農村供水工程輔助設計系統研究

楊成杰，李孟奇，劉雪梅(.華北水利水電大學 資源與環境學院，鄭州 4500；. 汝陽縣水利水保技術推廣站，河南 洛陽 4700)

0 引 言

農村供水工程是為了滿足農村人民的生活和生產活動過程中對水在量和質兩個方面的需求，包括規劃、設計和運行管理3個階段[1]。同城市相比，農村居民點受自然因素影響大，布局分散，農村供水工程具有數量眾多、供水區域較大、供水管線較長且落差大的特點，在此情況下，一個使整個供水系統運行可靠性最高、維修量最小的合理管網設計方案就顯得極為必要[2]。

隨著信息技術在水利行業應用的深入，傳統的供水工程設計方法復雜而繁瑣，效率低下的缺陷日漸突出，設計后的成果，圖形與屬性完全分離，對后續設計方案的調整、管材統計、工程預算、項目管理均不能提供直接支持，難以滿足信息化條件下設計工作升級換代的需求。將最新的信息化技術應用到農村供水管網設計與管理中已勢在必行[3]。

1 供水管網信息系統設計分析

1.1 二次開發方式

目前工程領域，常基于商業化的計算機輔助設計(Computer Aided Design, 簡稱CAD)或地理信息系統(Geographic Information System，簡稱GIS)軟件進行專業圖形系統的開發。這種方式不必考慮復雜的底層算法，繁瑣的交互操作，只關注與專業相關的分析和計算，可快速研發出解決特定問題的軟件產品。然而，由于必須借助于成熟的商業系統，二次開發的信息系統在實際應用中存在以下幾個問題：

(1)CAD系統專注于工程制圖，沒有空間數據庫支持，在屬性數據的管理方面存在局限性，所開發的軟件除繪圖外的大部分工作還需要人工參與，難以進行自動化的分析與計算。

(2)基于GIS開發的系統，通過與GIS的集成，使管網圖形庫、屬性數據庫及外部數據庫融為一體，高效準確，且易于動態更新，大大提高了管網管理工作的效率和質量[4]。然而，GIS系統的數據模型、管理方式以及分析方法主要針對地理空間，圖形的精度以及絕大部分專業功能不能滿足設計行業需求。

(3)開發的軟件產品不能脫離商業平臺獨立運行，大范圍推廣應用需要投入巨額資金。

1.2 自主研發方式

隨著軟件開發技術的快速發展，針對農村供水工程的行業特點，開發一套適合中國國情，具有自主知識產權，滿足供水管網設計流程且支持屬性與空間數據一體化管理的圖形系統，將是“數字水利”領域相關理論在農田水利實際生產中的典型應用。這種模式研發的系統具有以下特點：

(1)較強的靈活性。靈活性是從底層開發圖形系統的最大特點，因為系統所有流程和數據都在設計者的控制之下，設計的系統短小精悍，軟硬件要求低，運行速度快，在專業系統開發時具有無可比擬的優勢。

(2)擁有系統版權。開發者擁有完全自主知識產權的底層技術，可為不同領域特定要求提供定制產品，并且易于擴展和升級，特別適合行業內的大規模推廣應用。

(3)滿足個性化需求。能夠根據用戶的個性化需求，方便地添加新功能，滿足相同專業背景下不同應用人群的差異性需求，實現信息化與專業的完美結合。

目前市場上成熟的CAD、GIS軟件種類較多，這些產品各有特點，經過考察和對比國內外具有代表性的相關軟件，針對我國農村供水工程的行業特點，最終選擇從底層自主研發的方式，開發了HotMap供水管網輔助設計系統。

2 HotMap供水管網輔助設計系統

HotMap是一套將計算機技術與鄉鎮供水理論相結合研發的可視化管網輔助設計系統，具有自主研發的幾何內核， 在與主流CAD軟件高度兼容的前提下，將CAD精準制圖和GIS強大的屬性管理在一個平臺上完美融合，滿足了新一代CAD系統自動化、智能化需求。具有完善的數據交換、快捷的圖形繪制、強大的圖形編輯、靈活的屬性管理以及較強的專業分析功能。

2.1 系統框架

為兼顧效率與易用性，系統底層的數學庫、算法庫、幾何庫、圖形渲染庫、空間分析庫、數據訪問引擎等模塊全部采用C++語言編碼；中間層用C++/CLI語言封裝成組件庫和控件庫，以便用戶隨時進行系統的升級和定制；應用層采用.Net語言開發的插件進行功能擴展。系統架構如圖1所示。

2.2 數據模型

模型是用來表示實際的或抽象的實體對象。建立模型的幾何描述是對被處理對象進行設計、分析、模擬和研究的基礎。數據模型是一組實體以及它們之間關系的一般性描述，是真實世界的一個抽象[5,6]。如圖2所示，在HotMap中模型依據復雜程度抽象為點、線、面、體四種基本類型：點模型表示對點狀實體的抽象，可以具體指一個點狀地物、高程點、注記等；線模型用來表達管線、道路、河流、地形線、區域邊界等兩點之間的地理信息；面狀模型的邊界由具有方向的封閉曲線組成，如不同的地塊、土壤不同的類型，居民點等；體模型由有向封閉的面包絡為邊界，如系統中的管道、地層、構造物等模型[7,8]。

圖1 系統架構Fig.1 The system architecture

圖2 基本幾何模型Fig.2 Basic geometric model

2.3 主要功能模塊

參考設計人員的工作習慣，并遵循文獻[1]中農村供水工程設計的業務流程，將系統主要功能劃分為數據前處理、管網設計、成果輸出3個部分：

(1)前處理階段：設計人員可以在可視化狀態下根據導入的測量數據，快速地繪制管網并賦予管網各種屬性信息；

(2)系統設計階段：基于繪制的管網插入管網節點并構建拓撲關系，設置和修改管網計算參數并進行管網水力計算，根據管網水力計算的結果確定有關技術參數，得到最優設計方案；

(3)成果輸出階段：基于設計好的管網快速導出管徑計算圖、水壓計算圖、平面布置圖、縱斷面圖等各種設計圖表成果。

系統主要功能模塊如圖3 所示。

3 基于HotMap的農村供水管網設計流程

3.1 繪制管網

繪制管網是供水設計內業流程中的第一個步驟，為了滿足供水管網的需求，HotMap二維系統實現了除點、線、面、文字等常規幾何對象的繪制、編輯外，系統還增加了節點、閥門井、測量點等特殊對象。用戶可通過系統提供的數據導入功能與測量設備直接連接，導入測量點數據，然后基于測量點數據，利用系統的圖形繪制、對象編輯等功能繪制管網；也可以通過數據交互功能將AutoCAD繪制好的管網通過DXF文件導入到系統中。系統繪制的管網如圖4所示。

3.2 智能構建拓撲

正確的拓撲關系是管網水力計算的保障，系統用“節點”來標示管線的拓撲關系，節點在系統中作為一種特殊的點對象，除包含點模型的幾何信息和屬性信息外還增加了流入和流出兩種水流方向，用于標示管網中流量的變化。當沒有流入只有流出時，該節點為根節點；當只有流入沒有流出時，該節點為葉子節點；當有流入也有流出時，該節點為中間節點。

通過節點可實現智能管網拓撲構建及拓撲檢查功能，用戶插入管網節點時系統自動為每個節點編碼并將與之相關的管線添加節點信息；節點增加、刪除時，與之相關的管線節點信息也會隨之變化；節點插入完成后，利用系統的拓撲檢查功能驗證管網拓撲的正確性，如果有錯只需根據提示信息重新調整即可，直至管網拓撲完全正確。拓撲檢查如圖5所示。

圖3 系統功能框圖Fig.3 Diagram of the system functions

圖4 管網繪制Fig.4 Piping drawing

圖5 管網節點Fig.5 Piping nodes

3.3 自動水力計算

水力計算是整個設計流程中最重要的環節，需要的參數比較多，供助與系統強大的屬性與空間數據一體化管理功能，影響水力計算的管長、節點高程等幾何信息可以直接從圖形系統中獲取，但人均用水量等指標與當地的人口自然增長率，管網的設計年限以及所在區域的供水量標準等因素有直接的關系，計算起來比較復雜且需要重復驗證。為解決這個問題，系統采用屬性表來管理管線的屬性信息及水力計算結果，并提供多種屬性輸入模式，用戶只需設置計算參數，系統能夠自動進行人均用水量、設計管徑、水頭損失等管網水力計算，計算結果能夠直觀反映在設計圖上，真正意義上實現管網方案調整與水力計算的聯動。水力計算設置如圖6、圖7所示。

圖6 水力計算參數Fig.6 Hydraulic calculation parameters

圖7 水力計算結果Fig.7 Hydraulic calculation results

3.4 設計方案檢測

經過水力計算設計好的管網是否合理，還需要通過檢測功能進行檢測，系統采用“最不利管道”的方法來對設計方案進行檢查。以樹狀供水工程為例，其計算過程如圖8所示：從葉子節點開始計算每一個父節點下最大供水壓力，遞歸這個過程直至根節點，最終開成一個從根節點到某個葉子節點的“最不利管道”。

圖8中，每條支管水壓線的計算公式為：

圖8 最大供水壓力計算Fig.8 The maximum water pressure calculation

h=hf+hz+z1+z2(1)

H=max(h1,h2,…,hn) (2)

式中：h為每條支管需滿足的供水壓力水頭，m；hf為水管沿程水頭損失，m；hz為水管局部水頭損失，m；z1為出水口地面高程，m；z2為出水口要求壓力水頭，m；n為每個節點的分支管路數目；H為節點下最大壓力水頭。

方案檢測可以檢測某一個節點所處的主管道上任意節點的水壓是否滿足需求，如果全部滿足說明該方案設計合理，否則需要用戶自行調整管道的管徑，重新進行水力計算后并再次檢測，重復這個過程直至方案合理。如圖9所示，方案檢測功能每次會自動計算出整個管網中最不利的一條管道，并進行高亮顯示。

圖9 設計方案檢測Fig.9 Design scheme testing

3.5 設計成果輸出

工程圖紙是規劃、設計與生產過程的主要技術文件，自動化圖紙輸出功能能夠極大減少設計人員的工作量。系統根據水力計算結果，通過ActiveX將計算好的成果直接輸出到Word、Excel、AutoCAD等環境中，實現水力計算表、管徑計算圖、水壓計算圖、平面布置圖、縱斷面圖等專業圖表的自動編繪。這種方式既滿足了用戶對設計數據格式的需求，又保證圖紙與水力計算結果的聯動統一，方便數據維護更新。管網設計成果輸出如圖10所示。

3.6 三維可視化

隨著三維可視化技術在水利行業中的廣泛應用，人們已經不僅僅滿足于一般的工程場景瀏覽，對系統的圖形、聲音、控制等有了更高的要求。用戶希望在友好的可視化人機界面交互下，像玩游戲一樣來控制三維場景，實現駕馭式可視化，直接在三維環境中完成工程規劃、設計、施工模擬、空間分析等工作[9]。采用三維可視化技術將項目區地形、地物、管線、工程設施等要素進行建模，轉化為具有三維交互特征的動態場景，便于設計人員對設計方案進行檢查和對比，及時發現并改進設計中存在的問題[10]。HotMap三維系統實現的管網及地形可視化效果如圖11、圖12所示。

4 結 語

我國是世界上淡水資源匱乏國家之一，北方地區缺水現象尤甚，合理、可靠的設計對于保障農村飲水安全具有重要意義。結合我國水利行業特點，開發自主產權的管網輔助設計系統，需要較高的開發技術和很大的開發量，但成果完全符合國內設計標準，便于大規模應用。HotMap系統已經在河南省汝陽縣幾十個工程中進行了全流程的應用，事實證明，該系統具有較高的可靠性和經濟性，經過進一步完善可推廣到其他相關領域。

圖10 設計成果輸出Fig.10 Design output

圖11 管網三維瀏覽Fig.11 Piping 3D browsing

圖12 管網布置分析Fig.12 Piping layout analysis

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[1] 魯 剛. 新編農村供水工程規劃設計手冊(第一卷)[M]. 北京：中國水利水電出版社,2006.

[2] 林佳平,劉俊萍. 基于GIS 的農村人飲供水管網信息系統設計[J].人民黃河,2013,35(4):58-60.

[3] 張 峰.丘陵山區重力式村鎮供水管網優化及安全調控研究[D].山東泰安:山東農業大學, 2010.

[4] 潘少奇,張雪峰,李亞婷. 基于GIS的供水管網爆管分析[J].管道技術與設備,2008,(4):7-8.

[5] 張山山,邊馥苓.地理信息系統數據模型分析[J].測繪通報,2004,(8):18-24.

[6] 李清泉,李德仁.三維空間數據模型集成的概念框架研究[J].測繪學報,1998,27(4):325-330.

[7] 李清泉,楊必勝,史文中,等.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化[M].武漢:武漢大學出版社,2003,12:109-111.

[8] 王英杰,袁勘省,余卓淵.多維動態地學信息可視化[M].北京：科學出版社,2003,10:95-97.

[9] 楊成杰,田宜平,吳沖龍,等.三維引擎在水利水電可視化中的應用[J].中國農村水利水電,2010,(4):151-154.

[10] 劉 波,李大軍,阮 見,等．基于ArcEngine 的供水管網三維模塊的設計與實現[J]．測繪科學, 2010,35(6):236-237．