智慧水务GIS管网快速关阀分析系统设计与实现

（上海航天动力科技工程有限公司，上海 200233）

随着智慧城市信息化建设步伐的加快，我国智慧水务行业同步赋能升级，引入了高端信息技术，整体提高了水务行业的生产服务水平。新的智慧水务管理平台，高效、精准配置水资源，有效缓解水资源短缺、解决水环境问题、保障水安全。智慧水务GIS管网快速关阀分析系统是智慧水务管理平台子系统，该系统为智慧水务管网爆管事故提供快速的GIS可视化智能关阀方案。在智慧水务供水管网维护中，采用智能关闭阀分析方法快速生成最佳的关阀停水方案，对供水安全维护具有重要意义。

本文介绍了智慧水务GIS管网快速关阀分析系统的结构，并对系统构建中的关键技术进行研究，提出一种新型快速关阀分析方法。在自主研发智慧水务供水管理平台的实际运用中，能够帮助调度人员快速做出指挥决策、辅助爆管事故处理、减少管网漏损率等，得到了有效验证。

1 系统设计

智慧水务GIS管网快速关阀分析系统以智慧水务GIS管网与供水调度监测平台监测数据为基础，采用计算机信息网络、3S技术、复杂网络分析等集成管理技术来实现，其计算机信息网络的分布式设计提高了各测压点的数据获取效率。3S技术中的GIS系统为智慧水务空间信息提供了与现实对应的真实场景，GIS系统可展示复杂的空间拓扑关系，复杂的网络分析技术将城市地下管网拓扑结构数据转换为特殊的网络结构图，结合RS和GPS技术，利用北斗卫星和高清RS图像数据为依据，实时较正GlS。考虑多处爆管或施工、管网复杂节点属性、特殊阀门不可关闭等复杂工况要求，选择集成多领域技术设计了一套实时关阀分析算法模型。该模型运算过程高效、直观、可靠，能够根据特殊工况的变化快速实时分析出可靠的关阀方案。系统最终在地图上以不同颜色的点（符号、图片等）和线等来直观展示，并以表格形式显示需要关闭阀门的信息和相关管段信息。

本系统主要分为五个子模块，分别为关阀管网GIS基础功能、爆管关阀分析功能、关阀方案查询功能、3S实时GlS自校正功能、实时关阀方案库。用户在本系统中可查看GIS地图上管网和监测点位置数据，并实时监测各监测点数据变化，对监测点数据进行实时分析，对特定环境做预测爆管告警，依托管网拓扑结构和侧压点压力值、爆管位置等数据和实时关阀方案库，本系统能够依据某爆管事故点快速分析生成可靠的关阀方案，并在GIS地图上直观展现。

2 核心算法研究

智慧水务GIS管网快速关阀分析系统的核心算法为关阀分析算法，该算法通过输入要素爆管点位置和管网拓扑结构数据集，最终输出快速关阀方案。研究国内外处理相关技术的方案方法，发现广度优先算法（BFS）为目前最通用的方法。为减少复杂度，本系统引用该算法为技术基础，结合复杂的网络图像结构，自定义了一套规范的拓扑分析图形结构，通过解析算法先快速将水力模型管网数据转换成可用于判断和分析的标准拓扑分析图结构，再对该结构进行逻辑推算。该推算引入了BFS和递归等算法，基于管网信息化的数据支持，考虑复杂管网包含树状、环状系统，考虑多爆管点并发性等事件，为解决GIS数据的精准性和避免BFS的弊端，创新引入RS、GPS、人工智能、大数据等技术，设计出一套新的算法模型，最终得到高效可靠的关阀方案。

在智慧水务管理系统中，水务管网是一个复杂的网络结构，应用水务、GIS等软件以不同结构图形式表达管网，结构图分别以不同格式文件保存，如ini、shp、json、gml等。基于这些结构图可以深度剖析处理出有价值的信息用于水务智能化管理，关阀分析算法就是剖析处理管网结构图的一个重要应用需求。

（1）设计一个新的管网结构图数据，以此定义关阀分析输入数据规则。考虑多种软件创建的数据管网，设计转换多种数据管网结构的转换方法，该方法规范了多种管网关阀分析数据结构，便于关阀分析算法模型的建立。统一数据格式使算法模型不受多数据格式影响。抽取已有管网结构数据中关键数据，定义标准的规范名称，并加入重要的关键字段，作为快速关阀分析算法的数据基础。

（2）依据定义的规则数据，创建关阀分析管网结构图。以最基础的结构图模型为例，创建一个空间结构图对象G。

创建结构图点集合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）]；添加属性，定义有T的为需要判断关闭阀的阀门。

g.VS[type]=[S，T，T，T，T，S，S，S，S]；添加网络中的点到G中，G.addV(V)；创建网络中的边集合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）基于管网结构图设计关阀分析算法模型，智慧水务管网是由管点和管线（模型中为管段）组成的复杂网络系统，任何一点出现故障或对其中任何一处进行施工，都会影响网络中其他实体。当出现故障或施工时，需基于故障点或施工点以及规范的关阀分析管网数据做分析判断，管网数据必须真实可靠，需考虑流量、压力、流向、特殊阀门不可关闭等条件因素，部分分析算法模型图如图1所示。

图1 快速关阀分析算法模型

（4）设计模拟规律，引入RS和GPS技术，基于RS图像数据、GPS数据系统实时修正GIS数据，在GIS管网不被修改的情况下，机器自学习生成关阀分析方案库，该库可快速响应各种工况需求，当管网被修改时，系统自动设置启动项，重新生成关阀方案库。

（5）设计GIS关阀功能展示界面，在GIS上显示管网结构，鼠标点选爆管位置后，可快速显示关阀方案。

3 核心技术测试

以江苏吴江地下管网数据为基础建立关阀分析模型，选择多个爆管位置进行测试，发现准确率基本为98%，部分结果不相同处，分析后发现均为管网数据不可靠造成，不可靠原因多为多节点编号重叠、管段拓扑关系中断等。重新修改基础数据后，结果与预期完全一致。

测试记录：

（1）测试1：结果相同。

测试管段FH11616～FH11615；

坐标（70 571.782，64 364.301）。

正元地理《吴江华衍水务管网GIS管理系统》分析结果一地图如图2所示，关闭阀列表如表1所示。

图2 分析结果一关阀分析地图

表1 分析结果一关闭阀列表

测试程序一结果如图3所示，关闭阀列表如表2所示。

图3 测试程序一分析结果地图

表2 测试程序一关闭阀列表

（2）测试2：结果相同。

测试管段FH26116～FH26115；

坐标（73 208.471，64 467.321）。

分析结果二地图如图4所示，关闭阀列表如表3所示。

图4 分析结果二关阀地图

表3 分析结果二关闭阀列表

测试程序二结果如图5所示，关闭阀列表如表4所示。

图5 测试程序二分析结果地图

表4 测试程序二关闭阀列表

4 系统实现

以亳州市给水管网为例，系统实现了亳州谯城区GIS管网快速关阀爆管分析，主要包括关阀管网GIS基础功能、关阀分析功能、关阀方案查询功能、3S实时GlS自校正功能、实时关阀方案库五个主模块。

关阀管网GIS基础功能：包含GIS管网地图展示、GIS地图放大、缩小、平移、漫游、鹰眼等基础功能，结合管网数据的加载，用户可随意查看感兴趣的管网信息、管网结构情况、管网设备节点分布等。

关阀分析功能：可根据爆管或特殊工况，在地图上选择相关爆管位置点，选择相应爆管点后，系统会快速高亮显示需关阀的阀门位置，同时被选爆管位置和相关管段都会以不同颜色高亮显。亳州管网系统处理过程秒级实现，无等待延时现象。

关阀方案查询功能：利用关阀分析出关阀点后，可通过表信息窗口查询相关需关阀的阀门信息和管段信息等，可对相关信息进行排序等。

3S实时GlS自校正功能：基于GPS和RS高清图像数据实时校正GIS管网数据，解决GIS管网精度、可靠性问题。

实时关阀方案库：基于固定的GIS数据实时更新切换关阀方案库，作为关阀分析系统模型的判断条件之一，有效提高模型计算的分析效率。绿色为爆管事件点，红色为需要关闭阀的阀门，点击爆管事件点后系统可快速分析，生成关阀方案以图像形式显示。

GIS管网快速关阀爆管分析系统如图6、图7所示。

图6 GIS管网快速关阀爆管分析系统

图7 快速关阀爆管分析系统截图

5 结语

本文研究实现智慧水务GIS管网快速关阀分析系统，有助于提高供水调度监测中心监管效率、降低漏损率、减少运营成本，提升整个智慧水务体系的综合管理水平。本系统核心算法可应用于多类型工况背景下的流体管控，如矿井、煤气、石油、天然气的开采等领域。随着5G正式商用，依托5G技术高带宽、低时延、大连接的技术特性，结合NB-IoT等，本系统所构建的分析模型及系统在日常生活、工业生产以及军工、科学试验中均具有重要的价值。