程小凱，李愷毅，李景文，陳大克

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.廣西壯族自治區(qū)科技廳,廣西南寧530000）

面向?qū)ο蟮某鞘泄芫W(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計(jì)

程小凱，李愷毅1，李景文1，陳大克2

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.廣西壯族自治區(qū)科技廳,廣西南寧530000）

針對(duì)現(xiàn)有城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織方式存在的問(wèn)題，提出了一種基于面向?qū)ο蟮某鞘泄芫W(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型，該模型從人們認(rèn)知的角度，將客觀世界中的管網(wǎng)作為集數(shù)據(jù)和方法于一體的對(duì)象綜合體，進(jìn)行一體化存儲(chǔ)和管理。模型在引入“類”概念的基礎(chǔ)上，對(duì)基類中幾何類和實(shí)體類的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并討論了模型中類與類、類與對(duì)象之間的關(guān)系，最后以城市供水管網(wǎng)為例，設(shè)計(jì)了基于對(duì)象的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型。

對(duì)象；類； 城市管網(wǎng)；數(shù)據(jù)組織；模型設(shè)計(jì)

城市管網(wǎng)作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣泛，是一個(gè)縱橫交錯(cuò)的龐大網(wǎng)絡(luò)體系，具有復(fù)雜的空間和非空間屬性特征。如何有效地管理浩瀚的城市管網(wǎng)信息是城市管網(wǎng)信息化建設(shè)亟待解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)已建成的城市管網(wǎng)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織大致可分為兩大類：一類是將圖形和屬性數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，通過(guò)屬性字段的關(guān)鍵字聯(lián)接[1-3]；另一類是采用分層模式將屬性數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理[4,5]。前者圖形和屬性的松散耦合導(dǎo)致關(guān)聯(lián)關(guān)系的維護(hù)比較復(fù)雜，且圖元間的拓?fù)潢P(guān)系無(wú)法有效的管理，后者采用數(shù)據(jù)分層的存儲(chǔ)和管理模式，導(dǎo)致屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的固定化，從而難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管網(wǎng)信息的決策分析和綜合管理。本文將面向?qū)ο蟮乃枷牒蛷?fù)雜管網(wǎng)自身特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，提出了將空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及操作方法封裝為實(shí)體對(duì)象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型，為錯(cuò)綜復(fù)雜的管網(wǎng)信息的一體化存儲(chǔ)、管理及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用實(shí)例。

1 基于對(duì)象的城市管網(wǎng)劃分和數(shù)據(jù)組織模型

城市管網(wǎng)是由管線和管節(jié)點(diǎn)組成，管線根據(jù)用途不同分為給水、排水、燃?xì)?、供熱、電力和電信等管線[6]；管節(jié)點(diǎn)可分為給水、排水、燃?xì)狻⒐?、電力和電信等，各類管?jié)點(diǎn)根據(jù)功能不同又可進(jìn)一步細(xì)分，如給水管節(jié)點(diǎn)可分為閥門(mén)、水表、測(cè)壓點(diǎn)、加壓泵站、水廠和用戶端等。

現(xiàn)實(shí)中的各種管網(wǎng)管線和其附屬設(shè)備，都可抽象成為對(duì)象。對(duì)象是客觀世界中客觀實(shí)體的抽象，是構(gòu)成管網(wǎng)系統(tǒng)的基本單位，具有自己的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征[6]。對(duì)象可分為簡(jiǎn)單對(duì)象和復(fù)雜對(duì)象，簡(jiǎn)單對(duì)象是表示空間事物的基本單元，它是具有完整物理意義的實(shí)體對(duì)象。復(fù)雜對(duì)象是結(jié)構(gòu)復(fù)雜實(shí)體的抽象表達(dá)，可看作是幾個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)象的組合。在城市管網(wǎng)中，閥門(mén)、水表和各類管線都屬于簡(jiǎn)單對(duì)象，管網(wǎng)屬于復(fù)雜對(duì)象，是由管線和若干不同管節(jié)點(diǎn)等簡(jiǎn)單對(duì)象組合而成。

本文提出的基于對(duì)象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型是將對(duì)象標(biāo)識(shí)碼、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及操作方法封裝為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和方法的統(tǒng)一管理，管網(wǎng)對(duì)象用四元組表述為：

PO=（OID,GD,AD,M）

其中，OID為對(duì)象標(biāo)識(shí)碼，是確定空間對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)，每一個(gè)實(shí)體對(duì)象都擁有唯一的對(duì)象標(biāo)識(shí)碼；GD為空間數(shù)據(jù)（Geo_data）的集合，即GD=(gd1,gd2,…,gdn)，是描述目標(biāo)對(duì)象的空間位置和幾何形狀等空間信息，每一個(gè)實(shí)體對(duì)象都有唯一的空間位置；AD為屬性數(shù)據(jù)（Attri_data）的集合，即AD=(ad1,ad2,…, adn)，是對(duì)實(shí)體對(duì)象具體特性的描述，屬性集包含公共屬性和私有屬性，其中私有屬性為一類對(duì)象獨(dú)有而別類對(duì)象所不具有的屬性；M為實(shí)體對(duì)象方法（Method）的集合，即M=(m1,m2,…,mn)，是按有關(guān)空間定義、規(guī)則、操作函數(shù)等對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行操作的方法集，具體可概括為：操作方法、空間關(guān)系（如度量關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系和方位關(guān)系）和空間分析。任意兩個(gè)管網(wǎng)對(duì)象可通過(guò)方法建立對(duì)象間的聯(lián)系，對(duì)數(shù)據(jù)信息的表達(dá)、修改及操作均可通過(guò)對(duì)象的方法接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。管網(wǎng)對(duì)象的數(shù)據(jù)組織模型如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)對(duì)象的數(shù)據(jù)組織模型

2 模型中類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其邏輯關(guān)系

城市管網(wǎng)對(duì)象眾多，各類對(duì)象的數(shù)據(jù)和方法多種多樣，為了有效描述不同類型的復(fù)雜管網(wǎng)對(duì)象，基于對(duì)象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型引入了“類”的概念，類是具有相同結(jié)構(gòu)、方法（操作）、并遵守相同約束規(guī)則的一組對(duì)象集合[7]。在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，類是具有相同內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法的對(duì)象的抽象總和，類有基類和子類(或派生類)之分，且它們之間存在著復(fù)雜的邏輯關(guān)系。其中，基類是該模型的核心和基礎(chǔ)，決定著其子類的結(jié)構(gòu)及對(duì)象的內(nèi)容。

2.1 城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中基類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，基類是用來(lái)派生新類的類，它主要?jiǎng)澐譃閹缀晤惡蛯?shí)體類。幾何類是地理實(shí)體在幾何空間上信息的抽象。實(shí)體類是對(duì)地理實(shí)體中所含公共屬性數(shù)據(jù)和公有方法的概括描述與抽象，為其子類提供公共屬性數(shù)據(jù)和操作方法。幾何類無(wú)地理實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)，而主要對(duì)空間信息進(jìn)行描述；實(shí)體類無(wú)地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)，而主要對(duì)屬性信息進(jìn)行描述，二者相互補(bǔ)充，共同實(shí)現(xiàn)基類對(duì)地理實(shí)體公共信息的抽象描述?；愂侨舾勺宇惖某橄螅槿×似渥宇惖墓膊糠?，子類是基類的派生。

2.1.1 幾何類

在模型中，幾何類主要分為點(diǎn)類和線類，其結(jié)構(gòu)包含類標(biāo)識(shí)碼、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和操作方法。點(diǎn)類是對(duì)管線節(jié)點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)和相關(guān)空間操作方法的抽象描述，其空間數(shù)據(jù)主要描述地理實(shí)體空間點(diǎn)位信息，如空間坐標(biāo)（x,y,z）；其操作方法是對(duì)空間數(shù)據(jù)的基本操作和拓?fù)涮幚淼拿枋觯鐒?chuàng)建、刪除、移動(dòng)點(diǎn)位和分析點(diǎn)與點(diǎn)、線的拓?fù)潢P(guān)系。線類是對(duì)管線的空間數(shù)據(jù)和相關(guān)空間操作方法的抽象描述，其空間數(shù)據(jù)主要描述地理實(shí)體的空間位置信息和形狀，如(x1,y1,z1; x2,y2,z2;…;xn,yn,zn)；其操作方法是對(duì)空間數(shù)據(jù)的基本操作和拓?fù)涮幚淼拿枋?，如?chuàng)建、刪除、旋轉(zhuǎn)線和分析線與點(diǎn)、線的拓?fù)潢P(guān)系。幾何類中的方法是實(shí)現(xiàn)地理實(shí)體空間信息關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵，通過(guò)調(diào)用方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、移動(dòng)、復(fù)制等基本操作和處理地理實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。幾何類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 幾何類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.2 實(shí)體類

在模型中，實(shí)體類主要?jiǎng)澐譃楣芄?jié)點(diǎn)類和管線類，其結(jié)構(gòu)包含類標(biāo)識(shí)碼、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和方法。管節(jié)點(diǎn)類是對(duì)管線節(jié)點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)和相關(guān)分析函數(shù)、方法的抽象描述，其屬性數(shù)據(jù)主要是描述跟管線節(jié)點(diǎn)有關(guān)的公共屬性信息，如管節(jié)點(diǎn)類型、地面標(biāo)高、是否壓力已知等屬性信息；其操作方法主要包含與管節(jié)點(diǎn)相關(guān)的公共操作、分析和函數(shù)，如尋找管節(jié)點(diǎn)所連管線、檢測(cè)管節(jié)點(diǎn)是否泄漏等。管線類是對(duì)管線的屬性數(shù)據(jù)和相關(guān)分析函數(shù)、方法的抽象描述，其屬性數(shù)據(jù)是對(duì)跟管線相關(guān)的公共屬性信息的抽象描述，如管線類型、管線材料等屬性數(shù)據(jù)；其操作方法主要包含與管線相關(guān)的公共操作、分析和函數(shù)，如尋找管線所連管節(jié)點(diǎn)、計(jì)算管線內(nèi)流量等。

2.2 模型中類的邏輯關(guān)系

在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，基類(BaseClass)可以派生出城市管網(wǎng)的其他子類，如圖 2所示。點(diǎn)類(CPoint)和管節(jié)點(diǎn)類 (CPipeNode)共同派生出閥門(mén)類（Class Valve）、水塔類（Class WaterTower）、泵站類（Class Pump）等子類。線類 (CLine)和管線類 (CPipe)共同派生出排水管線類 (Class DrainPipe)、供水管線類 (Class WaterPipe)、燃?xì)夤芫€類 (Class GasPipe)、供熱管線類(ClassHeatPipe)、電力管線類(ClassPower-Line)和電信管線類 (ClassTeleLine)等子類。這些子類既繼承了幾何類 (C_Geo)的數(shù)據(jù)及方法，也繼承了實(shí)體類 (C_Entity)的數(shù)據(jù)及方法，同時(shí)這些子類又可以有自己的數(shù)據(jù)和方法。另外，這些子類按一定方式聚合派生出一個(gè)新類--網(wǎng)類 (ClassNet)，如排水管網(wǎng)類(C_DPNet)即為網(wǎng)類的一種，它是由泵站類、閥門(mén)類及排水管線類等子類聚合而成。

圖2 管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中類的邏輯結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，類與類之間有著緊密的聯(lián)系，類的這種邏輯結(jié)構(gòu)反映了現(xiàn)實(shí)世界中管網(wǎng)系統(tǒng)的真實(shí)模型，通過(guò)類的派生和繼承實(shí)現(xiàn)地理實(shí)體之間的信息的傳遞和共享。

2.3 城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中對(duì)象和類之間關(guān)系

城市管網(wǎng)主要包括供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、熱力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)和通信管網(wǎng)等。不同類型管網(wǎng)相互交織，空間分布錯(cuò)綜復(fù)雜，各類管網(wǎng)之間相互獨(dú)立、自成體系，同時(shí)，各類管網(wǎng)的管線和節(jié)點(diǎn)之間又存在著很多共同特性。在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，通過(guò)類實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)對(duì)象的相同屬性和方法的概括和抽象，通過(guò)對(duì)象的繼承實(shí)現(xiàn)了每個(gè)管網(wǎng)對(duì)象各自相關(guān)類的公共資源的共享。例如，閥門(mén)作為一個(gè)實(shí)體對(duì)象，是閥門(mén)類的實(shí)例化，它既繼承了點(diǎn)類的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法，如閥門(mén)中含有 (x,y,z)等空間位置信息和Move_Point(P)、Point_Point(P1,P2)等空間操作函數(shù)和拓?fù)浞治龊瘮?shù)，又繼承了管節(jié)點(diǎn)類的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法，如閥門(mén)中含有管節(jié)點(diǎn)類型、地面標(biāo)高等屬性信息和尋找管節(jié)點(diǎn)所連的管線 ()等分析函數(shù)。同時(shí)，閥門(mén)又有自身特有的數(shù)據(jù)和方法，如閥門(mén)中含有閥門(mén)類型、閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等閥門(mén)特有的屬性和開(kāi)閥關(guān)閥分析等閥門(mén)特有的分析函數(shù)和方法。

3 基于對(duì)象的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計(jì)

本文以基于對(duì)象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型的理論、設(shè)計(jì)方法為依據(jù)，以城市供水管網(wǎng)為例，探討了基于對(duì)象的城市供水管網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)組織方法和方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 城市供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)組織方案設(shè)計(jì)

基于對(duì)象的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型主要包含主管網(wǎng)、支管網(wǎng)等復(fù)雜對(duì)象和各類管節(jié)點(diǎn)、供水管線等簡(jiǎn)單對(duì)象，其中，主管網(wǎng)和支管網(wǎng)是由各類管節(jié)點(diǎn)和供水管線組合而成，管節(jié)點(diǎn)具體包括水廠、閥門(mén)、泵站和用戶水表等簡(jiǎn)單對(duì)象。各類管節(jié)點(diǎn)對(duì)象既繼承點(diǎn)類和管節(jié)點(diǎn)類的數(shù)據(jù)和方法，又有自己的數(shù)據(jù)和方法；供水管線既繼承線類和管線類的數(shù)據(jù)和方法，又有自己的數(shù)據(jù)和方法，在圖 3中重點(diǎn)描述了各對(duì)象特有的數(shù)據(jù)和方法。模型中，所有的數(shù)據(jù)和方法通過(guò)對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，各對(duì)象間的聯(lián)系和各種不同分析可通過(guò)調(diào)用各自類的操作方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從認(rèn)知的角度出發(fā)，將面向?qū)ο蟮乃枷霊?yīng)用于城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)的組織和管理中，提出了基于對(duì)象的管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型。該模型不僅實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)，而且將數(shù)據(jù)與方法綁定在一起，統(tǒng)一封裝為管網(wǎng)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜、海量的城市管網(wǎng)信息的描述、表達(dá)、存儲(chǔ)與管理?；谠撃Ｐ偷臄?shù)據(jù)組織模式，改變了傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理方式，為今后城市管網(wǎng)信息化建設(shè)和城市管網(wǎng)信息共享提供一種新的思路。

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Design of Data Organization M odel for Urban Pipe Networks Based on Object

CHENG Xiaokai1,LI Kaiyi1,LI Jingwen1,CHEN Dake2
(1.Col lege of Civil Engi neering and Const ructi on,Gui lin Uni ver sity of Technol ogy, Guilin 541004,China；2.Science and Technol ogy Agency of Guangxi,Nanning 530000,China)

In view of the analysis of the existed problems for data organization on Urban Pipe networks.This paper presented a data organization model for urban pipe network based on object.This model regarded the pipe networks in the objective world as the object complex of data and method from the point of human cognition.The structure of Geometry Class and Entity Class in Base Class were designed based on the“CLASS” in model, and class-class relation and class-object relation were discussed.Finally,taking example for urban water-supply networks,data organization model for urban water-supply networks based on object was designed.

object;class;urban pipe network;data organization;model design

2009-10-09

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (40574002)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (0832250)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目 (0992030-1)。

P208

B

1672-4623(2010)02-0127-03

程小凱，碩士，從事城市信息化方面的研究。