復雜燃氣管網爆管分析GIS算法設計與實現

王相業 李衛東 徐子靖

（河南工業大學信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

地下管線是指城市范圍內燃氣、電力、熱力、供水、排水、通信等管線及其附屬設施，是城市建設和發展的命脈。隨著城鎮化進程的加快，城市各類地下管線的數量和規模急速擴張，構成狀況也愈加復雜。當復雜的地下管線發生爆管事故時，如何快速高效地得出最佳關閥方案，減少受影響區域和用戶，實現快速搶修，并降低損失，仍是當務之急。

目前，常用的爆管分析可分為兩種。一是基于流向的爆管分析法，二是基于圖論的爆管分析法。基于流向的爆管分析法是在由GIS組件式二次開發的ArcGIS Engine基礎上研發出來的，通用性沒有基于圖論的爆管分析法應用廣泛。在爆管分析時，管網中的流向是確定的，基于流向的爆管分析法實現簡單、效率高。所以，在流向確定的情況下，基于流向的爆管分析法更合適。基于圖論的爆管分析法應用范圍廣，如公交路線查詢、物流調度等［1］。基于圖論的爆管分析法能通過搜索附近閥門來排除下游閥門，得到上游閥門，卻不能獲取下游閥門。基于流向的爆管分析研究能直接搜索出上游閥門，不再搜索下游閥門，實現保氣閥門或下游閥門分析對爆管分析研究具有重要意義。目前，國內外對爆管的研究普遍缺少對保氣閥門或下游閥門的分析［2］。

1 復雜燃氣管網爆管分析數據預處理

要素類（Feature Class）是具有相同空間制圖表達和一組通用屬性列的常用要素的同類集合，最常用的4 個要素類分別是點、線、面和注記。拓撲、幾何網絡等是對要素類的使用。爆管分析要準備的數據可分為4 個要素類，即管段（線要素類）、氣源（點要素類）、閥門（點要素類）、用戶（點要素類）。實際的燃氣管網數據主要來源有3 種，即CAD 圖紙、RTK采集、繪圖。

以模擬的矢量數據（4 個要素類）為數據源，由ArcMap 繪圖生成矢量數據圖，采用ESRI 中Geodatabase的要素數據集和要素類模型對數據進行組織與存儲［3］。準備一個要素數據集在文件地理數據庫中新建要素數據集，導入坐標系，導入模擬好的管段、氣源、閥門、用戶要素類。模擬的管網數據展示如圖1 所示，其中包含3 個氣源、1 個環、3 段不與氣源連通的管段。

圖1 模擬管網數據

獲取數據后，還要確保數據可用。要對管網數據進行拓撲檢查和錯誤處理，以確保管段、閥門、氣源、用戶數據間拓撲關系的正確。

燃氣管網進行爆管分析要確保數據拓撲關系符合爆管分析的要求。可使用拓撲為要素間的多種空間關系建模。如果有重疊且共享相同坐標位置、邊界或節點要素，拓撲有助于更好管理地理數據。系統為拓撲關系的查詢和導航（如確定要素鄰接性和連通性）提供支持，基于ArcGIS 的手動拓撲檢查處理過程如下，新建地理數據庫，在其中新建要素數據集，向要素數據集導入要檢查的數據，為要素數據集新建拓撲，根據向導提示依次輸入拓撲名稱、選擇參與到拓撲中的要素類、指定要素等級、添加拓撲規則，驗證拓撲，導出拓撲錯誤［4］。

在要素數據集中構建新拓撲，將模擬好的4 個要素類應用于拓撲中。指定拓撲規則有以下4 個。①Famen：必須被其他要素的端點覆蓋。②Users：必須被其他要素的端點覆蓋。③Yuan：必須被其他要素的端點覆蓋。④Line：不能重疊、自重疊、有懸掛點。

應用這些規則的目的是使閥門點務必與兩條不同管段的一個端點幾何重疊（即閥門連接兩條管段）、氣源和用戶與管段的一個端點幾何重疊（即氣源和用戶都位于管段末端）［5］。指定完規則后進行拓撲驗證［6］，再把新建的拓撲拖至工作空間，如圖2所示，最后對要素數據集進行幾何網絡構建。

圖2 管網拓撲關系錯誤處理

2 爆管分析模型設計與構建

通過爆管分析得到4 個結果數據集，即必關閥門、停氣用戶、保氣閥門、停氣管段。爆管分析流程如圖3所示。

圖3 爆管分析流程

2.1 關閥分析

管網爆管時，要盡快對現場進行搶險工作，通過合理地關閉閥門來切斷氣流。通過對關閥進行分析，得到要關閉的閥門。爆管點［7］為爆管事故的位置（一個或多個），以爆管點為起點，向所有方向進行遍歷搜索，遇到有效閥門節點進行記錄，并在此方向停止，最終搜索得出爆管點附近上游和下游的最近閥門集合。

2.2 篩選必關閥門與保氣閥門

通過關閥分析，得到爆管點附近所有方向上最近的閥門集合，關閉其中可選的最少一部分閥門（也稱為必關閥門），從氣源就無法連通其他閥門（也稱為保氣閥門）。以氣源為起點，向四周遍歷搜索閥門，遇到附近閥門則記錄，并在此方向停止，最終搜索出爆管點上游必關閥門集合。對附近閥門集合與必關閥門集合進行空間關系比較，不相交或重合的閥門為下游非必關閥門，即保氣閥門集合。

2.3 停氣管段與停氣用戶分析

當爆管事故發生后，通過關閥分析找出必關閥門進行關閉，下游就不會有燃氣通過，其間會出現停氣管段與停氣用戶。以爆管點為起點，向四周遍歷搜索管段，遇到必關閥門，則在此方向上停止并記錄，最終得到停氣管段集合。通過對緩沖區分析，得到與停氣管段有一定空間距離（相距50 m 或0 m）的用戶信息，即為停氣用戶［8］。

2.4 排除失效閥門的二次爆管分析功能實現

在爆管分析關閥方案中，閥門應當能正常關閉，但現實中的閥門可能因發生故障而造成閥門不可關閉［9］。在爆管分析過程中，需要考慮閥門是否有效的問題。常用方法是將閥門是否有效作為一個字段存儲在閥門的屬性表中，但當管網數據量大時，閥門數量多，維護困難。故本研究在創建要素圖層時，通過SQL 語句來進行有效閥門的選擇。在瀏覽器調用爆管分析服務后，從分析得出的必關閥門中選擇失靈閥門，獲取其主鍵屬性值，生成篩選有效閥門的SQL表達式。

3 爆管分析模型測試及應用

3.1 發布地圖服務

將空間數據庫要素類拖入工作空間，設置好符號樣式后，分享為地圖服務。勾選Feature Access功能，其提供對地圖上矢量要素的訪問和編輯，可在瀏覽器客戶端生成要素圖層，從而捕捉管線爆管點。發布的地圖服務如圖4所示。

圖4 查看發布的地圖服務

3.2 發布地理處理服務

在成功運行模型后，打開結果選項卡，將運行過的模型分享為地理處理服務。可設置服務器返回的最大記錄數。燃氣公司的管線數據量大，一般需要將最大記錄數從1 000 修改為10 000，否則結果容易出錯［10］。

3.3 爆管分析模型應用效果

通過以上方案進行爆管分析，結果如圖5 所示。圖中的氣源有3個，爆管點為1個，且位于環狀管網上，將得到的爆管分析結果在地圖上進行高亮顯示，并顯示其詳細記錄。分析得到3 個必關閥門（標簽形狀標記）、2個停氣用戶（三角標記）、停氣管段（加粗線段），停氣管段中不包括原本就不通氣的干擾管段。該方案可在環狀管網、多氣源、有干擾管段復雜管網中進行爆管分析。

圖5 多氣源、環路、單爆管點的爆管分析

4 結語

本研究對復雜燃氣管網爆管進行了全面分析，利用ArcGIS 幾何網絡模型對爆管分析數據進行組織。采用多種因素的爆管分析法，通過ArcGIS 工具箱來實現，并利用模型構建器進行建模，得到爆管分析模型工具。該方案能在環狀管網、多氣源、多爆管點、有不連接管段的復雜情況下進行正確爆管分析，并能進行可無限疊加的二次爆管分析，實現在瀏覽器客戶端對爆管進行分析調用。本研究雖對復雜燃氣管網爆管進行了分析，但未考慮管網的壓力等級因素，后續研究需要將該因素加入到模型中，從而提高模型分析能力。