楊成杰，李孟奇，劉雪梅(.華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 4500；. 汝陽(yáng)縣水利水保技術(shù)推廣站，河南 洛陽(yáng) 4700)

0 引 言

農(nóng)村供水工程是為了滿足農(nóng)村人民的生活和生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中對(duì)水在量和質(zhì)兩個(gè)方面的需求，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理3個(gè)階段[1]。同城市相比，農(nóng)村居民點(diǎn)受自然因素影響大，布局分散，農(nóng)村供水工程具有數(shù)量眾多、供水區(qū)域較大、供水管線較長(zhǎng)且落差大的特點(diǎn)，在此情況下，一個(gè)使整個(gè)供水系統(tǒng)運(yùn)行可靠性最高、維修量最小的合理管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案就顯得極為必要[2]。

隨著信息技術(shù)在水利行業(yè)應(yīng)用的深入，傳統(tǒng)的供水工程設(shè)計(jì)方法復(fù)雜而繁瑣，效率低下的缺陷日漸突出，設(shè)計(jì)后的成果，圖形與屬性完全分離，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整、管材統(tǒng)計(jì)、工程預(yù)算、項(xiàng)目管理均不能提供直接支持，難以滿足信息化條件下設(shè)計(jì)工作升級(jí)換代的需求。將最新的信息化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)村供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理中已勢(shì)在必行[3]。

1 供水管網(wǎng)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 二次開發(fā)方式

目前工程領(lǐng)域，?；谏虡I(yè)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, 簡(jiǎn)稱CAD)或地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS)軟件進(jìn)行專業(yè)圖形系統(tǒng)的開發(fā)。這種方式不必考慮復(fù)雜的底層算法，繁瑣的交互操作，只關(guān)注與專業(yè)相關(guān)的分析和計(jì)算，可快速研發(fā)出解決特定問(wèn)題的軟件產(chǎn)品。然而，由于必須借助于成熟的商業(yè)系統(tǒng)，二次開發(fā)的信息系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)CAD系統(tǒng)專注于工程制圖，沒有空間數(shù)據(jù)庫(kù)支持，在屬性數(shù)據(jù)的管理方面存在局限性，所開發(fā)的軟件除繪圖外的大部分工作還需要人工參與，難以進(jìn)行自動(dòng)化的分析與計(jì)算。

(2)基于GIS開發(fā)的系統(tǒng)，通過(guò)與GIS的集成，使管網(wǎng)圖形庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)及外部數(shù)據(jù)庫(kù)融為一體，高效準(zhǔn)確，且易于動(dòng)態(tài)更新，大大提高了管網(wǎng)管理工作的效率和質(zhì)量[4]。然而，GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型、管理方式以及分析方法主要針對(duì)地理空間，圖形的精度以及絕大部分專業(yè)功能不能滿足設(shè)計(jì)行業(yè)需求。

(3)開發(fā)的軟件產(chǎn)品不能脫離商業(yè)平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，大范圍推廣應(yīng)用需要投入巨額資金。

1.2 自主研發(fā)方式

隨著軟件開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)農(nóng)村供水工程的行業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)一套適合中國(guó)國(guó)情，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，滿足供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流程且支持屬性與空間數(shù)據(jù)一體化管理的圖形系統(tǒng)，將是“數(shù)字水利”領(lǐng)域相關(guān)理論在農(nóng)田水利實(shí)際生產(chǎn)中的典型應(yīng)用。這種模式研發(fā)的系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)較強(qiáng)的靈活性。靈活性是從底層開發(fā)圖形系統(tǒng)的最大特點(diǎn)，因?yàn)橄到y(tǒng)所有流程和數(shù)據(jù)都在設(shè)計(jì)者的控制之下，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)短小精悍，軟硬件要求低，運(yùn)行速度快，在專業(yè)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

(2)擁有系統(tǒng)版權(quán)。開發(fā)者擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的底層技術(shù)，可為不同領(lǐng)域特定要求提供定制產(chǎn)品，并且易于擴(kuò)展和升級(jí)，特別適合行業(yè)內(nèi)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

(3)滿足個(gè)性化需求。能夠根據(jù)用戶的個(gè)性化需求，方便地添加新功能，滿足相同專業(yè)背景下不同應(yīng)用人群的差異性需求，實(shí)現(xiàn)信息化與專業(yè)的完美結(jié)合。

目前市場(chǎng)上成熟的CAD、GIS軟件種類較多，這些產(chǎn)品各有特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)考察和對(duì)比國(guó)內(nèi)外具有代表性的相關(guān)軟件，針對(duì)我國(guó)農(nóng)村供水工程的行業(yè)特點(diǎn)，最終選擇從底層自主研發(fā)的方式，開發(fā)了HotMap供水管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

2 HotMap供水管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

HotMap是一套將計(jì)算機(jī)技術(shù)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水理論相結(jié)合研發(fā)的可視化管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有自主研發(fā)的幾何內(nèi)核， 在與主流CAD軟件高度兼容的前提下，將CAD精準(zhǔn)制圖和GIS強(qiáng)大的屬性管理在一個(gè)平臺(tái)上完美融合，滿足了新一代CAD系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化需求。具有完善的數(shù)據(jù)交換、快捷的圖形繪制、強(qiáng)大的圖形編輯、靈活的屬性管理以及較強(qiáng)的專業(yè)分析功能。

2.1 系統(tǒng)框架

為兼顧效率與易用性，系統(tǒng)底層的數(shù)學(xué)庫(kù)、算法庫(kù)、幾何庫(kù)、圖形渲染庫(kù)、空間分析庫(kù)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)引擎等模塊全部采用C++語(yǔ)言編碼；中間層用C++/CLI語(yǔ)言封裝成組件庫(kù)和控件庫(kù)，以便用戶隨時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)和定制；應(yīng)用層采用.Net語(yǔ)言開發(fā)的插件進(jìn)行功能擴(kuò)展。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)模型

模型是用來(lái)表示實(shí)際的或抽象的實(shí)體對(duì)象。建立模型的幾何描述是對(duì)被處理對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、模擬和研究的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)模型是一組實(shí)體以及它們之間關(guān)系的一般性描述，是真實(shí)世界的一個(gè)抽象[5,6]。如圖2所示，在HotMap中模型依據(jù)復(fù)雜程度抽象為點(diǎn)、線、面、體四種基本類型：點(diǎn)模型表示對(duì)點(diǎn)狀實(shí)體的抽象，可以具體指一個(gè)點(diǎn)狀地物、高程點(diǎn)、注記等；線模型用來(lái)表達(dá)管線、道路、河流、地形線、區(qū)域邊界等兩點(diǎn)之間的地理信息；面狀模型的邊界由具有方向的封閉曲線組成，如不同的地塊、土壤不同的類型，居民點(diǎn)等；體模型由有向封閉的面包絡(luò)為邊界，如系統(tǒng)中的管道、地層、構(gòu)造物等模型[7,8]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system architecture

圖2 基本幾何模型Fig.2 Basic geometric model

2.3 主要功能模塊

參考設(shè)計(jì)人員的工作習(xí)慣，并遵循文獻(xiàn)[1]中農(nóng)村供水工程設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)流程，將系統(tǒng)主要功能劃分為數(shù)據(jù)前處理、管網(wǎng)設(shè)計(jì)、成果輸出3個(gè)部分：

(1)前處理階段：設(shè)計(jì)人員可以在可視化狀態(tài)下根據(jù)導(dǎo)入的測(cè)量數(shù)據(jù)，快速地繪制管網(wǎng)并賦予管網(wǎng)各種屬性信息；

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段：基于繪制的管網(wǎng)插入管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)并構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)置和修改管網(wǎng)計(jì)算參數(shù)并進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算，根據(jù)管網(wǎng)水力計(jì)算的結(jié)果確定有關(guān)技術(shù)參數(shù)，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；

(3)成果輸出階段：基于設(shè)計(jì)好的管網(wǎng)快速導(dǎo)出管徑計(jì)算圖、水壓計(jì)算圖、平面布置圖、縱斷面圖等各種設(shè)計(jì)圖表成果。

系統(tǒng)主要功能模塊如圖3 所示。

3 基于HotMap的農(nóng)村供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)流程

3.1 繪制管網(wǎng)

繪制管網(wǎng)是供水設(shè)計(jì)內(nèi)業(yè)流程中的第一個(gè)步驟，為了滿足供水管網(wǎng)的需求，HotMap二維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了除點(diǎn)、線、面、文字等常規(guī)幾何對(duì)象的繪制、編輯外，系統(tǒng)還增加了節(jié)點(diǎn)、閥門井、測(cè)量點(diǎn)等特殊對(duì)象。用戶可通過(guò)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能與測(cè)量設(shè)備直接連接，導(dǎo)入測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后基于測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)的圖形繪制、對(duì)象編輯等功能繪制管網(wǎng)；也可以通過(guò)數(shù)據(jù)交互功能將AutoCAD繪制好的管網(wǎng)通過(guò)DXF文件導(dǎo)入到系統(tǒng)中。系統(tǒng)繪制的管網(wǎng)如圖4所示。

3.2 智能構(gòu)建拓?fù)?/h3>

正確的拓?fù)潢P(guān)系是管網(wǎng)水力計(jì)算的保障，系統(tǒng)用“節(jié)點(diǎn)”來(lái)標(biāo)示管線的拓?fù)潢P(guān)系，節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中作為一種特殊的點(diǎn)對(duì)象，除包含點(diǎn)模型的幾何信息和屬性信息外還增加了流入和流出兩種水流方向，用于標(biāo)示管網(wǎng)中流量的變化。當(dāng)沒有流入只有流出時(shí)，該節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)；當(dāng)只有流入沒有流出時(shí)，該節(jié)點(diǎn)為葉子節(jié)點(diǎn)；當(dāng)有流入也有流出時(shí)，該節(jié)點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)智能管網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)建及拓?fù)錂z查功能，用戶插入管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)編碼并將與之相關(guān)的管線添加節(jié)點(diǎn)信息；節(jié)點(diǎn)增加、刪除時(shí)，與之相關(guān)的管線節(jié)點(diǎn)信息也會(huì)隨之變化；節(jié)點(diǎn)插入完成后，利用系統(tǒng)的拓?fù)錂z查功能驗(yàn)證管網(wǎng)拓?fù)涞恼_性，如果有錯(cuò)只需根據(jù)提示信息重新調(diào)整即可，直至管網(wǎng)拓?fù)渫耆_。拓?fù)錂z查如圖5所示。

圖3 系統(tǒng)功能框圖Fig.3 Diagram of the system functions

圖4 管網(wǎng)繪制Fig.4 Piping drawing

圖5 管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)Fig.5 Piping nodes

3.3 自動(dòng)水力計(jì)算

水力計(jì)算是整個(gè)設(shè)計(jì)流程中最重要的環(huán)節(jié)，需要的參數(shù)比較多，供助與系統(tǒng)強(qiáng)大的屬性與空間數(shù)據(jù)一體化管理功能，影響水力計(jì)算的管長(zhǎng)、節(jié)點(diǎn)高程等幾何信息可以直接從圖形系統(tǒng)中獲取，但人均用水量等指標(biāo)與當(dāng)?shù)氐娜丝谧匀辉鲩L(zhǎng)率，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)年限以及所在區(qū)域的供水量標(biāo)準(zhǔn)等因素有直接的關(guān)系，計(jì)算起來(lái)比較復(fù)雜且需要重復(fù)驗(yàn)證。為解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)采用屬性表來(lái)管理管線的屬性信息及水力計(jì)算結(jié)果，并提供多種屬性輸入模式，用戶只需設(shè)置計(jì)算參數(shù)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行人均用水量、設(shè)計(jì)管徑、水頭損失等管網(wǎng)水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果能夠直觀反映在設(shè)計(jì)圖上，真正意義上實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)方案調(diào)整與水力計(jì)算的聯(lián)動(dòng)。水力計(jì)算設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6 水力計(jì)算參數(shù)Fig.6 Hydraulic calculation parameters

圖7 水力計(jì)算結(jié)果Fig.7 Hydraulic calculation results

3.4 設(shè)計(jì)方案檢測(cè)

經(jīng)過(guò)水力計(jì)算設(shè)計(jì)好的管網(wǎng)是否合理，還需要通過(guò)檢測(cè)功能進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)采用“最不利管道”的方法來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢查。以樹狀供水工程為例，其計(jì)算過(guò)程如圖8所示：從葉子節(jié)點(diǎn)開始計(jì)算每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)下最大供水壓力，遞歸這個(gè)過(guò)程直至根節(jié)點(diǎn)，最終開成一個(gè)從根節(jié)點(diǎn)到某個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的“最不利管道”。

圖8中，每條支管水壓線的計(jì)算公式為：

圖8 最大供水壓力計(jì)算Fig.8 The maximum water pressure calculation

h=hf+hz+z1+z2(1)

H=max(h1,h2,…,hn) (2)

式中：h為每條支管需滿足的供水壓力水頭，m；hf為水管沿程水頭損失，m；hz為水管局部水頭損失，m；z1為出水口地面高程，m；z2為出水口要求壓力水頭，m；n為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分支管路數(shù)目；H為節(jié)點(diǎn)下最大壓力水頭。

方案檢測(cè)可以檢測(cè)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的主管道上任意節(jié)點(diǎn)的水壓是否滿足需求，如果全部滿足說(shuō)明該方案設(shè)計(jì)合理，否則需要用戶自行調(diào)整管道的管徑，重新進(jìn)行水力計(jì)算后并再次檢測(cè)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至方案合理。如圖9所示，方案檢測(cè)功能每次會(huì)自動(dòng)計(jì)算出整個(gè)管網(wǎng)中最不利的一條管道，并進(jìn)行高亮顯示。

圖9 設(shè)計(jì)方案檢測(cè)Fig.9 Design scheme testing

3.5 設(shè)計(jì)成果輸出

工程圖紙是規(guī)劃、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程的主要技術(shù)文件，自動(dòng)化圖紙輸出功能能夠極大減少設(shè)計(jì)人員的工作量。系統(tǒng)根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)ActiveX將計(jì)算好的成果直接輸出到Word、Excel、AutoCAD等環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)水力計(jì)算表、管徑計(jì)算圖、水壓計(jì)算圖、平面布置圖、縱斷面圖等專業(yè)圖表的自動(dòng)編繪。這種方式既滿足了用戶對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式的需求，又保證圖紙與水力計(jì)算結(jié)果的聯(lián)動(dòng)統(tǒng)一，方便數(shù)據(jù)維護(hù)更新。管網(wǎng)設(shè)計(jì)成果輸出如圖10所示。

3.6 三維可視化

隨著三維可視化技術(shù)在水利行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，人們已經(jīng)不僅僅滿足于一般的工程場(chǎng)景瀏覽，對(duì)系統(tǒng)的圖形、聲音、控制等有了更高的要求。用戶希望在友好的可視化人機(jī)界面交互下，像玩游戲一樣來(lái)控制三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)駕馭式可視化，直接在三維環(huán)境中完成工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工模擬、空間分析等工作[9]。采用三維可視化技術(shù)將項(xiàng)目區(qū)地形、地物、管線、工程設(shè)施等要素進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)化為具有三維交互特征的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢查和對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題[10]。HotMap三維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的管網(wǎng)及地形可視化效果如圖11、圖12所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)是世界上淡水資源匱乏國(guó)家之一，北方地區(qū)缺水現(xiàn)象尤甚，合理、可靠的設(shè)計(jì)對(duì)于保障農(nóng)村飲水安全具有重要意義。結(jié)合我國(guó)水利行業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需要較高的開發(fā)技術(shù)和很大的開發(fā)量，但成果完全符合國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，便于大規(guī)模應(yīng)用。HotMap系統(tǒng)已經(jīng)在河南省汝陽(yáng)縣幾十個(gè)工程中進(jìn)行了全流程的應(yīng)用，事實(shí)證明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善可推廣到其他相關(guān)領(lǐng)域。

圖10 設(shè)計(jì)成果輸出Fig.10 Design output

圖11 管網(wǎng)三維瀏覽Fig.11 Piping 3D browsing

圖12 管網(wǎng)布置分析Fig.12 Piping layout analysis

□

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