（模式识别与智能系统专业论文）gis环境下给水管网水力模型数据分析技术研究.pdf

k 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： 日期：2 0 l o , b 驴 关于论文使用授权的说明 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： 心也 日期： 摘要 摘要 给水管网是城市最重要的基础设施，可靠的给水系统是提高居民基本生活条 件的关键所在。我国城市给水管网规模庞大，构造复杂，导致管网的实时管理、 优化调度、管网改扩建、科学合理的管网规划实现起来非常困难。建立管网模型， 模拟管网的运行状态，可很好地解决上述问题；同时，随着地理信息系统的发展， g i s 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，可以简化建模的过程，管网模型与地理信息系统的集成已是 大势所趋，特别是具有很高应用价值的给水管网微观模型在模型建立过程中更需 要利用地理信息工具。因此，借助g i s 建立管网水力计算模型成为了管网建模的 主要发展方向之一。 管网系统数据是管网模型的基础，对管网数据适当的管理和维护是保障给水 管网模型长期有效运行的关键技术之一。数据分析即通过分析且制定关于给水管 网水力模型数据库数据的格式和处理过程，避免由于格式和工作流程的不同造成 交叉工作的不便，这有利于提高效率，开展更深入的关于给水管网数字化管理的 研究。而目前供水企业在数据管理方面所做的工作并不完善，因此很有必要进行 模型数据分析研究。 为了利用先进的g i s 技术和理念，实现给水管网的数字化管理，本课题对此 进行研究。文中对g i s 环境下建立给水管网水力模型进行分析，对建模过程中的 数据来源，数据需求以及基于模型的数据库表结构进行深入研究。之后，基于项 目实际数据，对整个建模过程的数据采集及处理过程进行详细阐述。 该方法成功用于a 市城市给水管网建模中，实践证明在g i s 环境下对管网数 据进行处理再进行模型环境下的拓扑处理，能够为管网模型提供更为准确合理的 数据基础，这为给水管网的信息化、科学化管理提供了一种新的思路和方法。 关键词：给水管网；地理信息系统( g i s ) ；给水管网水力模型( w a t e r g e m s ) ； 数据库 北京k l k 人学硕十学何论文 a bs t r a c t w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki st h em o s ti m p o r t a n t1 n f i a s t r u c t u r eo fu r b a n a r e a s t h er e l i a b i l i t ya n dp e r s i s t e n to fs u p p l y i n gw a t e ri st h ek e yf o rc o n d i t i o n so f b a s i cl i v i n gf o rp e o p l e i no u rc o u n t r y , p a r t i c u l a r l yi nl a r g ec i t i e s ，t h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r ki ss oh u g ea n dc o m p l e xt h a ti ti sd i f f i c u l tf o rr e a l t i m em a n a g e m e n t ，o p t i m a l s c h e d u l i n g ，r e n o v a t i o na n de x p a n s i o na n ds c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lp l a n n i n go fp i p e n e t w o r k b u i l d i n gm o d e lo fw a t e rd i s t r i b u t i o n n e t w o r kt os i m u l a t es t a t u so ft h e n e t w o r kc a nb eag o o ds o l u t i o nt ot h ep r o b l e m ；a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ( g i s ) ，i tc a np r o v i d ea ne f f e c t i v ed a t a m a n a g e m e n ta n do r g a n i z a t i o n a lw a yt os i m p l i f yt h ep r o c e s so fm o d e l i n gw i t hi t s p o w e r f u lf u n c t i o n sf o rs p a t i a ld a t am a n a g e m e n ta n dn e t w o r ka n a l y s i sd u r i n gt h e b u i l d i n go fp i p en e t w o r kh y d r a u l i cm o d e l t h ei n t e g r a t i o no fm o d e la n dg i si st h e t r e n do ft i m e s e s p e c i a l l yi ti sm o r ei m p o r t a n tt oi n t e g r a t ew i t hg i st ob u i l da n d u p d a t em o d e le f f e c t i v e l yw h e nt h em i c r o - m o d e lo fw a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp o s s e s s ah i g hv a l u e t h e r e f o r e ，t h eu s eo fg i st oe s t a b l i s hh y d r a u l i cm o d e lo fp i p en e t w o r k h a sb e c o m et h em a i nd i r e c t i o n so fd e v e l o p m e n tw i t hp i p en e t w o r km o d e l i n g d a t ao fn e t w o r ki st h e b a s i so fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，m a n a g e m e n ta n d m a i n t e n a n c eo ft h ep i p en e t w o r kd a t ai so n eo fk e yt e c h n o l o g i e st h a ti n s u r e s l o n g t e r me f f e c t i v eo p e r a t i o no f d i s t r i b u t i o nn e t w o r km o d e l d a t aa n a l y s i st h r o u g ht h e a n a l y s i sa n dd e v e l o p m e n tt od a t af o r m a t sa n dp r o c e s s e so fh y d r a u l i cm o d e ld a t a b a s e c a na v o i di n c o n v e n i e n c ec a u s e db yt h ed i f f e r e n tf o r m a t sa n dw o r kp r o c e s s e si n c r o s s - c u t t i n gw o r k ，w h i c hw i l lb eh e l p f u lf o ri m p r o v i n gm o d e l i n ge f f i c i e n c ya n d c o n d u c t i n gi n - d e p t hr e s e a r c ha b o u td i g i t a lm a n a g e m e n to fw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b u ta tp r e s e n t ，t h ew a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e sh a v en o tm a n a g e dn e t w o r kd a t ap e r f e c t l y , i ti sn e c e s s a r yt od od a t aa n a l y s i si nm o d e l i n g t h i st o p i cg i v e sar e s e a r c ha b o u ta c h i e v i n gd i 西t a lm a n a g e m e n to fw a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kw i t ha d v a n t a g eo fg i st e c h n o l o g i e sa n dc o n c e p t s t h ec o n t e n to f t h i sr e s e a r c hi sa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nd a t ao fm o d e l l i n gf o rw a t e rs u p p l yn e t w o r k s f o rb a s e do n g i s ，i n c l u d i n gi n - d e p t hs t u d y f o rd a t as o u r c e s ，d a t an e e d sa n d m o d e l - b a s e dd a t a b a s et a b l es t r u c t u r e ，t h e nd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gp r o c e s si n t h ew h o l em o d e l i n gp r o c e s sb a s e do nt h ep r o j e c ta c t u a ld a t a t h i sm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nw a t e rs u p p l yn e t w o r km o d e l i n go f c i t ya ，i th a sp r o v e dd a t at o p o l o g yp r o c e s s i n gf i r s t l yi ng i st h e ni nm o d e ls o f t w a r e c a l lp r o v i d em o r ea c c u r a t ed a t af o rm o d e l l i n g ，i tg i v e saf e a s i b l et h i n k i n ga n dw a yt o i n f o r m a t i o n i z a t i o na n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fw a t e rs u p p l yn e t w o r k k e yw o r d s ： w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；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 ( g i s ) ； w a t e r g e m s ：d a t a b a s e 一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1课题背景1 1 2 研究的目的和意义1 1 3 国内外研究现状一2 1 3 1 概j 苤2 1 3 2 国内外给水管网建模软件简介4 1 4 课题的来源和内容一5 1 4 1 本课题的来源5 1 4 2 主要研究内容5 第2 章g i s 环境下管网水力模型总体构架7 2 1给水管网水力模型选择7 2 1 1 管网水力模型分类7 2 1 2 管网水力计算模型软件w a t e r g e m s 8 2 1 3g i s 简介9 2 2模型总体设计1 0 2 3模型功能设计13 2 4本章小结1 4 第3 章给水管网水力建模基础数据分析1 7 3 1管网建模数据来源分析1 7 3 1 1 地图数据源分析1 7 3 1 2 不同数据源数据在w a t e r g e m s 平台下的建模一1 7 3 2建模数据类型分析1 9 3 3 建模数据需求分析1 9 3 3 1 模型管网静态数据信息2 0 3 3 2 模型水量数据信息2 3 3 3 3 模型运行数据2 5 3 4 数据检查2 7 3 4 1 静态数据误差2 7 3 4 2 水量数据误差一2 8 3 4 3 运行数据误差2 8 3 5 本章小结2 9 第4 章给水管网建模中的数据组织3 l 4 1 基于g i s 的管网地图设计。3 l 4 1 1 管网拓扑结构建立及简化3 1 4 1 2 管网g i s 数据格式3 2 4 2 基于模型数据库的建立3 4 4 2 1 数据库设计原则3 5 4 2 2 数据库表结构3 5 ：i 匕京t 业大学硕十学位论文 4 3 数据关系结构图设计4 1 4 4 本章小结4 2 第5 章g i s 环境下水力模型构建与维护4 3 5 1模型的构建4 3 5 1 1 建模数据准备及物理拓扑建立4 3 5 1 2 管网水力模型的初步建立4 4 5 1 3 模型校核4 4 5 2 模型更新和维护4 5 5 2 1 管网拓扑结构的更新4 5 5 2 2 营业收费系统中水量更新4 6 5 2 3 实测数据的更新及维护4 6 5 2 4 其它系统中的压力、流量数据的更新4 6 5 2 5 其它数据的更新及维护4 6 5 3本章小结4 6 第6 章应用实例4 7 6 1项目及建模目标介绍4 7 6 2项目资料介绍4 8 6 3数据资料的处理与模型构建4 9 6 3 1 实例数据转换4 9 6 3 2a r c g i s 下图形数据的拓扑处理5 0 6 3 3 模型环境下数据的处理：5 2 6 3 4 模型需水量信息的导入5 3 6 4模型校核5 7 6 4 1 模型数据的校核5 7 6 4 2 模型参数的率定5 7 6 5模拟结果分析与显示5 9 6 6模型评价分析6 l 6 7本章小结6 1 结j 仑6 3 参考文献6 5 附录应用扩展6 7 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 9 致j 射7 1 i v i 第1 章绪论 1 1课题背景 第1 章绪论 随着我国经济建设的高速发展，城市基础设施建设和改造速度的加快，人口 规模的不断扩大，城市给水管网系统越来越庞大，从而对城市给水管网的规划建 设、信息管理及应急抢修等提出了更高的要求。而现行的城市给水管理由于管 理手段、管理方式的陈旧，存在资料利用率低、信息传输渠道老化、查询检索速 度缓慢等问题，难以满足管理工作日益繁重的现实要求，无法为决策者提供及时、 准确的信息，也无法实现对水资源及时、有效和合理的配置和调度，造成了水资 源的极大浪费，提高水资源利用率和给水企业的管理水平，已成为给水行业的共 识。 伴随管网信息技术的发展，建立管网水力模型已经成为给水管网设计、施工 和运行管理的现代化技术方法，是城市给水系统现代化管理技术进步的重要发展 方向；掌握给水管网系统的动态运行工况，是管理者从事给水系统管理的必然要 求。 给水管网建模是仿真给水管网系统动态工况的最有效的方法口1 ，它能够提供 供水系统最有价值的信息，有助于供水管理者实现管网科学化、现代化管理。同 时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，简化了建模的过程，因此，借助 g i s 建立管网水力计算模型成为了管网建模的主要发展方向之一。为了利用先进 的g i s 技术和理念，实现给水管网的数字化管理，建立一种全新的现代化给水企 业信息数据管理模式，提出了该课题。 l1 2 研究的目的和意义 城市给水管网系统是一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为 多目标的网络系统。给水管网错综复杂，附属设施种类繁多，传统管网资料管理 手段相对落后，为给水管网日常维护管理、给水服务、扩建改造、规划设计和事 故抢修带来了很大困难，与快速发展的城市给水事业日益矛盾。对庞大复杂的给 水管网系统实施科学管理是给水行业迫切需要解决的问题，建立与实际管网系统 特征相符的微观工况模型是解决问题的有效手段，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口1 。 给水管网系统建模是为仿真模拟管网系统动态实时运行工况而建立数学模 型的过程。一方面，通过给水管网模型，可以掌握已建管网的实时运行状况，分 北京川p 大学硕十：学何论文 析管网系统中各个构成部分的运行功能，发现管网现状存在的问题，预测管网维 护和改造对总体系统的影响，科学合理地制定近期、远期的管网改造和改扩建方 案；另一方面，通过给水管网模型，可以分析和预测在不同的管网运行边界条件 下，供水系统的运行工况如何，为管网系统的安全运行、提高运行效率、节能降 耗及提供企业客户服务水平提供辅助决策支持。 管网建模的过程一般分为两个方面：收集数据和进行数学模拟，其中数学模 拟一般通过专用的供水管网建模软件进行。管网模型的建立需要一定的数据基 础，但国内各给水企业信息化发展水平不一致，导致数据基础存在差异，对管网 建模所需数据也没有统一认识。可见给水企业在充分认识自身数据现状并有效利 用己有数据的基础上建立管网模型，有很大的现实意义。 给水管网水力模型通过将给水设施的属性数据输入计算机进行管网平差计 算，模拟给水运行，从而为实际生产运行提供决策支持。目前，与给水管网的规 划设计、运行现状评估、辅助调度决策、工程管理和维护等有关的工作越来越需 要有先进的有利工具做技术支持，于是建立准确的给水管网水力模型成为给水行 业信息化进程中迫切需要解决的问题；结合g i s 技术这一强大的空间数据管理技 术对给水管网大量数据进行存储和管理；并对建立的模型通过校验逐步使模型仿 真更趋真实，进行广泛的应用。 本课题是基于g i s 对城市给水管网水力模型数据结构及模型构建分析研究 以求建立更为行之有效的专业模型，实现对城市给水管网更为有效的管理。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 概述 随着管网信息技术的发展，实现给水管网系统的科学管理，需建立给水管网 水力模型，用计算机技术仿真管网的实际运行工况建立管网水力模型已经成为供 水管网设计、施工和运行管理的现代化技术方法，是城市供水系统现代化管理技 术进步的重要发展方向，同时也是给水事业发展的需要。 给水管网模型的建立大致经历了以下过程h 】： 管网平差计算技术( 1 9 6 0 1 9 8 0 ) ：将供水管网基础资料进行简化，结合供水 系统规划水量及压力要求，进行管网水力计算，进行多工况校核，如：高日高时、 事故时、消防时及最大转输时，保证管网运行时的压力和流量满足要求。这一阶 段就是利用管网水力计算技术进行管网设计、运行工况计算和校核，提高供水系 统设计和管理水平。 管网资料管理、运行分析及管网优化调度( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) ：开展供水管网地理 信息系统建设，矢量化供水管网基础资料、将管网系统属性资料和空间数据库进 2 l 一 第1 章绪论 行统一设计，提出供水管网建模标准方法，给水管网水力模型和水质模型进入成 熟应用阶段。开展供水系统优化调度及专家系统的建设工作，将实现供水系统优 化调度、管网水质分析与诊断、减少供水系统自来水漏失及供水成本作为研究的 重点和实现的最终目标。这一阶段就是利用计算机数据库技术、管网模型工具及 优化算法，提高供水系统运行效率和资料管理水平，称之为信息化的初级阶段。 自动化优化运行与管网信息化管理( 1 9 9 0 - 现在) ：建立供水系统优化运行和 调度管理统一的数据平台，应用计算机信息化和自动控制技术实现给水管网运行 仿真模拟和科学调度，通过建立管网地理信息系统和管网压力、流量及水质监测 s c a d a 系统，应用计算机软件进行管网水力及水质动态实时模拟和管网运行科学 调度，通过制定经济的离线和在线运行调度方案，统一调度各泵站的水泵运行， 保障管网系统水量和水压的优化分布，优化供水能耗和供水成本，降低管网中爆 管事故的发生概率，提高供水安全性和企业服务水平，实现城市供水科技现代化。 这一阶段的重要特征：自控设备安装调试、给水专业软件开发及接口设计( 管网 建模、g i s 、监测监控系统、决策支持系统、p l c ) 。这一阶段的目标就是要实现 整个供水系统在保证满足供水需求的前提条件之下，系统运行成本最低，实现自 动化无人化优化操作，称之为高度的信息化与自动化阶段。 与此同时，地理信息系统( 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 ，以下简称g i s ) 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。为了把握管 网的运行状态以便于对管网运行的管理和调度以及管网规划，需要将管网水力计 算模型与g i s 结合到一起。管网水力模型与g i s 结合是在利用g i s 对管网图形 及其各种属性数据的管理基础上发展起来的。充分利用g i s 强大的数据管理功能 实现给水专业水力模型的构建有很强的现实意义。但目前g i s 在给水系统中的应 用主要是输配水档案资料的日常管理，而这仅仅是g i s 的基本功能；对于管网的 规划设计、建筑施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修这方面的支持还 不够。要做到专业和g i s 的很好的结合，实现以上功能，就要求建立起一套很好 的水力计算的模型，尽量真实的模拟管网的工况嫡1 。 g i s 环境下利用其数据处理优势，完成水力模型是当前给水管网建模的发展 方向。无论在国内还是国外，现在管网建模软件设计的主要趋势都是在地理信息 平台基础上进行二次开发。这主要是因为整个世界正向着信息化、数字化不断发 展，在给排水领域“数字化管网系统”概念的提出，恰恰说明了这一点。数字化 模式为当前国际上领先的运行控制与管理方式，这也是给排水行业发展的必然趋 势3 。国内外许多学者对水力模型与g i s 的集成进行了研究。目前，国内外已经 有多种将两者结合，并从实际运行的经验出发，支持多种计算机软件操作系统平 台，支持多种输入输出设备，人机界面友好，贴近工程实际，支持参数调整的成 熟软件旷1 2 3 。 ：l 匕京t 业人学硕+ 学位论文 1 3 2 国内外给水管网建模软件简介 在1 9 8 4 年的调查中，a w w a 统计用户使用的管网分析软件超过2 5 种。从 那时起，出现了一些比早期版本更流行，且易于使用的新软件。建模软件最重要 的性能包括：能否连接到g i s ；其w i n d o w s 环境如何；其图形处理能力如何以 及管网分析能力n 驯。以这些性能为准则，再结合用户的实际需求，可对市场上多 种建模软件进行比较、选择。国内外将g i s 与水力模型结合的成熟软件有：同济 大学的宏扬软件；美国b e n t l e y 公司的w a t e r g e m s n4 l ；丹麦d h i 的m i k e u r b a n n 引；英国w a l l i n g f o r d 公司的i n f o w o r k s n 刚等。上述比较成熟的软件中， w a t e r g e m s 和m i k eu r b a n 的水力模型计算内核均为美国环境保护署 ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，以下简称e p a ) 公布的管网模型水力计算软 件e p a n e t ，以下对各软件的优缺点进行分析： 表1 - 1 国内外水力建模软件介绍 t a b l e l 一1i n t r o d u c t i o no f d o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lh y d r a u l i cs o f t w a r e 开发单位建模软件优点缺点 美国 e p a n e t 免费软件，且代码公没有多方案模拟管理 环境保护局开 功能；用文本i n p 文 件作数据输入；不能 连接到g i s 美国 w a t e r g e m s 有模拟方案管理功软件图形打印功能不 b e n t l e y 公司能；能连接到g i s ；如基于a u t o c a d 的软 管网简化方便件强大 英国 i n f o w o r k sw s 具有供水系统投资规数据结构比较特殊； w a l1i n g f o r d 划功能：能对泵站系不具备在线连接 软件有限公司统进行优化；管网简s c a d a 系统的功能 化比较便捷 丹麦 m i k eu r b a n 能对配水系统模型进无管网冲洗规划： d h i 软件公司行自动校验；消防流无模拟方案管理功能 量分析；可对压力管 道瞬变流进行分析 具有图形引擎；具备长期模型维护服务工 上海同济宏扬 h y m o d e l g i s 、s c a d a 数据库接作相对少 软件有限公司口；具备多上况计算 功能 本文及研究使用被业界所承认的海思德给水管网水力模型软件 w a t e r g e m s ，为建立适应水司管理的给水管网水力模型打下基础。 4 奠 第1 章绪论 1 4 课题的来源和内容 1 4 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没与 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，本文主要研究市政给水管网信息管理系 统部分。 同时，本课题也是b e n t l e y ( 北京) 工程软件有限公司“辽宁某城市给水管 网微观水力模型系统”的重要组成部分。 1 4 2 主要研究内容 根据城市给水管网信息化建设与管理的需要，本课题主要研究g i s 环境下城 市给水管网水力模型中的数据分析技术，分析水力建模中数据来源，数据处理过 程以及建模过程，并使该分析方法在项目城市给水管网的水力模型构建中得到应 用。 本文主要研究内容有以下几个方面： 1 、掌握g i s 环境下给水管网建模的总构架。文中对城市给水管网模型的分 类，水力模型w a t e r g e m s 及其模块，以a r c g i s 为例的g i s 数据存储优势进行 介绍，并在此前提下借助g i s 强大数据管理功能设计基于项目实例的管网水力模 型，分析模型建立后实现的功能，为城市给水管网水力模型的结构设计和功能设 计提供可行性的建议。 2 、给城市给水管网水力建模数据的采集与分析提供合理建议。文中主要针 对给水管网水力建模的数据采集模块，包括建模数据类型，数据需求以及数据可 能存在的误差等，在采用建模软件w a t e r g e m s 进行管网建模的基础上，分析了 基于g i s 的w a t e r g e m s 给水管网水力模型的数据需求，为城市给水管网水力建 模的数据准备提供支持。 3 、为了实现城市给水管网水力建模并保证其数据结构完整合理，本文对g i s 环境下基于w a t e r g e m s 管网模型软件建立城市给水管网水力模型的数据组织进 行分析，具体叙述g i s 环境下建立城市管网地图的途径，包括地图数据的分析以 及数据的拓扑处理等，针对其中可能遇到的问题进行分析；并提出了基于模型的 管网数据库结构的设计，设计了具体的数据表结构；同时为体现数据库各表间的 关系，设计了基于该管网模型数据库的关系结构图，这为城市给水管网水力建模 过程中的模型数据库规范化设计提供必要的支持。 4 、为实现管网水力模型的构建及模型校准，在之前几章数据准备完备的前 ：i 匕京丁、i p 大学硕十学位论文 提下，将经拓扑处理的数据用于城市给水管网水力模型构建的全过程进行叙述， 明确项目中整个建模过程的流程，为建模项目的实施提供合理依据。 5 、为了进一步验证本文建模方法的实用性，本文最后一章基于项目实例管 网数据建立城市给水管网水力模型并进行模型的校核与维护，对模型计算结果进 行简单分析，为本文提出的建模方法在实际中的应用提供可行性建议。 6 筇2 市g i s 环境下管网水力模型总体构架 第2 章g i s 环境下管网水力模型总体构架 本章详细介绍了给水管网模型分类及其定义，指出给水管网模型是由组件设 备构成的拓扑数据模型；同时介绍本文使用的给水管网建模软件w a t e r g e m s 功 能模块，以及本课题建立的给水管网模型设计及其功能设计。 、i 2 1给水管网水力模型选择 吣 2 l 1管网水力模型分类 城市给水管线的布置有两种基本形式n7 | ：环状管网和枝状管网。在城市供水 事业的发展过程中，在中心城区以及主要的供水区域内，主干管一般都布置成环 状管网，而在一些小街坊内、街道两侧的分散用户以及郊区，给水管网则以树状 管网的形式延伸至用户。实际上目前城市给水管网一般是环状管网与树状管网共 存。根据给水管网的布置形式，将给水管网分成两大类：呈环状布置的给水管 线，称为给水干管；呈树枝状布置的给水管线，称为配水管。与水表相接只有 配水管，而配水管又通过开口直接或间接地与给水干管相联接。拓扑是反映空间 要素和要素类之间关系的数据模型或格式，利用拓扑规则可以指定要素类的要素 之间有何种空间关系，或者多个不同要素中的要素之间的空间关系。 给水管网模型大体上分为非拓扑数据模型与拓扑数据模型两大类。o p e n g e o s p a t i a lc o n s o r t i u m 简单特征模型是一种非拓扑关系数据模型，用点，线， 多边形，多点，多线等要素描述实体。该数据类型对线和面的描述不具拓扑关系， 地理要素作为独立实体存放。拓扑关系数据模型是以拓扑关系为基础来组织存储 各个几何要素，点，线和面之间的拓扑连接关系，带有方向的弧段是整个拓扑关 系模型的核心。该模型的主要优点是设计数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中 预先存储的拓扑关系可以有效地提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率u 引。 拓扑关系可直接反映设备间的关系，即可通过拓扑关系追踪查询相关的设 备，进而获取所需的设备信息。基于拓扑关系的拓扑模型是直接对设备的拓扑关 系进行管理的，网络拓扑结构建立在拓扑关系基础上，因此建立拓扑模型需要从 以下方面进行分析：需要对管网中设备之间的关联关系进行分析，确定拓扑关系 的类型；按照拓扑关系的种类及设备的类型将设备进行分类，使得在构建管网专 业图的同时能方便地维护管网设备之间的拓扑关系，存储设备问的拓扑关系形成 整个管网的网络拓扑结构u 9 。 给水管网主要由点和线两种抽象实体组成，每个实体具有自己的空间位置和 属性特征，且连接成一个动态的运行网络。一个有效的给水管网模型应建立在拓 7 北京t n k 人学硕十学位论文 扑关系基础上，真实反映管网连通和管内水流状况。在实际的模拟中，我们同样 要基于物理拓扑及水力拓扑对管网进行分析，以便于建立更为精准的水力模型。 2 1 2 管网水力计算模型软件w a t e r g e m s ( 1 ) w a t e r g e m s 中管网表达 奔特力海思德解决方案( h a e s t a dm e t h o d s ) 的w a t e r g e m s ，通过一系列节 点和连接来模拟给水系统。 水j 乍 水泵 1 7 点1 1 7 点2 节点3 图2 一lw a t e r g e m s 中给水管网图形的表达 f i g 2 1g r a p h i ce x p r e s s i o no f w a t e rs u p p l yn e t w o r ki nw a t e r g e m s w a t e r g e m s 提供管网图形输入工具，可对管道、节点、阀门和水泵等图形 及属性数据进行输入、修改和删除等操作，也支持外部导入数据的通用接口，可 直接与其它g i s 系统连接，包括a r c v i e w 、a r c l n f o 和最新的a r c g i s ，a u t o c a d 的d w g 和d x f 文件，s h a p e f i l e 文件等，也可以与任意关系数据库连接，如 m i c r o s o f ta c c e s s 、d b a s e 、e x c e l 、o r a c l e 和s q ls e r v e r 2 。 ( 2 ) w a t e r g e m s 模块组成 w a t e r g e m s 软件提供多种分析计算模块，这些模块包括：能对管网中的枝 状管、并联管和串联管道进行自动简化且保证管网连接正确性和节点流量完整性 的模型简化器( s k e l e b r a t o r ) 模块；提供多种节点流量计算方法的节点流量分配器 ( l o a d b u i l d e r ) 模块；可从d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s ) 数字高程模型和数字 地形模型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l s ) 提取高程数据赋予管网元素的数字地形高程解 析器；具备高性能的平差计算引擎，能够高速计算任意规模管网的管网平差、分 析与计算引擎模块；支持多方案和子方案的供水系统规划设计及管理模块；水质 分析模快；提供采用基因遗传算法的d a r w i nc a l i b r a t o r 校正模块；多拓扑关系管 理模块以及模拟结果报表与结果演示模块等。 本文选用w a t e r g e m s 作为给水管网水力建模软件，利用其与g i s 融合的优 势，依据g i s 对图形数据拓扑关系的管理以及丰富的表达形式，对基于g i s 的 v v k 第2 章g i s 环境下管网水力模型总休构架 给水管网水力模型以及数据进行分析研究，进行适用于现在国内城市水力建模的 标准数据收集、处理和应用，设计了基于g i s 的水力管网建模数据处理和建模方 法体系，文中从数据管理的角度为给水管网水力建模提供技术支持，以满足管网 科学合理的规划和日常管理的需求。 2 1 3g i s 简介 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 ，g e o i n f o r m a t i o ns y s t e m ， 简称g i s ) ，是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关 地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地 理信息系统处理和管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位 数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理一定地理区域内 分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。 数据采集是将现有的地图、外业观测成果、航空相片、遥感图像、文本资料 等转成计算机可以处理与接收的数字形式。数据采集分为属性数据采集和图形数 据采集。对于属性数据的采集经常是通过键盘直接输入；图形数据的采集实际上 就是图形数字化的过程。数据采集过程中难免会存在错误，所以，对图形数据和 属性数据进行一定的检查、编辑是很有必要的。 数据采集后如何将其组织在数据库中，以反映客观事物及其联系，这是数据 模型要解决的问题。g i s 就是根据地理数据模型实现在计算机上存储、组织、处 理、表示地理数据的。数据模型组织的好坏，直接影响到g i s 系统的性能。 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。 地理数据库( g e o d a t a b a s e ) 是为了更好的管理和使用地理要素数据，按照一 定的模型和规则组合起来的存储空间数据和属性数据的容器。地理数据库是按照 层次型的数据对象来组织地理数据的，这些数据对象包括对象类( o b j e c t c l a s s e s ) 、要素类( f e a t u r ec l a s s e s ) 和要素数据集( f e a t u r ed a t a s e t ) 。对象类、要 素类和要素数据集是g e o d a t a b a s e 中的基本组成项。当在数据库中创建了这些项 目后，可以向数据库中加载数据，并进一步定义