面向对象的城市管网数据组织模型设计

程小凯，李恺毅，李景文，陈大克

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004;2.广西壮族自治区科技厅,广西南宁530000）

面向对象的城市管网数据组织模型设计

程小凯，李恺毅1，李景文1，陈大克2

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004;2.广西壮族自治区科技厅,广西南宁530000）

针对现有城市管网数据组织方式存在的问题，提出了一种基于面向对象的城市管网数据组织模型，该模型从人们认知的角度，将客观世界中的管网作为集数据和方法于一体的对象综合体，进行一体化存储和管理。模型在引入“类”概念的基础上，对基类中几何类和实体类的结构进行了详细设计，并讨论了模型中类与类、类与对象之间的关系，最后以城市供水管网为例，设计了基于对象的城市供水管网数据组织模型。

对象；类； 城市管网；数据组织；模型设计

城市管网作为城市的重要基础设施，其种类繁多、结构复杂、分布广泛，是一个纵横交错的庞大网络体系，具有复杂的空间和非空间属性特征。如何有效地管理浩瀚的城市管网信息是城市管网信息化建设亟待解决的问题。目前，国内已建成的城市管网管理系统的数据组织大致可分为两大类：一类是将图形和属性数据分开存储，通过属性字段的关键字联接[1-3]；另一类是采用分层模式将属性数据、图形数据和拓扑关系数据进行统一管理[4,5]。前者图形和属性的松散耦合导致关联关系的维护比较复杂，且图元间的拓扑关系无法有效的管理，后者采用数据分层的存储和管理模式，导致属性数据结构的固定化，从而难以实现复杂管网信息的决策分析和综合管理。本文将面向对象的思想和复杂管网自身特点结合起来，提出了将空间数据、属性数据及操作方法封装为实体对象的城市管网数据组织模型，为错综复杂的管网信息的一体化存储、管理及应用提供数据模型的设计方法和应用实例。

1 基于对象的城市管网划分和数据组织模型

城市管网是由管线和管节点组成，管线根据用途不同分为给水、排水、燃气、供热、电力和电信等管线[6]；管节点可分为给水、排水、燃气、供热、电力和电信等，各类管节点根据功能不同又可进一步细分，如给水管节点可分为阀门、水表、测压点、加压泵站、水厂和用户端等。

现实中的各种管网管线和其附属设备，都可抽象成为对象。对象是客观世界中客观实体的抽象，是构成管网系统的基本单位，具有自己的静态特征和动态特征[6]。对象可分为简单对象和复杂对象，简单对象是表示空间事物的基本单元，它是具有完整物理意义的实体对象。复杂对象是结构复杂实体的抽象表达，可看作是几个简单对象的组合。在城市管网中，阀门、水表和各类管线都属于简单对象，管网属于复杂对象，是由管线和若干不同管节点等简单对象组合而成。

本文提出的基于对象的城市管网数据组织模型是将对象标识码、空间数据、属性数据及操作方法封装为对象，实现数据和方法的统一管理，管网对象用四元组表述为：

PO=（OID,GD,AD,M）

其中，OID为对象标识码，是确定空间对象的唯一标识，每一个实体对象都拥有唯一的对象标识码；GD为空间数据（Geo_data）的集合，即GD=(gd1,gd2,…,gdn)，是描述目标对象的空间位置和几何形状等空间信息，每一个实体对象都有唯一的空间位置；AD为属性数据（Attri_data）的集合，即AD=(ad1,ad2,…, adn)，是对实体对象具体特性的描述，属性集包含公共属性和私有属性，其中私有属性为一类对象独有而别类对象所不具有的属性；M为实体对象方法（Method）的集合，即M=(m1,m2,…,mn)，是按有关空间定义、规则、操作函数等对实体对象进行操作的方法集，具体可概括为：操作方法、空间关系（如度量关系、拓扑关系和方位关系）和空间分析。任意两个管网对象可通过方法建立对象间的联系，对数据信息的表达、修改及操作均可通过对象的方法接口来实现。管网对象的数据组织模型如图1所示。

图1 管网对象的数据组织模型

2 模型中类的结构设计及其逻辑关系

城市管网对象众多，各类对象的数据和方法多种多样，为了有效描述不同类型的复杂管网对象，基于对象的城市管网数据组织模型引入了“类”的概念，类是具有相同结构、方法（操作）、并遵守相同约束规则的一组对象集合[7]。在城市管网数据组织模型中，类是具有相同内部数据结构和方法的对象的抽象总和，类有基类和子类(或派生类)之分，且它们之间存在着复杂的逻辑关系。其中，基类是该模型的核心和基础，决定着其子类的结构及对象的内容。

2.1 城市管网数据组织模型中基类的结构设计

在城市管网数据组织模型中，基类是用来派生新类的类，它主要划分为几何类和实体类。几何类是地理实体在几何空间上信息的抽象。实体类是对地理实体中所含公共属性数据和公有方法的概括描述与抽象，为其子类提供公共属性数据和操作方法。几何类无地理实体的属性数据，而主要对空间信息进行描述；实体类无地理实体的空间数据，而主要对属性信息进行描述，二者相互补充，共同实现基类对地理实体公共信息的抽象描述。基类是若干子类的抽象，它抽取了其子类的公共部分，子类是基类的派生。

2.1.1 几何类

在模型中，几何类主要分为点类和线类，其结构包含类标识码、空间数据、属性数据和操作方法。点类是对管线节点的空间数据和相关空间操作方法的抽象描述，其空间数据主要描述地理实体空间点位信息，如空间坐标（x,y,z）；其操作方法是对空间数据的基本操作和拓扑处理的描述，如创建、删除、移动点位和分析点与点、线的拓扑关系。线类是对管线的空间数据和相关空间操作方法的抽象描述，其空间数据主要描述地理实体的空间位置信息和形状，如(x1,y1,z1; x2,y2,z2;…;xn,yn,zn)；其操作方法是对空间数据的基本操作和拓扑处理的描述，如创建、删除、旋转线和分析线与点、线的拓扑关系。几何类中的方法是实现地理实体空间信息关联的关键，通过调用方法，可实现对地理实体的空间数据进行删除、移动、复制等基本操作和处理地理实体之间的拓扑关系。几何类的结构设计如表1所示。

表1 几何类结构设计

2.1.2 实体类

在模型中，实体类主要划分为管节点类和管线类，其结构包含类标识码、空间数据、属性数据和方法。管节点类是对管线节点的属性数据和相关分析函数、方法的抽象描述，其属性数据主要是描述跟管线节点有关的公共属性信息，如管节点类型、地面标高、是否压力已知等属性信息；其操作方法主要包含与管节点相关的公共操作、分析和函数，如寻找管节点所连管线、检测管节点是否泄漏等。管线类是对管线的属性数据和相关分析函数、方法的抽象描述，其属性数据是对跟管线相关的公共属性信息的抽象描述，如管线类型、管线材料等属性数据；其操作方法主要包含与管线相关的公共操作、分析和函数，如寻找管线所连管节点、计算管线内流量等。

2.2 模型中类的逻辑关系

在城市管网数据组织模型中，基类(BaseClass)可以派生出城市管网的其他子类，如图 2所示。点类(CPoint)和管节点类 (CPipeNode)共同派生出阀门类（Class Valve）、水塔类（Class WaterTower）、泵站类（Class Pump）等子类。线类 (CLine)和管线类 (CPipe)共同派生出排水管线类 (Class DrainPipe)、供水管线类 (Class WaterPipe)、燃气管线类 (Class GasPipe)、供热管线类(ClassHeatPipe)、电力管线类(ClassPower-Line)和电信管线类 (ClassTeleLine)等子类。这些子类既继承了几何类 (C_Geo)的数据及方法，也继承了实体类 (C_Entity)的数据及方法，同时这些子类又可以有自己的数据和方法。另外，这些子类按一定方式聚合派生出一个新类--网类 (ClassNet)，如排水管网类(C_DPNet)即为网类的一种，它是由泵站类、阀门类及排水管线类等子类聚合而成。

图2 管网数据组织模型中类的逻辑结构

从图2可以看出，类与类之间有着紧密的联系，类的这种逻辑结构反映了现实世界中管网系统的真实模型，通过类的派生和继承实现地理实体之间的信息的传递和共享。

2.3 城市管网数据组织模型中对象和类之间关系

城市管网主要包括供水管网、排水管网、燃气管网、热力管网、电力管网和通信管网等。不同类型管网相互交织，空间分布错综复杂，各类管网之间相互独立、自成体系，同时，各类管网的管线和节点之间又存在着很多共同特性。在城市管网数据组织模型中，通过类实现了管网对象的相同属性和方法的概括和抽象，通过对象的继承实现了每个管网对象各自相关类的公共资源的共享。例如，阀门作为一个实体对象，是阀门类的实例化，它既继承了点类的所有数据结构和方法，如阀门中含有 (x,y,z)等空间位置信息和Move_Point(P)、Point_Point(P1,P2)等空间操作函数和拓扑分析函数，又继承了管节点类的所有数据结构和方法，如阀门中含有管节点类型、地面标高等属性信息和寻找管节点所连的管线 ()等分析函数。同时，阀门又有自身特有的数据和方法，如阀门中含有阀门类型、阀门开关状态等阀门特有的属性和开阀关阀分析等阀门特有的分析函数和方法。

3 基于对象的城市供水管网数据组织模型设计

本文以基于对象的城市管网数据组织模型的理论、设计方法为依据，以城市供水管网为例，探讨了基于对象的城市供水管网模型的数据组织方法和方案设计，详细设计如图3所示。

图3 城市供水管网的数据组织方案设计

基于对象的城市供水管网数据组织模型主要包含主管网、支管网等复杂对象和各类管节点、供水管线等简单对象，其中，主管网和支管网是由各类管节点和供水管线组合而成，管节点具体包括水厂、阀门、泵站和用户水表等简单对象。各类管节点对象既继承点类和管节点类的数据和方法，又有自己的数据和方法；供水管线既继承线类和管线类的数据和方法，又有自己的数据和方法，在图 3中重点描述了各对象特有的数据和方法。模型中，所有的数据和方法通过对象来实现，各对象间的联系和各种不同分析可通过调用各自类的操作方法来实现。

4 结 语

本文从认知的角度出发，将面向对象的思想应用于城市管网数据的组织和管理中，提出了基于对象的管网数据组织模型。该模型不仅实现了空间数据和属性数据统一存储，而且将数据与方法绑定在一起，统一封装为管网对象，实现对复杂、海量的城市管网信息的描述、表达、存储与管理。基于该模型的数据组织模式，改变了传统的空间数据和属性数据的管理方式，为今后城市管网信息化建设和城市管网信息共享提供一种新的思路。

[1] 邬应忠,于立国.城市地下管网信息系统研究[J].测绘通报, 2006(12):60-62

[2] 武文波,向怀坤.城市地下管网管理信息系统研究[J].阜新矿业学院学报：自然科学版，1997,16(3):314-316

[3] 史惠春,雷伟刚.城市地下管网信息系统研发实践[J].海洋测绘,2003,23(2):24-28

[4] 陈影.城市地下综合管网地理信息系统设计与开发[J].地理空间信息,2007,5(2):53-55

[5] 谢琦,赵红丹.一种面向对象GIS数据模型的研究[J].计算机工程与应用,2007,43(25):224-226

[6] 冯玉林,黄涛.对象技术导论[M].北京:科学出版社,1998

[7] 李景文.面向对象空间实体矢量模型及其应用研究[D].北京:中国地质大学(北京),2007

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

项目来源：国家自然科学基金资助项目 (40574002)；广西自然科学基金资助项目 (0832250)；广西科学研究与技术开发计划资助项目 (0992030-1)。

P208

B

1672-4623(2010)02-0127-03

程小凯，硕士，从事城市信息化方面的研究。