基于gis的城市供水管网爆管预警模型研究

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浙江工业大学硕士学位论文论文题目(基于GlS的城市供水管网爆管预警模型研究)作者姓名：指导教师：徐玉岩肖刚教授浙江工业大学信息工程学院2009年3月 浙江工业大学硕士学位论文基于GIS的城市供水管网爆管预警模型研究摘要城市供水管网是城市不可缺少的基础设施之一。供水管网肩负着将符合水质要求的水安全地输送到各个用户的任务。一旦管网出现爆管事故，将给人们的生产和生活带来极大的不便。GIS平台具有空间数据管理、数据可视化、分析模拟、可与其他系统集成的特点，目前在城市供水方面的应用得到了迅速发展和应用。目前研究爆管问题，尤其在国内，主要以传统的描述性统计分析为主，即通过管材、管龄、埋设年代、季节等因素对管道爆管的隐患进行分析，并没有结合压力、流量等数据进行分析。本文综合考虑多个因子并结合由GIS系统获取的城市供水管网动态数据进行分析，研究基于GIS平台的城市供水管网爆管预警模型。本文旨在利用GIS平台，实现计算机对供水管网运行进行监控并能予以预警。具体为：通过理论分析构建管网模型，得到较为准确的自由压力值；将历史数据与自由压力进行比较、分析并进一步构建出城市管道爆管预警的初步模型；使用实际数据验证并修正预警模型，最终设计并实践城市供水管网爆管预警系统。关键词：城市供水管网，爆管，预警，6IS，管网模型，预警模型 浙江工业大学硕士学位论文THERESEARCHoFTHEEARLYWARNINGMoDELoFGIS．BASEDCITYWATERSUPPLYPIPESNETWoRKBURSTABSTRACTCitywatersupplynetworkareindispensablebasicestablishmentforcityfacilities．Watersupplynetworkwillberesponsibleforsupplyingqualifiedwatertoalluserssafely．Oncethewaterpipeburstaccidentoccurs，thelivelihoodofpeoplewillsuffergreatinconvenience．TheGISplatformhasfeaturesofspatialdatamanagement，datavisualization，analysissimulation,andintegration、)~，ithothersystem，theapplicationoftheplatformincitywatersupplyhasbeendevelopedrapidly．Thecurrentdomesticresearchofpipecracking，alemainlyinthetraditionalanalysisofdescriptivestatistics，thatis，throughthefactorsofpipematerialandage，plantingage，seasonandSOon，tOanalyzethepotentialcrackingofpipeline．Thereisnocombinationoffactorssuchasstress，flow,etc．Inthispaper,wecombineanumberoffactors埘thdynamicdateaccesstothecitywatersupplynetworkbyGISplatform，tOresearchthewarningmodelofGIS—basedcitywatersupplypipesnetworkburst．ThispaperaimstouseGISplatformmonitoringandwarningthewatersupplynetworkbycomputer。Specificasfollows：Thetheoreticalanalysismodelofbuildingapipelinenetwork，togetaccuratedataofthefreestress；comparethehistoricaldata丽tllfreestressdata,andestablishaprimarywarningmodelofcitypipesnetworkburst；useexperimentaldatatoverifyandcorrectmodel，finallydesignandimplementthecitywatersupplypipesnetworkburstwarningmodel．KeyWords：Citywatersupplynetwork，Pipesburst，Warning，GeographicalInformationSystem，NetworkModel，EarlyWarningModel 浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：徐》农日期：叩咐月踟学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密口。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：导师签名：鹚磋竭茎日期：蹦年s只>SEt孓具≥SEl 浙江丁业大学硕十学位论文《基于GIS的城市供水管网爆管预警模型研究》第1章绪论水在人们生活和生产活动中占有重要地位。供水管网是城市不可缺少的基础设施之一。供水管网肩负着将符合水质要求的水安全地输送到各个用户的任务。一旦管网出现事故，将给人们的生产和生活带来极大的不便。然而，一方面，城市化进程的加快，城市规模的扩大，使得城市供水系统随之扩大。供水系统中的管网分布日趋复杂，管道长度不断增加；另一方面，城市供水管网老化加重。这些都导致了城市供水管网爆管的频发。以杭州市为例，通过新闻媒体，常常可以看到自来水管道爆管的新闻报道。还是以杭州市为例，据统计，2004年至1J2006年8月杭城共发生供水管网爆管37次，其中2004年11次，2005年18次n1。且爆管事件多发生在城市的主干道或次干道上，在伴随着自来水大量流失的同时，也带来了交通堵塞、房屋进水、大面积、大范围停水等严重后果。爆管事件的发生一方面给企业和社会带来了巨大的经济损失，另一方面，由于新闻媒体的报道，让城市供水企业的形象在市民的心中大打折扣，带来了很多副面的社会影响，与构建和谐社会的主题格格不入。GIS(GeographicalInformationSystem，地理信息系统)技术具有空间数据管理、数据可视化、分析模拟、可与其他系统集成的特点，目前在城市供水方面的应用得到了迅速发展和应用。本文将基于GIS平台，开发设计城市供水管网爆管预警系统，使之能在爆管事件发生过程中，在给企业和社会带来巨大损失之前为工程管理人员提供预警。1．1研究现状1．预警系统研究现状预警系统是专家系统的一个分支乜1。预警系统是根据过去和现在的信息(数据和经验)推断可能发生和出现的情况。目前，预警专家系统在一些危险行业应用已经比较广泛。如锅炉管道爆管预警专业系统、矿工井下作业安全预警专家系 浙江工业大学硕士学位论文统等都已研究并运用于实际的生产作业，5．12地震发生以来，一大批专家也将建立地震预警系统提上了日程。但在供水行业，应用还很少。一方面由于自来水管道爆管危险程度较低，另一方面，城市供水管网爆管预警专家系统的知识库构建与地区地理环境联系较为紧密。虽然自来水管道爆管危险程度较低，但水资源的浪费与构建节约型社会格格不入；且经过多年的管网建设及维护，对于自来水管道爆管工程人员已总结出了一定的经验。随着计算机及其技术的发展与普及，随着供水行业内部的经验积累，为城市供水管网爆管预警系统的发展与普及奠定了理论与物质基础。2．城市供水管网爆管预警系统现状上世纪60-70年代起国外开始了供水系统自动监控的研究与应用工作。尤其随着微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃。西方发达国家雄厚的经济实力和技术基础为供水系统的自动监控的普遍应用提供了基础。一些水厂已实现全自运行，能对生产工艺的各个环节连续自动地监测、调节、记录、报警等等口1。在爆管事故规律和预测模型方面，国外已有不少研究成果。Makar,J．M．提出铸铁管的破坏模式H1，并分析了其破坏的过程，提出了通过非破坏性测试能够消除处于破坏过程的管道；GenevievePelletier、AlainMailhot和Jean-PiVilleneuve提出了利用生存分析法进行爆管分析啼3；Shamir和Howard阳1利用回归分析得出爆管次数与管龄的指数关系，建立了确定性统计爆管预测模型。Rajani，Zhan和Kuraoka建立的管道一土壤作用分析模型，计算管道内外压力和温度变化造成的纵向影响。我国Q80年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。目前，GIS在国内供水系统中的应用集中在输配水管网的日常管理中，如上海、深圳、唐山等城市。天津大学环境工程系也曾根据供水企业的要求，先后以北京大学的Citystar和中国地质大学(武汉)的MAPGIS为软件开发平台，建立了城市供水管网管理系统，实现了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改：对管线及各种设施进行属性查询、空间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形(包括管线的横断面图和纵断面图)2 浙江工业大学硕士学位论文及统计分析报表显示和输出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而基本实现了供水管网的信息化管理订1。近年来，在爆管事故规律和预测模型方面，国内也有一些研究成果。天津大学郑毅博士应用GIS技术建立供水管网事故状态调度决策支持系统；赵乱成则通过管道破坏的资料和实例对爆管事故的成因进行分析研究，并提出了对策；何芳、刘遂庆等学者分析爆管产生的原因，总结爆管事故的规律，提出可以建立爆管预测模型∞1。1．2存在问题目前研究爆管问题，尤其在国内，主要以传统的描述性统计分析为主，即按管材、管龄、埋设年代、季节等因素对管道维护数据进行统计、分类、汇总，判断某段管道的爆管隐患大小，并没有结合压力、流量等数据进行分析。基于此，本文综合考虑多个因子并结合由6IS平台获取的城市供水管网动态数据进行分析，研究基于GIS平台的城市供水管网爆管预警模型。1．3论文工作本文旨在利用GIS平台，实现计算机对供水管网运行进行监控并能予以预警。具体为：通过理论分析构建管网模型，得到较为准确的自由压力值；将历史数据与自由压力进行比较、分析并进一步构建出城市管道爆管预警的初步模型；使用实际数据验证并修正预警模型。设计城市供水管网爆管预警系统。．本文的研究思路如图1．1所示。 浙江工业大学硕士学位论文4 浙江工业大学硕士学位论文1．4论文结构本文的主要内容及安排如下：第l章绪论。本章从城市供水管网爆管的发生对人民生活、社会财产以及企业影响出发，综述当前专家系统尤其是监测型专家系统的发展现状以及国内外对城市供水管网爆管预测系统的研究现状，提出论文的研究内容。第2章城市供水管网系统基本理论。本章介绍城市供水系统的组成及其发展，对城市供水管网爆管的原因进行分析并介绍GIS技术在当前城市供水管理中的应用。第3章城市供水管网爆管预警模型研究。本章首先介绍供水管网模型方法、拓扑特性以及本文使用的一些计算方法，然后根据管网模型的简化原则对本文的研究管网进行管网简化并构建城市供水管网水力模型，在水力模型基础上构建城市供水管网爆管预警模型。第4章若干相关技术。本章将介绍与本文研究内容相关的技术。第5章城市供水管网爆管预警系统的设计与实践。本章介绍城市供水管网爆管预警系统的组成、设计及实践情况。第6章总结与展望。本章对论文的研究内容，系统的实践运行情况进行总结、概括，提出研究及系统中存在的需要改进的方面，展望该课题的研究意义。 浙江工业大学硕士学位论文第2章城市供水管网系统基本理论2．1城市供水管网系统功能与组成阳1城市供水系统是保证城市居民、企业等用水的各项构筑物和输配水管网组成的系统。按照使用目的，分为生活饮用供水、生产供水和消防供水系统。城市供水系统是城镇的一个重要基础设施，它须保证以足够的水量、合格的水质、充裕的水压供应生活用水、生产用水和其他用水，既要满足近期的发展，还须兼顾今后的发展。城市供水系统是由相互联系的一系列构筑物和输配水管网组成。它的任务是从水源取水，按照用户对水质的要求进行处理，然后将水输送到供水区，并向用户配水。为了完成以上任务，城市供水系统常由下列工程设施组成：1．取水构筑物，用以从水源取水，并输往水厂；2．水处理构筑物，用以将从取水构筑物的来水加以处理，以符合用户对水质的要求；3．泵站，用以将所需水量提升到要求的高度，可分抽取原水的一级泵站、输送清水的二级泵站和设予管网中的增压泵站；4．输水管渠和管网，输水管渠是将原水送到水厂或将水厂的水送到管网的．管渠。管网则是将处理后的水送到各个供水区的全部管网；5．调节构筑物，主要包括各种类型的储水构筑物，例如高地水池、水塔、清水池等，用以贮存和调节不均匀的用水量。2．2城市用水量和用水量变化1．城市用水量分类和用水量定额由供水系统统一供给的城市用水量为规划设计范围内的居民生活用水，公共设施(包括机关、学校、医院等)用水、工业用水以及其他用水的水量总和，主要包括以下分类：6 浙江工业大学硕士学位论文(1)居民生活用水量(2)公共设施用水量(3)工业企业生产用水量和工作人员生活用水量(4)消防用水量(5)市政用水量，主要指浇洒道路和绿地的用水量(6)未预见用水量及供水管网漏失水量上述各类用水量总和称为城市综合用水量，居民生活用水量和公共设施用水量之和称为城市综合生活用水量。《室外供水设计规范》(GB50013--2006)中规定了按照供水人口计算的居民生活用水定额和综合生活用水定额，见表2．1和表2．2。表2．1居民生活用水定额[m3／(人·d)】。一特大城市大城市中、小城市匿＼最高日平均日最高日平均日最高日平均日180～270140～210160～250120～190l40,--230100～170140～200110～160120～18090～140100～16070～120140～180110~150120～16090～130100～14070～110表2．2综合生活用水定额[m3／(人·d)】特大城市大城市中、小城市分＼J一湔．最高日平均日最高日平均日最高日平均日260---4lO210～340240,--390190～310220,--370170,--280190---280150~240l70"--260130~210150~240110～180170～270140～230150～250120—200130～230100～170注：．(1)特大城市指市区和近郊区非农业人口100万以上的城市；大城市指市区和近郊区非农业人1350万以上的城市；中、小城市指市区和近郊区非农业人口不满50万的城市。(2)一区包括：湖北、湖南、江西、浙江、福建、广东、广西、海南、上海、江苏、安徽、重庆；二区包括：四川、贵州、云南、黑龙江、吉林、辽宁、7 浙江工业大学硕士学位论文北京、天津、河北、山西、河南、山东、宁夏、陕西、内蒙古河套以东的地区；三区包括：新疆、青海、西藏、内蒙古河套以西和甘肃黄河以西的地区。2．用水量变化系数《城市供水工程规划规范》(GB50282-98)给出了各类城市用水量的日变化系数的范围，见表2．3所示。表2．3各类城市用水量日变化系数l特大城市1人城市中等城市小城镇2．3城市供水系统管理发展城市供水系统是城市基础设施的重要组成部分。供水管网运行的安全性直接影响城市供水安全性，也影响着城市的社会、经济发展。因此，建立和完善对城市供水系统的管理，意义重大。随着科技发展与公共事业投入的增加，城市供水系统的管理也在不断的发展。1．手工化管理阶段城市供水系统管理的最初阶段采用的是手工化管理。供水管网资料的载体是传统的纸质资料。由于是手工操作，随着年代的久远，其查找、更新很困难，对现有管网的使用情况、走向、埋深等也不能很好把握，使城市供水系统的管理处于一种经验管理的阶段；纸质载体还造成了图纸因破损而不可恢复性等缺点。2．信息化管理初级阶段随着计算机的普及和信息化技术的发展，近年，供水行业引进了信息化管理模式。‘信息化管理时代的到来，将浩如烟海的图纸信息转移到计算机中。通过信息化技术手段，实现供水管网资料的归档、检索、更新，大大提高了供水系统的运行效率，提高供水行业服务质量，促进城市的健康快速发展。城市供水管网的信息化管理，将工程管理人员从繁缛的手工操作中解放了出来。但这只是城市供水管理信息系统的初级阶段，因为，此时的计算机只是发挥了一个档案管理员的功能，城市供水系统的管理处于半经验半信息化管理的阶段。3．智能化管理阶段8 浙江工业大学硕士学位论文随着科技的发展，城市供水管理信息系统不仅要包含客户服务系统、公司管理信息系统等系统，更需要包含诸如水厂的自动化控制系统、计算机辅助调度系统、供水设施管网地理信息系统、计算机辅助决策系统等智能系统。在信息化管理过程中，管网建模属于智能化管理的第一步。管网建模是一项综合性技术，包括计算机、监测及供水工程专业等技术，供水行业中已有数十年的应用历史。在国内，相比于国外，这项工作的普及性及建模技术还不够成熟。地理信息系统(GIS)、管网运行数据实时监测系统(SCADA)在供水行业中的应用，标志着供水系统智能化管理阶段的到来。2：4城市供水管网爆管原因分析2．4．1供水管网爆管定义供水管网爆管是指由于管道的结构性损坏，引起的供水管网漏水现象。供水管网漏水现象有两类，一类是明漏，一类是暗漏。明漏是指当供水管道内的水压增大，埋深浅时，供水管道内的水冲到地面，明漏容易被发现。暗漏是指供水管道内的漏水无法到达地面，需要数日后才能被发现或很难发现的现象。这种情况需要水压监测判断或工作人员巡检发现n01。本文研究的对象是发生明漏的管段。2．4．2供水管网爆管分类根据管道爆裂的方式不同，爆管可分成管道结构破坏引起的爆管和管道内表面受到腐蚀诱发的爆管事故两种类型。管道结构破坏引起的爆管，是指由于管道结构弹性降低或管道受到外力的作用超过其极限承载力时导致的管道结构破坏，造成了管道爆管。通常将此类管道的破坏形式分为以下三类：①环向破裂，主要由纵向应力引起：②纵向破裂，主要由环向应力作用；③承口破裂，主要由管道连接处的环向应力作用引起。管道内表面受到腐蚀诱发的爆管事故，是指管道内部腐蚀导致的管道破坏。无论管道结构破坏引起的爆管还是管道内表面受到腐蚀诱发的爆管都会降低整个输水管网的可靠性⋯1。2．4．3供水管网爆管原因分析1．管道内因(1)管材因素9 浙江工业大学硕士学位论文通过对爆管管段的分析，发现二十世纪八十年代及其以前生产的铸铁管在使用过程中发生爆管的频率较高，因此在本文的预警模型中应该考虑管材因素。(2)管龄因素管道使用年限太久，是目前城市供水现状的弊端。在实际工程中有很多管段由于使用的时间超过了其理论使用年限，给城市供水安全埋下了隐患，必须对管段进行更新。(3)管径因素管径对爆管具有一定的影响，按一般规律，管径越小，发生爆管的机率越大。(4)埋深因素管道的覆土厚度是爆管的重要原因之一。通常规定在机动车道下，金属管道覆土厚度应不小于0．7m，非金属管道覆土厚度应不小于1～1．2m：在非机动车道或道路绿化带下，金属管道覆土厚度应不小于0．3mn羽。(5)周围建筑物因素如果某一个范围内存在建筑物就说明该管线受到建筑物的影响，其影响程度与建筑物与管线之间的距离大小有关，管线离建筑物距离越远受到的影响越小。2i供水系统外因(1)压力根据管流计算公式，管网运行压力对管道破坏造成的漏水及爆管机率随管道压力的增大而增加。随着人们生活水平的提高，不满足于屋顶水箱供水，一户一表被大规模推广。为了满足一户一表用户的用水，尤其是高层建筑的高压二次供水，使得城市供水的平均水压逐年提高，存在相应的爆管隐患。(2)流量如果管网中没有异常发生，那么管网运行在一个平稳状态，但是当任一管段上产生较大突发流量时，从力学角度来看，整个管网的节点压力和管段流量都会受到一定的影响，但是不同的节点和管段受到的影响大小是有差异的。通常爆管发生在影响较大的节点及其所在的管段。(3)气温影响采用钢性接口的管道，冬季因受冷收缩，接口容易受拉而产生渗漏，但在初期出现渗漏现象时，由于渗漏量少，不易发现，随着气温回升，接口来回涨缩，10 浙江工业大学硕士学位论文渗漏水不断流入土壤，导致管道周围水土流失，引起管道不均匀沉降，致使爆管发生。管内的水温和管外的土壤温度随季节变化，使管道本身也随温度的变化而伸缩运动，在管壁上产生相应的轴向应力。由虎克定律可知，冬天管道受轴向拉应力，夏天管道受到轴向压应力，因此管网在高温或低温天气爆管比气温适中天气多。以杭州为例，在《杭州市自来水管道爆管原因浅析及解决方案》一文中提出：在温度适中的2月、3月、4月和9月、10月、11月，累计爆管次数为3次，而在其他温度较高或较低的月份的爆管次数为23次。3：道路施工影响随着经济的发展，城市规模迅速扩大，为缓解城市交通压力，道路拓宽改造较多。在原有的规划设计中，大型供水管网一般都敷设在慢车道或绿化带下，在众多的建设改造中，慢车道改变成为快车道，绿化带拆除改变成为公交车道等道路性质的变化也是导致爆管的重要原因之一。在道路建设改造施工中，构成爆管的潜在风险还包括：盲目开挖，野蛮施工等。这类爆管通常具有滞后性，而且往往是先出现暗漏，所以短时间里不一定暴露出问题，往往在施工结束后数月后爆发供水管网爆裂。 浙江工业大学硕士学位论文第3章城市供水管网爆管预警模型研究3．1供水管网模型方法n∞供水管网是一类大规模且复杂多变的管道网络系统，为便于规划、设计和运行管理，应将其简化和抽象为便于用图形和数据表达和分析的系统，称为供水管网模型。供水管网模型主要表达管网系统中各组成部分的拓扑关系和水力特性，将管网简化和抽象为管段和节点两类元素，并赋予工程属性，以便用水力和数学分析理论进行分析计算和表达。3．1．1管网的简化1．简化原则供水管网模型是指将供水管网简化为管网模型，把工程实际转化为数学问题，再最终结果应用到工程实际中。为保证具有科学性和准确性，管网简化需要满足以下原则：1)宏观等效原则。即对供水管网某些局部简化以后，要保持其功能，各元素间的关系不变。宏观等效是相对的，要根据实际应用的要求来遵循。2)小误差原则。简化必然带来模型与实际系统的误差。为了使模型尽可能接近实际，需要将误差控制在工程允许的范围之内。2．管线简化的一般方法1)保留主干管线和干管线，删除次要管线。计算管线越多，计算工作量越大，计算误差越小；反之，计算管线越少，计算工作量越小，计算误差越大。当系统计算精度要求高时，可以将较小的管径的管线定为干管线，但系统计算精度要求低时，可以将较大的管线定义为次要管线。结合实际，本文中将DNl50mm及以上定义为城市干管线，DN600mm及以上定义为城市主干管线。2)合并多个较近交叉点。相近交叉点合并后可以减少管线的数目，使系统简化。在供水管网施工中通常用两个三通管件代替四通管件，在简化时，可以将两个三通简化为一个四通交叉点。3)将全开的阀门去掉。12 浙江T业大学硕士学位论文4)并联的管线简化为单管线，其直径采用水力等效原则计算。5)在可能的情况下，将大系统拆分为小系统，分别进行计算。3．附属设施简化的一般方法对于泵站、调节构筑物、消火栓、减压阀等附设设施，在构造模型时均可简化。简化原则如下：1)对于不影响全局水力特性的设施，如全开的闸阀、消火栓等可以删除。2)可以将同一处的多个相同设施合并。3．1．2管网模型元素简化后的供水管网需要进一步抽象为由管段和节点两类元素组成的管网模型。在管网模型中管段与节点相互关联，即管段的两端为节点，节点之间通过管段连通。1．管段及管段属性管段是管线和泵站等简化后的抽象形式，它只能输送水量，管段中间不允许有流量输入或输出，但水流经管段后可因加压或者摩擦损失产生能量改变。管段中间的流量应运用水力等效的原则折算到管段的两端节点上。供水管网中，通常将管段沿线配水流量一分为二分别转移到管段两端节点上。由于大流量的位置改变会造成较大的水利计算误差，当管线中间有较大集中流量时，应在集中流量处划分管段，设置节点。管段属性包括：1)管段长度，简称管长，一般单位为“米(m)”。2)管段直径，简称管径，一般单位为“米(m)"或“毫米(mm)”。3)管段粗糙系数，指管道内壁粗糙程度，与管道材料有关。4)管段方向，是一个设定的固定方向。5)起端节点，简称起点。6)终段节点，简称终点。7)管段流量，是一个带有符号的数值，正值表示与流向与管段方向一致，负值表示流向与管段方向相反，一般单位为“立方米每秒(m3／s)"。8)管段流速，也是一个带有符号的数值，表示水流通过管段的速度，方向与管段流量一致，一般单位为“米每秒(m／s)’’。 浙江工业大学硕士学位论文9)管段扬程，也是一个带有符号的数值，指管段上通过水泵传递供水流的能量增加值。正值表示泵站加压方向与管段方向相同，负值表示泵站加压方向与管段方向相反。10)管段摩阻，表示管段对水流阻力的大小。11)管段压降，表示水流从管段起点输送到管段终点后，其机械能的减少量。二般单位为“米(m)"。2．节点及节点属性节点是管线交叉点、端点以及大流量点的抽象。节点只能传递能量，不能改变水的能量。节点上的水的能量(水头值)是唯一的，但节点可以有流量的输入或输出。节点属性包括：1)节点高程，即节点所在地点的地面标高，一般单位为“米(m)”。2)节点位置，用平面坐标(X，Y)表示。3)与节点关联的管段及其方向。4)节点的度，即与节点关联的管段数5)节点流量，从节点流入或流出管网的流量，是一个带符号的值，正值表示流出节点，负值表示流入节点，一般单位为“立方米每秒(m3／s)”。6)节点水头，表示流过节点的单位重量的水流所具有的机械能，一般采用与节点高程相同的高程体系，一般单位为“米(m)’’n铂。3．1．3管网模型的标识供水管网简化和抽象为模型后，为便于进一步分析和计算，需要对其元素进行标识。标识的内容包括：1．节点和管段的编号节点和管段编号可以用任意符号。为了便于计算机程序处理，通常采用正整数进行编号，如1，2，3，⋯⋯。同时，编号应尽量连续，以便于用程序顺序操作。采用连续编号的另一个优点是最大的管段编号就是管网模型中的管段总数，最大的节点编号就是管网模型中的节点总数n5|。为了便于程序设计，本文节点、管段编号都从O开始。2．管段方向的设定14 浙江工业大学硕士学位论文管段方向可以随机设定，但是为了避免出现太多的负值，一般管段方向与流向一致。3．节点流量的方向设定节点流量的方向，以流出节点为正，在管网模型中通常以一个离开节点的箭头标示。流入节点为负，在管网模型中通常以一个指向节点的箭头标示。3．2供水管网模型拓扑特性供水管网模型用于描述、模拟或表达供水管网的拓扑结构和水力特性。管网模型的元素为节点和管段，因此，拓扑特性即为节点和管段的关联关系，通常采用图论方法。图论是数学的一个分支，将一个系统抽象为由点和边两类元素构成的图，用于表达和研究科学领域中的事物间的关联。通常点用来描述事物，边用来表示事物间的联系。本文中将管网中的节点和管段分别对应图论中的点和边。本文中管网图定义为由分别代表节点和管段的点和边组成的图形。3．2．1管网图相关知识管网图的表示分为几何表示法和图的集合表示法。几何表示法采用在平面上画点表示节点，在节点间画线表示管段。节点问的线可以是直线也可以是曲线。该方法的优点是形象，便于人工分析。管网图的集合表示法：设有节点集合V={v1，v2，v3，⋯vn)和管段集合E-{e1，e2，e3，⋯em)，且任一管段ek=(vi，vj)∈E与节点vi∈V和vj∈V关联，则集合V和E构成一个管网图，记为G(V，E)。N=lVl为管网图的节点数，M_lEl为管网图的管段数，节点vi，vj为管段ek的端点，称管段ek=(vi，vj)与节点vi或vj相互关联，节点vi与vj为相邻节点n6|。为了直观，采用管网图的几何图示法；便于计算机处理，采用管网图的集合表示法。在本文中将分别用两种表示法表示管网图。3．2．2管网图中路径和环在管网图G(V，E)中，从节点vO至lJvk的不重复节点与管段交替的有限非零序歹lJvOeOvlel⋯ekvk所经过的管段集称为路径。路径所含管段数k称为路径的长 浙江工业大学硕士学位论文度，vO与vk分别称为路径的起点和终点，路径的方向由节点vO走向vk。路径用集合表示：Rv0，vk={e1，e2，e3，⋯ek)．管段看作是路径的特例，其起点和终点分别是自己的两个端点。在管网图G(V，E)中，起点与终点重合的路径称为回路或环。记作R。，k为环的编号，环的方向一般设定为顺时针方向为正，逆时针方向为负。3．2．3树状管网和环状管网无回路且连通的管网图称为树状管网，小型的供水管网可能采用树状管网；多数情况下，含有一个及以上的环，这类管网称为环状管网。对于环状管网，设节点数为N，管段数为M，连通分支数为P，内环数为L，则它们之间存在一个固定的关系，用欧拉公式表示：三+N=M+P(3．1)对于一个连通的管网图，欧拉公司可以表示为：M=L+N一1(3．2)3．3供水管网水力计算3：3．1供水管网水力计算公式1．达西一韦伯(Darcy—Weisbach)公式办，：五旦’D29式中，办，代表沿程水头损失；D代表管段直径(m)；g代表重力加速度(m／s2)；兄代表沿程阻力系数，旯：彳89。2．管段水头损失公式唿=hi+k=(s，+s胂)g”=sgq”式中％——管道阻力系数16(3-3)(3．4) 浙江工业大学硕十学位论文计。■——沿程水头损失‰——局部水头损失通常‰不会超过以的o．05，因此，在计算中通常对局部水头损失‰忽略不3．海曾一威廉(Hazen-Williams)公式，13．169Do·13肛稃(3．5)式中，q代表管段流量；乙w代表海曾一威廉系数，具体值见表3．1所示。表3．1海曾一威廉系数C。值管道材料C。管道材料C。塑料管150新铸铁管、涂沥青和水泥的铸铁管130石棉水泥管120～140使用5年的铸铁管、焊接钢管120混凝土管、焊接钢管、木管120使用10年的铸铁管、铆接钢管110水泥衬里管120使用20年的铸铁管90～100陶士管110使刚30年的铸铁管75～904．节点流量方程式∑(±g，)+g=0j=l，2，3，⋯NfE0式中吼——管段i的流量g——节点j的流量s_，——节点j的关联集(3-6)N——管网模型中的节点总数∑±——表示对节点j关联集中管段进行有向求和，当管段方向指向该旭sJ节点时取负号，否则取正号，即管段流量流出节点时取正值，流入节点时取负值。5．供水管网节点压力方程组由管段水头损失的指数公式，将管段流量表达为节点压力的函数：17 浙江T业大学硕士学位论文Hj—Hj∑1一Ig扩=(二_1)忙％一i(E—q)”(3—7)式中i——节点编号j——与节点相邻的节点编号％——由节点i和节点j组成的管段的摩阻系数。将(3—7)代入节点流量方程式(3．6)，可以写出各节点的压力方程式：j∑jI+-SU(-}c㈣卟I=。㈦8，设节点压力初值日，‘∞和H／‘们，则存在节点校正压力脯，和脯／，使≤野H_^幽iLq=一‘。’+崛(3．9)(3-8)可以改写为以节点校正压力M-／，和M-／』为未知参数的节点校正压力方程：G，c盥，，龃，，=否[+毋c科∞+埘卜c胡，(o)+胡，，刁+Q，=。c3邶，，E‘ll式中，G。(脯，，Mar』)——节点i的流量函数，它是各定流节点上压力增量艚。和M-／j的非线性函数。3．3．2供水管网节点水力计算由(3．3)和(3．4)以及名：189可以得到hs一10．67q1．852l(3-11)C。1r852D4·87或g=—0．27—8537C,,矿．D一2'63h。'54(3．12)设管段两端节点i，j的水压分别为E。、E。，有以下关系：忽，_，=E一弓(3-13)吼，=竺睾竖(E刮54(3．⋯ 浙江T业大学硕士学位论文将些翌竽记作Ri,j,可得到q“=Rf√(巨一易)o‘54(3—15)3．1．1中约定了流入节点的流量取负值，流出节点的流量取正值，考虑到水流的方向，引入符号函数SGN。洲啡驴仨。El=EjEI>EiEt‘Ei(3．10)可改写为：qu=RuIE,-计“SGN(E,一Ej>(3．16)3．3．3管网节点压力校正管网节点压力校正通常采用牛顿一拉夫森算法和节点压力平差算法两种途径。牛顿一拉夫森算法需要反复多次求解线性方程组，一般适用于管网节点数较少的管网节点校正压力计算，对于节点数较多的计算，通常采用节点压力平差算法。本文出于实际管网中节点数量比较多等原因，采用节点压力平差算法。节点压力平差公式：j为定流节点(3．17)3．4城市供水管网爆管预警模型构建3．4．1供水管网建模需求城市供水管网是城市基础设施的重要组成部分。供水管网运行的安全性直接影响城市供水安全性，也影响着城市的社会、经济发展。因此，建立和完善供水管网安全体系，实现城市供水管网实时监控，是提高城市供水企业现代化管理、降低供水成本、提高经济效益的必由之路。城市供水管网爆管作为城市供水中一个频繁发生的不安全因素，目前的对策是只有在事故发生后进行抢修。在爆管发生到发现再到抢修结束，这个过程给生产生活都带来极大的不便，另外还会给供水企业带来巨大的经济效益和社会效益上的损失，建立城市供水管网爆管预警系19 浙江上业大学硕士学位论文统具有现实意义。建立预警系统的基础需要一个客观准确的城市供水管网爆管预警模型。3．4．2利用GIS平台获取管网模型需要收集的建模数据包括管段节点、管段长度、管段直径、管道材质、节点地面标高、节点流量和节点自由压力等。首先录入管网拓扑。拓扑关系主要来自杭州市供水GIS系统，并参照了现有的图纸和其他辅助信息进行了修正。根据31l中供水管网的简化的原则对杭州市水业集团闲林分公司GIS管网图形进行简化处理。图3．1和图3．2显示了本文研究区域的供水管网地理图和供水管网图，图3．3显示了供水管网局部示意图：图3_4和图3-5显示了简化后的供水管网地理图和供水管网图。LI⋯{⋯“⋯⋯⋯v⋯￡“⋯0￡⋯{％、一UUJ+∞一、t【／．凹3-1杭州市水业集团闲林分公司供水管网地理图 浙江工业大学硕士学位论文n；。口口⋯EiqP5，‘}图3-2杭州市水业集团闲林分公司供水管呵图图30杭州市水业集团闲林分公司供水管网局部示意图 浙江工业大学硕士学位论文eG日口，+-E—jtE．：日黼=：d0；；删胂吼鲤gL——～一——————二苎三!羔21型!!=L—一—一—i蚴：2-————生一：图34杭州市水业集团闲林分公司供水管阿地理图(简化J亓)图3-5杭州市水业集团闲林分公司供水管网圈(简化后)其次，根据管网建模的需要，收集管段节点、管段长度、管段直径、管道材 浙江工业大学硕士学位论文质、节点地面标高、节点流量和节点自由压力等数据。根据计算需要，对利用MAPGIS供水管网信息系统中的图形转化功能，将简化后的供水管网图转化为AUTOCAD图形，在AUTOCAD中对管线和节点重新进行编号，如图3．6所示，为了便于程序设计，本文对管段、节点进行重新编号，如图3．7所示。 ；n．i“。。蛆，，、．新一”‘碑一∞^匦 薯．|4’毫‘同m“i诲。Ⅲ_秘一 浙江上业人学硕+学位论文1．管段数据收集利用杭州市水业集团闲林分公司GIS系统采集到信息，结合管网模型，形成表3．2所示管段信息表。表3．2管段信息表管段长度管段直径管段编号管段ID号上节点号下节点号管材(m)(mm)l1348O1120．7251600预戍力水泥2845l238．645600球墨铸铁386323667．300600球墨铸铁41327362511．44l600预应力水泥51348l42507．50l1000预应力水泥61329252468．59l400球墨铸铁713464528．539400球墨铸铁883l65902．03l300球墨铸铁91341691727．14l600预应力水泥10135l47l776．6531000预应力水泥1l133l581773．953400球墨铸铁1213497830．055400球墨铸铁13813981095．621300球墨铸铁14657714687．7821000预应力水泥15135381335．254400球墨铸铁161352131435．254400球墨铸铁1713451312l065．976400球墨铸铁1813571417904．1461000预应力水泥197251217269．297600预应力水泥2013439121070．277600预戍力水泥2l13609101900．855400球墨铸铁22735121l567．408200球墨铸铁2376ll10518．117300球墨铸铁24875lO15268．554400球墨铸铁2513671615330．096800球墨铸铁26298ll16216．985200球墨铸铁272711716556．133800球墨铸铁2870l1718969．450600球墨铸铁297051918676．452600球墨铸铁3035414191438．2361000球墨铸铁3113631920969．4341000球墨铸铁323952021602．685600球墨铸铁33l1711821981．587600球墨铸铁344292122284．298400球墨铸铁35136622231190．957400球墨铸铁3611722523600．015200球墨铸铁3711702l25l101．053600球墨铸铁38l1742524575．501300球墨铸铁3911732024993．206400球墨铸铁4013480l120．7251600预应力水泥 浙江：l：业人学硕士学位论文2．节点数据收集利用杭州市水业集团闲林分公司GIS系统采集到信息，结合管网模型，形成表3．3所示管网结点信息表。表3．3管网节点信息表节点编号节点ID号地面标高(m)021885．236121875．178222665．126322643．860424795．318520245．4206223022．790724805．06l820024．8409220617．6821023109．682l180l4．5701217204．3001319954．654146406．8201522965．390165285．0381717133．6001817128．2271916434．250207583．500217984．192228005．665238575．0912424714．3202524692．5003．4．3通过相关系统获取模型数据1．节点流量初步分配以杭州市水业集团天丽鸟收费系统的用户抄表数据库为节点用水量统计依据，调取2008年9月大表的抄表数据(见图3—8)和2008年8、9、10月小表的抄表数据。水量的地理分配由相关的节点区域分配需水量至各节点而获得n71。在该供水管网模型中，将用水量分为以下两类：(1)单独地址的大用户(根据GIS系统中水表地理位置信息得到模型中的相对应位置)。(2)可按比流量分配的用户根据大用户具体地理位置，并在模型中找到相应的节点。确定每年用水量占27 浙江工业大学硕士学位论文总用水量70％的用户为大用户，选择每月用水量排在前100位以内80个大用户，并且每一个大用户都有单独的需水量节点。提取部分大用户节点后，对于其余的用户用水量，按照沿线流量分配的原则，将其分配至大用户之外的其余节点，作为进行管网水力模拟时各节点的基准水且夏。管网中各管段的沿线比流量可以表示为：”冬乒㈦㈣式中：gs一比流量；∑g一大用户集中用水量总和；Q一管网的总供水量；∑，一管网中总长度，不包括穿越广场、公园等无建筑地区的管线。通过(3．18)可得节点i流量分配如下：Q=学㈣㈣ 浙江工业大学硕士学位论文图3-8大用户用水量统计表2节点初始压力的确定节点初始压力设定的自由度很大，一般只要保证管段具有比较合理的水力坡度，即可保证计算过程收敛，同时要满足管网最不利点的水压要求。跟据相关原则及已有数据，对节点流量和初始压力作如表3．4所示分配，根据表34的数据分配，结合3．32中的计算方法，通过程序设计，可计算出各节点的自由压力值如表35所示。自由压力值将作为爆管模型研究中的正常状态数值。 浙江工业火学硕十学位论文表3．4节点流量和初始压力分配表节点编号节点ID号节点流昂(L／s)节点初始压力(m)O2188．1．7846448l21870．0084147222660．0128446322640．0017645424790．008634l520240．0625539622300．0602040724800．0087239820020．0065838922060．00952391023100．02538341118010．01864351217200．06704361319950．0152137146400．0007436152296O-3132733．5165280．03377341717130．10762351817120．11844341916430．0314836207580．2046334217980．0377133228000．080033l238570．1572829242471O．18378312524690．2104l32 浙江工业大学硕士学位论文表3．5节点自由压力值节点编号节点初始压力(m)节点自由压力(m)O4842．1312914742．1743724642．0809l34542。0595744135．7823453935．6447164017．5668473932．1940083832．2293293919．44454103425．916821l3531．0252912363i．77641133731．90483143629．401051533．530．1254l163430．59儿5173532．27389183426．570ll193630．77933203431．00074213329．43933223126．2350l232923．87566243127．04617253229．53．4．4城市供水管网爆管预警模型构建通过前面的水流、水压计算可以确定最初的管网模型，通过对初始压力的调整，确定本文的管网模型，接下来的工作是构建供水管网爆管预警模型。在管网中，当工作泵、高位水池高度、各节点流量、压力运行在一个相对稳定的区间情况下，管网的运行状态是相对稳定的。但是，当某一管段上新增流量△Q，整个管网的运行状态将随之发生改变。我们把新增流量出现之前的相对稳定的运行状态称为正常状态；新增流量发生之后，在管网重新达到稳定运行前的运行状态称为爆管状态。管网运行状态下的两个重要指标是节点压力和管段流量。管段流量的变化将直接导致整个管网的运行状况的变化，表现在各管段的流量变化和各节点的压力变化。管段流量和节点水压的变化是同步的，节点水压较管段流量更为敏感，且节点水压是管网中较易获得的资料，所以本文对城市供水管网爆管的预警分析从节点水压的变化出发。通过对管网的连续监测，可以得到管网中的水压变化情况。3l 浙江工业大学硕士学位论文当供水管网中的某一区域或管段的水压出现较大异常时，对管网正常状态进行运算与分析，从而得到正常状态的管网信息，再与实际管网的运行状态相比较，从而可以由正常状态的节点水压(日枷H七JH础⋯⋯H々加一1)basis-与爆管状态的节点水压(Hk，oHk。l巩’2．⋯．．Hk加一，)break相减得到各管段节点的水压变化值。在这些节点的水压变化值中找出最大变化值胡一，根据分析，水压最大变化应该在出现新增流量的管段的某一节点上。计算水压最大变化值时，要求已知正常状态和爆管状态的相关管网信息的。正常状态的管网信息是根据其他信息系统的数据采集及用户用水统计资料估计求得的，而爆管状态则由实时监测系统实时监测获得的。对爆管状态和正常状态分别进行状态估计得到两个状态下的所有的节点水压和管段流量，用爆管状态的节点水压减去相应节点的正常状态水压就可以得到水压变化值：创％，。‘=(日k,0)6融一(仇，。)慨，刖巩，l=(巩，1)。础一(也，。)。珊虹⋯⋯。不同管段上相同的出流量所引起的胡一并不相同，为了方便计算，使用特征值进行描述。％，=脯‰一(i=1，2，⋯JD)(3-20)式中崛．，——指当管段k上出现异常流量△g时，所导致的管段kl-的节点i的水压变化值。‰——指当管段k上出现异常流量△Q时，所有节点水压变化的最大值(该最大值理论上应在管段k的两边节点上产生)。用XI来表示爆管特征值为以=(唧’l，坼，2，⋯吒加)。所有的管段的特征值X。用矩阵表示为：故．i2Xl，IXl。2⋯X1，dDX2，IX2。2⋯X2，dD●⋯⋯●⋯●●●⋯⋯x3，l屯。2⋯Xp，dD(3-21)上式中，每行均至少有一个元素为l，其余元素的取值在[0，l】之间。在对实际供水管网的爆管检测中，正常状态的节点水压(日枷日¨日址⋯⋯H。，∞一。)b勰i。是估计得来的，是一组模糊值，所以得到的爆管特征值％．，(i21，2，．．．P)是一组模糊集。而爆管状态是由SCADA系统的远程终端测压32 浙江工业大学硕十学位论文点传回的测压点水压，结合正常状态并进行状态估计求得的，因而所求得的爆管特征值％删，也是一个模糊集。因而对新增流量的定位可以用模糊集的贴近度的概念来进行判别n83。直觉模糊贴近度N(A，B)是指两个直觉模糊概念A与B相互贴近的程度，它可以用来作为语义匹配的一种度量。在直觉模糊集的贴近度计算时，需要考虑其隶属度函数与非隶属度函数两个因素的合成，因而必须对一般模糊集的贴近度计算进行相应扩展。下面给出扩展的直觉模糊集的贴近度计算模型。设A与B分别是论域U上的两个表示相应模糊概念的直觉模糊集，则它们的贴近度N(A，B)定义为：lN(A，B)2去[彳·B+(1一A圆B)】Z这里“V’’表示取极大，“八"表示取极小，A·B称为内积，AoB称为外积。当用贴近度作为匹配时，贴近度越大表示越匹配。在实际的对不同贴近度的比较中，这一定义在相同的模糊集计算中区分度最大，判别的平均正确率最高n钔。本文的工作是将x。枷与爆管特征值中的每一元素进行贴近度大小判断，本文采用公式(3．22)，贴近度最小的管段即为可能的新增流量发生管段【201，即爆管风险最大管段。∑【彳(甜，)^B(u，)】％(彳，B)=等————一(3—22)E[4(甜，)VB(zf。)】贴近度计算的具体步骤如下：本文中按每个管段突然新增流量△Q分别为0．03m3／s、0．05m3／s、0．08m3／s计算爆管状态的压力值。(1)假定每个管段的新增流量△绕Yoo．03m3／s，起始节点的流量值在理论初值基础上加zXQ々(=0．03m3／s)，然后计算各节点的压力值，从而求得各节点的水压变化值胡幻。(2)在埘I．，中取压力变化的最大值虬。(3)根据(3-20)计算％．，的值。(4)得到△绕(=0．03m3／s)时的爆管特征值矩阵。33 浙江工业大学硕士学位论文(5)取△Q=0．025m3／s重复执行(1)——(4)。(6)I仅AQk=O．04m3／s重复执行(1)——(4)。将监测数据分别与3组特征值按(3．22)作比较，贴近度最小的点为爆管预警点。 浙江工业人学硕士学位论文4．IGIS技术第4章若干关键技术研究4．1．1GIS简介1．GIS简介GIS(地理信息系统，Geographicinformationsystem简称GIS)是-I'7集计算机科学、地理学、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科有时也称为资源与环境信息系统。GIS是在计算机硬件、软件系统的支持下以地理数据库为基础采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据为地理研究和地理决策服务的空间信息系统盼¨。2．GIS的发展GIS技术发展于上世纪六十年代中期，最初是为了解决地理问题。今天，已成为一门涉及测绘学科环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。“地理信息系统"这一术语是加拿大测量学家R．FTomlinson在1963年首先提出的，他还建成了世界上第一个GIS(力n拿大地理信息系统CGIS)并用于自然资源的管理和规划。上世纪七十年代以后随着计算机软硬件水平的提高，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的GIS。在这一时期，美国、加拿大、德国、瑞典和日本等国了相继形成并发展了自己的GIS。八十年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大的提高，(3IS的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用成为辅助决策的工具并促进了地理信息产业的形成。到今天GIS技术已经渗透到各个国家的各行各业。3jGIS的功能一个GIS软件系统应具备五项基本功能即数据输入、数据编辑、数据存储与管理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。(1)数据输入地理信息系统作为一种特殊的信息系统，同样需要建立其数据库。这里的数据库是地历数据库。在地理数据库中需要输入诸如：地图数据、物化遥测数据、35 浙江上业人学硕十学位论文统计数据和文字报告等内容。数据输入功能是指地理信息系统将上述数据转换成计算机可处理的数字形式的各种功能。(2)数据编辑对于地理数据库中的数据，通常会随着实际的改变及时间的推移发生改变，要保证数据的可靠性，需要对数据进行编辑，主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饬、图幅拼接、图形变换、投影变化、误差校正等功能；属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。(3)数据存储与管理GIS系统的一个重要功能就是为用户提供空间与非空间数据的存储、检索、修改和更新的能力。(4)空间查询与分析GIS系统有别与一般信息系统的本质在于其具有空间查询与分析功能，查询与分析功能可以说是GIS系统的核心内容。地理信息系统的空间分析包括空间拓扑叠加分析空间模型分析等。(5)可视化表达与输出GIS系统由于普通信息系统的另一点在于，该系统可以输出地理全图，也可以根据实际需要分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等，还可以根据信息的密集程度，放大或缩小各类图形。4．GIS的组成GIS的应用系统由五个主要部分构成即人员、硬件、软件、数据和方法船引。(1)人员人员是地理信息系统中重要的构成要素。GIS是一个动态的地理模型仅有的系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发并采用空间分析模型提取多种信息。(2)硬件组成地理信息系统的硬件系统一般由计算机和一些外围设备组成计算机是硬件的核心用作数据和信息的处理、加工与分析。外围设备包括数据的采集设备如数字化仪、扫描仪、解析测图仪、测绘仪器等。硬件的性能影响到处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。根据硬件配置的规模的不同可分为简单型、基本型36 浙江工业大学硕士学位论文和网络型。(3)软件组成GIS系统能否正常运行，不仅仅包括其本身，还包含存储地理信息的地理数据库，根据实际需要，还应有绘图、影响处理、统计等应用程序。(4)数据数据是一个GIS应用系统中最为基础的组成部分。空间数据是GIS的操作对象，是现实世界经过模型抽象的实质性内容。一个GIS应用系统的可靠性与其数据来源是否可靠，数据库数据采集、存储是否可靠密切相关。(5)方法方法主要是指空间信息的综合分析方法，也就是应用模型它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。4．1．2GIS在城市供水中的应用以杭州市水业集团正在使用的杭州市供水GIS系统为例，该系统包含了地形图库管理子系统、管网设计子系统、管网输入编辑子系统、管网管理子系统、事故处理子系统、用户水表管理子系统和水力计算子系统，各自系统的主要功能如下：1．地形图库管理系统提供了分别对点、线、区三种图元的空间数据和图形属性数据继续编辑的功能，同时还集成了矢量化和图形输出的功能，最主要的时能够对图库灵活的管理和方便的数据转换，是一个强大的图形编辑管理系统。2．管网输入编辑根据已有的管网电子地图，系统先在现有数据基础上进行应用。管网输入编辑系统提供了方便的管理供水管网的手段，迅速直观地构造整个网络，建立与管网要素相关的属性数据库，提供丰富有力的管网输入手段，除了直接的手动输入外，还对大批量的数据采用了外挂数据库的方式，大大方便了信息录入。3．管网管理管网管理是通过GIS系统中的相关功能模块设计实现对管网信息的全面了解和详细分析，从而能够知道管理人员高效率正确的继续管理和决策，另外通过提37 浙江-丁业大学硕士学位论文供的查询工具的各种查询方法，方便地得到想要的数据和信息。对于管网的管理，还可以进行分层管理，即把主干管线与支管进行分层，在管理和决策时，根据实际需要，对管网信息进行分层管理，如屏蔽掉一些层，从而使系统处于高效运行状态下。4．管网设计GIS系统中的设计模块具有以下功能：可以根据生产竣工图，得到管网图；也可以对管网图进行修改后再覆盖原先的管网信息，或根据实际需要，将不同版本的管网图存储。并可将标准图纸进行输出，对材料报表进行统计。GIS系统中原先的手工操作全部转化为计算机的操作，这样不仅把人从烦琐的手工操作中解放出来，而且图纸设计的质量和精度更高。5．水力模拟计算通过GIS系统包含供水管网计算功能，通过GIS系统可分析管网中的流量，压力等分布情况，全面了解管网实际运行状态，从而对管网进行动态分析。6．水表管理GIS系统通过提供接口来与抄表软件进行对接，实现用户水表的动态读取，这样一方面可以进行用水量变化分析及用水量统计，另一方面，可以直接读取用户水费。这里的实现需要在数据库中，进行设计，在水表表中设计一个代表水费的字段。这样不仅可以计算水费，还可以根据实际需要对满足条件的水表进行查询。GIS系统在供水管理中还可以提供水资源规划与管理、地面水水质模型、地下水水质保护以及GIS结合专家系统实现供水系统区域优化等管理、决策支持，并将日益发挥更大的功效∞1。4．2SCADA技术4．2．ISCADA系统简介SCADA(SupervisionControlAndDataAcquisition)，即监控和数据采集系统。SCADA系统又称计算机四遥(遥调、遥控、遥测、遥信)系统。随着计算机与通信技术的发展，SCADA系统在给水排水行业的应用日趋广泛，并凭借其良好的经济效益和社会效益，得到了行业的认可。SCADA技术建立在计算机技术 浙江工业大学硕士学位论文(Computer)、通讯技术(Commutation)、控制技术(Contr01)和传感技术(SensoO四项技术基础上，因此又称3C+S技术。4．2．2SCADA技术在城市供水中的应用城市化建设步伐的加快，现代社会城市建设规模也逐步加大，随着而来的是城市供水区域和供水管网规模的急剧扩大，新的供水区域和供水管网亟需纳入城市供水管理监控之中，由此带来的工作量是相当大的。旧的手工操作手段已不能适应大规模的供水区域和供水管网的需要。SCADA技术利用先进的计算机技术和通信技术手段，可以使分布广阔的各种供水设施相互协调、安全可、高效地运行，并及时准确地反馈各种信息，城市供水调度系统，可以很好的解决上述问题。具体为采用计算机、通信、控制、显示等技术，结合供水工艺、数理统计、现代控制等理论，应用各种设备对城市供水体系进行数据采集及处理，并实施控制、以达到保障供水、优化调度的智能化计算机应用系统。国夕bSCADA系统技术应用较早，多以DCS或PLC系统为基础，采用网络结构，配备调度决策系统，在供水调度系统中已基本取代人工调度方式。上世纪八十年代，基于SCADA技术的城市供水调度系统应用于国内。但是由于采用数字式分散型远动设备，所以功能单一。之后，随着计算机和通信技术的发展，以及国产设备性能、可靠性和国内软件开发水平的提高，国内多家供水企业开发了新一代分布式SCADA系统，但在实际应用中还存在系统功能不强，未达到智能化、系统基础数据欠准确、系统不开放以及应用水平较低等问题雎制。虽然SCADA系统在供水行业的应用存在上述问题，但发展还是比较快的，特别是软件技术方面比较突出瞳51，表现在：(1)增强了数据分析能力，有辅助决策功能。已经有少量企业引进国外综合软件系统或与国内有关科研部门合作开发调度决策分析系统，使系统向智能化方向发展。虽然功能强大与否还需要时间的实践和检验，但与早期相比已经有了较大发展。(2)采用了开放式网络体系结构，数据共享、多系统配合、图形技术和多媒体技术的应用增强了系统功能。(3)系统更具开放性和扩充性，一级终端站和软件可灵活组态。一些系统己经实现了多级调度，每个子站下面可以有若干分子站。DCS系统和PLC系统的39 浙江工业大学硕士学位论文使用更使维护方便、扩充容易、可靠性更高。软件模块化、标准化使得用户无须修改源代码，可直接灵活修改界面、图形、表格、数据文件，生成适合自己的系统软件。(4)远程通信技术灵活多样、可靠。虽然系统的远程通信仍然主要依靠无线电台构成专用通信网，但随着技术的发展，别是NITERNET技术的发展，使有线网的应用向更深层次发展，可利用率更高。电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、纠错能力的提高，也使得无线通信更加可靠和更高效。4．3数据库技术Access是微软公司推出的基于Windows的桌面关系数据库管理系统(RDBMS)，是Omce系列应用软件之一。Access具有界面友好、操作简单、配置简单、移植方便、功能齐全，可以帮助用户轻而易举地建立数据库应用程序。Access提供了表、查询、窗体、报表、页、宏、模块7种用来建立数据库系统的对象；基于Access数据库的以下优点，本系统的数据库设计采用Access数据库。Access具有以下主要特点存储方式单一、面向对象、界面操作友好、易操作等特点外，由于它微软Office系列办公软件包的组成部分，几乎所有微机都装有Office办公软件。这使得Access具有广泛的应用平台126】；另外，Access提供多种启动方式，根据用户的水平，可以通过不同的方式启动Access，这使得Access具有广泛的使用人群；在Access中容纳并显示多种数据库对象，增加了Access数据库的易用性，并与Office软件包中其他应用软件的统一界面保持一致。多数办公人员对Office软件包中的Word与Excel比较熟悉，界面的一致性为非计算机专业人员对Access的学习提供了便利。更为重要的是，Access与MicrosoftSQLServer具有交互性。通过Access提供的设计工具可以直接编辑SQLServer端的对象，使Access高级用户和开发人员更容易地将数据库知识扩展到客户／服务器端。为程序的后续开发提供了数据库的可移植性。4．4程序开发技术以．NETFramework2．0为基础的VisualStudio2005为开发者的开发工作带来了极大的方便佐钉。在NETFramework1．0qb需要开发者花费大量的时间来进行代 浙江_T业大学硕士学位论文码编写，从而完成的一些功能，在NETFramework2．0中，开发者几乎可以不写或只写短短数行代码就可以完成这些功能。．NETFramework2．0中更为显著的一个功能是在其中增添了很多新类，并且很多类被重写，从而有了新的功能。除此以外，微软努力使VisualStudio2005更适应团队开发，落实了生命周期管理和流程管理，整合了单元测试功能。可以说，数据的增加、更新、修改、删除等功能出现任何一个常规的项目开发中，程序员在开发中不得不面对枯燥的代码，做着重复的工作。．NET2．0正式版的发布，VisualStudio2005的一些新的增强功能和ADO．NET2．0的新特性让开发者开发高可伸缩的多层数据库应用程序更加简单和快捷。使用过VisualStudio2003的话会发现，在．NET1．1下可以使用强类型数据集，可是在VisualStudio2003里开发起来还是有一些不方便，在VisualStudio2005里对DataSet的设计视图做了很大的改进，因为ADO．NET2．0增加了TableAdapterXff象，所以现在也可以在Dataset设计视图里添JJIDataTable的表适配器。以前的typedDatasets只是一些数据实体的集合，并不能很方便的自我管理持久化，以及数据完整性验证等。现在可以很方便的实现这些。VisualStudio2005新增的测试功能使开发工作更为快捷，代码质量在一定程度上有所提高。VisualStudio2005的用户界面自动化测试使测试人员不必深究应用程序底层的实现。使用VisualStudio2005提供的自动化测试手段在很大程度上减轻测试人员的负担。41 浙江工业大学硕士学位论文第5章城市供水管网爆管预警系统的设计与实践本系统是对城市供水管网进行爆管预警的。根据第3章的叙述，主要处理数据为实测水压，为工程技术人员提供爆管预警平台。本系统实现了对自由水压的估计计算，将计算结果与实测水压进行对比，并根据自由水压与实测水压的差值进行爆管分析，为工程技术人员提供有参考价值的处理信息和定性分析结果。同时系统具有良好的平台无关性和高扩展性，可运行于各种操作系统，友好的人机交互方式使得工程技术人员操作起来得心应手。5．1城市供水管网爆管预警系统的系统要求系统基本硬件要求：(1)处理器IntelPentium42．0GHz(2)内存512MB(3)硬盘40GB系统基本软件要求：(1)操作系统Windows2000／XP／Vista(2)微软的VisualStudio．Net开发平台5．2城市供水管网爆管预警系统的设计思路根据实际管网运行管理及爆管预警判断的要求，本文从以下三个方面对系统进行规划、设计啪1。主要功能模块规划如下：1．系统维护。考虑到系统的安全性，对系统用户的访问、操作等权限进行设置。管理员用户可以添加新用户，用户可以进行密码修改工作。考虑到系统数据的安全性，系统管理员应该定期对系统进行备份操作。2．数据维护。管网运行状态是动态变化的，考虑到管网模型及管网运行状态的相对不确定性，本系统设计中考虑了对管段及节点信息进行添加、修改、删除等操作；本系统的实现需要使用其它系统的相关数据，因42 浙江工业人学硕士学位论文此，在数据维护功能模块中考虑到了数据导入的设计，由于涉及企业的数据安全以及与企业合作尚未深入等问题，这里的数据导入暂时作为一个预留接口。3．本文的研究核心是将监测到的实时压力与节点自由压力进行比较、分析，对爆管特征值进行计算，根据爆管特征值对管网进行贴近度判断，从而为工程技术人员找出最可能发生爆管事故的管段。实时压力可以通过SCADA技术监测数据的读取，现有MapGIS供水管网信息系统中也已有实时监测系统中的实测压力。在本系统中需要读取并保存实测压力数据，读取及保存数据功能在技术方面实现比较容易，但是由于知识产权及企业保密等原因，相关系统的数据库暂不对外提供访问服务，在实验阶段数据的读取通过人工输入代替。随着本课题的深入研究，系统运行实现实验室阶段向实际运行阶段转化后，相关数据库的开放是时间问题。依据以上设计思路，构造出系统的总框架，如下图5．1所示。图5．1系统软件设计43 浙江L业人学硕士学位论文5．3系统的功能模块组成及主要界面设计5．3．I系统维护系统维护功能模块中包括添加用户、修改密码以及对系统备份等功能的实现．从而保证系统的安全性。系统主界面如图5-2所示。图5-2系统主界面5．3．2数掘维护数据维护功能模块主要实现对系统数据的同常维护操作。数据维护主界面如图5—3所示。图5-3数据维护主界面数据维护功能模块包括如图5—3所示的管段信息维护、节点信息维护、数据导入三个功能模块。管段信息维护功能模块中包括：信息添加、管段信息修改、管段信息删除三个子模块；节点信息维护功能模块中包括：节点信息添加、节点信息修改和节点信息删除三个子功能模块；数据导入功能模块中包括SCADA检 浙江丁业大学硕士学位论文测数据。在界面设计中管段信息维护界面与节点信息维护界面类似，鉴于篇幅本文只截取部分界面，分别如图5．4，5—5，5-6，5-7所示’二嚣7嚣茅篡#一一一5。⋯⋯⋯E∞⋯⋯·■■_lT№t“∞¨⋯⋯o州l{Iq“fa口LT哪IJ2}0o】mElMn⋯⋯{t∞l"tⅢ《⋯。●⋯31e¨■a⋯{⋯m∞H#wf∞‘0⋯∞∞⋯‘r⋯}∞l∞翻#⋯q⋯“m∞*m⋯⋯∞“图5-4节点信息添加f⋯⋯⋯#⋯一o⋯Ⅱ”}■ql：⋯。⋯n■●q11”Hl口‘i4oIⅢ；l*“Hu⋯^·口一}Ⅲ”¨《l：=嚣：i=嚣l：：黧：：：2：==}一'⋯⋯⋯⋯■一，”““图5—5节点信息修改图5—6节点信息删除 浙江工业大学硕十学位论文-一eFl№t，_⋯x⋯‘i≯⋯o孟：：盘_u⋯一一一¨、‘：嚣齿}⋯。⋯⋯M!!!‘’⋯熄一一#n一一一CⅡ《∞‘w1图5—7SCADA监测数据导入5．3．3预警判断预警判断功能模块中包括自由压力计算和爆管预警判断两个子模块。自由压力计算子模块实现对各节点的自由压力计算，并直观显示各节点流量、节点标高、节点初始压力、节点压力以及节点自由压力等数据，如图5g所示；爆管预警判断界面中将自由压力与实际监测压力进行比较，并给出决策参考，如图59所示。■■f⋯⋯■■_■⋯¨⋯l‘iM5⋯m∞。·—■_”e一‘‰*#nw一一o㈨¨sln”●●●2⋯l】2{o⋯5l*n⋯⋯Ejo⋯，斯n皿"**～‘o⋯le“Hi⋯5o一日"f^5⋯we0⋯w”0‘l⋯w●rO⋯∞l*■i#⋯t日o⋯∞UtⅪ一m'o⋯w”■to口⋯‘№【o⋯'mM■i#1一’j1】口ol∞‘‘Ⅲ”Uj“n。|、⋯H””⋯‘m∞■■，l⋯Tj‘3．幽5吨节点自由压力计算日㈣目iA■‘■■⋯*⋯⋯⋯i一?薰：]一誊II“||：幽5-9爆管预警判断 浙江工业大学硕士学位论文5．4城市供水管网爆管预警系统实践5．4．1城市供水管网爆管预警系统实践系统设计完成后，将本文中通过GIS平台构建的管网模型的各管段、节点的相关数据录入系统数据库中，使用系统计算节点自由压力，经工程技术人员分析认为节点自由压力运行在合理范围之内；将本文管网模型中的节点的历史数据代入本系统进行实践，管道爆管预警决策结果与实际管网运行状态进行比对，预警结果与管网实际运行情况一致度达到了90％以上。5．4．2模型误差因素分析∞11．管网基础资料的完备程度和准确性管网基础资料包括管网施工图纸、城市供水管网图、管道信息、阀门信息、水库(池)信息等。管道信息又包括管长、管径、管材、敷设年代等：阀门信息包括阀门类型、阀门尺寸、阀门埋设位置等；水库(池)包括其容积、池底标高、等。上述资料是建立正确的管网模型的基础。然而由于历史原因及信息本身的准确度，都会对管网模型产生影响，并最终对供水管网爆管预警模型产生影响。2．建模过程中对管网的不适当简化(1)对流量的简化处理管段流量是管网模型中的重要信息，在建立管网模型时，对管网图进行了简化工作，这种简化是必要的，也是合理的，但在实际管网的运行过程中，这些简化却可能带了一些不确定性的影响。例如某个大用户管段被不合理的简化，将使得管网模型对整个管网压力的分布造成错误的估计，从而使计算结果产生较大的误差。(2)对管段的简化为降低管网的复杂程度，城市供水管网模型往往对某一确定的管径以下的管段进行合并或删除。不合理的简化和删除会造成管网模拟精度降低呦1。3．管网运行中存在未被发现的问题由于管道深埋于地下，在管网运行过程中往往不能及时发现管道上发生的问题，如阀门开启度与记录不一致或有暗漏发生，或该管段的损耗率较高等等这些问题都将会影响管网模型的准确性。47 浙江工业大学硕士学位论文4．管网中不确定参数的估计出现实出发，管道的摩阻系数等参数是不可能全部通过实测得到，而且也会随着时间的推移发生改变的。所以，摩阻系数只有通过管材、管径、敷设年代等信息进行估算。5．管网用水量变化的影响为了研究爆管预警模型，本文中把管道运行状态分为正常状态和爆管状态两个状态。这两个状态的划分依据就在于流量是否运行在一个允许的范围之内。但是，当出现消防用水，或处于事故抢修状态下的流量是不能作为正常的评价依据的。另外，流量是根据用户用水量估计得到的，当突然新增大用户而又未作记录时候，通常会导致模型误差较大。6．实测数据的正确程度管网实测数据是管网预警的前提条件，同时也是预警模型准确与否的决定因素。现实中，通过测压设备对节点水压进行监测，然而，测压设备在安装、监测以及数据传输过程都可能会出现误差，因而使管网模型产生误差。同时，测压、测流的设置位置不合理等也使数据在一定程度上失去准确性，从而影响计算精度。 浙江工业大学硕士学位论文6．1总结第6章总结与展望预警系统是专家系统的一个重要分支。预警系统至少包含了两方面的工作：数据维护和预警判断。本文通过对历史数据的分析得到相关预警模型，再将实际数据代人该系统中对预警模型进行分析、校验以及修正。主要工作步骤如下：1．通过杭州市供水GIS系统获取杭州市水业集团闲林分公司供水管网地理图；2．将杭州市水业集团闲林分公司供水管网地理图简化并得到杭州市水业集团闲林分公司管网图；3．通过“天丽鸟收费系统"收集管段沿线大用户的实际用水量，对管网模型的节点流量进行有效调整，使管网模型与实际管网运行情况更加接近：4．通过调整后的管网模型节点流量获得更为与实际更为接近的管网模型节点压力；5．通过相关计算模型获得管道爆管的临界压力；6．通过SCADA技术及“管网压力监控系统"获取实际运行管网的节点压力；7．将实际运行管网的节点压力与管道爆管的临界压力进行比较，实现预警判断。论文最后对预警模型进行了实验验证，实验的结果表明，本文的预警模型设计基本能够对城市供水管网爆管进行正确预警，具有一定的决策参考价值。由于时间和条件的限制，尽管从实验结果来看，本文提出预警模型是可行的，但仍然有不足之处，主要有以下几点：(1)现有系统只完成了管网模型压力计算、使用模糊集贴近度判断对管道爆管进行决策支持，与GIS系统的紧密结合度有待加强，由于系统尚未成熟，因此与其它多个在用系统间的数据共享尚未实现。(2)利用的数据资料不够全面，可能不能覆盖所有的城市供水管网。本文49 浙江工业大学硕士学位论文中的数据来源于杭州市水业集团闲林分公司，时间原因，未将其他区域数据进行实验，因此本文中的预警模型可能通用性不够。6．2展望在不久的将来，随着城市供水管网中水压监测点和水流监测点的增多，水压监测点和水流监测点的数据通过SCADA技术可以实时传送到终端，同时对GIS系统、收费系统、管网压力监控系统进行整合，利用网络数据库，形成多系统的资源共享与利用，供水企业的信息化建设必将得到进一步推进，生产决策能力也将得到大幅度提高。 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