基于VisualLISP語言快速提取CAD管線信息SWMM建模方法探索

寧存鑫，湯　鐘，李翠萍，耿　冰，成志軒

(1．浙江貴仁信息科技股份有限公司，浙江杭州　310051；2.深圳市城市規劃設計研究院市政規劃院，廣東深圳　518000；3.上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海　200082)

SWMM模型是由美國環保署(EPA)資助開發的一個免費開源的城市雨洪管理模型，包括水量、水質、LID等多個模塊[1]，已被世界各國的研究者廣泛用于研究雨水問題，在中國也被廣泛應用于海綿城市LID評估、排水管網復核、城市面源污染量估算等，并取得一系列的研究成果[2-3]。

然而，因為目前我國管網信息化程度較低，絕大部分管網數據以DWG格式存儲，SWMM無法直接處理。若使用手工描繪方式進行建模，效率低且誤差很大。所以，SWMM模型應用的核心問題是如何基于已有數據進行快速建模，通過計算機輔助建模可以大大提高建模效率，從而對SWMM模型的應用和推廣有重要意義。

1　SWMM模型及文件結構

SWMM將城市排水管網系統中的水文和水力要素概化為管渠(Link)、節點(Node)和匯水區(Catchment)三種類型，用非線性水庫模型模擬地表徑流，用圣維南方程演算管網的輸送過程，用累積沖刷模型模擬地表徑流的污染[4]。SWMM模型主要用于城市區域降雨徑流、合流制管道、污水管道和其他排水系統的規劃設計、情景分析和方案評估等多個方面。資料翔實時也可應用于非城市區域的分析與模擬[5-6]。

SWMM的模型文件為INP格式文件，具有按塊組織的特定文件格式。每一塊都是從一個由中括號括著的關鍵詞開始，關鍵詞后為屬性區，模型的各種參數反映了對應的管渠、雨量計、匯水區等的屬性及相互關系，部分關鍵詞如下。

[TITLE]工程標題

[OPTIONS]分析選項

[REPORT]輸出報告指令

[FILES]接口文件選項

[RAINGAGES]雨量計信息

[HYDROGRAPHS]用于構造RDII進流量的單位水文過程線數據

[EVAPORATION]蒸發數據

[TEMPERATURE]氣溫和雪融數據

SWMM的INP文件中各節次序任意，并非所有節是必須的。分號(；)用于說明本行中，其后為注釋而不是數據。數據項可以顯示在行內任意列。各節關鍵詞可以顯示為混合小寫和大寫方式，僅僅前四個字符(加上起始中括號)用于區別關鍵詞。

2　建模實現過程

建模是進行SWMM模擬的第一步，基于VisualLISP快速提取管線信息并導入SWMM的過程可分為兩部分，一是管線信息的提取，二是信息格式的轉換與導出。

2.1　管線信息的提取

管線需提取的信息主要有以下內容：管徑、管長、管線兩端管內底標高、管線折點坐標、管線上下游與節點的對應關系、節點的坐標、節點內底高程、節點地面標高。為了提取到這些信息，有三個核心問題需要解決，一是建立管線的上下游拓撲關系，二是獲取標高信息并與管線及節點對應，三是管徑信息與管線的對應[7-8]。

2.1.1建立管線的上下游拓撲關系

為了確定管線的上下游，首先自定義一個名為pck的塊，需要用戶通過點擊下游管線末端插入到管線系統中，管線系統排出口位置即為塊的基點。拓撲關系的建立流程如圖1所示。

圖1　管線拓撲關系建立流程圖

如圖2所示，管線拓撲建立的源代碼，其中子程序“getnewaddnearobjss”承擔根據搜索點表獲取新增管線，并記錄信息，同時更新搜索點表的任務；rcgx為管線端點的容差；gxename為管線的線形；gxlayer為管線圖層。

圖2　主程序源代碼

2.1.2獲取標高信息并與管線及節點對應

為了使提取后的標高管徑信息能與管線及節點對應，需要合理的數據存儲格式。這里使用表來存儲數據，節點和管線的數據形式如下。

(節點坐標地面標高井底標高節點編號)

(管線圖元名上游節點編號下游節點編號上游管內底標高下游管內底標高管徑管線坐標管線編號)

其中節點坐標和管線圖元名可用來判斷節點或管線是否已存在。這里討論的標高標注形式為浙江樣式，如圖3所示。

圖3　井管標注樣式示意圖

標高的提取流程如圖4所示。

圖4　管線特征標高識別及儲存流程圖

需注意管線坐標保存時，應以下游節點坐標替換管線的下游坐標，以保證管線信息在提取后可以首尾相連，不受容差的影響；需使管線坐標按照上游至下游的順序排列，以保證數據轉換成SWMM格式后不至錯亂。

三維管線高程信息可直接根據起終點Z值確定，可省略復雜的標注檢索匹配流程[9]。

2.1.3獲取管徑信息并與管線對應

根據管線中點和設定的容差、圖層等因素進行搜索，若搜索到多個標注則選擇其中距離最近的那個。另外也可根據情況加入角度判斷，保證標注和管線平行，降低出錯幾率。

2.1.4功能融合

因為提取過程需一次性完成，所以將步驟3融入到步驟2中從而得到完整的信息提取功能，之后再融入進步驟1的拓撲建立過程之中，即可在拓撲每增加一根管線同時，獲得需要的管線、節點的各種信息。

2.1.5可視化排錯功能

為了可視化檢索提取信息的準確性，增加了標注功能；分圖層分顏色將管線的中點與其所對應的管內底標高文字基點、管徑文字基點連線，即可清楚地看出信息對應關系是否正確。同時標注管線及節點的編號，通過編號及信息連接線的標注進度也可知曉程序的運行情況。

2.2　數據的轉換與導出

2.2.1數據導出

將已有節點信息表和已有管線信息表，通過foreach函數導出并增加“ ”作為空格，即可得到規則的信息表格。圖5為CAD原數據樣式，表1和表2分別為提取出的節點和管段數據。

圖5　CAD管線數據

節點信息(部分)坐標地面標高/m井底標高/m節點編號(5242900320176e+00600)211831951817(5242340320173e+00600)211811918616(5242610320175e+00600)20931934215(5242310320175e+00600)20911917414(5241890320181e+00600)207331911613(5241990320179e+00600)207311908512

表2　管段數據提取

注：信息表中的坐標，為一或多對(x,y)形式的數據，對于有拐點的多段線同樣適用

2.2.2數據轉換

將數據轉換成為SWMM標準INP格式，是通過對已有節點信息表和已有管線信息表的操作來實現的。在數據輸出時，分為[OUTFALLS]、[JUNCTIONS]、[CONDUITS]、[XSECTIONS]、[COORDINATES]、[VERTICES]6個部分。

圖6　提取后自動生成INP文件

通過nth、assoc等函數組合使用獲取表中指定信息，經一定的對應、計算等處理后輸出。SWMM中管內底標高是通過相對節點底部標高的偏移來實現的，所以需在獲取管線內底標高后，根據其節點編號搜索對應的節點底部標高，經過計算后再輸出，效果如圖6所示。

3　應用案例

選取某公園來進行模型驗證，管網基礎數據為DWG格式管網規劃圖，匯水區基礎數據為shp格式用地規劃圖，包括降雨、洪水位、蒸發等多種基礎數據。根據本文上述建模過程所編寫的CAD插件進行管道數據提取，成功提取為INP。匯水區由開源軟件INPPINS轉換為INP格式，將兩個INP進行關鍵詞對應即可合并，建立完整SWMM模型。輸入模型參數后即可執行模擬，效果如圖7所示。

分別輸入芝加哥設計降雨數據和全年分鐘降雨數據進行模擬，結果顯示該公園規劃海綿方案的年徑流總量控制率在91.65%，達到90%的規劃要求；規劃排水管渠方案在P=5 a的情境下，無節點溢流，滿足管網排水能力要求。本文快速提取方法大大降低了建模難度，提升了建模效率。

圖7　管網及最終SWMM模型

4　結論

本文實現了將一定格式下的CAD管網數據快速提取的功能，可自動轉換到SWMM模型中，大大減少建模人員的工作量，在規劃、設計以及海綿城市建設效果評估中皆可得到應用。某公園的案例驗證了方法的可行性。

本文所述方法仍有發展空間，如很多圖紙并不是每個節點都有高程標注，缺失的部分仍需要手工來補充，后續可增加根據上下游標注自動補全標高的功能；另外由于管徑標注形式多樣，目前僅將標注整體提取，沒有實現自動識別所需信息的功能；此外筆者開發了將匯水分區導入SWMM的程序，下一步有望將兩個程序整合，實現更完整的功能，以期在海綿城市規劃及設計評估等方面有更好的應用。

[1]Zoppou C.Review of urban storm water models[J].Environmental Modelling & Software,2001,16(3):195-231.

[2]胡愛兵,任心欣,丁年,等.基于SWMM的深圳市某區域LID設施布局與優化[J].中國給水排水,2015,31(21):96-100.

[3]https://www.epa.gov/water-research/storm-water-management-model-SWMM[EB/OL].

[4]危唯.低影響開發技術在深圳某地區的應用研究[D].長沙:湖南大學,2014.

[5]吳亞男,熊家晴,任心欣,等.深圳鵝頸水流域SWMM模型參數敏感性分析及率定研究[J].給水排水,2015,41(11):126-131.

[6]任心欣,湯偉真,李建寧,等.水文模型法輔助低影響開發方案設計案例探討[J].中國給水排水,2016,32(17):109-114.

[7]楊偉明,劉子龍,周玉文,等.基于CADTableConvert和雨水管網設計計算表的自動SWMM水力模型構建方法研究[J].給水排水,2016,42(4):124-127.

[8]張靈敏.排水管網水力計算及暴雨積水模擬方法研究[D].廣州：華南理工大學,2015.

[9]陳淑珍.基于GIS和SWMM的城市排水管網建模方法研究[D].北京：北京工業大學,2014.