基于SuperMap Object的网络分析研究

卢云辉，曹健，孙晓茹

(大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁大连 116061)

1 背景

随着人类文明的进步，市政公共基础设施(电力及电信设施网络、道路交通、水网、热力管网等)有了长足的发展。公共设施的维护、管理与规划单凭人力已经不能满足要求，这就需要我们用计算机来进行辅助工作。在GIS中，这些基础设施可以被抽象理解为“网络系统”。“网络系统”是指由许多相互连接的线段构成的网状系统，网络模型就是对现实世界中网络系统的抽象表达［1］。例如在燃气管网中，管线等线状物被抽象为线段，在网络中称为网络弧段;阀门、三通等点状物被抽象为点，在网络中称为网络结点等。

网络分析就是在网络模型上通过相关算法解决实际问题的过程，如路径分析、服务区分析、最近设施查找等。

2 网络分析的基本概念

网络是由若干线性实体互连而成的一个系统，资源由网络来传输，实体间的联络也由网络来达成。构成网络的最基本元素是线性实体以及这些实体的连接交汇点。前者常被称为网线或弧段(link)，后者一般称为结点(node)。

网线构成网络的骨架，是资源传输或通讯联络的通道，可以代表公路、铁路、航线、水管、煤气管、河流等;结点是网线的端点或网线汇合点，可以表示交叉路口、中转站、河流汇合点等。

除了上述基本网络元素之外，网络还可能有若干附属元素，如在资源分配中用来表示资源发散地点或资源汇聚地点的中心(center)，对资源传输或通讯联络起阻断作用的障碍(barrier)等。

针对网络分析的需要，作为网络基本元素的网线和结点除自身的常规属性外，还要具备一些特殊的属性数据。比如，为了实施路径分析和资源分配，网线数据应包含正反两个方向上的阻碍强度(如流动时间、耗费等)以及资源需求量(如学生人数、水流量等)，而结点数据也应包括资源需求量。特别是在有些GIS平台(如SuperMap，ArcGIS)中，结点还可以具有转角数据，从而可以更加细致地模拟资源流动时的转向特性。具体地说，每个结点可以拥有一个转向表(turntable)，其中的每一项说明了资源从某一网线经该结点到另一网线时所受的阻碍强度。

图1 转向表示例图

3 网络模型介绍

在GIS中，虽然存在类型繁多的网络，但根据其特质归纳一下，主要可以分为以下两种网络模型:

(1)公共设施管线网络

公共设施网络是具有方向的网络。即介质(水流、电流等)会根据网络本身的规则在网络中流动。例如水流的路径是预先设定好的，它也可以改变，但这种改变不是由水流本身决定，而是由工作人员开关阀门来改变网络的流向，即通过改变网络的流通规则来实现的。

(2)交通网络模型

交通网络是没有方向的网络，这意味着流通介质(行人或传输的资源)可以自行决定方向、速度和目的地。例如，司机在街道上开车行驶，他可以选择转弯的方向及行驶的方向等。同时也可以有一定的限制，例如，单行线、不允许左转弯等，这与公共设施管线网络完全不同。

网络数据模型，就是将上述两种模型数据化的成果，用于存储网络拓扑关系。网络数据模型包含了网络线数据集和网络结点数据集，还包含了两种对象之间的空间拓扑关系。在SuperMap Object的网络数据集中，线数据集为主数据集，点数据集为子数据集。通过模拟现实世界里相应事物的相互关系来构建网络数据集是使用SuperMap Object提供的网络分析功能进行网络分析的前提。

4 网络分析基本功能的实现

网络分析能够实现的功能有很多，本文介绍几种最常用的功能的实现。

4.1 最佳路径分析

从网络模型的角度看，最佳路径求解就是在指定网络中的两结点间寻找一条阻碍强度最小的路径，必须按照结点的选择顺序访问网络中的结点。“阻碍强度最小”有多种理解，如基于单因素考虑的时间最短、费用最低、路况最佳等。

图2 路径分析示例图

最佳路径的产生基于网线和结点的阻碍强度。例如，如果要找最快的路径，阻碍强度要预先设定为通过网线或在结点处转弯所花费的时间;如果要找费用最小的路径，阻碍强度就应该是费用。当网线在顺逆两个方向上的阻碍强度都是该网线的长度，而结点无转角数据或转角数据都是0时，最佳路径就成为最短路径［2］。

具体实现的方法为soNetworkAnalyst类中的Find-Path方法:

soSelection FindPath(objNetworkDataset AssoDatasetVector，nFromNode As Long，nToNode As Long，bShortestOnly As Boolean)

objNetworkDataset为事先建立的网络数据集，nFromNode和nToNode分别为所求路径的起始结点和终止结点的ID号。

4.2 最近设施查找分析

最近设施分析是指在网络上给定一个事件点和一组设施点(如学校、医院、超市等公共设施)，为事件点查找以最小耗费(时间或路径)能到达的一个或几个设施点，结果显示从事件点到设施点的最佳路径，耗费，及行驶方向。

具体实现的方法为soNetworkAnalystEx类中的ClosestFacilityEx2方法:

BooleanClosestFacilityEx2(objEventAsVARIANT，objFacilitiesAs object，nFacilityCount As Long，objPath-ResultSetting As soPathResultSetting，objPathResultInfo As soPathResultInfo)

objEvent为事件点，objFacilities为设施点坐标串，objPathResultSetting为最近设施查找结果设置，objPathResultInfo为最近设施查找结果信息。

4.3 连通性分析

人们常常需要知道从某一结点或网线出发能够到达的全部结点或网线，或者两结点之间是否存在一条连通的弧段。这一类问题称为连通性分析。例如在新埋设一段管线时，可以先求得某区域是否与主管线连通，再决定埋设的范围。

具体实现的方法为soNetworkAnalyst类中的Find-ConnectedNodes方法:

soSelectionFindConnectedNodes(objNetworkDataset As soDatasetVector，nNode As Long，nDirection As sePathFindingDirection，nLevel As Long)

nNode为网络数据集中某结点的ID，基于该结点查找所有在等级内与其连通的结点。nDirection为通达点查找的方向。

将得到的结果数据集与待分析的另外一点进行比对，如果该点在结果数据集中，则两点连通，反之则不连通。

4.4 上游追踪分析

如图3，假设以水流代表设施网络中流动的物质，Q点是一个汇点，那么Q点将接收水流的输入，流向如图中的箭头所示的方向，那么，图中的 A、B、C、L、E、F、G 结点都是Q点的上游结点，也称为Q点的上游，因为从这些结点流出的水最后都流入了Q点;而弧段AB、BC、CL、LQ、EB、FG、GL是Q点的上游弧段，也称为Q点的上游。

图3 上游分析示意图

在爆管分析中，经常用到上游追踪分析:通过对管线损坏点进行上游追踪分析计算，可以求得须关闭的最少阀门数。具体实现方法为soNetworkAnalystEx类中的UpStream方法:

Boolean UpStream(nTraceOriginID As Long，strDirectionField As String，objArcIDs As soLongArray)

nTraceOriginID为上游追踪分析起点的ID号，str-DirectionField为流向字段，objArcIDs为结果上游弧段的ID数组。根据弧段的属性字段得出上游的阀门ID号，然后通过查询比对求出需关闭的阀门ID号。

图4 爆管分析示例图

4.5 下游追踪分析

如图5，类似于上游追踪分析，假设以水流代表设施网络中流动的物质，Q点是一个源点，水流将从Q点流出，流向如图中的箭头所示的方向，那么，图中的A、B、C、L、E、F、G 结点都是 Q 点的下游结点，也称为 Q点的下游，因为从这些结点接收了Q点流出的水;而弧段 BA、CB、LC、QL、BE、GF、LG 是 Q 点的下游弧段，也称为Q点的下游。

图5 下游分析示意图

在关闭某阀门后，如得知受到影响的所有下游区域，此时就需要用到下游追踪分析。具体实现方法为soNetworkAnalystEx类中的DownStream方法:

Boolean DownStream(nTraceOriginID As Long，str-DirectionField As String，objArcIDs As soLongArray)

nTraceOriginID为下游追踪分析起点的ID号，str-DirectionField为流向字段，objArcIDs为结果下游弧段的ID数组。结果中的下游弧段及其相关的结点即为受阀门关闭影响的区域。

图6 影响区域分析示例图

5 总结

本文以SuperMap Object的网络分析接口为例，介绍了一些网络分析的基本应用方式。网络分析应用上的普及，大大简化了以前那些需要手动计算分析管理的工作内容，在各行各业中都发挥了相当重要的作用。目前，网络分析已经广泛地应用于电子导航、交通旅游、城市规划管理、物流运输以及电力、通讯、等各种管线管网的布局设计和查询分析中，对于现代化的城市空间网络的数据管理有着重要的意义。

［1］超图公司．SuperMap Objects Java 6R技术文档——网络分析［R］．

［2］曾文，徐世文．地理信息系统中的常规网络分析功能及相关算法［J］．地球科学·中国地质大学学报，1998(04)．

［3］Minieka E;李家滢，赵关旗译．网络和图的最优化算法［M］．北京:中国铁道出版社，1984．

［4］孟亚峰，张淑英．城市地下综合管网地理信息系统［J］．工程设计CAD与智能建筑，2002(02)．

［5］张成才，孙喜梅，黄慧．SDE的实体——关系模型空间数据管理方式研究［J］．计算机工程与应用，2003(02)．

［6］陈勇民，陈治安．基于GIS的城市排水管网规划及管理系统的开发研究［J］．湖南大学学报，2002，29(3)．