（市政工程专业论文）给水管网改扩建决策支持的数据库的初步研究.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展、城市的扩大、用水量的增加、用水普及率的提高，各城 市都面临着给水管网系统改扩建问题。由于给水管网投资大、管理费用高，合 理的进行管网改扩建不仅能够丰富和完善管网设计内容，而且对于降低工程投 资和提高新技术应用水平都具有重要的现实意义。 给水管网改扩建的用水量预测方法和数学优化模型已经研究多年，然而目 前给水管网优化模型所依托的数据库研究还未受到重视。决策者在给水管网改 扩建方案比较时，用多种优化模型和多个用水量预测方法进行比较分析更为科 学。所以这时，数据库的设计的合理性就显得尤为重要起来。 本文对给水管网水力模型e p a n e t 软件所需的数据库的结构特点、应用需 求进行了深入的分析和研究。之后，利用基于关系模型的数据库建模方法e r ( e n t i t y r e l a t i o n ) 模型对给水管网属性数据进行数据库结构的建模。属性数据被 统一存储在a c c e s s 数据库中；使用a r c g i s 的g e o d a t a b a s e ( 空间数据模型) ， 空间数据亦存储在a c c e s s 数据库中。借此，完善了给水管网空间数据和属性 数据的存储、动态更新、查询以及属性数据与空间数据的互访，为给水管网改 扩建决策中的各种数学模型提供了有力的数据支持。 给水管网改扩建决策支持的数据库架构为工程一方案一实体一属性。其主 体机制为方案继承：即子方案既拥有父方案所有的数据和操作，又拥有自身的 数据和操作。方案继承机制改变了以往用于改扩建决策支持的数据库的弊端， 更为改扩建决策支持提供了良好的数据存储环境。 最后应用系统工程和软件工程的原理和方法，以本文研究的数据库和 a r c g i s 为支撑，使用e p a n e t 水力模型协助给水管网改扩建，使其更具有科学 性、规范性、准确性和可操作性。 关键词给水管网；改扩建；数据库；继承机制；e p a n e t 北京t 业大学t 学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m i c ，e x p a n d i n go fc i t y , i n c r e a s i n go f d e m a n da n d t h ea d v a n c i n go fw a t e re x t e n s i o n ，t h eh u g ei n v e s t m e n ta n dm a n a g e m e n tc o s t o p t i m a l r e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g yn o to n l yc a ne n r i c hp i p en e t w o r kd e s i g nc o n t e n t ，b u ta l s o e n h a n c et h ea p p l i c a t i o nl e v e lo fn e wt e c h n o l o g y , a l lo ft h e s eh a v et h ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w a t e rc o n s u m p t i o nd e m a n df o r e c a s t i n gm e t h o d sa n dm a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o n m o d e li n v o l v e di nw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a db e e ns t u d i e df o rm a n yy e a r s a t p r e s e n t ，d a t a b a s es t u d yu s e di nm a t h e m a t i c a lm o d e lh a dn o tb e e nt a k e ns e r i o u s l y i t w a sm o r es c i e n t i f i cf o rt h ed e c i s i o n m a k e r st ou s eav a r i e t yo fm a t h e m a t i c a lm o d e l s a n df o r e c a s t i n gm e t h o d sf o ra n a l y s i sw h e nc o m p a r i n gw a t e rs u p p l yn e t w o r ke s t a b l i s h a n de x p a n d i n gp r o j e c t 。t h e r e f o r e ，t h er a t i o n a l i t yo fd a t a b a s ed e s i g nw a sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i nt h i s t h e s i s ，d e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h es t r u c t u r eo fd a t a b a s ea n d a p p l i c a t i o nd e m a n dw h i c ha p p l yi ne p a n e t s o f t w a r e c o n s t i t u t e dw a t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kd a t a b a s em o d e lb a s e do nr e l a t i o n a lm o d e le - r ( e n t i t y - r e l a t i o n ) d a t ao f a t t r i b u t ew a su n i f i e ds t o r e di na c c e s sd a t a b a s e ，a n ds p a t i a ld a t aw a ss t o r e di n a c c e s su s i n gw i t hg e o d a t a b a s ei na r c g i s w i t ht h e s em e t h o d s ，t h es t o r a g e ， d y n a m i cu p d a t e ，q u e r i e sa n di n t e r - l i n k a g eb e t w e e ns p a t i a l d a t ao fw a t e rs u p p l y n e t w o r ka n da t t r i b u t ed a t aw e r ei m p r o v e d i tp r o v i d e ds t r o n g l yd a t as u p p o r tf o r v a r i o u sm a t h e m a t i c a lm o d e l si nw a t e rs u p p l yn e t w o r kr e h a b i l i t a t i o n & d e v e l o p m e n t d e c i s i o n - m a k i n g t h ed a t a b a s es 缸u c t u r eo fw a t e rs u p p l yn e t w o r kr e h a b i l i t a t i o n & d e v e l o p m e n t w a sp r o j e c t s c e n a r i o a l t e r n a t i v e s a t t r i b u t e s i t sm a i nm e c h a n i s mf o rt h ed a t a b a s ew a s i n h e r i t ，t h a tw a s ，t h es u b s c e n a r i oi n h e r i t e dt h ef a t h e rs c e n a r i oa n di th a da l lt h ed a t a a n do p e r a t i o n so ft h e f a t h e rs c e n a r i oa sw e l la si t so w nd a t aa n do p e r a t i o n s i n h e r i t a n c em e c h a n i s mc h a n g e dt h ed r a w b a c k so fp r e v i o u sd a t a b a s eu s i n gi n d e c i s i o n - m a k i n g ，a n di t a l s op r o v i d e da ne x c e l l e n td a t as t o r a g ee n v i r o n m e n tf o r r e h a b i l i t a t i o n & d e v e l o p m e n td e c i s i o nm a k i n g f i n a l l y , b a s e do nt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fs y s t e me n g i n e e r i n ga n ds o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，s u p p o r t e db yd a t a b a s er e s e a r c h e di nt h i st h e s i sa n da r c g i s ，u s e dw i t h e p a n e th y d r a u l i cm o d e l ，m a k ew a t e rs u p p l yn e t w o r kr e h a b i l i t a t i o n & d e v e l o p m e n t m u c hm o r es c i e n t i f i c ，s t a n d a r d i z e d ，a c c u r a t ea n dm a n e u v e r a b l e k e y w o r d sw a t e rs u p p l yn e t w o r k ；r e h a b i l i t a t i o n & d e v e l o p m e n t ；d a t a b a s e ； h e r i t a n c em e c h a n i s m ；e p a n e t i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 第l 章绪论 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 城市给水系统由取水、净水和输配水三个子系统组成，输配水管网是城市 给水系统的重要组成部分，它担负着把水安全可靠地输配到用户，并满足用户 对水量、水压和水质的要求任务。给水工程建设中，输配水管网的投资占整个 给水工程投资的6 0 - - 8 0 ，而且还涉及每年庞大的能量消耗，同时管网的运行 状态还影响着给水水质。因此，对给水管网技术经济合理性进行研究，探讨如 何对管网进行统一规划、合理布局、合理选择管径、布置泵站，以期达到降低 投资，节约能量和保证安全给水的目的，对提高给水系统的经济效益和社会效 益有着重要的意义。 给水管网的改扩建是指给水管网系统的更新、扩大和完善，它包括“改 建”和“扩建 两个部分。给水管网的“改建 是指原有管网的系统中的管 线、阀门等组成部分经过长期使用出现了老化、损坏的现象，影响正常供水， 不能满足使用要求，应该针对具体情况对其进行修缮、更换或改为其它形式， 以使管网能够正常工作。例如：旧管网中的管道内壁腐蚀严重，使管道实际输 水管径减小，可以通过清洗使管内附着物被冲出；土壤的化学作用使管道内壁受 腐蚀，管道破损，出现严重的漏失现象，出现这样的情况应该将管道挖出，更 换新管；给水管网的“扩建 是指在不改变原有管网系统的情况下，根据新的需 求在旧管网系统中增敷新管、添加新的设备、建造新的构筑物等等。例如：新 建工厂等大用户需要敷设新的支管来满足它的用水需求。城市给水管网是建成 年代久远，运行状况复杂的庞大网络系统，管网改扩建是在原有管网的基础上 进行的。既要充分发挥旧管网的功能和作用，又要满足增大供水量、扩大供水 范围的扩建要求对旧管网进行改建，并同时扩建新的管网，使新旧管网共同工 作，满足城市的日常用水需求。 因此，给水管网改扩建方案决策，对节约投资，降低供水能耗，提高投资 效益等有着重要的意义，是实现提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低能 耗，降低漏耗和降低药耗“二提高三降低 奋斗目标的重要环节，是供水行业 亟待解决又具有重大经济效益和重要社会效益的研究课题。 北京r t 业大学t 学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数据库系统发展 数据库系统的核心是数据模型，数据模型的发展经历了格式化数据模型包 括层次模型、网状模型、关系数据模型两个阶段，正在走向面向对象的数据模 型等非传统数据模型的新阶段。从数据模型的发展来看，数据库技术的发展相 应也经历了三个阶段【l j ： ( 1 ) 第一代数据库系统 2 0 世纪7 0 年代，以网状模型、层次模型为代表的第一代数据库得到发 展，实现了数据集中控制和共享。支持三级模式的体系结构外模式、模式、内 模式，用存取路径来表示数据之间的联系，有独立的数据定义语言，但数据一 经定义就不易修改，体现出一定局限性。 ( 2 ) 第二代数据库系统 2 0 世纪8 0 年代，以关系模型为代表的关系数据库，由关系数据结构、关 系操作集合、关系完整性约束三部分构成，不仅简单、清晰，而且有关系代数 作为语言模型，有关系理论作为理论基础，因此具有很好的发展形式。关系数 据库系统的发展也促进了数据库系统的小型化。典型代表有：1 9 7 6 年，i b m s a n j o s e 研究室推出的s y s t e mr 和加州大学伯克利分校的i n g r e s 关系数据库。 ( 3 ) 新一代数据库系统 2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，开发新代数据库以处理除常规数据外的数 据，比如对图形、图像、声音、视频等多媒体数据、动态数据、空间数据、知 识信息以及各种复杂对象等非常规数据提供新的数据处理功能，为此提出了许 多新概念、新思想、新方法。比如分布式数据库、w e b 数据库、面向对象数据 库、并行数据库、多媒体数据库、主动数据库、数据仓库、工程数据库、空间 数据库等。 1 2 2 给水管网模型的发展 管网水力计算最初是根据哈代一克罗斯( h a r d y c r o s s ) 法解环方程，通过手 工迭代计算进行平差的。该方法仅适用于小规模环状管网的水力计算，计算过 程复杂、费时，计算精度较低。 2 0 世纪7 0 年代中期，利用计算机进行给水管网水力计算的理论和方法在 第1 章绪论 大学和研究机构得到了广泛而深入的研究，形成了稳态水力模拟的完整数据模 型，并成功地开发了许多专业应用软件，如美国u t a h 州立大学的j e p p s o n 程序 ( 1 9 7 6 ) 等，给水管网水力计算程序7 4 7 、7 4 9 、7 5 1 2 、7 6 7 等。进入2 0 世纪 8 0 年代，软件开发逐渐成熟，并开始重视稳态水力模拟系统与g i s 、c a d 技术 开发和应用。 1 9 9 0 年后是专业软件系统蓬勃发展的时期，专业软件向着智能化、图形化 方向发展，并为用户提供方便的界面和强大的功能。 目前，给水管网系统的水力平差设计计算，在算法上已比较成熟，在计算 规模、速度和精度上，随着计算机技术的发展，已不再是平差计算的约束问 题。如w d o c 、e p a n e t 等软件，都可方便地解决成千上万根管段的水力计算 问题。随着g i s 技术的出现和不断完善，其强大的空间数据管理和网络分析功 能为管网水力计算模型提供了有效的数据管理和组织手段，简化建模的过程。 因此，水力计算模型与g i s 的结合成为了管网水力计算模型的主要发展方向之 一o e p a n e t 的水头损失公式可以采用海曾一威廉( h a z e n - w i l l i a m s ) 、谢才一 曼宁( c h e z y - m a n n i n g ) 、达西一魏斯巴赫( d a r c y w e i s b a e h ) 等公式；其采用 t o d i n i p i l a t i 的梯度算法( g r a d i e n tm e t h o d ) 作为标准算法，最终归结为求解稀 疏矩阵，提高了算法的稳定性【2 】。在同等节点流量、管段c 值等条件下，利用 e p a n e t 可大大提高计算的精度和速度，计算时间不足1 秒。 1 3 本研究课题的来源及主要研究内容 1 3 1 本课题的来源 本研究课题来源于“十一五 国家科技支撑计划“城市市政管网规划建设 与运营管理关键技术研究与示范( 2 0 0 6 b a j l 6 8 0 4 ) 的子课题“城市市政管网 信息管理系统及可视化动态管理系统研究 ，本文主要研究内容是城市市政给水 管网信息管理系统部分。 1 3 2 主要研究内容 计。 根据城市给水管网改扩建的需求，本文主要研究基于e p a n e t 的数据库设 主要研究内容包括：研究了给水管网改扩建决策支持的数据库的设计：阐 - 3 北京丁业大学工学硕士学位论文 述了给水管网改扩建决策支持的数据库的特点和功能；论述了给水管网图形数 据和属性数据如何存储在数据库中；重点介绍了如何使用e p a n e t 、a r c g i s 和 数据库进行改扩建决策支持。 第2 章给水管网模型与o i s 第2 章给水管网模型e p a n e t 与g is 2 1 给水管网模型的分类 目前，在我国给水领域存在着种种的问题，最重要的原因在于没有建立比 较完善的管网模型。因此，很难全面和深入地了解管网状态，管网也就形成所 谓的高压区和低压区。管网低压区的地方水压过低，不能满足用户的需求，而 高压区的地方水压过高，管网的漏水量巨大，造成供水巨大的能量浪费，甚至 发生爆管等的重大事故，严重影响给水安全。因此，建立一个比较完善的管网 模型，这对于实现管网的优化调度方面，对于实现给水管网的改造及扩建的科 学性、合理性方面，以及在给水系统发生重大事故时，利用模型分析事故时管 网存在的问题，做出合理的决策等方面，无疑将有重大的现实意义，并将产生 深远的影响。 目前，给水管网的模型主要有以下3 种： ( 1 ) 管网宏观模型 管网宏观模型是在管网流量服从“比例负荷”的前提下，应用“黑箱理 论 的基本思想，直接建立给水系统的“输入量和“输出量 间的相互关 系。通常采用水厂的给水压力和给水流量作为“输入量，压力监测点的压力作 为“输出量”，这样避开了研究给水系统细微内部结构带来的困难和不确定因 素，同时避免了求解高阶非线性方程组的困难，大大提高了计算速度。 宏观模型不能求得管段和节点的工况参数，多用于管网调度，不宜用于给 水系统新建、改建和扩建建模。 ( 2 ) 管网简化模型 为了简化管网模型，只选取直径比较大的输水管段建立管网简化模型，直 径比较小的配水管段就忽略。由于给水管网中输水管网与配水管网往往没有清 楚的区分界线，如何确定输水管段是需要仔细考虑的问题。另外为了保证管网 连续性，或为了保留较重要的连通输水管，可能还需要选取一些直径较小的管 段加以补充。建立简化模型的确能大大减少建模的工作量，但有些问题必须需 加以考虑：管网简化模型与实际管网是否等效：保证管网连续性只是能够进行 模拟仿真计算的最低必要条件，而不是充分条件：在简化的同时如何增补较小 管径还须仔细斟酌；如何确定每一个节点的给水范围。 ( 3 ) 管网微观模型 按管网实际情况，包括管网所有元素( 管段、阀门、水泵等) ，不做任何简 5 北京t 业太学i 学碰+ 学位论文 化建立的模型称为管网微观模型。其最明显的优点是直接应用完整详细的管网 信息数据库的资料，包括管网的全部建模。具体求解方法有解节点方程、解环 方程和解管段方程。其计算结果可得到所有节点和管段的全部信息。 建立与实际管网系统特征相符的微观工况模型是解决给水管网科学管理的 有效手段，是保证给水安全、提高给水效益、减少漏耗和电耗的需要：建立的给 水管网分析平台，是优化管网系统规划、优化调度及优化改扩建的基础，是诊 断管网异常、提高管理水平的保证。 2 2e p n e t e p a n e t 是美国环保署( e p a ) 开发的用于在有压管网中水力和水质情况 的动态模拟。 e p a n e t 可以多时间步长地模拟给水管网中的管段流量、节点水压、水塔 水位、管网中某种化学成分的含量、水龄和来水追踪。 图2 - 1 e p a n e t 平台 f i 9 2 - 1 t h o p l a t f o r mo f e p a n e t 2 2 1e p a n e t 中管网的表达 e p a n e t 通过一系列节点和连接来模拟给水系统。连接表示管段、水泵和 第2 章给水管网模型与g i s 控制阀。节点代表管段进水点出水点、水箱和水库。图2 2 说明了这些组件是 如何相连组成一个管网的【3 1 。表2 1 详细介绍了模型中的各部分。 图2 - 2 e p a n e t 中的管网模型部件 f i g 2 2 p h y s i c a lc o m p o n e n t si naw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m 表2 1 管网模型各部件说明 t a b l e 2 1t h ed e t a i l so fc o m p o n e n t si ne p a n e tm o d e l 管网部件定义基础数据计算结果备注 名称 节点节点是管网高程水头值可以设置随时间变化的需水量 ( j u n c t i o n )中管段的交需水量压力值可以设置多种类型的需水量 点和进水口水质 水质情况可以具有负值需水量，其表明水流入 及出水口。管网 可以在节点处改变水质( 指可能二次 加氯或污染物进入等) 射流，其出流 量取决于压力 水池水池代表管水头由于水池是管网的边界点，其水头和 ( r e s e r v o i r )网中水量无水质水质不会受到管网的影响。因此其没 限的水源，有可计算的输出属性：然而其水头可 其用于模拟以按照一定的时间模式发生变化。 类似于江河 湖泊，地下 含水层以及 与其他系统 的交汇处。 蓄水池也可 以作为水质 源点。 北京工业大学工学硕士学位论文 续表2 1 管网模型各部件说明 水塔 水塔是具备池底高程水头水塔的调节范围是在最低和最高水位 ( t a n k ) 蓄水能力的直径水质间的。e p a n e t 规定水位低于最低水 节点。最低水位位时停止出水，高于最高水位时停止 最高水位进水。水塔也可以作为水质源点。 初始水质 孔口 孔口是与节孔口用于模拟在自动洒水装置和灌溉 ( e m i t t e r ) 点相联结的系统中水流的情况。 装置，其模其也可以用来模拟管段衔接处的漏失 拟水从喷嘴( 此时要估算裂缝处的流量系数和压 或小孔喷射力指数) 或用来计算节点处的消防流 到大气的情量( 最小剩余压力下的的最大流 形。水流喷量) ，e p a n e t 处理孔口为一个节点 出速率与节属性而非一个单独的管网组件。 点压力相 关。 管段( p i p e ) 管段是管网开始节点流量1 沿程水头损失可以通过h a z e n 中将水从一终止节点流速 w i l l i a m s 公式、d a r c y - w e i s b a c h 公式 个点输送到 直径 水头损失 或c h e z y - m a n n i n g 公式得出。 另一个点的管长摩擦系数2 是否考虑局部水头损失取决于管网 连接。粗糙系数平均水质的规划和要求的计算精度。局部水头 e p a n e t 假状态平均反应损失可以通过设置管段的局部阻力系 定所有的管速率数而计算得出。局部水头损失是局部 段在任何时阻力系数和管中的流速水头的乘积， 刻都是满 h ，：七! 流。水流流 如： l 2 9 向是从高水 头的末端指 向低水头的 末端。 水泵水泵是将能 起始节点流量 燹速泵h j 以在行定条件卜改燹兵转速 ( p u m p ) 量传递给流终止节点扬程设置。 体以增大水水泵特性 水泵可以在预设时间或管网中的特定 头的连接。曲线条件下进行打开和关闭的操作。 水泵的操作可以通过设置相对转速的 时间模式来体现。 通过水泵的水流是不可逆的。 8 第2 章给水管网模型与g i s 续表2 1 管网模型各部件说明 阀门阀门是管网开始节点减压阀( p r v ) 稳压阀( p s v ) 定阻 ( v a l v e ) 中的特定位终止节点阀( p b v ) 流量控制阀( f c v ) 节流 置上用来限 直径 阀( t c v ) 普通阀( g p v ) 制水压和流 设置值 量的连接。状态 2 2 2 水力状态模拟 e p a n e t 的水力模拟模型根据水池和水箱水位和节点需水量等一系列数值 计算节点水头和管段流量。从一个时间段到另一个时间段的计算，水池水位和 节点需水量根据预设的时间模式更新，水塔的水位则使用当前流量解更新。节 点水量和水头通过求解节点的水量连续性方程和连接的水头损失方程( 能量方 程) 来得到。这个过程称作管网的“水力平衡 ，需要使用迭代法求解相关的非 线性方程。e p a n e t 使用梯度算法求解。 用于延时模拟( e x t e n d e dp e r i o ds i m u l a t i o n ，以下简称e p s ) 的水力时间步 长可由用户设定，较典型值为l 小时。当以下的事件发生时较短的时间步长自 动触发【4 】： ( 1 ) 下一个输出时段开始 ( 2 ) 下一个时间模式时段开始 ( 3 ) 水箱变空或者变满 ( 4 ) 一个简单控制或基于规则条件的控制被激活 2 2 3 水质模拟 e p a n e t 的水质模拟器应用拉格朗日法跟踪离散水体段沿管线运动轨迹和 经过一定时间步长后在节点的混合情况。这些水质时间步长通常要远比水力时 间步长短( 比如，是分钟而不是小时) ，这样可以适应发生在管中的传输时间。 这种方法跟踪在管网中每个管线里互不重叠的一系列水体段的大小和溶质 浓度。过段时间，管段最上端水体段由于进水而变长，相应的管段最下端水体 段由于出水而等量变短，而管段里所有的水体段总长度不变。 每个水质时间步长中水体段中的溶质会发生反应变化，流入每个节点流 量、溶质总量、水体段的位置不断更新。然后计算新的节点溶质浓度，包括任 何外来溶质源项。储水箱的溶质浓度根据所使用的混合模型种类计算。最后， 当管线节点与该管线末端水段溶质浓度差值超过用户预设容许值，则在该管线 北京i t 业大学t 学硕士学位论文 末端生成一新水体段，节点水流流入该水体段。 开始时管网中每条管段都包含有其水质等于上游节点初始水质的水体段。 若管线水流反向流动，管线中的水体段需要重排【5 1 。 2 2 4 水力计算算法总结 e p a n e t 作为高效的水力和水质计算引擎程序仍然存在着一些缺点，例如 在模拟间歇供水状况时，水压计算值会出现负值；不具有变频泵模拟功能等。 因此，对于更先进的水力计算方法的探索一直没有停止。国外的研究状况基本 上是在现有e p a n e t 计算引擎基础上，对其加以改进；其研究工作大都集中在 优化设计组件的开发上，如爆管预测、模型自动校核、管网改扩建经济评估 等。相比之下，我国的研究重点放在了基础水力计算方法的研究上，并且已经 取得了很多的研究成果。其中包括对管网不同状态下计算方法，以及将不同的 分析方法引入到了给水管网平差计算中，如蒙特卡罗、法【们，电模型求解方法【7 j ， 基于浮点数编码的遗传算法等【8 】。这些算法的开发都为我国给水管网建模软件 的发展奠定了牢固的基础。 2 3gls 基本概念 2 3 1 空间实体及分类 g i s 的基本思想就是根据地理空间的差异性，将空间划分为大陆、地区、 地方和地点来理解地表，并进而按照地理学的基本规律将它们表示为地理空间 数据。地理空间实体是组成地理空间数据的基本单位，是地理空间数据模型乃 至g i s 的基础，可以用来刻画地理空间数据模型。地理实体就是空间中具有独 立含义的空间元素。按其几何特征，可分为点、线、面和规则几何表示四类简 单实体，各实体是由相应的几何元素表示的。其中： 点状实体( p o i n t ) ：这种实体由空间( 二维或三维，有时候也包括时间) 上的一 个坐标点来表示。 线状实体( l i n e ) ：这种实体由空间上一条或若干条首尾相连的线段来表示， 各线段间除了端点外没有其它交点。这些首尾相连的线段合在一起称为一条 线。线上的两个端点是结点，中间连接各线段的点称为折点。 面状实体( p o l y g o n ) ：这种实体由空间上若干条线表示，由组成一个个封闭 的区域，称为多边形。多边形区域内的任意一点称为该多边形的内点。 第2 章给水管网模型与g i s 规则几何实体：虽然现实世界的物体很少有绝对规则的几何形状，但有很 多东西用诸如椭圆、矩形、弧等规则几何符号来表示又贴切又简捷，所以在我 们的系统中也支持规则几何元素表示的实体。 除了上面的简单实体以外，还会有一些复合实体，即由多个简单实体组合 而成的实体，例如线簇和面簇。一个实体，无论是简单实体还是复合实体，除 了它的几何特征和空间位置信息外，还具有很多自然和社会属性，这两部分合 在一起，才是一个完整的实体。所以一个实体的表示分两部分： 空间信息：是实体的空间位置特征，以一定的空间坐标系为参考并以矢量 数据表示。处理实体的空间信息是g i s 的最大特点，是区别于其它信息系统的 标志。 属性信息：每一个空间实体，除了具有空间数据之外，其自身还具有一定 的自然属性和社会属性，如一个城市的人口、历史、文化等。 属性信息和几何信息共同描述一个空间实体，因此g i s 要处理的不仅仅是 空间的信息，还需要一般的关系数据库一样，处理非空间的，常常是结构化的 属性信息。对空间数据和属性数据的统一管理，是合理、有序地管理好g i s 的 数据的关键。 地理空间实体具有空间分布特征和一定几何形态的事物和现象，可分为资 源、环境、经济和社会以及地质、地形、气候、植物、耕地、水文、经济与社 会等。 由于地理空间实体具有复杂性和多样性的特点，对其分类还需要同时兼顾 其空间要素和属性要素两个特征，因此，可将地理空间实体划分为零维实体、 一维实体、二维实体以及复杂实体等四类2 0 多种。 2 3 2 基于空间的地图表征 地图作为g i s 数据的可视化表现形式，是最重要的数据来源。地图包括常 见的纸介质地图和越来越多的电子地图。一个地图，除了要描绘我们上面所说 的几何元素以外，还包括坐标系、投影方式、图幅范围、比例尺、标注、制图 时间和版权信息等要素。 任何一幅地图，上面载有的信息都是复杂多样的，例如一个城市的交通 图，上面除了铁路、公路、街道以外，还有行政区划、车站、饭店、学校、公 园、水域、企事业单位、居民区等目标，这些目标我们都可以用上面所述的空 间实体来表示。地图上空间实体虽然从空间信息上可以概括分为四类简单实体 和复合实体，但每一种实体的属性信息却千差万别，必须区别对待。在计算机 里，为了方便对地图和地图上空间实体的管理，有以下的概念： 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 )图层 为了计算机管理上的方便，我们按照空间实体的空间和属性信息的特征进 行分类。分类可以有很多种，例如在交通图中我们可以把实体分为行政区划( 面 状) 、水域( 面状) 、重要交通线( 线状) 、次要交通线( 线状) 、重要建筑( 点状) 、车 站( 点状) 等。一定地域范围内，某个分类的所有空间实体按其地理位置，以某 种比例绘在一张图上，这张图称为一个图层。 具有相同几何种类的图层可以通过叠合操作生成复合图层。所谓相同几何 种类是指图层具有相同的几何类型，如同是多边形图层、或同是线状实体图层 或同是点状实体图层。不同几何种类的图层可进行图形叠合显示，而不能生成 新的复合图层。复合图层中的几何实体将具有多个属性，它们是通过继承被叠 合的图层的空间实体属性值而得到。例如两个多边形区域叠合产生的公共区域 将同时继承两者的属性值。复合专题图允许再叠合。 ( 2 ) 实图、图幅及分幅编码 经常有这种情况，在采集地图数据的时候，某一地域范围内的地图有很多 幅，例如一个城市1 ：5 0 0 的街区图，经常是成千上万张，我们称每一张都是实 图。实图为输入图层时分割的小幅图。地图一旦输入计算机，我们就会根据应 用的需要，将不同的实图根据其邻接关系拼接成完整的图层。 事实上实图的分割方式是按一定的分幅编码规则进行的，并将实图按地理 范围编码。有时候为了管理和检索的方便，也可以人为地将一幅坐标范围很大 的地图，划分成多幅较小的地图，较小的地图也称为图幅。 ( 3 ) 非标准地图图层 以上描述的地图图层是标准的矢量地图，但实际中遇到的地图要比前者复 杂得多，有时候不方便或不必要把一幅地图转换成标准的矢量格式，所以还需 要支持其它格式的图层： 影像地图：遥感照片、航空照片或扫描地图经常可以很方便地获得，这种 地图可以很容易地转换为标准的b m p 、p c x 、t i f 或j p g 格式，统称之为影像 地图。 如果不关心地图上的具体对象而只是想把它作为一个背景地图或参照地图 以支持标准矢量格式的地图显示、查询和分析时，就可以直接利用这种影象地 图，作为一个独立的图层，为了与标准的矢量地图在地理位置上进行对准，我 们需要对地图影像进行旋转和坐标校正。 栅格地图：在地震、地质、水文监测、地籍管理等领域还经常使用栅格地 图。这种地图是一个m * n 的矩阵，对应一定地理区域的一个m * n 划分。矩阵 中的每一个元素的值代表的是对应的地理区域划分中相应位置的属性，例如高 程、磁场强度、作物产量、地籍评价等。栅格地图必须通过诸如d t m 等模型 处理才能用于显示。由于栅格数据一定具有参照坐标系和地理坐标范围，所以 第2 章给水管网模型与g i s 很容易与矢量地图进行坐标对准，并作为单独一层用于参照。 等高线图：地图上还有一类重要的对象，那就是等高线，这是地图上描述 三维目标的重要手段。等高线都是封闭的曲线，而且具有相同的地理高程间 隔，比较容易矢量化。我们将这种数据也采用专门的格式，作为单独的图层处 理。在使用等高线图时，可以进行三维造型，也可以直接显示。 ( 4 ) 地图整饰 g i s 的一个重要的用途是显示和可视化表现。在一个应用中，经常需要将 多个图层按一定的层次顺序，采用合理的图例符号，一定的标注信息并加上诸 如方向、坐标系、版本、版权、时间等信息，配置成一幅美观的地图，用于显 示在计算机的显示器或按一定比例尺输出到绘图仪、打印机等外部设备上，这 个配置过程，我们称为地图整饰，一次地图整饰的结果，我们称为获得了一幅 地图。 ( 5 ) 图层视图 图层的视图是图层中部分实体的集合。可以用来提高系统性能和安全性。 一个图层的视图唯一地对应一个图层，但一个图层可以有多个视图。 2 3 3 地物要素的拓扑关系 实体间的拓扑关系是指在图层进行拓扑变换时空间实体间保持不变的关 系。是实体之间的空间联系。二维地图空间实体的拓扑关系，可以归纳为如下 几种t 关联：两条或更多的线共一端点。它是同一图层空间实体间的关系，反映 了线的通达性。如道路相连，管道相通等。 相邻：两个多边形共一边界线。它也是同一图层空间实体间的关系，反映 了面域相邻性，也可以反映区域的通达性。如行政区划的相邻关系。 覆盖：一个多边形完全覆盖另一个多边形、点、线实体。它描述不同图层 实体间的关系。 重叠：线穿过点，线穿过线，线穿过多边形，两多边形边界相交等关系都 是重叠关系。除了线与线的相交外，其余的重叠关系都只描述不同图层实体间 的关系。 岛：如果一个多边形的外侧相邻于同一个多边形，且两者的外边界线不关 联，则称前者是后者的岛。 由于投影变换都是拓扑变换，所以实体间的拓扑关系不随投影方式的改变 而改变。 北京工业大学工学硕十学位论文 2 3 4 地理信息基础数据 只包含g i s 的空间数据组成和属性信息的数据为g i s 基础数据，包含如下 特点： ( 1 ) 基础数据是完整的数据，不需要额外的数据就可以给出完整的空间 实体描述； ( 2 ) 所有经过算法计算可以获得的数据都不是基础数据，如拓扑关系、 索引等。空间基础数据是要严格管理，保证安全性、一致性、完整性的数据。 从空间基础数据的定义可以看出通常用来描述面状地图的多边形组成、内 点、多边形拓扑等数据以及描述线状地图的结点数据、线连接数据等由于可以 经过计算获得，所以不是基础数据。 2 3 。5 地理空间数据组织 地理信息系统是处理地理空间数据的信息系统，而地理空间数据是一个类 型繁多、多层嵌套、无限延展和异常复杂的地理信息空间，其完整表示和管理 一直都是g i s 研究的核心课题。可以说地理信息系统中的一切技术问题，都是 由于地理空间数据而引发的，地理空间数据是地理信息系统的基础。对地理空 间数据的表示和管理的研究是通过地理空间数据模型的研究来完成的。所谓地 理空间数据模型，是对地理现实世界进行的抽象，是地理空间数据库中用于提 供信息表示和操作手段的形式构架。可以通过地理空间数据的组织来进行刻 画。 地理空间数据是对地理系统中地理空间实体的抽象描述。所有的地理空间 实体都是分布在一定的地理系统中的，有着地理性质的相互关系，形成了空间 的分布、形成、结构和变化规律等方面的内涵。作为地理空间数据模型的基本 研究对象，地理空间实体是物质流、能量流和信息流的基本载体和表征，并最 终组成地理空间数据。因此，在完成了对地理空间实体的分类研究的基础上， 要进一步从整体角度出发，将分布着的地理空间实体组织成一个整体，形成 g i s 中真正支持g i s 解决复杂地理空间问题的信息基础一地理空间数据。 可以采用图层的方式来组织地理空间数据。一个图层是一定空间范围内具 有相同属性要素的同类地理空间实体的有机集合。这里所说的图层是地理空间 实体的有机集合，不是这些地理空间实体的简单堆砌，而是在某种特殊应用领 域下地理空间实体的组合，并且相互之间有着密切的联系。我们称这种同类地 理空间实体所具有相同属性要素为专题，可见，图层具有两个基本要素一专题 第2 章给水管网模型与g i s 和空间范围。 地理空间数据的分布性是通过图层的分布来体现的。地理空间数据的分布 性不但会由地理空间实体的分布性而产生。另外，地理空间数据在其组织的过 程中还有人为因素导致的地理空间数据整体分布性，比如城市管网数据，由于 其所包含的地理空间数据包括给水、电力、电信、煤气、供暖、交通等诸多方 面，而这些数据又是由不同的部门管理的，虽然它们具有相同的空间分布，但 由于管理的需要及方便，这些数据需要分布在不同的空间数据库中。 在地理空间数据模型中，图层是地理空间实体的包容器，是地理空间数据 组织的基本单位。另外，为了面向更广泛的应用领域，图层还可以按照空间范 围或专题进行组合，形成新的地图，地图可以用专题树和空间范围树来刻画。 2 3 6 地理空间数据存储与管理 地理空间数据的存储就是地理空间数据库的组织，它包括两个方面：地理 空间数据的逻辑表达以及地理空间数据的存储模式。 地理空间数据的逻辑表达主要是指地理空间实体的逻辑表达。前面说过， 地理空间实体有两个基本要素：空间要素和属性要素，因而地理空间实体的表 达也包括两个方面，即空间要素的表达和属性要素的表达。 地理空间实体的空间要素一般有两种表达方式：栅格方式和矢量方式，它 们各有自己的优点和缺点。栅格方式将地理空间实体的二维空间划分成规则的 子空间，不同层次的栅格数据因此都有了一个共同的基本元素( 子空间) 划分， 其优点是结构简单，操作简便；缺点是精度低，数据存储量大，难以建立地物间 的拓扑关系，难以操作单个目标：而矢量方式则是用点、线、面来描述地理空间 实体的空间要素，它显式地建立了地理空间实体之间的空间关系，其优点是精 度高，易于完整地表达实体间的拓扑关系，容易操纵单个目标，数据存储量 小：缺点是数据结构复杂，进行空间分析和叠加操作时一般都要进行大量的计 算，极为费时。 地理空间实体的属性要素具有明显的关系特征，因而它的表达一般都采用 关系表的形式。 地理空间数据的存储经历了以下几个模式：文件存储、文件数据库分别存 储、完全数据库存储等，其中文件数据库混合存储模式最为常见。文件可以很 方便地存储地理空间实体的空间要素( 矢量数据) ，然而在表达关系方面存在很 大的局限性；传统数据库虽然能够很好地支持关系型数据，但由于其只支持简 单数据类型，不支持变长数据的扩展数据类型，因而地理空间实体的空间要素 就很难在数据库中加以方便的表达。虽然有种种办法可以把矢量数据入库，但 北京工业大学工学硕士学位论文 一般都很难避免数据的冗余性，而且操作也不尽方便。因此，把矢量