复杂燃气管网爆管分析GIS算法设计与实现

王相业 李卫东 徐子靖

（河南工业大学信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

0 引言

地下管线是指城市范围内燃气、电力、热力、供水、排水、通信等管线及其附属设施，是城市建设和发展的命脉。随着城镇化进程的加快，城市各类地下管线的数量和规模急速扩张，构成状况也愈加复杂。当复杂的地下管线发生爆管事故时，如何快速高效地得出最佳关阀方案，减少受影响区域和用户，实现快速抢修，并降低损失，仍是当务之急。

目前，常用的爆管分析可分为两种。一是基于流向的爆管分析法，二是基于图论的爆管分析法。基于流向的爆管分析法是在由GIS组件式二次开发的ArcGIS Engine基础上研发出来的，通用性没有基于图论的爆管分析法应用广泛。在爆管分析时，管网中的流向是确定的，基于流向的爆管分析法实现简单、效率高。所以，在流向确定的情况下，基于流向的爆管分析法更合适。基于图论的爆管分析法应用范围广，如公交路线查询、物流调度等［1］。基于图论的爆管分析法能通过搜索附近阀门来排除下游阀门，得到上游阀门，却不能获取下游阀门。基于流向的爆管分析研究能直接搜索出上游阀门，不再搜索下游阀门，实现保气阀门或下游阀门分析对爆管分析研究具有重要意义。目前，国内外对爆管的研究普遍缺少对保气阀门或下游阀门的分析［2］。

1 复杂燃气管网爆管分析数据预处理

要素类（Feature Class）是具有相同空间制图表达和一组通用属性列的常用要素的同类集合，最常用的4 个要素类分别是点、线、面和注记。拓扑、几何网络等是对要素类的使用。爆管分析要准备的数据可分为4 个要素类，即管段（线要素类）、气源（点要素类）、阀门（点要素类）、用户（点要素类）。实际的燃气管网数据主要来源有3 种，即CAD 图纸、RTK采集、绘图。

以模拟的矢量数据（4 个要素类）为数据源，由ArcMap 绘图生成矢量数据图，采用ESRI 中Geodatabase的要素数据集和要素类模型对数据进行组织与存储［3］。准备一个要素数据集在文件地理数据库中新建要素数据集，导入坐标系，导入模拟好的管段、气源、阀门、用户要素类。模拟的管网数据展示如图1 所示，其中包含3 个气源、1 个环、3 段不与气源连通的管段。

图1 模拟管网数据

获取数据后，还要确保数据可用。要对管网数据进行拓扑检查和错误处理，以确保管段、阀门、气源、用户数据间拓扑关系的正确。

燃气管网进行爆管分析要确保数据拓扑关系符合爆管分析的要求。可使用拓扑为要素间的多种空间关系建模。如果有重叠且共享相同坐标位置、边界或节点要素，拓扑有助于更好管理地理数据。系统为拓扑关系的查询和导航（如确定要素邻接性和连通性）提供支持，基于ArcGIS 的手动拓扑检查处理过程如下，新建地理数据库，在其中新建要素数据集，向要素数据集导入要检查的数据，为要素数据集新建拓扑，根据向导提示依次输入拓扑名称、选择参与到拓扑中的要素类、指定要素等级、添加拓扑规则，验证拓扑，导出拓扑错误［4］。

在要素数据集中构建新拓扑，将模拟好的4 个要素类应用于拓扑中。指定拓扑规则有以下4 个。①Famen：必须被其他要素的端点覆盖。②Users：必须被其他要素的端点覆盖。③Yuan：必须被其他要素的端点覆盖。④Line：不能重叠、自重叠、有悬挂点。

应用这些规则的目的是使阀门点务必与两条不同管段的一个端点几何重叠（即阀门连接两条管段）、气源和用户与管段的一个端点几何重叠（即气源和用户都位于管段末端）［5］。指定完规则后进行拓扑验证［6］，再把新建的拓扑拖至工作空间，如图2所示，最后对要素数据集进行几何网络构建。

图2 管网拓扑关系错误处理

2 爆管分析模型设计与构建

通过爆管分析得到4 个结果数据集，即必关阀门、停气用户、保气阀门、停气管段。爆管分析流程如图3所示。

图3 爆管分析流程

2.1 关阀分析

管网爆管时，要尽快对现场进行抢险工作，通过合理地关闭阀门来切断气流。通过对关阀进行分析，得到要关闭的阀门。爆管点［7］为爆管事故的位置（一个或多个），以爆管点为起点，向所有方向进行遍历搜索，遇到有效阀门节点进行记录，并在此方向停止，最终搜索得出爆管点附近上游和下游的最近阀门集合。

2.2 筛选必关阀门与保气阀门

通过关阀分析，得到爆管点附近所有方向上最近的阀门集合，关闭其中可选的最少一部分阀门（也称为必关阀门），从气源就无法连通其他阀门（也称为保气阀门）。以气源为起点，向四周遍历搜索阀门，遇到附近阀门则记录，并在此方向停止，最终搜索出爆管点上游必关阀门集合。对附近阀门集合与必关阀门集合进行空间关系比较，不相交或重合的阀门为下游非必关阀门，即保气阀门集合。

2.3 停气管段与停气用户分析

当爆管事故发生后，通过关阀分析找出必关阀门进行关闭，下游就不会有燃气通过，其间会出现停气管段与停气用户。以爆管点为起点，向四周遍历搜索管段，遇到必关阀门，则在此方向上停止并记录，最终得到停气管段集合。通过对缓冲区分析，得到与停气管段有一定空间距离（相距50 m 或0 m）的用户信息，即为停气用户［8］。

2.4 排除失效阀门的二次爆管分析功能实现

在爆管分析关阀方案中，阀门应当能正常关闭，但现实中的阀门可能因发生故障而造成阀门不可关闭［9］。在爆管分析过程中，需要考虑阀门是否有效的问题。常用方法是将阀门是否有效作为一个字段存储在阀门的属性表中，但当管网数据量大时，阀门数量多，维护困难。故本研究在创建要素图层时，通过SQL 语句来进行有效阀门的选择。在浏览器调用爆管分析服务后，从分析得出的必关阀门中选择失灵阀门，获取其主键属性值，生成筛选有效阀门的SQL表达式。

3 爆管分析模型测试及应用

3.1 发布地图服务

将空间数据库要素类拖入工作空间，设置好符号样式后，分享为地图服务。勾选Feature Access功能，其提供对地图上矢量要素的访问和编辑，可在浏览器客户端生成要素图层，从而捕捉管线爆管点。发布的地图服务如图4所示。

图4 查看发布的地图服务

3.2 发布地理处理服务

在成功运行模型后，打开结果选项卡，将运行过的模型分享为地理处理服务。可设置服务器返回的最大记录数。燃气公司的管线数据量大，一般需要将最大记录数从1 000 修改为10 000，否则结果容易出错［10］。

3.3 爆管分析模型应用效果

通过以上方案进行爆管分析，结果如图5 所示。图中的气源有3个，爆管点为1个，且位于环状管网上，将得到的爆管分析结果在地图上进行高亮显示，并显示其详细记录。分析得到3 个必关阀门（标签形状标记）、2个停气用户（三角标记）、停气管段（加粗线段），停气管段中不包括原本就不通气的干扰管段。该方案可在环状管网、多气源、有干扰管段复杂管网中进行爆管分析。

图5 多气源、环路、单爆管点的爆管分析

4 结语

本研究对复杂燃气管网爆管进行了全面分析，利用ArcGIS 几何网络模型对爆管分析数据进行组织。采用多种因素的爆管分析法，通过ArcGIS 工具箱来实现，并利用模型构建器进行建模，得到爆管分析模型工具。该方案能在环状管网、多气源、多爆管点、有不连接管段的复杂情况下进行正确爆管分析，并能进行可无限叠加的二次爆管分析，实现在浏览器客户端对爆管进行分析调用。本研究虽对复杂燃气管网爆管进行了分析，但未考虑管网的压力等级因素，后续研究需要将该因素加入到模型中，从而提高模型分析能力。