摘要：为实现城市供水管网的信息化管理， 体现"安全供水、优质服务"的宗旨， 在城市供水网络发生事故时， 及时制定出切实可行又较优的处理方案， 本文以城市供水管网地理信息系统为辅基础进行供水管网阀门分析与统计系统的设计与开发。系统可以实现对供水管网阀门日常维护及事故处理情况下的科学管理， 以提高供水管网维护人员的工作效率， 实现真正的安全高效供水。
关键词：供水管网； 阀门； 关阀方案； 阀门距离； GIS;
1. 引言
随着近年来我国城市发展建设速度的加快， 城市管网也越来越庞大、分散。作为城市极为重要的基础设施的城市管网是城市经济发展的保障与社会发展的源泉， 加强对城市管网安全运行管理、降低漏失率、提高供水服务质量、提高管网抢修维护的工作效率是我国城市供水管理的主要工作和突出矛盾。在供水管网抢修过程中， 减少管网关阀数量， 提高管网抢修维护工作效率， 降低对人民生产、生活的影响成为首要解决的任务。
本文利用供水管网地理信息管理系统为基础平台， 进行阀门分析与统计系统的设计， 为供水管网阀门设备的日常管理以及事故时的关阀方案提供科学依据， 进而提高供水管网的社会服务质量。
2. 供水管网阀门分析与统计系统总体设计
2.1 系统构架设计
本系统结合供水管网的管理现状、业务需求和功能需求， 采用客户/服务器 （C/S） 为基本结构， 辅以浏览器/服务器 （B/S） M/S用。系统层次结构可分为数据层、管理层和应用表现层[1,2].数据层采用Oracle数据库进行管网数据的整体管理；管理层基于Arc GIS for Server的GIS功能模块进行管网数据处理和分析；应用表现层即客户端， 用户可实现各项功能。供水管网阀门优化分布与统计系统基于管理层ESRI的Arc Editor平台对管网数据进行网络拓扑分析计算， 关阀方案计算结果统一保存到Oracle数据库中， 用于指导快速关阀， 并进行阀门分布统计分析。
2.2 系统技术方案
阀门分布统计与分析系统在供水管网地理信息系统基础上， 通过地理信息系统的空间数据分析功能进行供水管网数据网络分析， 其中包括关阀计算、三通阀计算、水表阀计算和消火栓阀计算；系统在此基础上将计算的所得数据储存在Oracle数据库中， 分别建立关阀方案库和包括三通阀、水表阀和消火栓阀在内的阀门长度库， 以此实现关阀方案统计分析和阀门长度统计分析功能。当管网一处需要进行维护或者发生事故时， 系统会迅速进行计算， 并将计算出的关阀方案和包括三通阀、水表阀和消火栓阀在内的阀门长度存入数据库中， 工作人员可以通过条件对关阀方案进行查询和定位， 以便快速应对管网的突发事故。
图1 系统技术方案流程图
2.3 系统数据库设计
数据管理和处理是管网分析的首要工作， 数据库的建立更是系统设计的核心。建立完备的管网数据库首先需要依赖科学合理的设计原则建立管理元数据；通过UML建模工具Visio2010, 可以对管网管理元数据进行可视化设计， 将元数据分为要素对象级元数据、要素类级元数据要素、数据集级元数据等三层， 并进行元数据结构化语义设计；然后进行系统概念数据模型和逻辑数据模型的设计；最后通过Arc GIS的核心操作模块Arc Map中提供的Attribute编辑功能进行数据的录入和属性编辑[3,4].
最终设计出的数据库表格除了包括阀门编号、阀门类型、阀门坐标、所在管道编号、动力方式、生产厂家等基本属性信息表之外， 还包括关阀方案临时表、关阀路径成果表、关闭阀门成果表、阀门相关长度表和长度阀门追踪成果表。建立好的数据库表格将录入包括关阀计算、三通阀计算、水表阀计算和消火栓阀计算而得出的相关数据， 以便于后续系统对管网发门统计和分析， 以及阀门GIS地图的查询等操作。数据库设计表格信息如表1所示。
表1 数据库信息表结构
2.4 系统主要功能设计
2.4.1 GIS基本功能
GIS基本功能主要包括地图的放大与缩小功能、地图漫游功能、地图放大镜功能、量尺测量功能、点击放大至地图全图功能、点击后查看地图中的图层属性信息功能、地图鹰眼功能、图层树显示面板功能等。这些功能主要实现对供水管网一些传统的日常基本管理和维护。
2.4.2 关阀方案设计、分析与统计
当管网发生爆管事故时， 短时间内漏水量非常大， 造成给水管网压力下降， 甚至部分区域停水[4].因此， 在知道事故点后迅速分析、设计出所要关闭的相关阀门， 减少对居民生活影响尤为重要。而系统的设计关阀方案功能能够快速制定出关阀方案， 提高事故抢修效率， 保障居民安全用水。
管网设备点的破损， 可以归纳到与设备相关联的管线上， 因此有关方案只涉及到管线位置的破损而引出的关阀方案。系统首先找出事故点所关联的管线， 然后计算出关闭这些管线所需要关闭的阀门， 计算结果储存在Oracle数据库中。一根管线上的阀门有时不止一个， 因此想要关闭管线索要关闭的阀门数也就不止一种， 并且同一种关阀数量的关阀方案也有很多， 所以， 当管网发生事故时， 工作人员启动关阀方案计算功能后， 系统会计算出不同关阀数量的关阀方案以供选择。
系统根据找出与爆管相关管线和阀门， 并进行关阀方案设计后， 这些关阀方案将会储存在数据库中， 并以统计图表的方式显示关阀数量与关阀方案数量之间的关系。通过分析统计图表， 可以得出关阀数量与关阀方案之间存在关系， 即随着关阀数量增多， 关阀方案数量也会随之增多。系统还可以将分析结果以EXCEL的格式导出。
2.4.3 关阀方案查询与定位
系统根据事故发生点的位置和相关阀门制定出关阀方案后， 抢修人员可通过系统进行关阀方案的查询和位置确定。操作人员在GIS选择事故点后， 系统会计算出关联管线并计算出关阀方案；操作人员通过选择关阀数量来查询关阀方案， 并且关阀方案所涉及的阀门和管线路线将会在地图上高亮显示。抢修人员可根据所查询的方案和地图路线进行快速现场抢修流程和关阀操作部署[3].关阀方案的查询与定位不仅能够进行方案的存储， 并且提高了事故抢修的效率， 保障了居民的安全供水。
2.4.4 新增阀门后关阀计算
供水管网为了不断适应我国经济的发展， 并保障到达用户的水量和水压、降低能耗、节约资源， 各个城市每年都投入大量的资金进行管网改扩建[5,6].管网阀门的改造也是供水管网改造中一项重要的任务之一。当系统分析原来的阀门分布不合理， 会在管网中新增或删减阀门， 此时管网发生事故时的关阀方案将要重新计算， 而本系统也提供了此项功能。
系统会根据阀门改造方案， 在图中动态增加或删除阀门， 并在界面地图上分别高亮显示新增阀门前后事故发生点的相关管线和阀门。根据管网中的事故点， 系统会重新计算事故相关管线和需要关闭的阀门， 以此测试改造后的关阀方案的合理性。
2.4.5 设备到阀门距离计算、统计与分析
供水管网中设备经常需要进行检修、清洗和更换等操作， 因此了解设备所临近的阀门并进行控制具有重要意义。如图2所示， 系统可以进行设备临近阀门距离的计算， 包括计算三通、水表、消火栓最近的阀门距离， 并标出阀门位置， 显示出阀门与三通、水表、消火栓表的距离， 这些数据也会储存在Oracle数据库中， 便于以后设备操作时能够快速找出临近阀门， 进行快速定位和操作， 提高供水管网抢修和维护的效率， 保障居民的用水安全和质量。
图2 阀门距离计算界面示意图
计算设备与阀门距离之后， 可进行设备到阀门距离统计分析。根据设备的运行状况、接口口径以及与阀门间管道的长度可分析阀门的类型和开启状态， 并将分析结果储存在数据库中。数据库中的统计信息包括阀门类型、阀门开启状态、设备与最近阀门间管道的管径、材质、埋深和管顶高程等。分析结果以统计表的方式进行表现， 也可以导出EXCEL的格式。
2.4.6 设备到阀门距离查询定位
系统中已经储存了设备与临近阀门的距离信息， 当设备需要进行检修、清洗和更换等操作时， 工作人员可根据影响范围进行查询定位阀门以及追踪路线。如图3所示， 在系统中输入所要查找阀门的图层和距离范围即可查到相应阀门， 并在地图上高亮显示阀门、设备、追踪的路线。此功能将不仅能设备维护抢修的效率， 而且能够了解设备周围阀门工况信息。
图3 设备到阀门距离查询定位截面示意图
3. 结论
随着城市的迅速发展， 管网日常检修与维护、管道的新增与改造等也变得频繁， 尤其是由较大供水压力造成的爆管事故等严重的影响着城市的供水质量。而管网闸阀门分析与系统是在供水管网地理信息系统的基础上， 通过网络分析进行关阀计算、三通阀计算、水表阀计算和消火栓阀计算；以此实现关阀方案统计分析和阀门长度统计分析功能。管网闸门分布优化统计与分析系统实现了包括GIS的基本功能、关阀方案设计、分析与统计、关阀方案查询与定位、新增阀门后关阀计算、设备到阀门距离计算、分析与统计、设备到阀门距离查询定位等功能。本系统对城市供水管网附属阀门进行科学管理， 实时了解阀门的工况， 并在管网发生事故或者进行维修等操作时快速制定出科学合理的关阀方案， 具有重要经济意义和社会意义。
参考文献
[1] 于志斌。城市供水管网地理信息系统的设计与实现[D].哈尔滨理工大学， 2015.
[2] VASILIS K, HABIB M.Urban Water Pipe Networks Management Towards Non Revenue Water Reduction : Two Case Studies from Greece and Turkey[J].JClean Soil Air Water, 2014:42-41.
[3] 尹亮。GIS 技术在供水管网管理中的应用探究[J].科技传播， 2014:68-81.
[4] 魏苹。城市基础地理信息数据库设计与实现[D].长春：吉林大学， 2013.
[5] 蔺晓。供水管网的智能优化改扩建[D].青岛理工大学， 2011.
[6] 杨弦， 顾丽华， 樊敏敏， 陶杰。基于 GIS 信息的供水管网更新改造探讨[J].测绘科学， 2014:78-79.
