基于GIS的燃氣停氣智能預測分析及應用

王重陽 馬兆俊 霍思慧 帥艷民

（1．沈陽燃氣有限公司，遼寧 沈陽 110000；2．遼寧工程技術(shù)大學測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

燃氣安全關(guān)系到千家萬戶，還體現(xiàn)了燃氣企業(yè)的管理水平。沈陽的新城區(qū)是基于新理念規(guī)劃打造的，但是目前老城區(qū)仍然是人口密集居住區(qū)。隨著運營年限的増加，部分燃氣管線出現(xiàn)了老化現(xiàn)象。提高老城區(qū)氣化水平、保障供氣安全成為燃氣供應企業(yè)必須面對和解決的問題[1]。除了需要了解和提高管道系統(tǒng)運行的可靠性、減少故障的發(fā)生以及延長管道系統(tǒng)的使用壽命，還應該逐步抽換老舊管線。為了保障安全，在管改及新設(shè)等燃氣工程施工前，需要進行停氣預測。由于公司以往的預測方式是在地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件中采用人眼識別、分析和判斷的方法對錯綜復雜的海量管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行逐條預測，因此難以避免出現(xiàn)漏看或誤判的情況，從而導致預測結(jié)果存在誤差。且預測過于依賴預測人員的個人經(jīng)驗，出具的預測報告尚無統(tǒng)一的標準。改進上述不足、降低工作強度以及提升效率和準確性已經(jīng)成為亟待解決的問題。

鑒于GIS強大的空間分析和網(wǎng)絡分析功能，通過梳理停氣預測工作所涉及的空間和屬性數(shù)據(jù)特點，構(gòu)建停氣預測數(shù)據(jù)庫。對現(xiàn)有的ARCGIS平臺進行二次開發(fā)，通過程序自動進行停氣預測分析，并生成停氣預測圖及報告的新工作模式，為施工提供了重要的生產(chǎn)依據(jù)。使該工作更規(guī)范，避免了出現(xiàn)理解偏差。新預測模式有助于維護燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，便于統(tǒng)計和溯源；減輕了勞動強度，提升了工作效率和科學性，可以取得較高的經(jīng)濟效益，在行業(yè)中具有很大的推廣價值。

1 研究范圍

沈陽市是遼寧省的省會，位于中國東北地區(qū)南部，是東北地區(qū)最大的中心城市。以沈陽燃氣公司為例，研究區(qū)涵蓋了由沈陽市和平區(qū)、沈河區(qū)、皇姑區(qū)、大東區(qū)、鐵西區(qū)、于洪區(qū)、沈北新區(qū)、渾南區(qū)、新民、法庫以及蘇家屯區(qū)構(gòu)成的城區(qū)。燃氣GIS數(shù)據(jù)庫中包括多級別管網(wǎng)及附屬設(shè)施數(shù)據(jù)，例如高壓A/B、次高壓A/B、中壓A/B、低壓管網(wǎng)、門站、調(diào)壓站以及進戶等[2-3]。其中低壓管網(wǎng)分布密集，且直達終端用戶，是服務廣大市民的重要供氣管道，因此管網(wǎng)的安全運行極其重要。

2 研究方法

停氣預測工作是燃氣企業(yè)安全生產(chǎn)的重要組成部分，考慮到GIS強大的空間分析和網(wǎng)絡分析能力，對停氣預測的傳統(tǒng)工作模式進行重新梳理與改進優(yōu)化，提取關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并結(jié)合燃氣管網(wǎng)現(xiàn)狀，構(gòu)建停氣預測數(shù)據(jù)庫。該文提出了基于幾何網(wǎng)絡分析及爆管分析的原理和接口，對現(xiàn)有的ARCGIS DESKTOP進行二次開發(fā)，實現(xiàn)停氣預測智能分析的創(chuàng)新工作模式，新模式的技術(shù)實現(xiàn)如圖1所示。經(jīng)過功能測試，該模式投入了企業(yè)的生產(chǎn)運營，實現(xiàn)了分析過程的“自動化”和輸出成果的規(guī)范化。

2.1 幾何網(wǎng)絡

Geodatabase是面向?qū)ο蟮牡谌乩頂?shù)據(jù)模型，通過賦予其自然行為及拓撲規(guī)則，可以使GIS數(shù)據(jù)集中的特征更加智能化，其實質(zhì)是建立在DBMS基礎(chǔ)上統(tǒng)一的智能化的空間數(shù)據(jù)庫。Geodatabase 使用線性網(wǎng)絡來描述城市管網(wǎng)等地理網(wǎng)絡模型，以幾何網(wǎng)絡和邏輯網(wǎng)絡來表示1個線性系統(tǒng)，幾何網(wǎng)絡將地理空間抽象成幾何對象的集合[4]。幾何網(wǎng)絡分析建立在點、線元素的基礎(chǔ)上，以有向的拓撲方式相互連接，通過交匯點實現(xiàn)邊與邊的傳遞，可以進行連通、追溯等分析[5]。一個網(wǎng)絡可以由多個要素組成，例如在燃氣系統(tǒng)中，可以由中高壓管線、低壓管線以及調(diào)壓站等構(gòu)成一個網(wǎng)絡，在GIS中表現(xiàn)為由一系列相互連通的點和線組成，用來表達水、電和氣等空間幾何特征和資源的流動特性，因此這種包括線要素和點要素的網(wǎng)絡被稱為幾何網(wǎng)絡。應用ArcGIS強大的幾何網(wǎng)絡分析功能，調(diào)取相應接口，可以滿足燃氣行業(yè)停氣預測智能分析的需求。

2.2 模糊查詢

在自動預測分析的過程中，工程名稱和工程編號非常重要，其中，工程編號是空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的紐帶。當輸入工程編號后，相關(guān)掐頭點和接頭點就可以被自動檢索出來。算法主要通過模糊查詢實現(xiàn)，需要調(diào)用ARCGIS的IQueryFilter、IFeatureCursor、IFeature以及IFeatureClass等接口及專門用于屬性查詢的查詢過濾器QueryFilterClass。通過WhereClause屬性設(shè)置查詢條件的Sql語句，這里要使用通配符LIKE，符號%可以代表0個或多個字符，例如：” DNAME LIKE ‘%” + this. DName.Text + “%’”，即查找含有輸入信息相關(guān)的工程。

圖1 技術(shù)實現(xiàn)圖

2.3 流向判斷

在燃氣網(wǎng)絡中，由于氣體的流動具有流向，因此需要從掐頭點開始沿著低壓管網(wǎng)追溯到運行的調(diào)壓站，要知道網(wǎng)絡中的源頭以及能追溯到的調(diào)壓站的開關(guān)狀態(tài)，從而判斷氣源的來向，進而得出正確的預測及建筑物的影響區(qū)域。根據(jù)掐頭點和接頭點所在低壓管線的位置，判斷其氣源的來向。首先，獲取該管線起點和終點坐標，再計算出與X軸正方向的夾角值[6]，可以通過自定義函數(shù)來實現(xiàn)；其次，需要判斷起點和終點是否為同一點，通過設(shè)定容差值dataTolerance，利用X、Y坐標差與容差值進行判斷，例如（Math.Abs（pt1.X - pt2.X） ＜= dataTolerance && Math.Abs（pt2.Y - pt2.Y） ＜= dataTolerance）；再次，排除相同點，再通過角度計算判斷流向。角度計算需要用到反正切函數(shù) Math.atan()，具體實現(xiàn)可用（180 * Math.Atan（f）） / π得到角度，其中f值可以通過低壓管線兩端點的X、Y坐標求得，例如f=Math.Abs（（pt2.Y - pt1.Y） / （pt2.X - pt1.X））；最后，將角度與設(shè)定好的角度規(guī)則進行判斷，確定氣源的來向。

2.4 影響區(qū)域分析

影響區(qū)域建筑物的提取分為掐頭影響區(qū)域提取和接頭影響區(qū)域提取，需要對斷管后的低壓管網(wǎng)的連通性進行判斷，確定每條低壓管線所帶的進戶，通過進戶點在一定緩沖區(qū)范圍確定受影響的建筑物。代碼實現(xiàn)需要先設(shè)定緩沖區(qū)大小常量，例如double Dist= 4，根據(jù)選中的要素wGeometry和設(shè)定好的Dist常量，調(diào)用ARCGIS接口構(gòu)建緩沖區(qū)，代碼如下：pTopologicalOperator = wGeometry as ITopologicalOperator; wGeometry = pTopologicalOperator.Buffer（Dist）。判斷空間關(guān)系，用ISpatialFilter接口進行空間關(guān)系查詢時，需要使用esriSpatialRelEnum枚舉類型。esriSpatialRelContains（包括）、esriSpatialRelWithin（包括于）等9個關(guān)系是分別從幾何體的內(nèi)部、邊界和外部來區(qū)分的，所有的幾何體之間的拓撲關(guān)系都是由這9個關(guān)系組成的。通過IFeatureSelection接口構(gòu)建選擇集對象，并使用SelectionColor方法指定影響建筑物的顏色，最終顯示出受影響的建筑物。

2.5 預測報告生成

停氣預測報告的生成，主要包括掐頭預測報告和接頭預測報告，關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于提取管網(wǎng)信息和輸出格式，輸出文件主要以Microsoft Excel （*.xls）格式導出。主要屬性信息提取自數(shù)據(jù)面狀圖層中錄入環(huán)節(jié)的“停氣預測”面。輸出預測圖需要用到布局視圖，開發(fā)中需要用到ArcGIS 的IPageLayout、IGxMapPageLayout、IMxDocument和IElement等接口。圖面顯示過程的關(guān)鍵在于按照編號對同一區(qū)域不同預測點影響范圍的顯示狀態(tài)進行控制。可以利用DeleteElement和Reset方法清空上一次輸出留下的圖形，避免出現(xiàn)同一張圖上預測區(qū)域顯示的堆疊和交錯，從而造成理解上的混淆。

3 應用與分析

在應用過程中，首先由規(guī)劃設(shè)計部門出具施工圖/竣工圖，按地址和編號錄入停氣預測面。對照圖紙中的“大樣圖”添加掐頭點和接頭點，問題點用于標明需要現(xiàn)場試氣和反饋的管線。根據(jù)圖紙編號完善各要素的屬性信息。預測過程根據(jù)該圖紙編號鎖定預測涉及的掐頭和接頭點，結(jié)合線狀低壓管網(wǎng)和調(diào)壓站的供氣情況，自動分析提取管線掐接過程中供氣受到影響的建筑物，并標識出低壓管線的改造方式，最終生成預測圖（如圖2所示）。導出對應的掐頭和接頭報告，報告中詳細體現(xiàn)了施工單位需求的掐接點氣源來向以及低壓管線的長度、管徑和影像區(qū)域的建筑物編號等信息；以掐頭報告為例（見表1），該報告是施工中的必要環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)“人工模式”相比，采用GIS程序預測的新模式可以自動完成分析過程，大大降低了工作強度，避免出現(xiàn)理解上的偏差，為安全施工提供了重要保障。

4 結(jié)語

通過GIS強大的管網(wǎng)分析功能，結(jié)合日益完善的管網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用程序自動分析，克服了人眼搜索識別難度大及對海量數(shù)據(jù)的頻繁操作的問題，在提高效率的同時，還提升了分析的準確性。在預測分析過程中，雖然程序不能自動處理錯誤的數(shù)據(jù)，但是程序可以及時發(fā)現(xiàn)停氣預測區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)中不易被肉眼識別的“問題”數(shù)據(jù)，有助于及時發(fā)現(xiàn)錯誤，將問題快速反饋到公司測繪部門進行修正，增強了公司管網(wǎng)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，從而提升了管網(wǎng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。新模式減少了重復工作，分析過程更加客觀，還實現(xiàn)了管網(wǎng)分析的“自動化”和處理過程及預測結(jié)果的準確性和規(guī)范化，對公司安全生產(chǎn)和行業(yè)應用的推廣都有十分重要的意義。

圖2 停氣預測自動分析及結(jié)果示意圖

表1 低壓管線改造、并網(wǎng)停氣范圍預測廢線報告表