利用GIS进行阀门管理的研究

摘要：本文对计算机管理阀门的方法进行了一般性的介绍，对在通用GIS平台上，利用二次开发的方法开发爆管关阀分析系统进行了重点论述。并在此基础上，介绍了利用AUTOMAP3.0开发阀门管理系统的步骤、方法，重点论述了爆管分析功能模块程序的开发。最后，通过一个实例说明了该系统在实际工作中的应用。

关键词：计算机管理 阀门 GIS

阀门管理是给水管网管理的重要内容之一，阀门的启闭，是管网局部停水检修的唯一方法，同时也对用户的水量、水压造成直接的影响。阀门管理工作中还存在许多问题，如：阀门的位置在现场难以确认；阀门的运行状况难以确定，不知是否能正常启闭；管网中的某一点停水时，需关闭哪些阀门；关闭这些阀门后对哪些用户会产生影响难以估计；这些问题靠人工进行阀门管理是难以解决的。随着计算机技术的发展，利用计算机技术进行管网阀门的管理已经成了一种必然。

1. 计算机进行阀门管理方法简介

计算机进行阀门管理最简便的方法是建立阀门的数据库，并在数据库的基础上建立MIS系统。这种方法是最初步的方法。其程序编制简单，利用通用的数据库管理系统如FOXPRO、ORACLE等就能达到要求。但由此建立的MIS系统只能对阀门的数据进行查询、统计等操作，而不能进行图形的查询，更不能进行爆管关阀等专业分析。

随着GIS技术的发展，利用GIS系统进行阀门的管理已成为可能。GIS系统将图形数据与属性数据链接在一起，统一进行管理。建立系统后使用者可以进行由图查数、由数查图的双向查询操作，标有阀门精确位置的图形、阀门的属性数据能同时显示在同一屏幕上，方便、直观。GIS系统最初是利用FORTRAN、C++等专用语言进行开发的，由于开发的难度较大，所以系统的应用一直都不很成熟。后来，出现了商品化的通用GIS软件平台，如：ARCINFO、MAPINFO、AUTOMAP等，系统开发人员在这些软件平台的基础上，按照自己的需要进行二次开发，形成专业的GIS系统。这种方法由于开发工作量小，开发效率高而被广泛采用。

随着用户要求的不断增加，GIS系统功能也不断得到完善。除了通用的图数双向查询功能外，多媒体技术，网络拓扑分析技术等不断应用于GIS系统。如：AUTOMAP中的网络拓扑分析模块具有最短路径分析，洪水淹没分析及缓冲区分析等功能，按照用户的应用要求不同，开发人员可以利用系统提供的功能函数开发自己的专业程序。

2. 爆管关阀分析系统的建立

深圳市自来水公司一直在进行利用GIS系统管理阀门的尝试，最后，在AUTOMAP的基础上，利用二次开发的方法，我们建立了阀门管理的GIS系统，并在此基础上开发了爆管分析的子程序。该系统包括8000多条市政管线，3000多个市政管线上的阀门，3000多个大用户数据。现将系统的开发方法说明如下：

2.1 原始数据收集、整理

要建立阀门管理的GIS系统，应首先绘制给水管网图形。公司在对全市管网竣工图调查的基础上，绘制了全市的1：10000市政给水管网图，并在图上精确绘制了市政管线上的阀门。后经几年的不断修改、完善，市政管线、阀门的位置及精度基本能满足现场作业的要求。其后，我们又发动各分公司对全市的阀门情况进行了大规模的普查，共收集了全市5000多阀门（包括市政及预留口阀门）的位置及型号等属性数据，并对每一阀门定制了阀门卡片，编号存档，基本查清了阀门的数据。

2.2对阀门按路名编号，将阀门基础数据输入计算机，建立阀门数据库，同时建立用户及管线数据库

为了查询、统计及现场查找的方便，阀门的编号是按各条道路进行的，对于每条路，按从东至西或从南至北的方向对阀门按顺序依次进行编号。这样编号便于现场的查找，也便于按道路进行统计。阀门编号并整理成卡片后，输入计算机，考虑到数据库的通用性及AUTOMAP外挂数据库的能力，我们选用FOXPRO的数据库格式建立了有5000多条纪录的阀门属性数据库。

为了能分析爆管时所影响的管段、用户等数据，必须将管线及用户的属性数据建立数据库。我们同样利用FOXPRO的数据格式，建立了8000多条管线，3000多个大用户的属性数据库。

2.3 利用AUTOMAP提供的整饰功能，对图形进行整饰，建立正确的拓扑关系

AUTOMAP是通用的GIS开发平台，其具有图形整饰的功能。图形整饰是将AUTOCAD等格式的电子地图，整理成为具有正确拓扑关系的地图。具体在阀门管理系统中，就是要建立正确的节点、管线、阀门的连接关系。如：在绘制电子图形中，管线在节点或阀门处有时没有断开，系统自动生成拓扑关系时就会出现管线与节点的错误连接，要避免此种错误，在建立拓扑关系前就必须用图形整饰的功能，手动或自动地将管线在该节点处断开。类似的，在电子图形中还存在伪节点、重复管线、节点，悬挂节点等错误，这些错误都要利用图形整饰功能一一进行消除。在消除这些错误后，利用系统的自动生成拓扑结构的功能自动生成表示管段、阀门、节点正确拓扑关系的拓扑结构。

2.4 将管网图形上的阀门、管线等图形与数据库中的阀门数据、用户数据建立链接关系

该步骤的工作是建立图形中的管线、阀门与外部数据库中的阀门、管线及用户数据的链接关系，以便进行图数的双向查询或进行爆管关阀分析时，搜索相关的阀门、管段用户等属性信息。GIS技术中图形与属性数据的链接方法有许多种，一种方法是将链接的属性数据保存在图形中，图形与属性的链接关系也保存在图形中。一种方法是将属性数据保存在外部数据库，而链接关系保存在图形中。还有一种方法是属性数据保存于外部数据库中，链接关系也保存于外部数据库中。这三种方法各有优缺点，AUTOMAP中提供了前两种链接方法。考虑到图形链接的属性数据较多，如果属性数据按第一种方法存取，将会使图形文件过于庞大，因此，阀门等属性数据的存取是按第二种方法进行的，即属性数据存储于外部数据库，而图形与属性的链接关系存储于图形中。

2.5 利用拓扑分析功能函数编制关阀分析程序

上述的四步都是进行的图形和数据的整理，完毕后就要进行爆管关阀分析系统的二次开发工作。该系统是以AUTOMAP的内嵌开发语言AUTOLISP进行二次开发而成。包括阀门、管线、用户等图数的双向查询、编辑功能、数据统计功能及爆管分析功能等，现以爆管分析功能为例，说明开发的方法。

爆管分析功能模块应具有管网中某一点出现故障后，计算管网停水应关阀门及影响管段、用户的能力，经分析，该模块包括以下子程序：

①初始化

初始化的功能是将拓扑关系装入内存，并建立与外部数据库的链接关系。为计算关阀方案作准备。

②指定故障点

管网中的故障点可以是管段、节点或者阀门，使用者可以在图上用鼠标指定。程序返回故障点的拓扑ID号。

③关阀方案计算

进行关阀策略计算。该子程序主要利用AUTOMAP3.0提供的拓扑分析函数（FLOOD TRACE函数）完成。这些函数提供了网络拓扑追踪的功能，能从点、线建立的网络拓扑中的某一点出发，自动追踪该点的所有连线及相应的下游点，直到所经过路径的阻力值之和大于指定值为止。这些函数能返回所有追踪到的点、线的拓扑ID号，从而得到相应的属性数据。子程序利用这些函数，生成受影响管段、节点及应关阀门的数据，并在图上用不同的颜色表示。可以做连续的关阀方案计算。

④关阀方案数据查询及报告生成

可以查询受影响管段、节点、用户及应关阀门的属性数据，并可以生成文本报告，以便编辑、打印。

⑤图形打印

利用AUTOMAP3.0的打印命令打印图形。

⑥复位

删除关阀方案计算后的结果数据标注及将颜色换为原来的颜色，以备再一次做关阀策略计算。

⑦结束

先将拓扑数据从内存中卸下，并断开与外部数据库的链接关系。然后退出子系统。

3. 应用实例

该系统已建成，应用于深圳市自来水公司，效果良好。例如，如图所示的局部管网，阀门LHZSE005发生故障，需要停水维修，利用系统进行关阀分析，所得结果如图所示。

其中，停水管段用粗线表示，应关阀门已做了标记，相应编号也已标注在图上。系统自动生成停水报表，包括故障点编号，应关阀门数据，停水管段数据及影响用户数据等内容，如附表所示。

综上所述，利用GIS的二次开发技术，建立阀门管理系统，进而建立爆管关阀分析系统是可行的。系统建立后，将会对阀门及停水的管理大有帮助，使阀门管理工作上一个新台阶。

深圳市某局部地区停水关阀分析结果表

管网故障部件编号:LHZSE005

影 响 管 段 数 据 管段编号 起点编号 终点编号 管 长 管 径 管 材 阻力系数 15287 704 727 15.8 100.0 14548 704 714 16.0 200.0 铸铁管 100.0 9241 695 704 20.5 200.0 铸铁管 100.0 10181 305 442 273.7 400.0 钢筋混凝土管 100.0 15159 442 456 15.5 400.0 钢筋混凝土管 100.0 15290 441 442 113.7 200.0 铸铁管 100.0 10204 440 441 229.4 200.0 铸铁管 100.0 10219 303 439 268.8 300.0 钢管 100.0 10207 438 439 10.7 200.0 铸铁管 100.0 14535 439 440 12.3 200.0 铸铁管 100.0 14567 439 704 267.3 300.0 钢管 100.0 15295 441 372 106.4 100.0 应 关 阀 门 数 据 阀门编号 所属单位 阀门型号 密封方式 公称直径 安装地点 LHZSY004 罗湖分公司 闸阀 胶圈 100.0 LHZSY006 罗湖分公司 闸阀 胶圈 200.0 LHZSY005 罗湖分公司 闸阀 胶圈 200.0 LHZWB035 罗湖分公司 闸阀 胶圈 400.0 LHZWB031 罗湖分公司 闸阀 胶圈 400.0 LHZBB008 罗湖分公司 闸阀 胶圈 300.0 LHZSE004 罗湖分公司 闸阀 胶圈 200.0 影 响 用 户 数 据 用户编号 用户名称 所处位置 14000114 深圳市中天实业有限公司 文锦北路(中天大厦) 14000287 深圳市亚洲实业发展公司 田背四路 14000362 深圳市中天实业有限公司 水贝二路一街 14000363 安全煤矿公司 贝丽北路 14000364 第二砂轮厂深圳联合公司 贝丽北路 14000365 兴华厨具厂 贝丽北路 14000366 市机械模具公司 贝丽北路 14000367 深圳市东力精密机械电器公司 贝丽北路 14000368 新华电缆厂 水贝二路一街 14000370 金州公司 水贝二路一街 14000374 机械工贸公司 水贝二路 14000134 深圳市特发水贝工业区管理公司 水贝二路与贝丽北路交叉北边 14000472 深圳市特力物业管理公司 水贝二路25栋西头 参考文献：

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2.姜乃昌、韩德宏 “计算机技术在供水管网中的应用综述” 给水委员会交流材料 1995

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4.黄宇阳、许仕荣 “给水管网图形信息系统的研究” 《给水排水》 1998

5.AUTODESK公司 《AutoCAD Map User’s Guide》 1998年