王星捷

(核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610041；成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614007)

0 引 言

當(dāng)前三維管網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)出現(xiàn)了眾多三維管網(wǎng)的軟件平臺。已實現(xiàn)的三維管網(wǎng)系統(tǒng)，大多都沒有考慮高程數(shù)據(jù)，只是在二維平面的基礎(chǔ)上導(dǎo)入了三維模型，重在三維管網(wǎng)效果的展示、漫游和定位查詢等功能，缺乏三維管網(wǎng)的分析功能，在數(shù)據(jù)中雖然有高程數(shù)據(jù)，而分析功能大多以二維為主，缺乏對實際的地形高程數(shù)據(jù)的分析。

近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了一些三維管網(wǎng)技術(shù)研究的理論，如文獻(xiàn)[1-3]等。絕大多數(shù)的理論研究的側(cè)重點在三維管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計[4-5]、數(shù)據(jù)庫建庫、管網(wǎng)模型的快速建模[6-7]、綜合系統(tǒng)的集成以及管網(wǎng)的監(jiān)測[8]和預(yù)警系統(tǒng)。但有部分涉及三維管網(wǎng)的分析，如爆管分析、縱橫斷面分析。但分析的數(shù)據(jù)都缺高程數(shù)據(jù)，局限于二維數(shù)據(jù)的分析。因此，文中結(jié)合二維矢量數(shù)據(jù)和地形高程數(shù)據(jù)設(shè)計研究了基于三維爆管分析、閥門追蹤、橫剖面分析和縱剖面分析等供水管網(wǎng)分析算法。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)主要分四個層面進(jìn)行設(shè)計，以便系統(tǒng)在處理龐大的數(shù)據(jù)和進(jìn)行復(fù)雜算法分析時能夠快速響應(yīng)和避免假死狀態(tài)。獨立地將數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)功能服務(wù)分開，在操作空間地理數(shù)據(jù)的同時不影響對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的干擾，實現(xiàn)了分層設(shè)計的需求。

1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是三維數(shù)據(jù)展示層，展示三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)和三維管網(wǎng)分析的數(shù)據(jù)，主要采用ArcScene和ArcGIS Engine技術(shù)進(jìn)行實現(xiàn)。

1.2 服務(wù)平臺

服務(wù)平臺分為服務(wù)接口、服務(wù)發(fā)布和算法分析，其中在服務(wù)接口中包含Web應(yīng)用開發(fā)接口和服務(wù)接口OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，根據(jù)此接口開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用服務(wù)，滿足各個層面的需求；在服務(wù)發(fā)布中包含數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)主要有：專題地圖服務(wù)、文檔服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，功能服務(wù)內(nèi)主要有：地理編碼服務(wù)、空間分析服務(wù)、空間處理服務(wù)等；算法分析主要是針對三維管網(wǎng)的實現(xiàn)分析功能，包括爆管分析、閥門追蹤、橫剖面分析和縱剖面分析等。

1.3 數(shù)據(jù)資源

數(shù)據(jù)資源為服務(wù)平臺提供各種數(shù)據(jù)支持，在數(shù)據(jù)資源中分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)，其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包含地理實體數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)，專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包含國土、規(guī)劃、管線等，三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)主要是以二維管網(wǎng)和地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行三維管網(wǎng)建模和高程對應(yīng)處理。數(shù)據(jù)是系統(tǒng)平臺最核心部分，所以在數(shù)據(jù)資源管理上，采用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)劃分存儲管理，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全，經(jīng)過分別部署操作，方便后期管理和維護(hù)。

1.4 支持層

支持層為云管理平臺，分為存儲服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)器。通過云管理平臺對各個服務(wù)體系進(jìn)行部署管理，協(xié)調(diào)各部分工作，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2 基于流向的爆管分析算法

爆管分析是地下管網(wǎng)系統(tǒng)管理中最為常用的功能。在實際應(yīng)用中，爆管分析在管道維護(hù)、事故預(yù)防、事故解決中起著非常重要的作用。

供水管網(wǎng)爆管造成的后果是爆管點下游所有用戶停水和水漫出地面影響行人通行。針對這種事故的解決方式就是關(guān)閉水閥，然后派遣消防部門對地面進(jìn)行抽水并讓交通執(zhí)法警隊及時趕來維護(hù)交通秩序，最后是通知下游停水用戶并及時供水。爆管分析首先獲取爆管設(shè)備信息以便維修，然后獲取爆管點的上游閥門和下游所有受影響的管段和調(diào)壓設(shè)備，根據(jù)這些信息來處理爆管事故。爆管分析中經(jīng)常存在搜索查找不必要閥門的問題[9]，影響了爆管分析的效率。

文中研究了基于管道流向的爆管分析方法。該方法在分析了傳統(tǒng)爆管分析算法特點的基礎(chǔ)上，利用GIS幾何拓?fù)渌悸?，結(jié)合管道水流的流向，對傳統(tǒng)的爆管分析算法進(jìn)行了改進(jìn)。

在進(jìn)行爆管分析前，首先要建立幾何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，在其關(guān)系中，現(xiàn)階段在地下管網(wǎng)系統(tǒng)中基本抽象為幾何弧段[10]，調(diào)壓箱、閥門、消防栓等點要素都抽象為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并都處于各個管線的交點處。因此，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[11]中簡化為只考慮管線與管線、管線與節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系問題。在GIS網(wǎng)絡(luò)之中都是通過應(yīng)用節(jié)點至管線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來存儲其關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)抽象節(jié)點主要包含節(jié)點ID號、關(guān)聯(lián)管網(wǎng)ID、XY坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)等屬性；網(wǎng)絡(luò)抽象管線主要包含管線ID號、直徑、材料、埋深等屬性。在實際情況下，只需要關(guān)閉爆管點上游閥門便可切斷水流。算法設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 基于流向的爆管分析流程

爆管分析實現(xiàn)流程為：

(1)初始化存儲要素的集合邊標(biāo)記對象，分析結(jié)果點存儲對象，分析結(jié)果邊存儲對象，爆管分析對象。

(2)設(shè)置爆管分析的終止圖層為閥門圖層。

(3)延上游進(jìn)行流向分析，獲取最近的上游閥門，分析后的閥門數(shù)據(jù)存儲到對象中。

(4)延下游進(jìn)行流向分析，分別獲取下游管道和下游調(diào)壓設(shè)備。分析后的調(diào)壓設(shè)備數(shù)據(jù)和管道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲。

3 閥門追蹤算法分析設(shè)計

閥門追蹤分析[12]在管網(wǎng)施工中用來快速追蹤最近的閥門設(shè)備，以此來分析出最優(yōu)的閥門關(guān)閉方案，對于管網(wǎng)設(shè)施安全起到非常重要的作用。閥門追蹤分析具體是，選擇一截管段，通過算法利用管網(wǎng)連通性獲取管段周圍的閥門和閥門封閉區(qū)域內(nèi)的管道，并將閥門和管道在視圖上顯示出來，再將閥門的詳細(xì)信息顯示在控件上。閥門追蹤分析主要是用來查詢管段與周圍閥門的關(guān)系，在管網(wǎng)設(shè)施檢修維護(hù)時能夠快速地對周圍閥門進(jìn)行定位，并根據(jù)具體情況關(guān)閉閥門。具體的設(shè)計流程見圖2。

圖2 閥門追蹤分析流程

閥門追蹤分析主要是利用ArcGIS平臺提供的幾何網(wǎng)絡(luò)流向分析算法進(jìn)行重新組合后實現(xiàn)的。具體流程為：

(1)初始化存儲對象：創(chuàng)建分析最終結(jié)果對象，分析結(jié)果點存儲對象，分析結(jié)果邊存儲對象，邊標(biāo)記對象和分析對象。

(2)設(shè)置連通分析終止圖層。

(3)對選擇管線設(shè)備進(jìn)行上下游連通分析。

(4)分析過后的獲取管線和閥門會存儲到管線結(jié)果對象和閥門結(jié)果對象中。

4 橫剖面分析算法

地下管線橫剖面分析[13]過程是，依據(jù)用戶需求，手動延管網(wǎng)所在平面繪制一條直線。該條直線需要與管線有交叉點，然后延直線獲取每條管段的地面高程和埋深，并以折線圖的形式展現(xiàn)出來。在折線圖上展示各個管段的地面高程、埋深、ID信息和間隔距離。

進(jìn)行橫剖面分析時要首先選擇直線繪制原點，以當(dāng)前管網(wǎng)在場景中的高度為空間參考，進(jìn)行直線繪制。橫剖面分析結(jié)果為所有與該直線所相交的管段，其信息包括管段在幾何網(wǎng)絡(luò)上的ID、地面高程信息、埋深，通過開發(fā)平臺提供的要素計算出每個管段之間的間隔距離。最終分析結(jié)果以折線圖的形式展現(xiàn)出來，地面的高度變化和管線的深度變化分別用兩條折線來表示，y坐標(biāo)表示相對于大地水準(zhǔn)面的高度，x坐標(biāo)表示該要素到繪制直線起點的距離。通過折線圖可以分析出管網(wǎng)高程和地面高程隨著直線繪制方向的變化趨勢，可以利用這些信息在沿線建設(shè)新的地下設(shè)施時避免發(fā)生空間重疊。

橫剖面分析是在劃線橫剖面區(qū)域中查找出與剖面相交的要素，然后算出管線和橫剖面的交點的坐標(biāo)高度，再根據(jù)計算公式獲取該管段的起點高程屬性值和終點高程屬性值，最后通過公式計算出相交點的高程值。

如圖3所示，(x0,y0)表示起點坐標(biāo)；(xt,yt)表示終點坐標(biāo)；(xi,yi)表示相交點坐標(biāo)；D1表示起點坐標(biāo)到終點坐標(biāo)的距離；D2表示起點坐標(biāo)到相交點的距離；H0表示起點高程；Hi表示交點所在高程；Ht表示終點高程。

圖3 管線高程解算示意

交點高程Hi為待求值，x0,y0,xt,yt，H0,Ht為已知值。

首先求D1起點到終點的距離，如式1：

(1)

然后求D2起點到相交點的距離，如式2：

(2)

最后求出交點高程，如式3：

(3)

通過上面公式可以得出相交點的高程值，可以在折線圖中表示出來，并展示各個要素的信息，模擬出橫剖面的折線圖。

橫剖面分析算法實現(xiàn)流程為：

獲取相交管線要素：

(1)初始化存儲要素的集合和所有管線圖層集合；

(2)通過查詢管線圖層，獲取所有與繪制折線相交的管線要素存儲到要素集合對象。

突出顯示查詢出的要素，具體步驟為：

(1)通過要素的圖形屬性提取每個要素的幾何對象的幾何接口；

(2)通過幾何接口對象創(chuàng)建圖形圖像顯示對象，設(shè)置圖形對象顯示參數(shù)，最后將圖形對象添加到圖形圖像圖層。

結(jié)合高程數(shù)據(jù)和計算的相對于原點的距離，最終展示在折線圖上。具體流程為：

(1)遍歷查詢出的所有要素，提取出它們的高程值存儲到高程集合對象中，并獲取所有要素到原點的距離存儲到距離集合對象中；

(2)獲取折線圖的序列化對象；

(3)循環(huán)創(chuàng)建折線圖序列化點坐標(biāo)集合對象，分別將坐標(biāo)點參數(shù)屬性值設(shè)置為距離值和坐標(biāo)點值屬性設(shè)置為高程值。再將坐標(biāo)點對象添加到序列化點坐標(biāo)集合對象。

5 縱剖面分析算法

縱剖面分析目的是獲取一段長度的管道并沿著管道的走向獲取其埋深和高程的變化。展示出管道的縱剖面圖和該管道的屬性值，從而了解地下管網(wǎng)的空間分布情況。

縱剖面分析操作流程是通過選擇兩個空間位置較遠(yuǎn)的管線要素，利用管網(wǎng)連通性算法，查找出連接這兩條管線的最短路徑。并以此得到連通路徑中的所有相關(guān)管道，讀取管道的ID信息、相對于大地水準(zhǔn)面的高度、埋設(shè)深度。以與橫剖面分析相同的方式展示在折線圖上。

縱剖面分析與橫剖面分析展示效果類似，但是剖面截取方式不同。橫剖面分析的剖面截取是通過繪制直線作為剖面截取與管線相交點的位置，并獲取相交點的高程數(shù)據(jù)。而縱剖面是通過連通性分析，以多條相互沒有直接連通關(guān)系的管道計算出與這些管道連通路徑中的所有管線，并獲取這些管道的起點高程屬性值和終點高程屬性值。

縱剖面系統(tǒng)建立方法：令x代表橫坐標(biāo)，y代表縱坐標(biāo)，L代表管道長度，K代表橫縱坐標(biāo)比例系數(shù)，H代表管道設(shè)施埋設(shè)深度，i代表管到段數(shù)計數(shù)值。坐標(biāo)計算公式如下：

(4)

yn=Hn

(5)

具體實現(xiàn)流程為：

(1)通過繪制工具繪制多個點對象。

(2)使用連通性方法，將添加的點集合作為參數(shù)進(jìn)行分析。

(3)返回分析結(jié)果字典對象，該字典對象存儲各個管線圖層與兩通后的路徑重合的管道要素。

(4)遍歷分析結(jié)果中的所有對象，通過結(jié)果對象獲取所有管段要素對象。

6 實驗分析

依據(jù)上述算法、高程地形圖結(jié)合ArcScene、ArcGIS Engine實現(xiàn)了三維供水管網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了閥門追蹤、橫剖面分析和縱剖面分析等三維管網(wǎng)分析功能。

通過二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)的三維化處理，再結(jié)合高程值，加載高程地形圖，實現(xiàn)了三維管網(wǎng)與高程地形的融合。

閥門追蹤分析，即通過選擇管線，分析出選擇管線周圍的閥門，并高亮顯示在地圖視圖上和彈出的要素信息顯示窗口中。其中視圖上的黑色粗線則是分析源管線位置，黑色加粗點表示其四周最近的閥門，粗線環(huán)節(jié)表示選擇管線到四周閥門內(nèi)的閉合管線，如圖4所示。

圖4 閥門追蹤分析

橫剖面分析通過手動劃線，獲取與折線在同一平面上相交的附近管道。然后將管線的埋深變化顯示在折線圖上。折線圖橫坐標(biāo)顯示管道到原點的長度距離，縱坐標(biāo)代表該管道的埋設(shè)深度值。具體效果如圖5所示。

縱剖面分析首先確定兩條管道，然后根據(jù)這兩條管道實現(xiàn)連通性分析，查找這兩條管道的最優(yōu)途經(jīng)線路。獲取與這條路徑相覆蓋的所有管線。然后將管線的埋深變化顯示在折線圖上。折線圖橫坐標(biāo)顯示管道到原點的長度距離，縱坐標(biāo)代表該管道的埋設(shè)深度值。具體效果如圖6所示。

圖5 橫剖面分析

圖6 縱剖面分析

7 結(jié)束語

文中的爆管分析、閥門追蹤分析、橫縱剖面分析和連通性分析，以二維管網(wǎng)數(shù)據(jù)、三維管網(wǎng)數(shù)據(jù)、高程值以及高程地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行算法的研究和設(shè)計。采用了ArcScene和ArcGIS Engine技術(shù)平臺進(jìn)行了實現(xiàn)，通過實驗證明了三維供水管網(wǎng)分析算法的正確性、可行性和實用性。閥門追蹤分析充分體現(xiàn)了三維管網(wǎng)連通的分析效果，為縱剖面分析提供了依據(jù)；橫剖面分

析和縱剖面分析的結(jié)果不僅體現(xiàn)了埋深，同時也體現(xiàn)了隨高程地形起伏變化的曲線，為三維供水管網(wǎng)的三維分析算法的研究提供了技術(shù)參考。通過三維分析能詳細(xì)了管網(wǎng)連通性、埋深和起伏的具體情況，便于日常的管理和維護(hù)，便于應(yīng)急情況的處理，具有一定的社會和經(jīng)濟(jì)價值。