 0 0 3 年，此方案再次委 托上海市规划设计研究院由专家论证并作了调整修改。方案规定： 城市规模：1 9 9 3 年年底，城区人口约9 6 万人，城区用地约7 7 5 k m 2 ，人均 用地约8 1 6 m 2 ，近期规划人口1 5 万人；远期规划人口2 5 万人。远期规划规模： 用地2 4 5 2 公顷，人均用地指标9 8 2 m 2 。 控制区范围：包括县城所在地一城关镇和漆园镇所辖的城北、黄碾盘、姜 楼、杨花园、五里房、孙沟等。南至许庄、后楼王、后李庄和慢王庄、王庄。 北至小白庄、前母桥、后郁庄、王大庄。东至小马店、前娄王庄、小葛庄。西 至庞沟、七里张庄和九里桥。 城区发展方位：控制涡河北，适当向东，重点向南开拓。 城市性质：全县政治、经济、文化交通中心。1 9 9 6 年，蒙城县被批准为省 级历史文化名城，适当地发展旅游业。 1 1 3 城市建设概况 ( 1 ) 道路建设 从1 9 8 3 年开始，对规划设计城区主干道路，共改造新建1 6 条( 主路七纵 八横) ，约占规划设计的9 4 。总长度3 3 5 0 5 米，道路面积1 3 4 万平方米。 19 9 3 年1 0 月一l9 9 8 年6 月：改造东环城路中段、新城路； 19 9 5 年7 月一1 9 9 7 年10 月：改建庄周路、蒙蚌路、蒙阜路； 1 9 9 7 年5 月一2 0 0 3 年1 0 月：新建南二环路、庄子大道、码头路南段、西 环路； 至2 0 0 4 年初，除码头路北段、淝河路、涡河路仍为沥青路面外，其余道路 均为混凝土路面，基本实现全县城区路面硬化。东环城路和庄子大道路中心设 有1 5 米的绿化带。城区道路宽均4 0 米，混凝土面层为2 0 c m 厚c 2 0 。人行道 宽4 米。 至2 0 0 4 年初，十字路口增加1 0 个，新建道路转盘6 个。 ( 2 ) 街巷建设 1 9 8 5 年，对城区原有1 6 条街巷进行改造。其中1 5 条街巷重新修建。老街 巷整改率达9 3 。街巷路面硬化覆盖率为9 7 。增修街巷2 4 条。 南北中心大街北段( 钟鼓楼至涡河路) ，改建后仍铺设青石板，保持古城 老街原有的风貌。 ( 3 ) 城市排水： 1 9 9 4 年以前，城区内的雨水、污水和工业废水通过明渠、暗渠合流排入涡 河。 1 9 9 4 年年末，建设排水管道约5 5 8 7 米，以南北中心大街为分水岭，分别 汇入东、西护城河，经东、西怀德桥流入涡河。排水管道屡遭破坏，部分地段 堵塞，每逢汛期，形成内涝。 1 9 9 5 年7 月，对蒙蚌、阜蚌两条路改造的同时，对排水设施进行更新改造 为8 0 0 m m 1 2 0 0 m m 钢筋混凝土涵管，随后，对新城路、东环城路、庄周路、 西环城路等也作了排水设施的更新改造。至2 0 0 4 年，城区内l7 条主要道路的 排水设施均采用了舻8 0 0 m m 1 2 0 0 m m 混凝土涵管。其余部分仍为盖板结构。 1 9 9 5 年7 月至2 0 0 4 年5 月，全县修建排水管道县为3 9 0 0 0 米，建检查井 7 0 0 个，雨水井1 3 5 0 个。疏通清理排水管道7 8 0 0 米。 ( 4 ) 路灯照明 1 9 9 3 年1 0 月，将东环城路的原有路灯更换为单杆汞灯，共1 9 6 盏。总负 荷功率9 0 千瓦。 1 9 9 8 年6 月，将新城路原有的高压钠灯换为白色钠灯。 2 0 0 4 年，城区1 5 条道路，各类照明灯具共计2 5 8 0 盏，路灯路线2 7 4 千 米，照明辅射2 3 条街道。路灯灯型有：灯笼型、圆球型、白玉兰型及级合花灯 等1 0 余种。现有开关箱1 0 台。变压器2 4 台，总功率6 4 5 0 千瓦。 1 1 4 蒙城县供水概况 1 9 7 7 年成立自来水厂。次年在蒙涡路路东征地6 0 1l 平方米，建造3 0 0 米 沉淀池、清水池、过滤池各一座，一级水泵房3 台( 3 0 千瓦离心泵) ，铺设 d n 2 0 0 - - 1 0 0 主干管道5 公里，年供水量6 0 1 7 万吨。城市自来水普及率2 1 4 3 。 19 8 6 年，县水厂向省建设厅申请建设资金1 6 万元，并在县财政支持下， 沿城西六里白庄一线打深井6 眼，增铺d n 3 0 0 - - 2 0 0 主干管道5 公里，1 9 8 8 年 投产。 1 9 9 2 年，涡河水受到污染。水厂及时加强净化功能，实行河水与井水合并 供应。 1 9 9 3 年，涡河水污染超标。县政府决定全部改用地下水源。县财政局拨款 6 0 万元，水厂自筹1 0 0 万元在城区陆续打井1 4 眼，平均深度12 0 米，至1 9 9 9 年底，增铺d n 2 0 0 - - 1 0 0 主干管道1 6 公里。主要分布在南二环路以北、庄子大 道以西，蒙涡路以东地区。2 0 眼井运行供水。年供水量2 8 8 万吨。用水户8 0 0 0 余户。自来水普及率达6 5 。 2 0 0 0 年，县政府号召群众集资、各单位捐款，共筹集资金2 0 0 0 多万元。 在梁土山自然村境内建一级泵房，打深井1 0 眼。平均深度为15 0 米。每眼井使 用3 0 千瓦或4 5 千瓦潜水泵全天2 4 小时向加压泵站送水。增铺d n 7 0 0 2 0 0 主干管道1 2 公里。在庄子大桥北端建加压泵站区，占地4 0 余亩。院内建钢筋 混凝土结构容积为2 0 0 0 m 3 蓄水池2 座。自动控制调频调压设备一套。1 3 2 千瓦 的电机3 台，7 5 千瓦电机1 台，使用3 5 万伏高压专供线路提供能源保障。出 口水压为1 2 2 2 k c 。 2 0 0 1 年开业运行。年供水量3 6 5 万吨。2 0 0 3 年用户发展到10 0 0 0 全户。自 来水普及率达7 0 。 1 2 系统的应用背景介绍 随着城市化进程的不断加快和交通大环境的逐步完善，蒙城县的经济建设 取得了巨大的进步。而与此同时带来的污染也日益严重。由于水源地涡河水质 污染超标，蒙城县县城从1 9 9 3 年起已全部改用地下水源供水。在水资源紧缺的 大环境下，蒙城县的供水管网却随着人口的快速增长和城区的不断扩大，变得 越来越庞杂。而在供水管理上，一些先进的技术手段未能得到及时广泛的应用， 这无疑束缚了蒙城县经济建设的可持续发展【1 1 。因此蒙城县作为安徽省供水问 题突出的区域之一，在供水管理数字化方面具有一定的代表性。 蒙城县供水管网的信息量正在越来越庞大，供水管理部门也累积了越来越 多供水管网设计、施工、竣工的图件和表册资料，而长期以来一直延用人工方 式来管理这些资料。随着国民经济的飞速发展，这种人工管理模式很难满足需 要，主要表现在j ： ( 1 ) 当前铺设于地下的供水管线，长度和广度都在不断增加，管线的连接 复杂，用户信息数量不断增大，更新速度加快； ( 2 ) 由于多方面的原因，蒙城县现有地下各类管线的资料残缺不全。且有 关资料精度不高或与现状不符，在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下供水管 线，造成停水、通信中断、污水四溢等严重事故，也造成了饮用水资源的大量 浪费； ( 3 ) 各类管线因为施工单位不同，图面表示杂乱无章，管线走向、埋深、 维修等信息精确度低且难以在图纸上反映； ( 4 ) 在图纸上进行难以进行各种操作如长度、面积量算、信息查询等，由 于数据量大，也基本无法进行相应的统计工作【3 j 。 这些都为蒙城县供水管网的规划、建设和管理工作带来了带来很大的困难。 据统计，作为一个饮用水资源紧缺的大县，蒙城县部分管网的漏失率达到了 3 0 ，有些甚至更高。因此，尽快查清蒙城县现状管网分布状况，应用高新技 术手段来高效管理各类地下专业管线，满足规划、决策、管理部门和施工单位 的需要已是刻不容缓。而利用计算机与地理信息系统来建立专业的数字化管理 系统为解决这一问题提供了强有力的工具【4 1 。 1 3 开发工具背景 1 3 1 地理信息系统 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，即g i s ) ，是一种为了获 取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系 统。它是集计算机科学、地球科学、环境科学、空间科学以及信息科学和管理 科学为一体的新型边缘科学。它能将空间和属性信息有机地、无缝地结合起来， 从空间和属性两个方面对对象进行查询、检索和分析，并将结果以各种直观的 形式精确地表达出来i 5 】。它是一种特定的十分重要的空间信息系统，是在计算 机硬件、软件系统支持下，对有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、 分析、显示和描述的技术系统。它最大的特点就是空间数据作为操作对象，即 点、线、面这类地理实体。而空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的 地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，它已经在诸多领域都 得到了广泛的应用【6 】。 1 3 2a r c g i s 介绍 a r c g i s 是g i s 软件商e s r i 公司在全面整合了g i s 与数据库、软件工程、 人工智能、网络技术及其它多方面的计算机主流技术之后，成功地推出了代表 g i s 最高技术水平的全系列g i s 产品。a r c g i s 是一个全面的，可伸缩的g i s 平 台，为用户构建一个完善的g i s 系统提供完整的解决方案。a r c g i s 是g i s 基 础软件中产品化程度较高，应用较广的系统。相对于国内外其它产品，a r c g i s 作为g i s 开发平台，对于管网信息系统的开发具有独特优势，具体表现在【7 】： ( 1 ) a r c g i s 平台功能强大齐备； ( 2 ) 数据模型合理，分析功能较强； ( 3 ) 二次开发手段丰富，技术支持直接有力； ( 4 ) 应用广泛，造价相比其他开发工具要低廉。 1 4g i s 供水管网中的应用 在供水管网中，管线、管点信息和与管线相关的地形、环境信息本质上是 一种地理信息，此类信息具有区域分布性、数据量大、信息载体多样等特殊性 质，并且经常需要实施与空间和拓扑相关的查询和分析，所以必须运用g i s 对 其进行相关的研究【引。它可根据事物的地理坐标对其进行管理、检索、评价、 分析、结果输出等处理，提供决策支持、动态模拟、统计分析、预测预报等服 务。通过g i s 技术，可以将与地理信息相关的空间位置、属性特征及时域特征 进行统一的管理，并能够更有效地分析和产生新的地理信息。将g i s 技术应用 于城市供水管网管理，能够起到如下作用【9 l ： ( 1 ) 将管网图形库、属性数据库及外部数据库融为一体，不仅图文并茂、 准确高效，而且易于动态更新，大大提高管网管理工作的效率和质量； ( 2 ) 能够对自然过程或决策方案进行模拟或趋势预测，以便从中选择最优 方案，避免管理和决策的失误； ( 3 ) 提供管网运行实施信息模拟工具，可以利用g i s 数字高程模型，模 拟管网水压分布状态，并以二维或三维图形直观显示，为优化调度提供决策依 据； ( 4 ) 有利于管道施工、管网维修和管网事故抢修，利用g i s 的关阀搜索、 管网状态仿真模型，快速分析事故的影响范围和影响程度。 1 5 国内外研究现状 1 5 1 国外发展状况 国内外一些研究者普遍认为，利用g i s 技术，建立城市管网信息系统是一 条有效的途径。目前发达国家己将城市管网信息系统作为城市的基础设施之一， 用于城市动态管理和规划发展，并将它作为对城市重大问题和突发性事件进行 科学决策的现代化手段【l 们。比如英国是比较早实现城市现代化的国家，煤气管 道、给水管道、排水管道和地下电缆铺设的较早，也较早地进入到现代化管理 方式。还有法国巴黎市政府1 9 8 8 年即开始建设城市地下管线管理的g i s 系统， 主要用于协调城市规划和管理部门的合作。作为发展中国家的泰国，于1 9 8 9 年 9 月即完成了覆盖曼谷市2 0 平方公里地区的地下管网信息系统的试验项目1 1 1 1 。 1 5 2 国内发展状况 我国传统的管理手段比较落后，主要是借助子城市综合管线图及一些统计 表格数据进行的，而城市的综合管线图是通过城市地下管线竣工测量或通过现 有管线普查测量，获取管线的技术资料后，由手工编绘而成。基于这种图纸和 大量表格数据的管理工作，存在许多缺点【1 2 】： ( 1 ) 资料管理保存困难，资料分散。城市管线包括给水、排水、煤气、供 暖、电力、电信及各种工业管道，对于拥有如此庞大规模的图纸及各种统计资 料进行手工管理在计算机技术高度发达的今天显得十分低效； ( 2 ) 信息的查询、检索困难。传统方法需要人工在资料堆中查找有关信息 不但效率低，而且容易出错，易造成事故隐患； ( 3 ) 数据更新困难。随着基础设施建设的飞速发展，城市管网信息也动态 变化，而传统方法对动态的数据管理力不从心； - 5 一 ( 4 ) 综合分析困难。传统方法对海量的、动态性的管网数据进行综合分析 十分困难。 二十世纪九十年代后，g i s 系统在我国各领域逐步发展，但由于起步较晚， 技术上相对落后。目前，g i s 在国内供水管网管理系统中的应用集中在输配水 管网的日常管理中，如上海、深圳、唐山等城市【l3 1 。已有的城市供水管网管理 系统基本实现了管网的信息化管理：如数据的录入、修改：对管线及各种设施 的查询、定位和统计分析；对管线横断面图和纵断面图及统计报表显示和输出； 为爆管事故的抢修提供关闸方案等【l4 1 。 1 6 本文的研究意义 本论文以蒙城县县城及县城供水所覆盖的周边农村为研究区域，建立供水 现状管网和近期规划管网的数字化管理系统，系统以a r e g i s 为基础平台，采 用m a p o b j e c t s 组件进行集成式二次开发，以蒙城县地图和供水管网信息为采集 对象，根据系统的总体目标及设计原则，在分析供水管网数据的基础上，给出 了系统的总体架构。其中，重点对爆管关阀分析子模块进行了深入细致的分析 和设计，结合运用图论的方法，应用了一种基于多层次广度优先遍历的关阀优 化方案。最后，在上述基础上，给出了系统的具体实现，并成功应用于蒙城县 供水管理中。 本文具体的研究意义表现在以下几个方面： ( 1 ) 易于管理复杂的空间数据和属性数据，提高供水管网的管理水平。供 水管网一般都有复杂的空间数据和属性数据，数据量十分庞大，且还处于快速 的增长更新之中。面对庞大的数据量，仅凭借图纸和记忆来手工管理大量的数 据资料是非常困难的。建立蒙城县供水管网数字化管理系统有利于为蒙城县供 水管理部门提供现状表达性好、数字化的管网资料，可以快速、准确地进行管 网信息的检索、查询、更新，进行各种统计分析和空间分析【l 引。 ( 2 ) a r c g i s 拥有全面、强大的信息模拟工具，能够对自然过程或决策方 案进行模拟或趋势预测，以便从中选择最优方案，为优化调度提供决策依据 【1 6 】 0 ( 3 ) 易于预防和处理突发的爆管事故。由于多数管网工程没有实行管线竣 工测量，许多供水管线的填埋情况复杂、资料不清、现状表达性不强，有些管 线甚至仅凭当时施工工人记忆去寻找，造成诸多设计上的失误和施工中的事故。 对事故发现后不能及时、迅速制定应急方案是管道破损造成供水损失的重要原 因【引。数字化管理系统是一个动态可维护的信息管理系统，新数据的录入可提 供现状表达性良好的供水管网图，预防施工中的供水事故发生。即使出现了事 故，也可通过系统所设计的功能来及时运算出需关闭的阀门和停水区域，将损 失降至最低。 ( 4 ) 供水管网信息系统的建立，将为多专业城市综合管网数字化管理系统 的建立奠定基础【17 1 。 1 7 本文的主要内容 文章主要研究和讨论了以下问题： ( 1 ) 蒙城县供水管网数字化管理系统的总体设计方案； ( 2 ) 从供水管网的信息数据拥有线性网络特征的分析入手，对蒙城县的地 形图和供水管网的信息数据进行了深入细致的研究，并对数据结构与组织方式 进行了分析，将管网信息数据看成一种几何网络模型； ( 3 ) 针对蒙城县由a u t o c a d 转换的g i s 地图进行了详细分析，为管网数 据信息进行了数据库设计； ( 4 ) 设计和实现了系统的基本功能，包括系统管理功能、数据的录入编辑 功能、属性查询功能、量算功能、标注功能等； ( 5 ) 在图论的基础上，利用a r c g i s 建立供水管网的网络模型，运用多层 次的广度优先遍历优化算法，重点研究了供水管网多源供水条件下的爆管关阀 分析实现。 本文共分为7 章： ( 1 ) 第一章前言 本章中主要介绍了蒙城县的概况与基于g i s 的供水管网数字化信息系统的 研究背景、国内外的发展现状、研究目的与意义以及文章的主要研究内容等； ( 2 ) 第二章系统的总体设计 本章主要介绍了开发环境的选择，给出了系统设计的原则和目标，对系统 图层数据组织和子系统功能进行定义，并分析与确定了蒙城县供水管网数字化 管理系统的核心功能设计思路； ( 3 ) 第三章数据的分析和处理 对蒙城县a u t o c a d 格式的电子地图，重点对供水管网的信息数据进行了 分析、处理与数据库设计； ( 4 ) 第四章爆管关阀分析研究 本章根据管网信息数据的分析，对爆管关阀功能进行了重点研究，在图论 的基础上，针对供水管网运用a r c g i s 建立数据组织的几何网络模型，运用多 层次广度优先搜索遍历算法的优化，应用于爆管关阀功能中。 ( 5 ) 第五章系统界面设计与基本架构实现 本章介绍了系统的界面设计方法，与系统程序的基本架构方式。 ( 6 ) 第六章系统子功能模块的设计与实现 本章介绍了本系统各个子模块功能的具体设计与策略。重点对系统的爆管 关阀子功能进行了实现，给出了系统实现的运行环境与系统的实现结果，并模 拟了系统的运行计算； ( 7 ) 第七章结束语 本章对全文进行了总结，并对后续的进一步研究给出了一些有益的建议。 其中，重点对管网的信息数据的结构进行了研究和分析，在图论的基础上， 利用a r c g i s 建立管网的数据组织的几何网络模型，运用多层次的广度优先遍 历算法进行优化，建立了多源供水条件下的爆管关阀分析，并给出了相应的策 略和实现方法。 _ 8 一 第二章系统总体设计 2 1 系统设计的目标与原则 2 1 1 系统设计目标 蒙城县供水管网数字化管理系统是建立在以供水管网信息数据为基础的， 能够处理以供水管网为核心内容的空间信息和各种相关属性信息的一个综合信 息系统，对供水管网信息查询、抢险决策、管网工况管理和图籍资料的档案管 理提供强有力的科学决策依据与支持，实现分析决策的自动化操作过程【l 引。整 个系统建成后拟实现如下目标： ( 1 ) 对蒙城县所有地图能够进行全面的浏览功能，并能够清楚地显示地物 所在位置及其坐标； ( 2 ) 管网数据的录入与编辑，利用地理信息系统对管网资料进行管理； ( 3 ) 能够在管网发生事故时快速、准确地提供抢修和施工方案的决策支持； ( 4 ) 系统应具有良好的开放性和可拓展性【”】。 2 1 2 系统设计的原则 供水管网数字化管理系统是以具有查询统计与空间分析功能的地理信息系 统为支持，并对其扩展了管网事故分析的信息系统。系统充分利用地理信息系 统的各种功能、对具有空间特征的管网要素进行处理分析，以达到管理区域系 统的目的【2 0 1 。 系统总体设计原则可归纳为： ( 1 ) 先进性原则 蒙城县供水管网信息系统采用全球著名的g i s 软件商e s r i 公司提供的全 系统平台a r c g i s 软件当中的二次开发组件m a p o b j e c t s 进行集成式二次开发， 将地理信息系统软件功能与可视化编程工具强大功能的优势完全的表现出来。 ( 2 ) 可靠性原则 一方面是保证系统运行的安全性f 2 1 】；另一方面是保证系统中爆管分析计算 的结果有效可靠。 ( 3 ) 易操作性原则 系统应提供美观实用、友好直观的中文图形化用户管理界面，方便易学、 易于操作。系统应将管线信息以图形化的方式提供各种操作手段，充分发挥g i s 以图形面对用户的特点，信息的表现方式更直观，效率更高，摆脱过去那种面 对大量枯燥的表格、文字信息进行数据挖掘的状况。同时各种屏幕格式、报表 格式、菜单格式等界面均采用w i n d o w s 标准风格，各种常用操作符合w i n d o w s 习惯【2 2 1 。 ( 4 ) 安全性原则 限制用户随意更改系统数据，系统对用户应有使用权限控制，只有数据录 入人员才有权限更新有关数据。 ( 5 ) 性价比高原则 考虑到蒙城县供水管理部门的实际承受能力和系统实现的功能，应选择能 满足其要求的g i s 软件作为系统的开发平台，使系统的开发费用和购买平台软 件费用较低。 2 2 系统开发环境 2 2 1 系统开发方式 目前g i s 系统的开发与实现一般采用以下三种方式【1 9 】： ( 1 ) 独立开发 指不依赖任何g i s 工具软件，独立进行应用系统开发，从空间数据的采集、 编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者设计，然后选用某 种程序设计语言( 如c + + 、p a s c a l 等) 在一定的操作系统平台上编程实现， 与通过g i s 工具软件相比，开发过程相似，功能结构上更针对应用目标。 ( 2 ) 单纯二次开发 指完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统的开发。目前国 内流行的g i s 工具软件中，有许多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如： 美国的环境系统研究所( e s r i ) 开发的a r c v i e w 提供的a v e n u e 语言；美国 m a p l n f o 公司研制的m a p l n f o 提供的m a p b a s i e 语言等等。用户可以利用这些宏 语言，以原g i s 工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用 软件。 ( 3 ) 集成二次开发 集成二次开发是指利用g i s 工具软件( 如a r c v i e w ，m a p l n f o 等) 实现g i s 的基本功能，以通用编程软件尤其是面向对象的可视化开发工具( 如d e p h i ， v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，p o w e rb u i l d e r 等) 为开发平台，充分发挥g i s 工具 软件在空间数据处理上的优势及可视化开发工具在应用程序开发上的强大功 能，进行二者的集成二次开发。 集成二次开发又分为两种方式【2 3 】：一是采用o l ea u t o m a t i o n ( 对象连接嵌 入式自动化) 技术或利用d d e ( 动态数据交换) 技术，用软件开发工具开发前 台可执行应用程序，以o l e 自动化方式或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台 运行，实现应用程序中的地理信息系统功能：二是利用g i s 工具软件生产厂家 提供的建立在o c x 技术基础上的g i s 工具软件组件，如e s r i 公司的 m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 公司的m a p x 等，在各种编程工具编制的应用程序中直 接将g i s 功能嵌入其中。 就上述三种开发方式来说，独立开发的好处在于无须依赖任何商业g i s 工 具软件，这样不仅减少了开发成本，而且同样的算法设计与代码可以运用于以 后的类似的应用系统开发中，这可以为许多最终用户节省购买g i s 工具软件的 费用，但进行这种方式的开发，一方面要求开发者有很好的计算机程序设计功 底，另一方面对于大多数的开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使得开 发出的产品很难同商业化的g i s 工具软件相匹敌，同时费用很高，这种方式己 经很少使用1 2 引。 单纯二次开发由于借助于g i s 工具软件提供的宏语言进行的，省时省心， 但不管是a r c v i e w 提供的a v e n u e ，还是m a p l n f o 提供的m a p b a s i c ，其开发应 用程序的界面单一不够友好，效率较低，难以发挥开发者的想象力以及不同g i s 应用的需要。 集成二次开发既可以充分利用g i s 可视化软件语言开发工具具有的高效、 方便等编程功能的优点，又可充分利用地理信息系统工具软件完备的空间数据 功能、