基于GIS的燃氣停氣智能預測分析及應用

王重陽 馬兆俊 霍思慧 帥艷民

（1．沈陽燃氣有限公司，遼寧 沈陽 110000；2．遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

燃氣安全關系到千家萬戶，還體現了燃氣企業的管理水平。沈陽的新城區是基于新理念規劃打造的，但是目前老城區仍然是人口密集居住區。隨著運營年限的増加，部分燃氣管線出現了老化現象。提高老城區氣化水平、保障供氣安全成為燃氣供應企業必須面對和解決的問題[1]。除了需要了解和提高管道系統運行的可靠性、減少故障的發生以及延長管道系統的使用壽命，還應該逐步抽換老舊管線。為了保障安全，在管改及新設等燃氣工程施工前，需要進行停氣預測。由于公司以往的預測方式是在地理信息系統（GIS）軟件中采用人眼識別、分析和判斷的方法對錯綜復雜的海量管網數據進行逐條預測，因此難以避免出現漏看或誤判的情況，從而導致預測結果存在誤差。且預測過于依賴預測人員的個人經驗，出具的預測報告尚無統一的標準。改進上述不足、降低工作強度以及提升效率和準確性已經成為亟待解決的問題。

鑒于GIS強大的空間分析和網絡分析功能，通過梳理停氣預測工作所涉及的空間和屬性數據特點，構建停氣預測數據庫。對現有的ARCGIS平臺進行二次開發，通過程序自動進行停氣預測分析，并生成停氣預測圖及報告的新工作模式，為施工提供了重要的生產依據。使該工作更規范，避免了出現理解偏差。新預測模式有助于維護燃氣管網數據的現勢性，便于統計和溯源；減輕了勞動強度，提升了工作效率和科學性，可以取得較高的經濟效益，在行業中具有很大的推廣價值。

1 研究范圍

沈陽市是遼寧省的省會，位于中國東北地區南部，是東北地區最大的中心城市。以沈陽燃氣公司為例，研究區涵蓋了由沈陽市和平區、沈河區、皇姑區、大東區、鐵西區、于洪區、沈北新區、渾南區、新民、法庫以及蘇家屯區構成的城區。燃氣GIS數據庫中包括多級別管網及附屬設施數據，例如高壓A/B、次高壓A/B、中壓A/B、低壓管網、門站、調壓站以及進戶等[2-3]。其中低壓管網分布密集，且直達終端用戶，是服務廣大市民的重要供氣管道，因此管網的安全運行極其重要。

2 研究方法

停氣預測工作是燃氣企業安全生產的重要組成部分，考慮到GIS強大的空間分析和網絡分析能力，對停氣預測的傳統工作模式進行重新梳理與改進優化，提取關鍵環節，并結合燃氣管網現狀，構建停氣預測數據庫。該文提出了基于幾何網絡分析及爆管分析的原理和接口，對現有的ARCGIS DESKTOP進行二次開發，實現停氣預測智能分析的創新工作模式，新模式的技術實現如圖1所示。經過功能測試，該模式投入了企業的生產運營，實現了分析過程的“自動化”和輸出成果的規范化。

2.1 幾何網絡

Geodatabase是面向對象的第三代地理數據模型，通過賦予其自然行為及拓撲規則，可以使GIS數據集中的特征更加智能化，其實質是建立在DBMS基礎上統一的智能化的空間數據庫。Geodatabase 使用線性網絡來描述城市管網等地理網絡模型，以幾何網絡和邏輯網絡來表示1個線性系統，幾何網絡將地理空間抽象成幾何對象的集合[4]。幾何網絡分析建立在點、線元素的基礎上，以有向的拓撲方式相互連接，通過交匯點實現邊與邊的傳遞，可以進行連通、追溯等分析[5]。一個網絡可以由多個要素組成，例如在燃氣系統中，可以由中高壓管線、低壓管線以及調壓站等構成一個網絡，在GIS中表現為由一系列相互連通的點和線組成，用來表達水、電和氣等空間幾何特征和資源的流動特性，因此這種包括線要素和點要素的網絡被稱為幾何網絡。應用ArcGIS強大的幾何網絡分析功能，調取相應接口，可以滿足燃氣行業停氣預測智能分析的需求。

2.2 模糊查詢

在自動預測分析的過程中，工程名稱和工程編號非常重要，其中，工程編號是空間數據關聯的紐帶。當輸入工程編號后，相關掐頭點和接頭點就可以被自動檢索出來。算法主要通過模糊查詢實現，需要調用ARCGIS的IQueryFilter、IFeatureCursor、IFeature以及IFeatureClass等接口及專門用于屬性查詢的查詢過濾器QueryFilterClass。通過WhereClause屬性設置查詢條件的Sql語句，這里要使用通配符LIKE，符號%可以代表0個或多個字符，例如：” DNAME LIKE ‘%” + this. DName.Text + “%’”，即查找含有輸入信息相關的工程。

圖1 技術實現圖

2.3 流向判斷

在燃氣網絡中，由于氣體的流動具有流向，因此需要從掐頭點開始沿著低壓管網追溯到運行的調壓站，要知道網絡中的源頭以及能追溯到的調壓站的開關狀態，從而判斷氣源的來向，進而得出正確的預測及建筑物的影響區域。根據掐頭點和接頭點所在低壓管線的位置，判斷其氣源的來向。首先，獲取該管線起點和終點坐標，再計算出與X軸正方向的夾角值[6]，可以通過自定義函數來實現；其次，需要判斷起點和終點是否為同一點，通過設定容差值dataTolerance，利用X、Y坐標差與容差值進行判斷，例如（Math.Abs（pt1.X - pt2.X） ＜= dataTolerance && Math.Abs（pt2.Y - pt2.Y） ＜= dataTolerance）；再次，排除相同點，再通過角度計算判斷流向。角度計算需要用到反正切函數 Math.atan()，具體實現可用（180 * Math.Atan（f）） / π得到角度，其中f值可以通過低壓管線兩端點的X、Y坐標求得，例如f=Math.Abs（（pt2.Y - pt1.Y） / （pt2.X - pt1.X））；最后，將角度與設定好的角度規則進行判斷，確定氣源的來向。

2.4 影響區域分析

影響區域建筑物的提取分為掐頭影響區域提取和接頭影響區域提取，需要對斷管后的低壓管網的連通性進行判斷，確定每條低壓管線所帶的進戶，通過進戶點在一定緩沖區范圍確定受影響的建筑物。代碼實現需要先設定緩沖區大小常量，例如double Dist= 4，根據選中的要素wGeometry和設定好的Dist常量，調用ARCGIS接口構建緩沖區，代碼如下：pTopologicalOperator = wGeometry as ITopologicalOperator; wGeometry = pTopologicalOperator.Buffer（Dist）。判斷空間關系，用ISpatialFilter接口進行空間關系查詢時，需要使用esriSpatialRelEnum枚舉類型。esriSpatialRelContains（包括）、esriSpatialRelWithin（包括于）等9個關系是分別從幾何體的內部、邊界和外部來區分的，所有的幾何體之間的拓撲關系都是由這9個關系組成的。通過IFeatureSelection接口構建選擇集對象，并使用SelectionColor方法指定影響建筑物的顏色，最終顯示出受影響的建筑物。

2.5 預測報告生成

停氣預測報告的生成，主要包括掐頭預測報告和接頭預測報告，關鍵環節在于提取管網信息和輸出格式，輸出文件主要以Microsoft Excel （*.xls）格式導出。主要屬性信息提取自數據面狀圖層中錄入環節的“停氣預測”面。輸出預測圖需要用到布局視圖，開發中需要用到ArcGIS 的IPageLayout、IGxMapPageLayout、IMxDocument和IElement等接口。圖面顯示過程的關鍵在于按照編號對同一區域不同預測點影響范圍的顯示狀態進行控制。可以利用DeleteElement和Reset方法清空上一次輸出留下的圖形，避免出現同一張圖上預測區域顯示的堆疊和交錯，從而造成理解上的混淆。

3 應用與分析

在應用過程中，首先由規劃設計部門出具施工圖/竣工圖，按地址和編號錄入停氣預測面。對照圖紙中的“大樣圖”添加掐頭點和接頭點，問題點用于標明需要現場試氣和反饋的管線。根據圖紙編號完善各要素的屬性信息。預測過程根據該圖紙編號鎖定預測涉及的掐頭和接頭點，結合線狀低壓管網和調壓站的供氣情況，自動分析提取管線掐接過程中供氣受到影響的建筑物，并標識出低壓管線的改造方式，最終生成預測圖（如圖2所示）。導出對應的掐頭和接頭報告，報告中詳細體現了施工單位需求的掐接點氣源來向以及低壓管線的長度、管徑和影像區域的建筑物編號等信息；以掐頭報告為例（見表1），該報告是施工中的必要環節，與傳統“人工模式”相比，采用GIS程序預測的新模式可以自動完成分析過程，大大降低了工作強度，避免出現理解上的偏差，為安全施工提供了重要保障。

4 結語

通過GIS強大的管網分析功能，結合日益完善的管網數據，采用程序自動分析，克服了人眼搜索識別難度大及對海量數據的頻繁操作的問題，在提高效率的同時，還提升了分析的準確性。在預測分析過程中，雖然程序不能自動處理錯誤的數據，但是程序可以及時發現停氣預測區管網數據中不易被肉眼識別的“問題”數據，有助于及時發現錯誤，將問題快速反饋到公司測繪部門進行修正，增強了公司管網數據的現勢性，從而提升了管網數據的質量。新模式減少了重復工作，分析過程更加客觀，還實現了管網分析的“自動化”和處理過程及預測結果的準確性和規范化，對公司安全生產和行業應用的推廣都有十分重要的意義。

圖2 停氣預測自動分析及結果示意圖

表1 低壓管線改造、并網停氣范圍預測廢線報告表