面向對象的城市管網數據組織模型設計

程小凱，李愷毅，李景文，陳大克

（1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西桂林541004;2.廣西壯族自治區科技廳,廣西南寧530000）

面向對象的城市管網數據組織模型設計

程小凱，李愷毅1，李景文1，陳大克2

（1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西桂林541004;2.廣西壯族自治區科技廳,廣西南寧530000）

針對現有城市管網數據組織方式存在的問題，提出了一種基于面向對象的城市管網數據組織模型，該模型從人們認知的角度，將客觀世界中的管網作為集數據和方法于一體的對象綜合體，進行一體化存儲和管理。模型在引入“類”概念的基礎上，對基類中幾何類和實體類的結構進行了詳細設計，并討論了模型中類與類、類與對象之間的關系，最后以城市供水管網為例，設計了基于對象的城市供水管網數據組織模型。

對象；類； 城市管網；數據組織；模型設計

城市管網作為城市的重要基礎設施，其種類繁多、結構復雜、分布廣泛，是一個縱橫交錯的龐大網絡體系，具有復雜的空間和非空間屬性特征。如何有效地管理浩瀚的城市管網信息是城市管網信息化建設亟待解決的問題。目前，國內已建成的城市管網管理系統的數據組織大致可分為兩大類：一類是將圖形和屬性數據分開存儲，通過屬性字段的關鍵字聯接[1-3]；另一類是采用分層模式將屬性數據、圖形數據和拓撲關系數據進行統一管理[4,5]。前者圖形和屬性的松散耦合導致關聯關系的維護比較復雜，且圖元間的拓撲關系無法有效的管理，后者采用數據分層的存儲和管理模式，導致屬性數據結構的固定化，從而難以實現復雜管網信息的決策分析和綜合管理。本文將面向對象的思想和復雜管網自身特點結合起來，提出了將空間數據、屬性數據及操作方法封裝為實體對象的城市管網數據組織模型，為錯綜復雜的管網信息的一體化存儲、管理及應用提供數據模型的設計方法和應用實例。

1 基于對象的城市管網劃分和數據組織模型

城市管網是由管線和管節點組成，管線根據用途不同分為給水、排水、燃氣、供熱、電力和電信等管線[6]；管節點可分為給水、排水、燃氣、供熱、電力和電信等，各類管節點根據功能不同又可進一步細分，如給水管節點可分為閥門、水表、測壓點、加壓泵站、水廠和用戶端等。

現實中的各種管網管線和其附屬設備，都可抽象成為對象。對象是客觀世界中客觀實體的抽象，是構成管網系統的基本單位，具有自己的靜態特征和動態特征[6]。對象可分為簡單對象和復雜對象，簡單對象是表示空間事物的基本單元，它是具有完整物理意義的實體對象。復雜對象是結構復雜實體的抽象表達，可看作是幾個簡單對象的組合。在城市管網中，閥門、水表和各類管線都屬于簡單對象，管網屬于復雜對象，是由管線和若干不同管節點等簡單對象組合而成。

本文提出的基于對象的城市管網數據組織模型是將對象標識碼、空間數據、屬性數據及操作方法封裝為對象，實現數據和方法的統一管理，管網對象用四元組表述為：

PO=（OID,GD,AD,M）

其中，OID為對象標識碼，是確定空間對象的唯一標識，每一個實體對象都擁有唯一的對象標識碼；GD為空間數據（Geo_data）的集合，即GD=(gd1,gd2,…,gdn)，是描述目標對象的空間位置和幾何形狀等空間信息，每一個實體對象都有唯一的空間位置；AD為屬性數據（Attri_data）的集合，即AD=(ad1,ad2,…, adn)，是對實體對象具體特性的描述，屬性集包含公共屬性和私有屬性，其中私有屬性為一類對象獨有而別類對象所不具有的屬性；M為實體對象方法（Method）的集合，即M=(m1,m2,…,mn)，是按有關空間定義、規則、操作函數等對實體對象進行操作的方法集，具體可概括為：操作方法、空間關系（如度量關系、拓撲關系和方位關系）和空間分析。任意兩個管網對象可通過方法建立對象間的聯系，對數據信息的表達、修改及操作均可通過對象的方法接口來實現。管網對象的數據組織模型如圖1所示。

圖1 管網對象的數據組織模型

2 模型中類的結構設計及其邏輯關系

城市管網對象眾多，各類對象的數據和方法多種多樣，為了有效描述不同類型的復雜管網對象，基于對象的城市管網數據組織模型引入了“類”的概念，類是具有相同結構、方法（操作）、并遵守相同約束規則的一組對象集合[7]。在城市管網數據組織模型中，類是具有相同內部數據結構和方法的對象的抽象總和，類有基類和子類(或派生類)之分，且它們之間存在著復雜的邏輯關系。其中，基類是該模型的核心和基礎，決定著其子類的結構及對象的內容。

2.1 城市管網數據組織模型中基類的結構設計

在城市管網數據組織模型中，基類是用來派生新類的類，它主要劃分為幾何類和實體類。幾何類是地理實體在幾何空間上信息的抽象。實體類是對地理實體中所含公共屬性數據和公有方法的概括描述與抽象，為其子類提供公共屬性數據和操作方法。幾何類無地理實體的屬性數據，而主要對空間信息進行描述；實體類無地理實體的空間數據，而主要對屬性信息進行描述，二者相互補充，共同實現基類對地理實體公共信息的抽象描述。基類是若干子類的抽象，它抽取了其子類的公共部分，子類是基類的派生。

2.1.1 幾何類

在模型中，幾何類主要分為點類和線類，其結構包含類標識碼、空間數據、屬性數據和操作方法。點類是對管線節點的空間數據和相關空間操作方法的抽象描述，其空間數據主要描述地理實體空間點位信息，如空間坐標（x,y,z）；其操作方法是對空間數據的基本操作和拓撲處理的描述，如創建、刪除、移動點位和分析點與點、線的拓撲關系。線類是對管線的空間數據和相關空間操作方法的抽象描述，其空間數據主要描述地理實體的空間位置信息和形狀，如(x1,y1,z1; x2,y2,z2;…;xn,yn,zn)；其操作方法是對空間數據的基本操作和拓撲處理的描述，如創建、刪除、旋轉線和分析線與點、線的拓撲關系。幾何類中的方法是實現地理實體空間信息關聯的關鍵，通過調用方法，可實現對地理實體的空間數據進行刪除、移動、復制等基本操作和處理地理實體之間的拓撲關系。幾何類的結構設計如表1所示。

表1 幾何類結構設計

2.1.2 實體類

在模型中，實體類主要劃分為管節點類和管線類，其結構包含類標識碼、空間數據、屬性數據和方法。管節點類是對管線節點的屬性數據和相關分析函數、方法的抽象描述，其屬性數據主要是描述跟管線節點有關的公共屬性信息，如管節點類型、地面標高、是否壓力已知等屬性信息；其操作方法主要包含與管節點相關的公共操作、分析和函數，如尋找管節點所連管線、檢測管節點是否泄漏等。管線類是對管線的屬性數據和相關分析函數、方法的抽象描述，其屬性數據是對跟管線相關的公共屬性信息的抽象描述，如管線類型、管線材料等屬性數據；其操作方法主要包含與管線相關的公共操作、分析和函數，如尋找管線所連管節點、計算管線內流量等。

2.2 模型中類的邏輯關系

在城市管網數據組織模型中，基類(BaseClass)可以派生出城市管網的其他子類，如圖 2所示。點類(CPoint)和管節點類 (CPipeNode)共同派生出閥門類（Class Valve）、水塔類（Class WaterTower）、泵站類（Class Pump）等子類。線類 (CLine)和管線類 (CPipe)共同派生出排水管線類 (Class DrainPipe)、供水管線類 (Class WaterPipe)、燃氣管線類 (Class GasPipe)、供熱管線類(ClassHeatPipe)、電力管線類(ClassPower-Line)和電信管線類 (ClassTeleLine)等子類。這些子類既繼承了幾何類 (C_Geo)的數據及方法，也繼承了實體類 (C_Entity)的數據及方法，同時這些子類又可以有自己的數據和方法。另外，這些子類按一定方式聚合派生出一個新類--網類 (ClassNet)，如排水管網類(C_DPNet)即為網類的一種，它是由泵站類、閥門類及排水管線類等子類聚合而成。

圖2 管網數據組織模型中類的邏輯結構

從圖2可以看出，類與類之間有著緊密的聯系，類的這種邏輯結構反映了現實世界中管網系統的真實模型，通過類的派生和繼承實現地理實體之間的信息的傳遞和共享。

2.3 城市管網數據組織模型中對象和類之間關系

城市管網主要包括供水管網、排水管網、燃氣管網、熱力管網、電力管網和通信管網等。不同類型管網相互交織，空間分布錯綜復雜，各類管網之間相互獨立、自成體系，同時，各類管網的管線和節點之間又存在著很多共同特性。在城市管網數據組織模型中，通過類實現了管網對象的相同屬性和方法的概括和抽象，通過對象的繼承實現了每個管網對象各自相關類的公共資源的共享。例如，閥門作為一個實體對象，是閥門類的實例化，它既繼承了點類的所有數據結構和方法，如閥門中含有 (x,y,z)等空間位置信息和Move_Point(P)、Point_Point(P1,P2)等空間操作函數和拓撲分析函數，又繼承了管節點類的所有數據結構和方法，如閥門中含有管節點類型、地面標高等屬性信息和尋找管節點所連的管線 ()等分析函數。同時，閥門又有自身特有的數據和方法，如閥門中含有閥門類型、閥門開關狀態等閥門特有的屬性和開閥關閥分析等閥門特有的分析函數和方法。

3 基于對象的城市供水管網數據組織模型設計

本文以基于對象的城市管網數據組織模型的理論、設計方法為依據，以城市供水管網為例，探討了基于對象的城市供水管網模型的數據組織方法和方案設計，詳細設計如圖3所示。

圖3 城市供水管網的數據組織方案設計

基于對象的城市供水管網數據組織模型主要包含主管網、支管網等復雜對象和各類管節點、供水管線等簡單對象，其中，主管網和支管網是由各類管節點和供水管線組合而成，管節點具體包括水廠、閥門、泵站和用戶水表等簡單對象。各類管節點對象既繼承點類和管節點類的數據和方法，又有自己的數據和方法；供水管線既繼承線類和管線類的數據和方法，又有自己的數據和方法，在圖 3中重點描述了各對象特有的數據和方法。模型中，所有的數據和方法通過對象來實現，各對象間的聯系和各種不同分析可通過調用各自類的操作方法來實現。

4 結 語

本文從認知的角度出發，將面向對象的思想應用于城市管網數據的組織和管理中，提出了基于對象的管網數據組織模型。該模型不僅實現了空間數據和屬性數據統一存儲，而且將數據與方法綁定在一起，統一封裝為管網對象，實現對復雜、海量的城市管網信息的描述、表達、存儲與管理。基于該模型的數據組織模式，改變了傳統的空間數據和屬性數據的管理方式，為今后城市管網信息化建設和城市管網信息共享提供一種新的思路。

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[6] 馮玉林,黃濤.對象技術導論[M].北京:科學出版社,1998

[7] 李景文.面向對象空間實體矢量模型及其應用研究[D].北京:中國地質大學(北京),2007

Design of Data Organization M odel for Urban Pipe Networks Based on Object

CHENG Xiaokai1,LI Kaiyi1,LI Jingwen1,CHEN Dake2
(1.Col lege of Civil Engi neering and Const ructi on,Gui lin Uni ver sity of Technol ogy, Guilin 541004,China；2.Science and Technol ogy Agency of Guangxi,Nanning 530000,China)

In view of the analysis of the existed problems for data organization on Urban Pipe networks.This paper presented a data organization model for urban pipe network based on object.This model regarded the pipe networks in the objective world as the object complex of data and method from the point of human cognition.The structure of Geometry Class and Entity Class in Base Class were designed based on the“CLASS” in model, and class-class relation and class-object relation were discussed.Finally,taking example for urban water-supply networks,data organization model for urban water-supply networks based on object was designed.

object;class;urban pipe network;data organization;model design

2009-10-09

項目來源：國家自然科學基金資助項目 (40574002)；廣西自然科學基金資助項目 (0832250)；廣西科學研究與技術開發計劃資助項目 (0992030-1)。

P208

B

1672-4623(2010)02-0127-03

程小凱，碩士，從事城市信息化方面的研究。