戴彥群

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007)

0 引 言

市政地下管網(wǎng)是整個(gè)都市的生命線，是保障都市正常運(yùn)轉(zhuǎn)、市場(chǎng)金融穩(wěn)定成長(zhǎng)的必要條件，其規(guī)模大、領(lǐng)域廣、管網(wǎng)類別多、空間分布復(fù)雜等特點(diǎn)，散布在城市的每個(gè)角落，與人民生活關(guān)系密切。管網(wǎng)的智能算法的研究顯得格外重要，可提升市政部門應(yīng)對(duì)公共情況和處置突發(fā)事故的能力。突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急情況后，市政部門可快速了解災(zāi)害發(fā)生地周圍管網(wǎng)布設(shè)情況，可快速調(diào)用其關(guān)聯(lián)資源，迅速對(duì)應(yīng)急事件進(jìn)行處置，使發(fā)生的危害降到最低。

當(dāng)前已經(jīng)有許多優(yōu)秀算法的研究，如：應(yīng)用聚類算法識(shí)別供水管網(wǎng)爆管事故[1]，多水源供水管網(wǎng)的水壓控制仿真研究[2]，基于流向的管網(wǎng)爆管分析算法[3]，故障樹分析在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[4]，供水管網(wǎng)爆管分析算法及其GIS組件的實(shí)現(xiàn)[5]，供水管網(wǎng)系統(tǒng)爆管可監(jiān)控最小管徑分析方法研究[6]等。以上算法是基于某一類的問題和具體的功能實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜度高。

文中參考以上算法，結(jié)合實(shí)際的管網(wǎng)數(shù)據(jù)[7-8]，設(shè)計(jì)了基于流向的管網(wǎng)爆管分析、管網(wǎng)水力計(jì)算算法和管線評(píng)估分析算法。較好地實(shí)現(xiàn)了智能管網(wǎng)分析、智能監(jiān)控以及智能管理等功能[9-11]。

1 算法設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)主要以六大設(shè)計(jì)原則為基礎(chǔ)來進(jìn)行構(gòu)建，如圖1所示。

(1)實(shí)用性原則。

算法功能實(shí)用，操作便捷，響應(yīng)快速，符合市場(chǎng)及企事業(yè)部門需求，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到專業(yè)性要求，系統(tǒng)運(yùn)行中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性能夠得到保障。

(2)可靠性原則。

能夠保障長(zhǎng)期有效地執(zhí)行各功能操作分析，并避免可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，在運(yùn)行中，能夠確保數(shù)據(jù)的可靠性和信息的完整性。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化原則。

算法中采用的數(shù)據(jù)、理論和公式均符合國(guó)家相關(guān)部門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，模型的合理性和高程相關(guān)信息合理準(zhǔn)確。

(4)安全性原則。

算法在事故記錄、空間數(shù)據(jù)等方面經(jīng)過嚴(yán)格加密措施處理，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全和數(shù)據(jù)安全，保障系統(tǒng)在平臺(tái)安全運(yùn)行。

(5)高效性原則。

在處理分析數(shù)據(jù)時(shí)，保障快速的系統(tǒng)響應(yīng)，并減少分析處理時(shí)間，達(dá)到良好的用戶體驗(yàn)，在操作輸入方面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，能夠直觀反映出來。

(6)可維護(hù)性原則。

預(yù)留擴(kuò)展模塊，以備未來算法升級(jí)更新，在數(shù)據(jù)方面預(yù)留備份，可以為后期數(shù)據(jù)更新進(jìn)行添加修改。

圖1 算法設(shè)計(jì)原則

2 管線評(píng)估分析算法

系統(tǒng)根據(jù)對(duì)管線各個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)梳理，結(jié)合實(shí)際管道漏損等情況，應(yīng)用漏損率算法，得出管線評(píng)估報(bào)告。

城市自來水管網(wǎng)漏損率計(jì)算公式如下：

Ra=(Qa-Qae)/Qa×100%

(1)

其中，Ra表示管網(wǎng)年漏損率(%)，Qa表示年供水量(km3)，Qae表示年有效供水量(km3)。

單位管長(zhǎng)漏水量計(jì)算公式如下：

Qh=(Qa-Qae)/Lt×8.76

(2)

其中，Qh表示單位管長(zhǎng)漏水量(m3(km·h))，Lt表示管網(wǎng)管道總長(zhǎng)(km)。

單位供水量管長(zhǎng)計(jì)算公式如下：

Lq=Lt/(Qa÷365)

(3)

其中，Lq表示單位供水量管長(zhǎng)(km/km3/d)。

通過上述算法分析得出管網(wǎng)漏損情況，再結(jié)合供水管網(wǎng)價(jià)值資產(chǎn)評(píng)估，分析管網(wǎng)在自然力條件下、人為操作導(dǎo)致的管道變形、內(nèi)部磨損、管線自然老化等物理性能的損耗或下降引起的管道資產(chǎn)貶值。根據(jù)供水管網(wǎng)的各組成部分，參考已使用年限、對(duì)勘察的各部分現(xiàn)狀及其他因素恰當(dāng)?shù)木C合評(píng)定來進(jìn)行資產(chǎn)評(píng)估。

重置成本法是現(xiàn)時(shí)條件下被評(píng)估資產(chǎn)全新狀態(tài)的重置成本減去該項(xiàng)資產(chǎn)的實(shí)體性貶值、功能性貶值和經(jīng)濟(jì)性貶值后估算資產(chǎn)價(jià)值的一種方法，本次評(píng)估主要考慮實(shí)體性貶值。

重置成本法計(jì)算公式如下：

評(píng)估值=重置成本×成新率

(4)

重置成本=工程造價(jià)+前期及其他費(fèi)用

(5)

工程造價(jià)=直接工程費(fèi)+措施費(fèi)+間接費(fèi)+利潤(rùn)+

稅金

(6)

成新率=[1-(已使用年限/耐用年限)]×100%

(7)

3 基于流向的管網(wǎng)爆管分析算法

針對(duì)之前爆管分析中搜索查找不必要閥門的問題，本系統(tǒng)經(jīng)研究得出一套基于管道流向的爆管分析方法。該方法在分析了傳統(tǒng)爆管分析算法特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用GIS幾何拓?fù)渌悸?，結(jié)合管道水流的流向，對(duì)老的爆管分析算法進(jìn)行了改進(jìn)。

在開始進(jìn)行爆管分析時(shí)首先要建立幾何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，在其關(guān)系中，現(xiàn)階段在地下管網(wǎng)系統(tǒng)中基本抽象為幾何弧段，調(diào)壓箱、閥門、消防栓等點(diǎn)要素都抽象為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并都處于各個(gè)管線的交點(diǎn)處。因此，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中簡(jiǎn)化為只考慮管線與管線、管線與節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系問題。在GIS網(wǎng)絡(luò)之中都是通過應(yīng)用節(jié)點(diǎn)至管線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)其關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)抽象節(jié)點(diǎn)主要包含了節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、關(guān)聯(lián)管網(wǎng)ID、XY坐標(biāo)等屬性；網(wǎng)絡(luò)抽象管線主要包含了管線ID號(hào)、直徑、材料、埋深等屬性。其實(shí)，在實(shí)際情況下，只需要關(guān)閉爆管點(diǎn)上游閥門便可切斷水流，其實(shí)現(xiàn)思路如圖2所示。

圖2 爆管分析

4 管網(wǎng)水力計(jì)算算法

在管網(wǎng)中，管段流量是計(jì)算管段水頭損失的重要數(shù)據(jù)，也是對(duì)選擇管徑大小的重要依據(jù)，計(jì)算管段流量應(yīng)是先求出沿線流量(這里只考慮針對(duì)居民區(qū)域用水分析)和節(jié)點(diǎn)流量。系統(tǒng)假定在排除大用戶用水量外，用水量全部均勻分布在干管上的假設(shè)，得出以單位面積計(jì)算的比流量，計(jì)算公式如下：

(8)

其中，qA為面積比流量，L/s·m2,∑A表示干管供水區(qū)域總面積。

在同一管網(wǎng)中，比流量的大小隨用水量的變化而變化，在管段沿線兩側(cè)配給用戶所需流量，根據(jù)比流量求出整個(gè)管網(wǎng)中任意管段沿線流量，其計(jì)算公式如下：

ql=qsl

(9)

其中，ql表示管段沿線流量，L/s，l表示該管段的計(jì)算長(zhǎng)度，A表示該管段承擔(dān)的供水面積。

對(duì)于管道流量變化大的管段，難以確定水頭損失和管徑，所以要將沿線流量轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)流量。沿線流量轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)流量的原理是求出一個(gè)沿線不變的折算流量q，使它產(chǎn)生的水頭損失等于實(shí)際上沿線變化的流量qx產(chǎn)生的水頭損失，推導(dǎo)過程如下：

假設(shè)沿線流量均勻分布，則管道任意斷面上的實(shí)際流量為：

(10)

沿線水頭損失為：

(11)

根據(jù)水力等效原則，得：

(12)

令γ=qt/ql，推導(dǎo)可得：

(13)

上述表明，折算系數(shù)α只和γ值有關(guān)，取水頭損失計(jì)算流量指數(shù)n=2，在管網(wǎng)末端，轉(zhuǎn)輸qt為零，則γ=0，得：

(14)

取水頭損失計(jì)算流量指數(shù)n=1.852，α≈0.567 8。如果γ=100，折算系數(shù)為α=0.5。

因此，管網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)，由沿線流量折算成的節(jié)點(diǎn)流量為：

qi=0.5∑ql

(15)

根據(jù)上述管段流量數(shù)據(jù)和實(shí)際管徑信息，灌渠總水頭損失計(jì)算公式為：

hz=hy+hj

(16)

其中，hz表示灌渠總水頭損失，hy表示灌渠沿程水頭損失，hj表示灌渠局部水頭損失。

在管網(wǎng)水力平差計(jì)算中，一般不考慮局部水頭損失，主要考慮沿程水頭損失，考慮相關(guān)規(guī)范在水力方面的協(xié)調(diào)，系統(tǒng)主要針對(duì)其中一種做計(jì)算分析。

塑料管及內(nèi)襯與內(nèi)涂塑料的鋼管按達(dá)西公式計(jì)算。

(17)

在經(jīng)過上述復(fù)雜的水力計(jì)算，系統(tǒng)模擬計(jì)算出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)流量數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)做統(tǒng)計(jì)分析。

系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)GPRS數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)保存于數(shù)據(jù)庫中，并通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[12-13]。系統(tǒng)可在控制窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)位置的流量情況，預(yù)設(shè)報(bào)警流量值，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)資源，當(dāng)有流量異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在地圖上顯示異常位置信息，調(diào)出處理窗口，分管人員查看異常點(diǎn)實(shí)時(shí)情況，調(diào)配人員前去處理，智能化地監(jiān)控整個(gè)管網(wǎng)流量信息。

其實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷地查詢分析，一旦查找出異常，直接將異常位置坐標(biāo)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行異常處理分析[14-15]，調(diào)出處理窗口，通過緩沖區(qū)和幾何追蹤分析，找出最近閥門，定位其位置，再通過關(guān)聯(lián)屬性操作，找出關(guān)聯(lián)用戶等信息。調(diào)用最短路徑分析算法，計(jì)算并求解出維修部門與事故發(fā)生點(diǎn)的最短路徑，并通過應(yīng)急車輛上傳的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置，在地圖上顯示實(shí)時(shí)行進(jìn)情況，并做相應(yīng)安排部署。

5 實(shí)驗(yàn)分析

COM的組件式開發(fā)技術(shù)主要是通過面向?qū)ο蠛推浣M件式軟件在GIS中的應(yīng)用操作，這使得基于COM組件的二次開發(fā)的開發(fā)周期大大縮減，能夠迅速研發(fā)出特定應(yīng)用領(lǐng)域的專業(yè)軟件。

GIS的組件式開發(fā)技術(shù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行模塊化的開發(fā)，針對(duì)不同的需求調(diào)用相應(yīng)的模塊控件，調(diào)用接口的可擴(kuò)展性使得系統(tǒng)能夠在后續(xù)版本和功能上得到加強(qiáng)和完善，使得系統(tǒng)更能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，并保持良好的版本兼容問題[16]。對(duì)于COM的組件式開發(fā)已慢慢形成一種行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，集成了大量的控件模塊，大量的接口服務(wù)，使得GIS技術(shù)慢慢推向大眾化、精簡(jiǎn)化，讓普通用戶也能夠通過開發(fā)的產(chǎn)品了解和應(yīng)用GIS處理和管理地理信息數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用開發(fā)平臺(tái)應(yīng)用Visual Studio 2013，調(diào)用COM組件來實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。采用了四川省樂山市市中區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

設(shè)備預(yù)警功能，主要采用水力計(jì)算算法計(jì)算各個(gè)水力值，在發(fā)生爆管的時(shí)候，就會(huì)依據(jù)爆管分析算法進(jìn)行查詢，找到爆管位置和所需關(guān)閉閥門要素。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，一旦發(fā)生異常現(xiàn)象，系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案并彈出解決窗口進(jìn)行事故處理。點(diǎn)擊事故處理按鈕，彈出監(jiān)測(cè)窗口，選擇相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，連接監(jiān)測(cè)點(diǎn)，啟動(dòng)智能監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)異常時(shí)，立即進(jìn)行相應(yīng)的處理流程，并分析得出事故位置范圍的詳細(xì)信息，并做相應(yīng)的處理操作，如圖3、圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

圖4 事故處理

網(wǎng)評(píng)估算法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)出針對(duì)不同管網(wǎng)的評(píng)估算法，通過輸入工程造價(jià)和各個(gè)管材的單價(jià)，依據(jù)算法公式，求出成新率和評(píng)估結(jié)果，并對(duì)結(jié)果做一個(gè)維護(hù)成本的預(yù)估分析，如圖5所示。

圖5 管網(wǎng)評(píng)估算法

6 結(jié)束語

采用算法設(shè)計(jì)的基本原則，依據(jù)空間數(shù)據(jù)的特性、管網(wǎng)空間特性、水流原理、水流損失和水壓設(shè)計(jì)、管網(wǎng)漏損以及資產(chǎn)評(píng)估等，設(shè)計(jì)了管網(wǎng)水力計(jì)算算法、基于流向的管網(wǎng)爆管分析算法和管線評(píng)估分析算法，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)評(píng)估、水流量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、異常數(shù)據(jù)爆管分析以及事故處理等功能，形成了完善的智慧管網(wǎng)算法，智能地處理了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常、爆管分析，自動(dòng)預(yù)警提示，管網(wǎng)資本評(píng)估分析。該算法采用樂山市的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法測(cè)試，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該算法的正確性、可靠性、實(shí)用性和智能性。為智慧管網(wǎng)算法的研究提供了一定理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)的技術(shù)性參考。