智慧水務GIS管網快速關閥分析系統設計與實現

（上海航天動力科技工程有限公司，上海 200233）

隨著智慧城市信息化建設步伐的加快，我國智慧水務行業同步賦能升級，引入了高端信息技術，整體提高了水務行業的生產服務水平。新的智慧水務管理平臺，高效、精準配置水資源，有效緩解水資源短缺、解決水環境問題、保障水安全。智慧水務GIS管網快速關閥分析系統是智慧水務管理平臺子系統，該系統為智慧水務管網爆管事故提供快速的GIS可視化智能關閥方案。在智慧水務供水管網維護中，采用智能關閉閥分析方法快速生成最佳的關閥停水方案，對供水安全維護具有重要意義。

本文介紹了智慧水務GIS管網快速關閥分析系統的結構，并對系統構建中的關鍵技術進行研究，提出一種新型快速關閥分析方法。在自主研發智慧水務供水管理平臺的實際運用中，能夠幫助調度人員快速做出指揮決策、輔助爆管事故處理、減少管網漏損率等，得到了有效驗證。

1 系統設計

智慧水務GIS管網快速關閥分析系統以智慧水務GIS管網與供水調度監測平臺監測數據為基礎，采用計算機信息網絡、3S技術、復雜網絡分析等集成管理技術來實現，其計算機信息網絡的分布式設計提高了各測壓點的數據獲取效率。3S技術中的GIS系統為智慧水務空間信息提供了與現實對應的真實場景，GIS系統可展示復雜的空間拓撲關系，復雜的網絡分析技術將城市地下管網拓撲結構數據轉換為特殊的網絡結構圖，結合RS和GPS技術，利用北斗衛星和高清RS圖像數據為依據，實時較正GlS。考慮多處爆管或施工、管網復雜節點屬性、特殊閥門不可關閉等復雜工況要求，選擇集成多領域技術設計了一套實時關閥分析算法模型。該模型運算過程高效、直觀、可靠，能夠根據特殊工況的變化快速實時分析出可靠的關閥方案。系統最終在地圖上以不同顏色的點（符號、圖片等）和線等來直觀展示，并以表格形式顯示需要關閉閥門的信息和相關管段信息。

本系統主要分為五個子模塊，分別為關閥管網GIS基礎功能、爆管關閥分析功能、關閥方案查詢功能、3S實時GlS自校正功能、實時關閥方案庫。用戶在本系統中可查看GIS地圖上管網和監測點位置數據，并實時監測各監測點數據變化，對監測點數據進行實時分析，對特定環境做預測爆管告警，依托管網拓撲結構和側壓點壓力值、爆管位置等數據和實時關閥方案庫，本系統能夠依據某爆管事故點快速分析生成可靠的關閥方案，并在GIS地圖上直觀展現。

2 核心算法研究

智慧水務GIS管網快速關閥分析系統的核心算法為關閥分析算法，該算法通過輸入要素爆管點位置和管網拓撲結構數據集，最終輸出快速關閥方案。研究國內外處理相關技術的方案方法，發現廣度優先算法（BFS）為目前最通用的方法。為減少復雜度，本系統引用該算法為技術基礎，結合復雜的網絡圖像結構，自定義了一套規范的拓撲分析圖形結構，通過解析算法先快速將水力模型管網數據轉換成可用于判斷和分析的標準拓撲分析圖結構，再對該結構進行邏輯推算。該推算引入了BFS和遞歸等算法，基于管網信息化的數據支持，考慮復雜管網包含樹狀、環狀系統，考慮多爆管點并發性等事件，為解決GIS數據的精準性和避免BFS的弊端，創新引入RS、GPS、人工智能、大數據等技術，設計出一套新的算法模型，最終得到高效可靠的關閥方案。

在智慧水務管理系統中，水務管網是一個復雜的網絡結構，應用水務、GIS等軟件以不同結構圖形式表達管網，結構圖分別以不同格式文件保存，如ini、shp、json、gml等。基于這些結構圖可以深度剖析處理出有價值的信息用于水務智能化管理，關閥分析算法就是剖析處理管網結構圖的一個重要應用需求。

（1）設計一個新的管網結構圖數據，以此定義關閥分析輸入數據規則。考慮多種軟件創建的數據管網，設計轉換多種數據管網結構的轉換方法，該方法規范了多種管網關閥分析數據結構，便于關閥分析算法模型的建立。統一數據格式使算法模型不受多數據格式影響。抽取已有管網結構數據中關鍵數據，定義標準的規范名稱，并加入重要的關鍵字段，作為快速關閥分析算法的數據基礎。

（2）依據定義的規則數據，創建關閥分析管網結構圖。以最基礎的結構圖模型為例，創建一個空間結構圖對象G。

創建結構圖點集合V=[0（2，2），1（2，3），2（2，1），3（1，2），4（3，2），7（1，3），9（1，1），10（3，1）]；添加屬性，定義有T的為需要判斷關閉閥的閥門。

g.VS[type]=[S，T，T，T，T，S，S，S，S]；添加網絡中的點到G中，G.addV(V)；創建網絡中的邊集合E=[（0，1），（0，2），（0，3），（0，5），（1，5），（4，5），（1，7），（3，7），（3，9），（2，9），（2，10），（4，10）]。

（3）基于管網結構圖設計關閥分析算法模型，智慧水務管網是由管點和管線（模型中為管段）組成的復雜網絡系統，任何一點出現故障或對其中任何一處進行施工，都會影響網絡中其他實體。當出現故障或施工時，需基于故障點或施工點以及規范的關閥分析管網數據做分析判斷，管網數據必須真實可靠，需考慮流量、壓力、流向、特殊閥門不可關閉等條件因素，部分分析算法模型圖如圖1所示。

圖1 快速關閥分析算法模型

（4）設計模擬規律，引入RS和GPS技術，基于RS圖像數據、GPS數據系統實時修正GIS數據，在GIS管網不被修改的情況下，機器自學習生成關閥分析方案庫，該庫可快速響應各種工況需求，當管網被修改時，系統自動設置啟動項，重新生成關閥方案庫。

（5）設計GIS關閥功能展示界面，在GIS上顯示管網結構，鼠標點選爆管位置后，可快速顯示關閥方案。

3 核心技術測試

以江蘇吳江地下管網數據為基礎建立關閥分析模型，選擇多個爆管位置進行測試，發現準確率基本為98%，部分結果不相同處，分析后發現均為管網數據不可靠造成，不可靠原因多為多節點編號重疊、管段拓撲關系中斷等。重新修改基礎數據后，結果與預期完全一致。

測試記錄：

（1）測試1：結果相同。

測試管段FH11616～FH11615；

坐標（70 571.782，64 364.301）。

正元地理《吳江華衍水務管網GIS管理系統》分析結果一地圖如圖2所示，關閉閥列表如表1所示。

圖2 分析結果一關閥分析地圖

表1 分析結果一關閉閥列表

測試程序一結果如圖3所示，關閉閥列表如表2所示。

圖3 測試程序一分析結果地圖

表2 測試程序一關閉閥列表

（2）測試2：結果相同。

測試管段FH26116～FH26115；

坐標（73 208.471，64 467.321）。

分析結果二地圖如圖4所示，關閉閥列表如表3所示。

圖4 分析結果二關閥地圖

表3 分析結果二關閉閥列表

測試程序二結果如圖5所示，關閉閥列表如表4所示。

圖5 測試程序二分析結果地圖

表4 測試程序二關閉閥列表

4 系統實現

以亳州市給水管網為例，系統實現了亳州譙城區GIS管網快速關閥爆管分析，主要包括關閥管網GIS基礎功能、關閥分析功能、關閥方案查詢功能、3S實時GlS自校正功能、實時關閥方案庫五個主模塊。

關閥管網GIS基礎功能：包含GIS管網地圖展示、GIS地圖放大、縮小、平移、漫游、鷹眼等基礎功能，結合管網數據的加載，用戶可隨意查看感興趣的管網信息、管網結構情況、管網設備節點分布等。

關閥分析功能：可根據爆管或特殊工況，在地圖上選擇相關爆管位置點，選擇相應爆管點后，系統會快速高亮顯示需關閥的閥門位置，同時被選爆管位置和相關管段都會以不同顏色高亮顯。亳州管網系統處理過程秒級實現，無等待延時現象。

關閥方案查詢功能：利用關閥分析出關閥點后，可通過表信息窗口查詢相關需關閥的閥門信息和管段信息等，可對相關信息進行排序等。

3S實時GlS自校正功能：基于GPS和RS高清圖像數據實時校正GIS管網數據，解決GIS管網精度、可靠性問題。

實時關閥方案庫：基于固定的GIS數據實時更新切換關閥方案庫，作為關閥分析系統模型的判斷條件之一，有效提高模型計算的分析效率。綠色為爆管事件點，紅色為需要關閉閥的閥門，點擊爆管事件點后系統可快速分析，生成關閥方案以圖像形式顯示。

GIS管網快速關閥爆管分析系統如圖6、圖7所示。

圖6 GIS管網快速關閥爆管分析系統

圖7 快速關閥爆管分析系統截圖

5 結語

本文研究實現智慧水務GIS管網快速關閥分析系統，有助于提高供水調度監測中心監管效率、降低漏損率、減少運營成本，提升整個智慧水務體系的綜合管理水平。本系統核心算法可應用于多類型工況背景下的流體管控，如礦井、煤氣、石油、天然氣的開采等領域。隨著5G正式商用，依托5G技術高帶寬、低時延、大連接的技術特性，結合NB-IoT等，本系統所構建的分析模型及系統在日常生活、工業生產以及軍工、科學試驗中均具有重要的價值。