（环境工程专业论文）城市输配水系统优化运行的研究.pdf

摘要 针对我国目前供水行业现存的一系列急待解决的问题，从我国供水行业的日 常运行和管理的现状出发，笔者认为建立科学、合理的“城市供水管网信息管理 与调度系统”，将g i s 信息管理系统与供水管网优化调度有机的结合起来，实现 供水资料的科学管理、信息资源的二次开发，不仅有助于提高操作人员的工作效 率而且能够提高在调度决策和判断上的准确性与可靠性，为各级管理人员提供调 度决策上的有力支持。 首先，笔者运用高端的面向对象、功能强大的交互式数据管理工具v i s u a l f o x p r o 开发了输配水系统基础数据库，加强了基本信息数据库建设，并建立了 g i s 供水管网信息管理系统，从而大大提高了供水管网管理工作的效率和质量。 除此之外，还可利用g i s 分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论、方法相 结合，进行深度开发，为管网优化设计、各种运行状态下的优化调度以及事故抢 修等提供决策支持。 其次，对多水源供水管网的优化调度进行了系统的研究，首先运用 时间序列三角函数分析法进行管网用水量短期负荷预测；接着运用管网构造法建 立了管网性能宏观模型，并采用多元线性回归分析法求出宏观模型拟合系数；最 后，在此基础上分别建立了管网优化调度显式数学模型( 直接优化调度) 和隐式 数学模型( 两级优化调度) ，重点介绍了调定混合供水系统优化运行模型，并用 枚举法对两级优化调度模型求解。 最后，在前面水源优化调度、水泵节能调度的基础上，进行自控阀的调度， 以管网各节点剩余压力平方和最小为目标，以满足管网水力条件为约束，建立自 控阀调度模型，并对这一太规模非线性问题采用种新的启发式搜索算法一模拟 退火算法求解，获得全局最优解。通过求解上述模型，得到管网中各自控阀的最 优开启度，从而均衡管网压力，减少管网漏损及发生爆管的几率，有效维护管网 的供水安全。 关键词：g i s ；基础数据库；供水管网；优化调度；自控阀；模拟退火 a b s t r a c t c o n c e r n i n gt h es t a t u so f o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l yas e r i e so f e x i s t i n g p r o b l e mi nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y , i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa s c i e n t i f i ca n ds o u n d s o f t w a r e 一- w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m w h i c h c o m b i n e si n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do n g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) w i t hw a t e rs u p p l yn e t w o r ko p t i m a lc o n t r o la n dr e a l i z e st h es c i e n t i f i c m a n a g e m e n to f w a t e rs u p p l ys y s t e md a t aa n df u r t h e rd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n r e s o u r c e s w i t hi t , t h e a c c u r a c ya n ds e c u r i t y o fd e c i s i o n - m a k i n ga sw e l la st h e e f f i c i e n c yo fo p e r a t i o n a r ei m p r o v e d f i r s t l y , b a s e do no b j e c t - o r i e n t e d ，f u n c t i o np o w e r f u li n t e r a c t i v ed a t am a n a g e m e n t t o o l s 一- v i s u a l f o x p r o ，w a t e rs u p p l ys y s t e m b a s ed a t a b a s ei s d e v e l o p e d ，w h i c h r e i n f c ，r c e st h ec o n s t r u c t i o no fb a s i cd a t a b a s e ；i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o ng i sf o rw a t e rs u p p l yn e t w o r ki se s t a b l i s h e d , a n di m p r o v e sg r e a t l yt h ee f f i c i e n c y a n dq u a l i t yo fw a t e rs u p p l ym a n a g e m e n t b e s i d e s ，c o u p l i n gt h ep o w e r f u lf u n c t i o n o fa n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n df o r e c a s to fg i sw i t hp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g e ，f u r t h e r d e v e l o p m e n tc a r lb em a d et op r o v i d ed e c i s i o ns u p p o r tf o ro p t i m a ld e s i g n ，o p t i m a l c o n t r o lo f v a r i o u so p e r a t i o ns t a t u sa n de m e r g e n c yr e c o v e r y s e c o n d l y , t h es y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o ni sg i v e n t oo p t i m a lc o n t r o lo f m u l t i - s o u r c e w a t e rs u p p l yn e t w o r k a tf i r s tt h et i m es e r i e st r i g o n o m e t r i cf u n c t i o na n a l y s i si su s e d i n f o r e c a s t i n g w a t e rs h o r tt e r md e m a n d ；t h e nt h en e t w o r kb e h a v i o rm a c r o s c o p i c m o d e li se s t a b l i s h e dw i t hn e t w o r k s t r u c t u r i n gm e t h o da n d f i t t i n g c o e f f i c i e n to f m a c r o s c o p i cm o d e li s s o l v e d b ym u l t i p l e l i n e a rr e g r e s s i o n a n a l y s i s ；l a s te x p l i c i t m a t h e m a t i c a lm o d e l ( i m m e d i a t eo p t i m a lc o n t r 0 1 ) a n di m p l i c i tm a t h e m a t i c a lm o d e l ( t w o - s t a g eo p t i m a lc o n t r 0 1 ) f o r w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m a lc o n t r o la r e e s t a b l i s h e d t h es t u d yp u te m p h a s i so ni n t r o d u c t i o no fo p t i m a lc o n t r o lm o d e lf o r w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m w h e r es p e e d - r e g u l a t i n gp u m pi sm i x e dw i t hc o n s t a n t s p e e dp u m p ，a n da p p l y e n u m e r a t i o nt os o l v et w o - s t a g eo p t i m a lc o n t r o lm o d e l f i n a l l y , o nt h eb a s i so f p r e v i o u sc h a p t e r , a u t o m a t i c c o n t r o lv a l v e o p t i m a l c o n t r o l i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d m o d e li se s t a b l i s h e dw i t hr e s i d u a lp r e s s u r eq u a d r a t i cs u m a s o b j e c t i v ef u n c t i o na n dh y d r a u l i cp r i n c i p l ea sc o n s t r a i n t s ，ah e u r i s t i cs e a r c ha l g o r i t h m s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m i s a p p l i e d t os o l v ea b o v el a r g e 。s c a l en o n l i n e a r f u n c t i o n , a n dg l o b a lo p t i m u ms o l u t i o ni sa c q u i r e d b ys o l v i n gt h em o d e l ，o p t i m u m o p e nd e g r e e i sa t t a i n e dt ob a l a n c et h ep r e s s u r eo f w a t e rs u p p l yn e t w o r ka n da b a t e t h e p r o b a b i l i t yo f l e a k a g e l o s sa n d p i p eb u r s t , a v a i l a b l ym a i n t a i n i n g w a t e r s u p p l ys a f e t y k e y w o r d s ：g i s ；b a s e d a t a b a s e ；w a t e r - d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；o p t i m a l c o n t r o l ； a u t o m a t i cv a l v e ；s i m u l a t e da n n e a l i n g 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字目期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘鲎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： 誉霞 导师签名：秘警 签字日期：御年7 月心目签字日期：卯年7 月巧百 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着社会经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，人们对给水服务质量 的要求越来越高。目前，提高给水服务水平己成为各国普遍关注的问题。 1 9 9 7 年在西班牙马德里召开的世界给水工程会议所编制的关于指导各国水 司引用新技术及改善管网管理的方法论的纲要就旨在考虑引用新的技术和方法 来提高各国水司配水管网的运作水平，即帮助各国改善其水司配水系统服务质量 并提高管网本身运作效率。 然而目前我国大多数城市管网建设滞后于水厂建设，并且管网是供水中的薄 弱环节，在供水现代化建设中要加以重点解决。因此对管网开展普查，摸清管网 现状，建立计算机管理系统，实现管网的科学管理已成为必要。 针对我国目前供水行业现存的一系列急待解决的问题，从我国供水行业的日 常运行和管理的现状出发，笔者认为建立科学、合理的“城市供水管网信息管理 与调度系统”，将g i s 信息管理系统与供水管网优化调度有机的结合起来，实现 供水资料的科学管理、信息资源的二次开发，不仅有助于提高操作人员的工作效 率，而且能够提高在调度决策和判断上的准确性与可靠性，为各级管理人员提供 调度决策上的有力支持。 g i s ( 地理信息系统) 作为- - i 新兴的学科，能够将管网的各种信息( 属性数 据库) 与空间位置、空间分布及其空间关系通过数字化( 图形数据库) 丽有机地 结合在一起。g i s 的数据输入、管理、查询、输出及空间分析操作，特别是它所 建立的二维矢量拓扑关系及网络分析功能，与普通管理信息系统相比具有不可比 拟的优势，另外，通过g i s 的二次开发可以智能嵌入供水调度模块，辅助调度工 作人员进行调度决策，方便快捷地实现供水管网的计算机在线调度。 在管网上引入压力监测点、流量计、自控阀等设施并装备s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，即监控与数据采集) 系统的基础上进一步研究 供水管网的优化调度，尤其是自控阀的调度，把给水管网计算、监控、调度、运 行管理、优化设计和绘图有机地结合为一个整体，从而真正达到国家供水行业提 出的“优质、高效、低耗、安全”目标。 第一章绪论 1 2 国内外研究动态 我国供水行业的管理水平同发达国家相比较，在很多方面存在着很大的差 距。加强管理是一项复杂的工作，不仅受到现行给水政策的制约，而且也与现有 的管理水平、技术水平及运行设备密切相关。舀前，我国城市用水管理状况基本 上仍处于强化管理阶段，迫切需要转向科学管理。 1 2 1 供水管网信息管理系统 近年来，国外发达国家在城市供水过程中，为取得供水系统的统一规划以及 在工程设计和运行管理方面的优化，广泛应用计算机管理信息系统进行供水管理 工作，通过实现供水系统信息化管理，为供水系统优化提供重要的决策支持。他 们自8 0 年代就把g i s 技术引入给排水领域，如d u l a n l y 和h e w i t t ( 1 9 9 0 ) 等运 用g i s 通用软件来处理管网管理的日常工作；z i c k 将g e o s q l 、g i s 和a u t o c h d 与配水系统分析结合起来，及时为用户提供供水管网变化所造成的影响： m o u t a l e t a l 在1 9 9 2 年提出了纽约市包括9 6 0 0 l n 管线、1 8 0 0 0 个闸阀和1 9 0 0 0 个消火栓的g i s 数据库管理和管线绘图系统；1 9 9 3 年美国华盛顿环境工程委员 会以g e o m a p 为平台建立了g i s 给排水管理系统，成功地对全市的给排水管网及 设施进行管理；另外，g i s 还应用到给水管网的优化设计和管道定线中，作为典 型的决策支持系统而建立的配水系统优化程序( 1 | l i _ a d s o p ) ，是将管网分析、计算、 设计规划模型与g i s 技术结合在一起，进行管网优化设计。 我国在供水管理方面，对基于g i s 的管理信息系统的研究和应用尚处于起步 阶段，大多数城市仍然沿用人工管理的模式，虽然已有一些城市将计算机应用于 对供水系统的部分信息进行管理，但尚缺少综合性强，通用性好的供水信息管理 系统。近年来，国内些大中城市自来水公司已利用国产的软件平台建立g i s 管理系统，但由于专业领域限制，仅简单地停留在供水管网资料的科学管理上， 未能充分利用g i s 的二维矢量拓扑关系及网络分析功能，因此进行g i s 的二次开 发并智能嵌入供水调度模块，辅助调度工作人员进行调度决策，方便快捷地实现 供水管网的计算机在线调度就显得尤为重要。 1 2 2 输配水系统优化调度 国外自五十年代末将计算机技术用于给水工业以来，至7 0 年代就开始了对供 水管网优化调度问题的研究，在这方面已取得了不少成功的经验，如：v i l a s 第一章绪论 n i t i v a t t a n a n o nh 6 1 ”6 1 等人提出了根据管网用水负荷、水泵供水能力及其它地 理因素的限制，将供水管网优化调度模型按不同时段和区域分为若干的子模型分 别进行研究，并采用逐步优化的方法求解优化调度动态规划数学模型的方法； v i l a sn i t i v a t t a n a n o n 在模型中对水泵流量离散化并采用搜索法求解以减少泵 开关次数。s a k a r y a 、a b u r c ua 1 t a n 9 1 等人在输配水系统泵的最优调 度中考虑水质因素，基于这个不能用现行方法解决的大规模非线性规 划问题，最优解是通过与水力、水质模拟代码e p a n e t ，非线性优化 代码g r g 2 连接而求得的：s a k a r y a 将含有状态变量的约束条件并入 到目标函数中使用增广拉格朗日罚函数法求解，模型中的三个目标函 数是( 1 ) 水质浓度的期望值与实际值的差最小；( 2 ) 总的泵的运行 时间最小；( 3 ) 总的能耗最小；最后求出考虑水质因素的泵站最优调 度方案。除此之外，p e l l e t i e r ，g n e v i e v e 4 3 1 4 4 1 ，q i n gz h a n g 4 卯、m c g u i r e ， m i c h a e lj 巧等也都对管网优化调度进行了研究，并提出了与s c a d a 系统相结合的实时优化调度。另外在调度模型的解法上，国外文献报道的 也较多，有结合限界隐枚举法的探试算法( 启发式算法) 、动态规划法、广义简 约梯度法、遗传算法、p s l p o c t 组合算法以及a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 启发式搜索法等，目前在美国、英国、日本、法国等地的有些城市已基本上 实现了供水系统的计算机在线优化调度，并编制了一些较通用的调度管理软件， 如英国的g i n a s 及美国的o p w a d 等，取得了可观的经济效益和社会效益。 从7 0 年代起国内的许多专家、学者开始尝试将计算机技术应用于供水系统 的模拟、优化设计及水厂水质控制等方面。在供水系统优化调度管理方面也进行 了很多有益的探索和尝试，制作了一些应用软件，并在大庆、郑州、济南、深圳、 广州等地进行了实际应用，但由于国内设备条件及技术手段的限制，在供水的可 靠性及经济性方面都较成功的实例尚不多见，完全由计算机进行调度决策的供水 控制系统实例尚未见到，但建立供水系统的优化调度系统是供水行业发展的必然 趋势。 1 3 主要研究目标、内容、方法 本文是导师所承担的项目；“城市输配水系统优化运行”中的一部分。笔者 首先运用f o x p r o 建立了输配水系统基础数据库，为优化调度提供了准确的数据 第一章绪论 支持，并建立了g i s 供水管网信息管理系统，实现了供水管网信息的科学化管理； 接着针对我国的检测、控制设备及水资源条件，立足于现状，对优化调度进行了 系统的研究，分别研究了负荷预测子系统、工况模拟子系统、优化调度子系统， 在优化调度子系统中，又分别讨论了水源调度、水泵节能调度、自控阀调度，并 建立了相应的数学模型，最后结合工程实例进行了考核。具体如下： 1 3 1 建立输配水系统基础数据库及g is 供水管网信息管理系统 在这一部分，笔者运用高端的面向对象、功能强大的交互式数据管理工具 v i s u a lf o x p r o 开发了输配水系统基础数据库，加强了基本信息数据库建设，并 建立了g i s 供水管网信息管理系统，利用g i s 外挂数据库的功能，将f o x p r o 数 据库中的部分信息导入到g i s 属性数据库中，使管网图形库与属性数据库及外部 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，从而大大提高 了管网管理工作的效率和质量，除此之外，还可利用g i s 分析、模拟与预测的强 大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，为管网优化设计、各种运行 状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持。 1 3 2 基础数据的处理及加工 在该部分，笔者从输配水系统基础数据库中提取相关数据，进行数据加工为 输配水系统的优化调度做准备工作，首先用多元线性回归及非线性回归分析法对 两水源各种型号水泵q 一日曲线、q 一叩曲线、q 一曲线进行拟合；接着对各 种规格( 阀径) 自控阀在不同开启度下的局部阻力系数进行计算，从而计算出包 含自控阀的管段的阻力系数，为自控阀的调度做准备；最后，给出输配水系统 优化模型中涉及到的各项费用参数( 水资源费、售水费、水厂或泵站 的电度电价等) ，并给出水厂或泵站基本电价、运行水泵电耗的计算 公式，从而为研究输配水系统的优化调度提供了有力的数据支持。 1 3 3 多水源供水管网优化调度模型建立 在论文的这一部分，笔者对多水源供水管网的优化调度进行了系 统的研究，首先运用时间序列三角函数分析法进行管网用水量短期负荷预测； 接着运用管网构造法建立了管网性能宏观模型，并采用多元线性回归分析法求出 宏观模型拟合系数；最后，在此基础上分别建立了管网优化调度显式数学模型( 直 接优化调度) 和隐式数学模型( 两级优化调度) ，重点介绍了调定混合供水系统 d 第一章绪论 优化运行模型，并用枚举法对两级优化调度模型求解。 1 ，3 4 自控阀优化调度模型的建立 笔者在前一章水源优化调度、水泵节能调度的基础上，进行自控阀的调度， 以管网各节点剩余压力平方和最小为目标，以满足管网水力条件为约束，建立白 控阀调度模型，并对这一大规模非线性问题采用一种新的启发式搜索算法一模拟 退火算法求解，模拟退火算法相对局部搜索算法而言，搜索的解空间更大些，更 有可能达到整体最优解，即使达不到，所彳寻近似最优解的质量也比局部搜索算法 好。通过求解上述模型，得到管网中各自控阀的最优开启度，从而均衡管网压力， 减少管网漏损及发生爆管的几率，有效维护管网的供水安全。 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 第二章输配水系统基础数据库及g is 供水管网信息管理系统 2 1 概述 要开发出与实际系统相吻合的优化调度系统，首先需针对具体的输配水系统 进行分析研究，了解其实际需要，并真正得到应用部门人力、物力的支持，取得 能反映系统实际情况的基础数据库，并建立应有的监控及数据采集系统 ( s c a d a ) ，从而把供水管网计算、监控、调度、运行、优化和绘图有机地结合 在一起( 见图2 1 ) o 图2 1 输配水系统关系示意圈 给水管网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 ，地理信怠系统) ：主要是把 城市的地理位置与给水管网系统设施结合在一起，用于设施的图形管理、供水 业务管理、漏水监测和辅助调度作用。若先建成系统基础数据库，则可利用g s 强大的导入功能，直接从外部数据库中提取节点、管段等数据信息。 给水管网s c d a 系统：监铡设施可以分为泵站、清水池和测流测压点三类， 主要具有数据采集、数据录入与查询、数据处理的功能，数据采集是s c a d a 的主 要功能，其实现方法即是安装监测和数据传送设备。数据的录入和查询是把采集 的数据，按一定的格式自动存储在数据库中，并可按时间、设施等进行查询，同 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 时系统中还具有纠错模块，以防实测数据误差或失真数据引起系统的误操作。数 据处理功能可以对实测数据按一定的功能要求实现报表、图表、操作判断等。 管网水力平差计算：在特定供水条件下根据连续性方程和能量方程，求解管 网中管段流量、节点压力、泵站流量和扬程，使管理及决策人员了解管网对供水 需求的符合程度，检验管网设计和运行质量，为泵站设计和运行、管网运行与改 扩建提供依据。 管网状态模拟计算：建立与实际系统的宏观特征相吻合的工况模拟是科学的 进行输配水系统优化调度的基础。进行优化调度计算时一般需模拟各个泵站的供 水量和供水压力等主要参数，传统的解决方法多数采用平差计算，即微观模型法。 但根据我国现有基础条件，有些管网的拓扑关系及基础参数己很难完全取得。特 别是由于设备条件等因素的限制，管网的节点流量无法动态准确得到。在本文中 我们采用宏观模型法，即在实际管网中，取水源、泵站及少量能代表管网压力分 布状态的监测点，构造一简化等效网络。其中各点间的传递特性可由回归计算得 出。这样构造的简化网络模型与原管网具有相同或相近似的特性，能较准确地再 现实际管网状态。除此之外，还可以进行管网系统的工况校核及可靠性分析。 管网运行优化调度计算：在不同时段的供水需求条件下，通过泵站供水量变 化求解二级泵站供水量，对各泵站中的水泵进行优化运行组合，调整各水厂的出 水量和出水压力，帮助制定更为科学合理的调度计划和调度方案，改善管网中水 流状况。降低爆管的概率，达到常年供水动力费用最小化，提高供水服务水平。 用水量预测：是根据过去用户用水量的历史数据进行相关分析后找出各个用 户区域最主要用水相关的参数和时变特性，建立模型，在此基础上做出用户用水 量的短期、中期和长期预测，从而编制出用户日、月和年的用水计划。 水力计算成果表达：主要有三种形式，一种是绘制c a d 工程图，包括给水管 网平差结果图和等水压线图。它是在保证计算结果接近实际情况的前提下，对管 线进行简化的图形，图中对节点、管段、泵站等的计算结果进行详细标注。第二 种是图形显示功能，根据数据库绘制实时曲线图和历史趋势线图、如各时段管段 流量曲线图、各时段节点水量需求曲线图等。第三种表达形式是以统计报表形式 显示各管段、节点、泵站等的历史和当前数据。水力计算结果均可由打印机输出。 在本章中，我们重点讨论输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系 7 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 统。 2 2 输配水系统基础数据库的建立 22 1 数据库的选择和设计 2 2 1 1 数据库的选择 笔者在选择数据库开发平台时，是本着以下原则进行的。 ( 1 ) 从软件长期应用的角度，判断所选用的数据库管理系统的适应性如何， 是否能适应将来的发展要求； ( 2 ) 数据库的开放性和完整性如何，是否支持与异种数据库的互访； ( 3 ) 对中文的兼容性好坏，是否便于管理人员管理使用； ( 4 ) 数据库是否有较高的安全性； 基于上述原则，笔者采用了微软公司的v i s u a l 系列开发工具之一一v i s u a l f o x p r o 。 v i s u a lf o x _ p r o 不但是一种功能强大的交互式数据管理工具，也是一种强大的 应用程序创建工具。它以其独到的特点和优势赢得了越来越多的开发者。这套工 具实现了所见即所得的界面设计，完美地实现了g u i 用户界面由用户自由定制 的功能，使得开发者可以不再去为制作v 、r m d o w s 风格用户界面而耗费太多精力， 而将精力集中在核心代码的实现上。v i s u a l f o x p r o 采用了事件驱动、面向对象的 程序设计思想，从而减少了数据库信息管理系统的开发周期，降低了人力、物力 投资。 2 2 1 2 数据库的设计 系统基础数据库，是指包括给水系统的管网节点、管段、消火栓及其它附件 设施在内，以便对管网结构参数等基础信息实行统一管理，并在此基础上形成一 个随时可以查询统计的数据库。例如、管网水力分析计算所需的数据，可以从数 据库中很方便地提取，经计算机迅速准确平差计算后，将计算结果输出，依此对 给水管网工作性质，状态作进一步分析。除此之外，还可从数据库提出所需数据 形成管网绘图程序的输入文件，进行计算机自动绘制计算成果图，将管网水力分 析计算结果以图文并茂的形式展现出来。 在管网计算中，由于给水管线遍布在街道下，非但管线很多并且管径差别较 大，不可能将全部管线一律加以计算，通常要根据管网的大小、在保证计算结果 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 接近实际情况的前提下将实际管网适当加以简化，略去一些次要的、水力条件影 响较小的管线，形成一个以节点、管段为主的管网拓扑结构。 在本文中，我们以某滨海新区实际管网( 见附图1 ) 为例建立一f o x p r o 关系 型数据库。在本数据库中包括命名为“管段结构表”、“节点结构表”、“水泵基础 参数表”等一系列数据库表。 “管段结构表”包括了与管段相关的信息，管段编号，起始节点号，终止节 点号，管长，公称管径，内径，粗糙度系数，管材，配水系数( 单双侧供水情况) 等，共有2 0 个字段，具体见表2 1 ，特别注意的是，进行管道水力计算时，为准 确反映管道输水能力，要收集不同管材所对应的实际内径，包括有无涂层的资料。 表2 - 1 管段结构表 编号字段名编号字段名 l 管段编号 1 l 起点标高 2 公称管径 1 2 支管数 ， 3 配水系数 1 3 腰闸井数 4 起始节点 1 4 用户井数 5 终止节点 1 5消防井数 6 管材 1 6 水表井数 7 内径 1 7 压力监测点数 8 计算内径 1 8流量监测点数 9 粗糙度 1 9 自控阀数 1 0 管长 2 0 余氯监测点数 “节点结构表”包括了与节点相关的有关信息，节点编号，x 坐标，y 坐标， z 坐标( 地面标高) ，节点流量等。共有7 个或更多字段，具体见表2 2 。 “水泵基础参数表”包括了本输配水系统中所涉及的不同型号水泵的特性参 数，具体如下列字段；水泵编号，规格，额定流量，额定扬程，流量l ，扬程l ， 功率1 ，效率l ，流量2 ，扬程2 ，功率2 ，效率2 、流量3 ，扬程3 ，功率3 ，效 率3 ，备注等。其中扬程l 、功率1 、效率l 是在流量1 状态下的情况；扬程2 、 9 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 功率2 、效率2 是在流量2 状态下的情况；这些字段对应的数值将用于拟合水泵 的性能曲线，具体方法将在第三章详述。 表2 - 2 节点结构表 编号字段名编号字段名 l 节点编号 5 关联管段编号 2 节点横坐标 6 节点服务用户 3 节点纵坐标 7 节点集中流量2 0 0 3 年某月 4节点地面标高 ( 注：其中第7 项“节点集中流量”可按时间推移和需要补充增加或更新) “水源泵站机组情况表”包含了各水源内水泵型号，规格，数量， 额定流量，额定扬程，效率，额定转速，轴功率等。 另外，还有自控调节阀流量系数表等各类数据表，在此不一一赘述。 2 2 2 数据库的应用 数据库建立的目的是对系统基础信息加以科学的管理及应用，根据运行管理 的不同情况和要求可以有很多种用法，例如： 1 、检索管径为某一特定值的管段。例如检索d n 3 0 0 的管段，如图2 - 2 ； 图2 2 管径等于3 0 0 r a m 的检索结果 2 、检索管长超过某一特定值的管段，例如检索管长 = 8 0 0 m 的管段，如图2 - 3 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 图2 3 管长大于等于8 0 0 m 的检索结果 同理可灵活设置不同的查询条件，如检索自控阀所在的管段，压力监测点所在的 管段等，在此不一一详述。 3 、建立查询 a 从“管段结构表”和“节点结构表”选择需要的字段按一定的排序显示，形 成管网平差程序的输入文件( 如图2 - 4 所示) ，对管网进行平差计算，以对管网 的扩建、改建提供依据。 图2 4 管网平差程序输入文件 b 数据库“节点结构表”中选择字段“节点横坐标”、“节点纵坐标”形成管网 绘图程序的输入文件( 如图2 - 5 所示) ，进行计算机自动绘图。 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 图2 5 管网绘图程序输入文件 当然，上述只是对给水系统基础数据库的最基本的应用，除此之外，我们还 可灵活运用数据库查询到我们所需的各信息，在此不一赘述。 2 2 3 数据库结构、字段、数据等的增删改 f o x p r o 数据库最大的灵活性体现在数据库的结构、字段、数据增、删、改比 较容易。 1 、数据库结构的增删改 在这里我们将数据库结构的增删狭义地认为是指数据库中表的增加、删除。 f o x p r o 数据库中，可方便的新建表、添加己存在的来自别的数据库的表以及删 除已有的表。 2 、表的修改 表的修改是指数据库中表的结构的修改，对于f o x p r o 表，可方便地删除已有 字段、插入新字段、改变字段次序及设置索引字段。 3 、记录的增删改 记录的增删改指表中新记录的追加、已有记录的删除，进入数据库设计器界 面，打开数据库表，鼠标指向记录删除标识条，单击使其为黑色，表明己加删除 标志。加了删除标志的记录只是做了标识还没有从表中删除，单击命令“恢复 记录”可恢复标识的记录，单击命令“彻底删除”则可把加了标志的记录彻底删 除。 2 3g i s 供水管网信息管理系统 1 2 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 2 31g i s 系统简介 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 ，简称g i s ) 是在计算机硬件和软 件支持下，运用地理信息科学和系统工程理论，科学管理和综合分析各种地理数 据，提供管理、模拟、决策和预报等任务所需要的各种地理信息的计算机管理系 统；是一种存储、分析和显示空间信息和非空间信息的信息技术。它显著的基本 特征是能实现对空间数据的分析、处理和管理，是数据库技术由属性数据管理阶 段向空间数据管理阶段的飞跃，从而把地图独特的视觉化效果和地理分析功能与 一般的数据库操作( 例如查询和统计分析等) 集成在一起，目前g i s 在国内外 的应用领域已经相当广泛。如：地形制图、自然资源和土地资源的管理、矿产资 源评价、环境评价与监测、电子导航系统、防汛及河流管理等。 2 3 2 基于6 1s 建立供水管网信息管理系统的必要 一方面，现行的供水管网系统管理手段、管理方式陈旧，查询检索不方便、 资料利用率低、信息传输渠道老化，对水资源的分配无法实现及时、合理的优化 配置，对决策者、信息咨询者不能提供及时、准确的决策依据，使得供水管网管 理信息系统的开发迫在眉睫。 另一方面，地理信息系统( g i s ) 作为一门新兴的学科，能够将自然和人类 社会活动的各种信息( 属性数据库) 与空间位置、空间分布及其空间关系通过数 字化( 图形数据库) 而有机地结合在一起。g i s 的数据输入、管理、查询、输出 及空间分析操作，特别是它所建立的二维矢量拓扑关系及网络分析功能，为城市 给水管网的规划设计、管理调控提供了强有力的工具。与普通管理信息系统相比， g i s 更适合供水管网的管理。 2 3 3g i s 供水管网信息管理系统的建立 目前，我校根据供水企业的要求，以中国地质大学( 武汉) 的m a p g i s 为软件 开发平台，建立了城市供水管网管理系统，具体步骤如下： ( 1 ) 原图修饰 在c a d 中对原始管网图进行修饰，保存为d x f 文件。 ( 2 ) 文件转换 将a u t o c a d 的d x f 格式的管网背景图、管网图转换成g i s 系统内部矢量文件 结构，并以线文件、点文件或是区文件的形式保存已转换的图形。 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 ( 3 ) 图形编辑 新建工程文件，载入线文件、点文件或区文件，再编辑修改上述图形文件的点、 线、区域的空间位置及其图形属性、增加或删除点、线、区域边界，并适时自动 校正拓扑关系，从而使输入的图形更准确、更丰富、更漂亮。 ( 4 ) 属性编辑 依次进行点、线、区属性结构编辑，再通过参数修改属性，即可实现点编辑、线 编辑及区编辑。当然，也可通过g i s 外挂数据库的功能，将外部( 如f o x p r o ) 数据库中的数据直接导入到g i s 的属性数据库中。 2 3 4 目前g l s 在供水管网方面的应用 目前，我校建立的城市供水管网管理系统己实现了如下功能： ( 1 ) 信息录入 供水管网图像信息、属性数据、空间( 地图) 信息等的录入。 ( 2 ) 信息查询 将属性信息、地图信息、图像信息等相结合，包括由文查图和由图查文，其中由 文查图是指按文字形式输入查询条件，系统以特定颜色将满足条件的空间信息及 其他相关信息显示出来；由图查文是指提取空间信息，系统将用高亮度把与之相 关的属性信息显示出来。 ( 3 ) 统计分析功能 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；并按 要求生成各种统计报表，以统计图表的方式显示查询结果。 ( 4 ) 自动关阀搜索及扩大关阀搜索 为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息。 ( 5 ) 基于g i s 进行管网水力分析 在m a p g i s 供水管网模块中整理编辑数据域，在原有的属性字段基础之上添加水 力分析所需的相关参数，如添加管段参数：管段编号、起始节点、终止节点、配 水系数、粗糙度等；添加节点参数：节点编号、节点集中流量、节点压力、节点 标高等。然后录入各管段和节点对应的参数属性数据，若已存在现成的管网结构 参数数据库( 如v i s u a lf o x p r o ) ，则可直接从外部数据库导入，不用手工录入编 辑。在此基础上再利用m a p c - i s 强大的导出功能，将g , a p g i s 图形文件中的属性数 1 4 第二章输配水系统基础数据库及g i s 供水管网信息管理系统 据( m a p g i s 表文件) 导出到外部数据库( d b a s e 、f o x b a s e 、v i s u a lf o x p r o 、a c e s s 、 e x c e l l 、p a r a d o x 、s q l - s e r v e r 、o r c a l e 、s y b a s e 等) 中任一种。例如，可将管段 属性( 管段编号、起始节点、终止节点、计算内径、配水系数、粗糙度等) 和节 点属性( 节点编号、节点地面标高、集中流量等) 分别导出到文本文档“管段数 据t x t ”和“节点数据t x t ”中，作为管网水力分析程序的输入文件，以备进行水 力分析之用。 由上可知，上述功能基本实现了供水管网的信息化管理，并通过g i s 的集成， 使管网图形库、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，从而大大提高了管网管理工作的效率和质量。 2 3 5g i s 在供水行业应用前景 g i s 在供水系统中的应用，不能仅仅作为一个图形库和数据库只是停留在管 网日常管理的水平上，还应该利用g i s 分析、模拟与预测的强大功能，为管网规 划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持， 这就需要与专业理论、方法相结合，进行g i s 二次开发。目前的开发方式有单纯 的二次开发、组件式开发等。 单纯的二次开发是指基于国内外先进的g i s 平台( 如m a p i n f o 、a r c i n f o 、 a r c v i e w 等) ，利用其提供的二次开发工具( 如a r c l n f o 提供的v b a 内嵌式开发 语言、a r c l r l e w 提供的a n v e n u e 、m a p l n f o 提供的m a p b a s i c 等) 结合应用目标， 开发出具有特定应用功能的地理信息系统。该种开发模式简单易行，有很多功能 可以直接从原有的平台软件中引用过来，但其移植性差，受开发平台的影响，不 能脱离原系统单独运行。 组件式开发是在可视化开发环境( 如v b 、v c 、d e l p h i 等) 中，将g i s 控件 嵌入用户应用程序中，实现一般g i s 功能，在同一环境下利用开发语言实现专 业应用功能。它的优点是既可以充分利用g i s 组件对空间数据库的管理、分析 功能，又可以利用可视化编程语言具有的高效、方便特性，该方式不仅能大