（市政工程专业论文）供水管网信息管理和分析系统研究.pdf

中文摘要本文以提高供水企业的科学管理水平为出发点，提出利用g i s 技术建立供水管网信息管理和分析系统，基于g e o d a t a b a s e 建立了完善的供水管网空间数据模型，以v b n e t 2 0 0 3 和a r c g i se n g i n e9 1 为工具进行了系统开发，并利用蒙特卡罗方法和遗传算法混和算法建立了管网微观模型。首先，通过分析当前构建空间地理数据模型的几种方法和建立供水管网空间数据模型需要解决的难题，选择a r e g i s 的g e o d a t a b a s e d e 作为建模工具，这种模型无论在结构上还是在性能上都具有相当大的优势，并且适合对复杂的网络结构进行建模。进而，以v i s i o 为工具，以a r e g i sw a t e r 为原型，建立了供水管网空间数据模型，对构建方法和技术要点进行了详细的阐述，并举例说明了如何定义要素的自定义行为，为建立管网信息管理和分析系统奠定了基础。其次，通过分析当前流行的多种g i s 开发方式及其特点，同时考虑到g e o d a t a b a s e 数据模型需要搭配a r e o b j e e t s 才能进行正常存取操作的要求，最终采用a r c g i se n g i n e 构建了供水管网信息管理和分析系统。系统包括信息管理和分析两大部分，能够对供水管网进行动态、科学、安全的管理，并可以在s c a d a系统的支持下对管网的运行状况进行实时模拟，完全符合自来水公司日常工作的需要。最后，分析了建立供水管网模型需要重点解决的问题，将模型求解的关键定位于确定各管段的粗糙度系数，并根据系统优化理论建立了粗糙度系数的非线性规划求解模型，采用遗传算法进行求解，其中将蒙特卡罗方法应用于遗传算法的交叉和变异算子，并在此基础上采用面向对象的方法用v b n e t 编制了计算程序，将管网建模和管网信息管理系统融合在一起，完善了供水管网分析系统。然后将其应用于一个研究区的管网建模中，采用一天2 4 小时运行工况建立模型后，又以两天4 8 小时运行工况对模型进行检验。检验结果显示两个验证方案各监测点模型计算值与实测值的平均相对误差均分别在2 和3 以下，说明通过该方法求解出的粗糙度系数比较准确，所建模型有很强的适应能力，可以应用于供水管网运行工况的实时模拟。关键词：供水管网g i sg e o d a t a b a s e 组件化开发微观模型粗糙度系数遗传算法a b s t r a c ti no r d e rt oi n c r e a s et h el e v e lo fs c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fw a t e r - s u p p l yc o r p o r a t i o n ,b u i l d i n gw a t e rs u p p l yn e t w o r k si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do ng i si sp r o p o s e d as o u n dw a t e rs u p p l yn e t w o r kd a t am o d e lb a s e do ng e o d a t a b a s ei se s t a b l i s h e da n dt h e nt h es y s t e mi sc o n s t r u c t e du s i n ga r c g i se n g i n e9 1a n dv b n e t2 0 0 3 a tl a s t , t h em i c r o s c o p i cm o d e lo fw a t e rs u p p l yn e t w o r ki sp e r f o r m e du s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dm o n t e c a r l om e t h o d s f i r s t ，a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gs e v e r a lc u r r e n tm e t h o d st oc o n s t r u c tg i ss p a t i a ld a t am o d e la n dt h et h ep r o b l e m st h a te s t a b l i s h i n gt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kd a t am o d e ln e e d st oa d d r e s s ，g e o d a t a b a s e d ed a t am o d e lo fa r c g i si ss e l e c t e d 舔t h em o d e l i n gt 0 0 1 t h i sk i n do fm o d e lh a ss u b s t a n t i a lp e r f o r m a n c ea n di ss u i t a b l ef o rm o d e l i n go fc o m p l e xn e t w o r ks t r u c t u r e sc o m p l e t e l yw i t ht h ew a t e rs u p p l yn e t w o r km o d e l i n gn e e d s t h e n , u s i n gv i s i oa st o o la n da r c g i sw a t e ra sm o d e l ，t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ks p a t i a ld a t am o d e li sc o n s t r u c t e d t h ep r o b l e m sn e c e s s a r yt op a ya t t e n t i o nt oa n dt h em o d e l i n gp r o c e s si sd e s c i p t e di nd e t a i l h o wt od e f i n et h ec u s t o mb a h a b v i o ri sa l s oe x p a l a i n e dw i t ha l le x a m p l e t h i sm o d e li st h ef o u n d a t i o no ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ki n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e m t h e n ，t h r o u g ha n a l y s i so fs e v e r a lp o p u l a rg i sd e v e l o p m e n tm o d e sa n dc o n s i d e rt h a tt h eg e o d a t a b a s ed a t am o d e ln e e d sa r c o b j e e t st od ot h er e a d w r i t eo p e r a t i o n ，a r c g i se n g i n ei ss e l e c t e dt ob u i l dt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ki n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e st w os u b s y s t e m s ：i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma n da n a l y s i ss y s t e m i tc a nm a n a g et h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kd y n a m i c a l l y , s c i e n t i f i c l ya n ds a f e l y a n di ns u p p o r to fs c a d as y s t e mt h es y s t e mc a nd or e a l - t i m es i m u l a t i o n s o ，i t sc o m p l i a n c ew i t ht h ew a t e rc o m p a n y sd a y - t o d a yn e e d s f i n a l l y , t h ep r o b l e m sn e e d e dt ob ea d d r e s s e dt h r o u g hc o n s t r u c t i n gw a t e rs u p p l yn e t w o r km o d e la r ea n a l y z e d t h ek e yo fs o l v i n gm o d e li sd e t e r m i n i n gt h ef r i c t i o nf a c t o ro fe v e r yw a t e rp i p e a c c o r d i n gt os y s t e mo p t i m i z a t i o nt h e o r yt h en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lo ff r i c t i o nf a c t o ri sc o n s t r u c t e da n di ss o l v e db yg e n e t i ca l g o r i t h mi nw h i c hm o n t e c a r l om e t h o d si su s e dt od e s i g nt h ec r o s sa n dm u t a t i o no p e r a t o r b a s e do nt h et h e o r ya n do b j e c t o r i e n t e da p p r o a c ht h ec a l c u l a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e dw h i c hc o m b i n e sw a t e rs u p p l yn e t w o r ki n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma n dw a t e rs u p p l yn e t w o r km i c r o s c o p i cm o d e la n di m p r o v st h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ka n a l y s i ss y s t e m t h e ni t sa p p l i e dt oas t u d yo fn e t w o r km o d e l i n g 2 4h o u r sw o r k i n gc o n d i t i o n si nad a ya r eu s e dt oc o n s t r u c tt h em i c r o s c o p i cm o d e la n d4 8h o u r sw o r k i n gc o n d i t i o n sa r f iu s e dt ot e s tt h em o d e l v e r i f i c a t i o nt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o r sf o rt h ec a l c u l a t e dv a l u eb ym o d e la n dt h er e a lm e a s u r e dv a l u eo fe v e r ym o n i t o r i n gp o i n ta r eb e l o wt w op e r s e n ta n dt h r e ep e r s e n ti nt h et w oc e r t i f i c a t i o np r o g r a m s i t ss h o w nt h a tt h es o l u t i o no ft h ef r i c t i o nf a c t o ri sm o r ea c c u r a t e l ya n dt h em o d e lh a ss g o n ga d a p t a b i l i t y s o ，t h i sm e t h o dc a l lb eu s e di nr e a l t i m es i m u l a t i o nf o rw a t e rs u p p l yn e t w o r k so p e r a t i n gc o n d i t i o n s 。k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k , g i s ，g e o d a t a b a s e ，c o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n t , m i c r o s c o p i cm o d e l ，f r i c t i o nf a c t o r , g e n e t i ca l g o r i t h m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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我_ 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。学位论文作者签名：。1 移统n签字日期：_ 矽年溯it 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：刁移呶导师签名：签字醐：哆年7 骨f l 曰i 曰，榴7签字日期：洲7 年j 月日天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论i i 课题的提出及研究意义i i 1 课题的提出近几年，随着我国经济的快速发展，城市作为经济中心，人口在不断增加，规模在急剧扩张，城市供水行业面临严峻的考验，主要表现为以下几个方面：( 1 ) 用水范围扩大，需要对原有管网进行扩建，原有管网资料不全，施工容易出现事故：( 2 ) 用水范围扩大，用水量增加，水压需要相应提高，原有老管网一般都有二三十年甚至上百年的时间，干管一般为灰口铸铁管，锈蚀严重，粗糙系数很大，二次污染和渗漏现象严重，成为提高供水水质和水量的瓶颈；( 3 ) 随着饮用水水质标准的不断提高和水资源污染的不断加重，水处理的成本越来越高。面对挑战，一方面要求水厂进行技术改造，提高供水水质，另一方面要对遍布全市的管网进行科学的管理，不仅要为管网的改扩建提供基础资料，更重要的是建立管网微观模型，得到管网中压力和水质的分布状况，寻找到管网中的瓶颈，为决策者对管网改造提出建议。而传统的管网管理一般采用纸介质进行，数据陈旧，冗余度大，查询统计困难，更不要说从宏观上把握管网运行状态。传统的供水管理模式己难以满足城市供水管理工作日益繁重的现实要求。在城市供水领域应用推广先进的管理技术，对于迅速提高城市供水管理、保证城市供水工作的水平与经济建设和社会发展相适应，将具有积极的意义n 】。g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一体的新兴边缘学科，近3 0 年来迅速兴起。g i s 将计算机技术和空间地理分布数据相结合，通过系统建立空间操作与模型分析，为地球科学、环境科学和工程设计、乃至企业管理等方面的规划、管理和决策提供有用的信息乜一】。因此，将g i s 应用于城市供水领域，构建供水管网信息管理和分析系统，对于强化城市供水规划、指挥、调度、信息查询、快速维修、维护、准确定位、人员最优化调配等各方面工作将产生巨大的功效，必将极大地提高城市供水部门工作的科学性、准确性和整体运作效率，有利于从根本上解决城市经济建设的快速天津大学硕士学位论文第一章绪论发展与城市供水管理形式落后的矛盾。本课题正是在这种背景下提出的，致力于将g i s 技术应用到城市供水管网的信息管理和分析，构建供水管网信息管理和分析系统。1 1 2 课题的研究意义城市给水管线系统错综复杂，管网一般都有历史长( 几十年甚至一百年) 、数量大( 数干公里管道，上千个消火栓，数万只水表，上万个阀门，数千张各种比例的管网图纸) 、变化多( 随城市建设而变化) 、覆盖面广( 基本与城区面积一样大) 、与地理位置和地理环境联系密切等特点，信息十分繁杂多变。在传统管理模式下，这些信息被锁在档案柜里或者在工作人员手中，有很大部分甚至没有任何资料。几十年来管线和建筑物的新建和改建，使管线的管理更加困难。按照传统谁铺设谁管理的管理方式，如果相关负责人员不在或没有交代清楚，一旦遇到紧急情况，如水管断裂等就非常难以及时处理，有时甚至不得不重新铺设管道。而且，基建施工时，不知道地下管线的准确情况给施工带来了很多麻烦。而且，目前城市建设发展迅速，市政设施变化大、发展迅猛啼】，这种管理方式显然不适应供水事业发展的需要，必须引进新技术，更新传统观念，提高服务水平和能力。g i s 正是在这种背景下被引入并应用于供水管网管理中的。g i s 是由多种学科交叉发展起来的- - i - j 边缘学科，它利用现代计算机技术和数据库技术来输入、存储、处理、显示和输出空间信息及其属性数据的计算机系统。g i s 所特有的可视化表达方式和空间分析功能非常符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点。同时g i s 也是把供水企业的各种信息有效聚合的粘合剂，所有的信息通过地理信息相互关联，有机结合，为企业提供更深层次的信息化应用哺，。利用g i s 及其相关技术建立供水管网信息管理系统，将积攒多年并且还在不断更新的管网资料输入到g i s 数据库中，对其进行科学管理，不仅可以提高自来水公司的日常工作效率，还能够发现以前在纸质图纸上不能发现的很多问题，使得管理者站在一个更高的高度来思考管网的管理问题。同时，有条件的城市还可以在管网和水厂泵站中布置一定的监测点，建立s c a d a 系统，实时监测管网的运行状态。利用这些动态信息和静态信息建立管网的微观模型，实现供水管网分析系统，得到当前管网的微观运行状态，并进行相关分析，如绘制等水压线、显示管网流向等，能够使管网形象直观的展现出来，一目了然，可以更迅速寻找到管网的设计和运行问题。天津大学硕士学位论文第一章绪论1 2 国内外研究现状1 2 1g i s 技术在国内外的研究发展现状1 2 1 1g i s 空间数据模型空间数据模型是每一个g i s 平台的基础，它的结构方式决定了这个g i s 平台的效率、风格和适应范围汀1 。简单地说，空间数据模型是通过实体模型的数据化来实现对客观事物及其联系的数据描述。所有的g i s 都要使用表述事物的空间分布的规范的模型，地理数据模型描述和解释地球上事物的分布，是g i s 的基础。随着信息技术的不断发展，地理信息系统软件已经经历了3 代空间数据模型。( 1 ) c a d 数据模型计算机辅助设计( c a d ) 数据模型起源于2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，通过二进制文件存贮点、线、面描述实体，但这些文件缺乏对属性信息的描述，图层和注记符号就是c a d 对属性的主要表达方式。空间数据不存贮在数据库中，并且缺乏对属性数据的支持是c a d 数据模型给g i s 软件开发和g i s 数据共享带来的主要困难。( 2 ) c o v e r a g e 数据模型c o v e r a g e 数据模型源于e s r i 公司于1 9 8 1 年推出的第一个商业g i s 软件a r c i n f o 。a r c i n f o 实现了第二代地理数据模型c o v e r a g e ，也被称为地理相关模型( g e o r e l a t i o n a ld a t am o d e l ) ，由于当时的计算机硬件和数据库软件的发展不成熟，把空间数据直接存入关系数据库的难度太大，c o v e r a g e 数据模型用折衷的措施将空间数据与属性数据分离开存贮又有机的管理起来。空间数据存贮在具有索引的二进制文件里，这些文件经过优化处理以便数据显示和存取：属性数据是以数据表存贮，数据表的行数等于存于二进制文件里的图形要素的数目，数据表的每个记录与相应的图形要素之间通过相同的标识相联接。矢量要素之间的拓扑关系也可以保存。c o v e r a g e 是第二代地理数据模型的典范，因为c o v e r a g e 数据模型使得高性能的g i s 成为可能，其中拓扑关系便于地理分析，输入数据更为精确。c o v e r a g e 数据模型具有众多的优点，但是它也存在一个很大的不足：该种数据模型的特征聚集在类似点、线、面的集合中，不具有特殊的特征行为。也就是说，一条线，无论是代表一条路还是一条河，它具有的行为是完全一样的。( 3 ) 地理数据库数据模型g e o d a t a b 雒ea r c i n f o8 推出的新的面向对象的数据模型g e o d a t a b a s e 是一种将空间对象的属性和行为结合起来的智能化地理数据模型。g i s 数据集中的属性可以被赋予自然行为，属性间的任何类型的关系都可以在g e o d a t a b a s e 中定义。a r c i n f o8天津大学硕士学位论文第章绪论采用一种现代化的、标准化的方式实现对象，每一个对象都定义成一个组件。允许用户在这些基本模型基础上扩展自己的面向对象的数据模型。面向对象的数据模型与用户通常认识事物的观点及分类方法很接近，直观且简单实用。g e o d a t a b a s e 中的数据对象是面向用户的概念。例如t 地块与建筑物，变压器与保险丝，而不是面向系统的概念，如：点、线、面og e o d a t a b a s e 使得开发人员用不着写几行代码就能实现大多数定制属性的行为，因为大多数行为可以通过管理规则、校验规则和其他一些a r c l n f o 提供的构造函数来实现。写程序代码只为了实现更为复杂的属性行为。g e o d a t a b a s e 具有以下特性：所有数据( 矢量、栅格、地址、测量、c a d 等) 一起存储在商业d b m s中。这就意味着可以有一个完整的数据管理策略，充分利用业已成熟的关系型数据库的良好的存取性能，极大地简化了支持和维护过程，并减少了费用。g e o d a t a b a s e 按照支持数据库和特性的不同分为两类：个人g e o d a t a b a s e 和多用户g e o d a t a b a s e 。前者支持微软的a c c e s s 数据库，最大不能超过2 g ，不支持版本管理：后者支持各类大型商用数据库，如m md b 2 ，i n f o r m i x ，o r a c l e 和m i c r o s o f ts q ls e r v e r ，通过a x c s d e 进行访问，没有大小和用户限制，支持多用户编辑。g e o d a t a b a s e 允许多用户通过使用版本管理和长事务处理访问数据库，多个用户可以读写同一个共享的数据库。支持智能化的要素、规则和关系。空间数据库数据模型支持对象( 数据库表中的行) 和要素( 有几何形状的对象) 集合。空间数据库还支持高级功能。例如几何和逻辑网络，真实曲线，复杂多边形和用户定义要素。矢量数据现在可以有2 维，3 维或4 维( x ，y ，z ，m ) 。用户能定义拓扑、关系和规则。所有这些都可以用菜单驱动的g u i 做到，无需编程。g e o d a t a b a s e 通过a r c c a t a l o g ，a r c m a p 和a r c t o o l b o x 的标准菜单和工具进行访问。编程者还能使用软件包含的a r c o b j e c t s ，o l e d b 和s q l a p i s 。这些数据访问能力是使用普遍接受的工业标准a p i s 构建的。更重要的是它能支持直接读取许多不同类型的文件和数据库。应用程序( a r c m a p ，a r c c a t a l o g 等) 和用户无需知道任何幕后的数据转换。1 2 1 2g i s - - 次开发技术由于通用g i s 平台的局限性，要将其应用于特定行业，除了极少数简单的场合，一般都需要对其进行二次开发，以满足各行业的专业需求。经过数十年的发展，随着编程技术和g i s 平台的不断进步，g i s 二次开发形成了多种开发方式，主要包括以下三种嘲：天津大学硕士学位论文第一章绪论( 1 ) 独立开发指不依赖于任何g i s 工具软件，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独立设计，然后选用某种程序设计语言，如v i s u a lc + + 、d e l p h i 等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业g i s7 - 具软件，减少了开发成本，同时拥有自主知识产权，但对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化g i s 工具软件相比，而且在购买g i s 工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。( 2 ) 宿主型二次开发指基于g i s 平台软件上进行应用系统开发。大多数g i s 平台软件都提供了可供用户进行二次开发的脚本语言，如e s r i 的a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等等。用户可以利用这些脚本语言，以原g i s 软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的脚本语言，作为编程语言，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意，并且所开发的系统不能脱离g i s 平台软件，是解释执行的，效率不高。( 3 ) 基于g i s 组件的二次开发组件化程序设计技术是一种现代的软件开发思想阳3 ，它不同于传统的结构化程序设计，也不同于现在被广泛应用的面对象程序设计技术，而是位于这二者之上，它更注重应用系统的全局，要求从应用系统全方位来进行考察。在具体到某个组件或模块的设计时，我们仍然需要结构化程序设计和面向对象程序设计技术作为基础。组件式软件开发的思想是将复杂的软件开发分解成若干个功能组件，这些组件可由不同厂家用任何语言开发，开发的环境也无特别的限制。若干组件可以根据应用的要求，可靠而有效地组合在一起完成复杂的任务。这种软件开发方法就如同现代的建筑一样，首先将实现不同功能的材料( 如水泥、钢材、木材、管道等) 交由不同的厂家生产，然后建筑师根据用户需要，有选择地用这些材料搭建功能复杂的建筑物。组件技术在软件业的推广和应用作为外因，“需求牵引 作为g i s 发展的内因，导致了组件技术与g i s 结合的产物组件式g i s 的诞生。组件式g i s 的基本思想是把g i s 的功能封装到一系列组件对象中，每个组件完成不同的功能，各个g i s 组件之间，以及g i s 组件与其它非g i s 组件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用，并且从根本上解决了g i s 软件与其它系统的集成问题。组件式g i s 技术将给整个g i s 技术体系和应用模式带来巨大影响。g i s 软件像其它软件一样，已经天津大学硕士学位论文第一章绪论或正在发生着革命性的变化，即由过去厂家提供全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来。组件式g i s 开发包含g i s 组件库的开发和基于g i s 组件的软件开发。大多数g i s 软件产商都提供商业化的g i s 组件，如e s r i 公司的a r c o b j e c t s 、m a p i n f o 公司的m a p x 等，这些组件都具备g i s 的基本功能，开发人员可以基于通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如d e l 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，进行二次开发。利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在0 c x 技术基础上的g i s 功能控件，如e s r i 的a r c o b j e c t s 、m a p i n f o 公司的m a p x 等，在d e l p h i 等编程工具编制的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能1 2 1 3g i s 在供水行业中的应用国外供水行业采用计算机信息管理已比较普遍。一些发达国家在g i s 的发展上已取得很大进展，许多城市已建立地下管网g i s ，且已进入专业化应用与商品化生产阶段。g i s 在我国起步较晚，但是发展迅猛，在引进国外先进g i s 技术的同时，国内陆续出现了多家专业的g i s 平台提供商，各个行业纷纷将g i s 技术引入到本行业的管理工作中，提高了本行业的管理水平。1 9 9 5 年，中山市供水总公司较早的引入美国a m p a c 公司的“8 m 供水综合管理系统 ，给管网管理带来了质的飞跃，从以往完全人工方式的管理过度到人工与计算机管理相结合的模式，有效提高了管网管理水平。其它水司也纷纷根据自身情况建立起基于g i s 的供水管理信息系统n8 】。当前，g i s 在国内供水系统中的应用主要集中在城市输配水管网日常管理中，如供水管网图形数据和属性数据计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形( 包括管线的横断面图和纵断面图) 及统计分析报表显示和输出。除此之外，有些系统还能够对爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了供水管网的信息化管理。表卜l 列出了国内一些已经建设了供水管网管理系统的水司及其使用情况，从表中可以看到，现有的系统一般采用比较通用的g i s 平台，由第三方或g i s 公司进行开发，采用的g i s 平台国外的主要有a r c g i s 、m a p i n f o 、i n t e r g r a p h 、s i c a d o p e n 等，国内的主要的是m a p g i s 、s u p e r m a p 和g e o s t a r 等。天津大学硕士学位论文第一章绪论表1 1国内具备供水管网管理信息系统的部分城市系统名称g i s 开发平台使用情况成都自来水管网i n t e r n e t 查询系统s u p e r m a p正常使用中山市供水管网地理信息系统s u p e r m a p正常使用南宁市自来水管网地理信息系统s u p e r m a p正常使用沈阳市供水管网地理信息系统a r c g i s正常使用荆门市供水管网管理信息系统a r c g i s正常使用北京市区配水管网地理信息管理系统a r c g i s正常使用大连供水管网地理信息系统a r c g i s正常使用天津市给排水管理系统c i t y s t a r不经常使用天津港供水所8 m 供水综合管理系统已换成a r c g i s 平台中山市供水总公司1 9 9 68 m 供水综合管理系统已换成s u p e r m a p 平台太原市供水管网地理信息系统s i c a d 0 p e n正常使用广州市供水管网地理信息系统s i c a d 0 p e n正常使用天津市塘沽区供水管网管理系统m a p g i s正常使用济南市供水管网管理系统m a p l n f o正常使用由上表可见，我国供水企业将g i s 应用到供水管网信息管理的过程并不是一帆风顺的，受到当时g i s 平台发展和认识上的限制，一些水司在初步建立了系统后，由于种种原因不能满足实际工作的需要和数据快速更新的要求，改而采取其它g i s 平台另行建立系统，造成了一定程度上的重复投入，但这种投入在g i s应用的初期也在所难免。如中山市供水总公司的建立的供水管网地理信息系统，首先采用的是国外的8 m 供水综合管理系统，但由于该系统在售后服务上的缺陷，导致其维护成本太高，功能上也没有新的改进，不能适应日益增多的管理需求，因此又在国产的s u p e r m a p 平台上开发了一套类似系统，无论在功能上还是在维护上都大大优于前述系统。因此各水司在将g i s 应用到供水管网管理的时候要对市场进行广泛考察，并借鉴其他水司的经验，避免重复建设。1 2 2 供水管网系统建模国内外研究发展现状供水管网系统建模在国外发展比较早，已经有2 0 余年的发展和应用历史，目前已经形成了多种版本风格和功能的专业建模软件，在各供水企业得到了广泛的应用，并将其和s c a d a 系统、g i s 系统集成在一起，取得了不错的效果n 们。法国的s a g e p 公司负责巴黎市4 0 0 万人口的饮用水的供应，日产水量6 4万m 3 ，其中5 0 由三个地表水厂提供，另外5 0 由6 3 口地下水源井提供，城天津大学硕士学位论文第章绪论市管网约1 8 0 0 k m 。由于是环形管网，某一位置的水在不同的时间里可能来自不同的水源，水的味道有所变化，受到了客户的抱怨，而且，不同水源地的水温有很大的差别( 大于1 0 ) ，容易造成水管爆裂。为了解决这些问题，需要追踪管网的水源情况，以调度管网运行，尽量维持某一地区的水源不变。为此s a g e p开发了个管网数学模型，并将其与s c a d a 、g i s 系统集成，实时模拟管网的运行状态，现已投入运行，取得实效。当前欧美比较流行的建模软件主要有e p a n e t 、g i n a s 、n ：o m a p 、i n f o w o r k sw s 、s t o n e r s y n e r g e e 和w a t c r c a d 等。在国内，同济大学研究开发的“同济宏扬管网建模软件刀和哈尔滨工业大学研究开发的w n w 4 。0 等软件也逐步得到了应用。国内的供水企业进行管网建模的比较少见，只限于一些省会级的大城市，如天津、上海和哈尔滨等。因为管网建模需要管网的详细资料，一般建立在已有的g i s 系统之上，并要建立实时监测s c a d a 系统，管网中泵和阀门的自动化控制水平要求较高，投入很大。同时，系统建好后，由于管网是一个动态系统，后期的维护费用也会很大。这样就很大程度上限制了各城市供水企业建立管网模型的工作。但随着我国经济的发展，对供水质量要求的提高，建立完善的管网模型已成为供水行业发展的趋势。国家在城市供水行业2 0 1 0 年技术进步发展规划及2 0 2 0 年远景目标中已经明确提出了不同等级城市供水企业必须实现的目标和奋斗目标，建立给水动态数学模型系统已经提上日程。1 3 主要研究目标、内容、方法概述1 3 1 存在的问题总观当前国内外开发的各种供水管网管理系统，虽然取得了一定的成果，具有一定的使用价值，但还存在以下几个方面的问题：( 1 ) 系统所赖于存在的供水管网空间数据模型还不够完善。供水管网是一个典型的网络系统，只有把整个管网当成一个网络来进行整体分析，才能真正模拟其运行状态，而当前的很多供水管网管理系统都是基于图层的或是基于点线面文件的，没有从网络的高度来进行管理，许多基于网络的分析功能还不能得到很好的实现：( 2 ) 目前，供水管网信息系统在国内一般由软件公司进行开发，缺乏专业工作经验，对专业需求不甚了解，以至于现有系统的应用主要限制于输配水系统档案资料的日常管理，缺少与专业模型的结合。目前管网优化调度、优化设计、天津大学硕士学位论文第一章绪论监测点选址等，都已经建立了很多模型进行求解n l q 嗣，而将其融合至o g i s 系统中，充分利用其强大的空间数据存储能力的应用却很少见。这样的供水管网信息系统只是作为一个资产管理软件而存在，并不能用于分析和辅助决策；( 3 ) 管网微观模型的建立由于涉及到管段粗糙度系数及节点流量等难以确定的因素，因而有较大的难度。目前，国内已建的模型一般只考虑到普通工况和消防工况等有限的几个工况n 卜2 1 1 ，求解简单，但所建模型不一定能够适应管网各类工况的变化，若要求模型实现对供水管网的实时模拟，其精确度就会大打折扣。1 3 2 主要研究目标本课题主要研究目标如下：( 1 )建立基于网络的供水管网空间数据模型；( 2 )基于a r c g i se n g i n e 进行二次开发，建立管网信息管理系统，实现图形操作、图形编辑、属性操作、制图工具等g i s 基本功能；。( 3 ) 建立适于供水管网的网络分析模型；( 4 ) 将管网微观模型应用到管网信息管理和分析系统中，为实现优化调度奠定基础。1 3 3 研究方法概述为达到上述目标，本课题拟采取的主要研究方法如下：( 1 ) 利用建模工具v i s i o 和a r c c a t a l o g 提供的c a s e 工具建立基于g e o d a t a b a s e 的供水管网空间数据模型，完善属性结构，建立子类、属性域与各要素之间的联系；( 2 ) 基于a r c g i se n g i n e9 1 ，以v b n e t 为开发工具进行二次开发，实现基本g i s 功能，建立供水管网信息管理系统；( 3 ) 根据管网不同工况的实时监测数据，确定各管段粗糙度系数，并研究适当的求解方法，据此建立管网微观模型，采用实测数据对模型进行验证，最终构建供水管网分析系统。天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型第二章构建供水管网空间数据模型数据是g i s 系统的基础，g i s 的所有的功能都是围绕数据展开的，建立g i s系统的最初和最终目的都是为了更好的管理地理数据，数据的完整性和现势性决定了一个g i s 系统能否成功的关键所在，因此建立供水管网地理信息系统的首要工作就是搜集管网资料，构建完善的供水管网空间数据模型，为日常管理和高级管理功能奠定基础。2 1 供水管网空间数据模型的选择与建立2 1 1 供水管网空间数据模型的选择供水管网是一个庞大的、封闭的网络系统，由阀门、水表、管线等设施按照一定的方式连接而成，信息量大，拓扑关系复杂，难于进行模拟。选择合适的空间数据模型模拟供水管网，必须解决以下问题：( 1 ) 在宏观上管网中的各类设施组成了一个有向网络，水从水厂通过管线输送到各个用户。因此，数据模型要能够对网络数据进行描述，存储其拓扑结构，并提供网络分析工具。( 2 ) 在微观上，单独考虑管网中各类设施时，它们又都具有自己的特性。如对于管线来说，管径只可能是有限的几个值，如1 0 0 r a m 、1 5 0 r a m ，而不是随便输入的某个值，如1 2 2 m m 、9 9 9 m m ；管材不同接口方式也不尽相同：铸铁管一般采用承插接口，而p v c 管一般采用粘接接口；管材和管径也有一定的联系：小管径的管线一般采用塑料管，而大管径的管线一般采用铸铁管。这就是说，设施的属性之间存在着一定的制约关系，数据模型要有描述这种制约关系的能力，这样才能保证我们在添加一个设施时，不会出现属性矛盾的现象。( 3 ) 此外，供水管网中的各类设施除了既有几何拓扑关系之外，属性之间也存在一定的联系。如管网中的阀门和管线，阀门固定在管线上，因此阀门和管线的接口方式属性应该是一样的，不一样的话肯定是不对的。数据模型要能够存储事物之间的关系，并检测出此类的错误。前文已述，g i s 空间数据模型经过多年的发展，已经由最初的c a d 模型发展到现在的g e o d a t a b a s e 数据模型，该模型采用面向对象的设计思路，将地理数据存储在商用数据库中，具有其它空间数据模型不可比拟的优势。同时，天津大学硕士学位论文第二章构建供水管网空间数据模型g e o d a t a b a s e 数据模型为解决存储供水管网数据时遇到的问题提供了解决方案：提供几何网络( g e o m e t r i c n e t w o r k ) 模拟各类复杂的网络结构；提供属性域机制，可以定义属性有效性原则；提供了关系类，能够描述不同设施之间的联系；提供了自定义要素行为工具，可以任意扩展要素的特性。同时，在国外g e o d a t a b a s e已经被应用于各类管网的管理，初步形成了一个比较完善的供水和排水管网数据模型a r c g i sw a t e r ，对本文供水管网的建模工作具有借鉴意义。因此，本文选择g e o d a t a b a s e 来建立供水管网数据模型。2 1 2g e o d a t a b a s e 数据模型的建立2 1 2 1 建立g e o d a t a b a s e 数据模型的方法选择利用a r c g i s 提供的工具，建立g e o d a t a b a s e 可以采取以下三种方法嘲：( 1 ) 用a r c c a t a l o g 创建方案当创建数据库时可能没有任何数据或只有少量数据，可以用a r c c a t a l o g 中的工具创建要素数据集、几何网络和数据库内部的其它条目的方案；(