基于WebGIS的给水管线爆管关阀研究

杜泽欣，李宏伟，周 海，连世伟，马雷雷

（1.信息工程大学 地理空间信息学院,河南 郑州 450000）

基于WebGIS的给水管线爆管关阀研究

杜泽欣1，李宏伟1，周 海1，连世伟1，马雷雷1

（1.信息工程大学 地理空间信息学院,河南 郑州 450000）

针对目前给水管线发生爆管事故后的信息上报不及时、关阀响应慢等问题，设计了基于流向的管网数据模型和几何网络模型，利用WebGIS技术，建立了爆管事故关阀及影响区域分析B/S架构系统。实验表明，在爆管事故发生后，该系统能准确地分析爆管信息，实现快速关阀，有效提高爆管事故后的响应速度，降低爆管事故造成的经济损失，提高供水企业的现代化管理水平。

WebGIS；ArcGIS Server；爆管；关阀分析；影响区域

随着城市现代化的高速发展，作为城市基础设施的重要组成部分，城市地下管线的规模也逐渐扩大[1]。然而，早期建成的地下管线逐步进入事故多发阶段，地下管线爆管事故频发，严重影响人们的日常生活，并造成资源的极大浪费。虽然地下管网爆管的应急抢修投入了大量的人力物力，但由于对地下管网信息管理的滞后，爆管信息不能及时上报，制定的关阀方案失效时不能快速通知抢修人员二次关阀方案等原因，使得爆管应急抢修工作不能做到及时有效[2,3]。

针对以上问题，本文提出了基于WebGIS的爆管关阀方案[4]。利用空间信息技术，结合ArcGIS Server和Android技术，以地下管线和城市基础数据为基础，建立了爆管事故关阀及影响区域分析B/S架构系统，实现爆管后快速定位、爆管分析自动化或半自动化、准确生成影响区域，达到爆管后快速响应、减少经济损失、降低事故风险的目的[5]。

1 关阀流程

关阀流程如图1所示。

图1 关阀流程图

1）发生爆管后，应急管理人员根据上报的爆管位置在网页端的地图上标注爆管位置，该位置也可由巡查人员使用手持巡查系统远程标注，实现快速精确的爆管定位。

2）标注爆管位置后，将分析命令传给ArcGIS Server服务器端，由SOE扩展服务进行分析，并返回待关阀门信息。

3）关阀人员根据待关阀门信息到达现场后判断阀门是否可以正常关闭，若阀门无法关闭，返回服务器端继续分析，直到得到可用结果。由于本文中爆管分析的功能是在Web端以服务的形式提供的，抢修人员也可以配备移动设备，在现场进行实时分析。当发现初次爆管分析的待关阀门无法使用时，可以马上进行二次分析，直接得到下一个待关阀门，节省抢修人员与应急中心通信的时间。抢修人员还可以在移动设备上直接查看管线和阀门的属性，为抢修提供必要的信息支持。

4）确定可正常关闭阀门的信息后进行影响区域分析，根据结果对受影响用户进行通报并启动相应等级的应急预案。

2 数据模型

爆管分析是基于流向的几何网络分析[6]，进行分析前需要先将数据构建几何网络并设置流向。几何网络模型是由线和交汇点组成的，主要用于对具有流向的网络建模。其中线用于描述该网络模型中的线状要素，交汇点用于描述该网络模型中连接线的点状要素，线之间通过交汇点关联并传递资源。在地理数据库中，线和交汇点被称为网络要素，它们不仅具有其他要素所共有的特性，还具有特殊的附加行为，如线通过交汇点关联等。

ArcGIS提供3种流向设置方式，分别是With Digitized Direction、Against Digitized Direction、With Sources Sinks。数字化方向是管线普查时管线绘制的方向，地下管网一般呈树状或环状，按照国家和行业相关规定，管线测量时从起始点沿着一条管线逐个向与它相连的其他管线进行测量，所以按这种方式普查的管线其数字化方向必定是管线流向方向或管线流向反方向中的一种。本实验中采用的数据源是通过标准管线普查方法进行普查得到的，且普查时均是按管线内物质的流向进行测量，因此在研究时按With Digitized Direction方式设置管线流向。

流向设置的具体操作方法为：首先在ArcCatalog中将管线数据转换为几何网络，然后通过ArcGIS工具箱ArcToolbox下的Set Flow Direction工具对几何网络各个边设置流向。

3 关键技术

系统功能主要分为3部分。

3.1 爆管信息上报

采用ArcGIS为Android系统提供的GIS功能软件开发包ArcGIS API for Android实现巡查系统的爆管信息上报功能。

移动Android设备访问服务器发布的地图，通过GPS定位功能或者手动选点在地图上定位爆管位置。选择管线类型、填写必要备注并对现场拍照后将爆管信息通过WebService技术发送给服务器。

3.2 关阀分析

采用基于ArcGIS网络流向的分析方法，首先确定地下管线的流向，然后采用流向追踪法获取需要关闭的上游阀门。该方法直接调用ArcGIS Server已经封装好的接口和方法，代码量小，简单易懂，且不需要对整个网络进行遍历，运行效率高。具体流程如图2所示。

图2 关阀分析流程图

具体实现步骤如下：

1）定位爆管点。利用ESRI.ArcGIS.NetworkAnalysis. ITraceFlowSolverGEN接口的PutEdgeOrigins方法和PutJunctionOrigins方法标记爆管管线和管点。

2）通过管线类型过滤出阀门，利用ESRI.ArcGIS. NetworkAnalysis.INetElementBarriersGEN 接 口 的SetBarriers将阀门点设置为障碍点。

3）根据网络标记定位发生爆管的管线，运用ArcGIS Server提供的流向追踪接口ESRI.ArcGIS.NetworkAnalysis. ITraceFlowSolverGEN的FindFlowEndElements方法进行追踪，获取爆管点上游的直接阀门，判断其是否可用；若阀门失效，继续向“上游”搜索，直至找到可用阀门。

4）服务器将结果返回后，由客户端对管线点和管线进行渲染，在地图上以直观的线符号来表示管线流向，并以表格形式显示管线属性信息。

3.3 影响区域分析

根据爆管点位置或关阀位置，运用流向追踪接口ESRI.ArcGIS.NetworkAnalysis.ITraceFlowSolverGEN 的FindFlowElements方法进行追踪，沿流向方向找到下游所有管线点。通过对管线点的管线类型字段进行筛选，找出所有与受影响区域关联的管线点；应用ESRI. ArcGIS.Client.Tasks.Query方法，通过几何查询，进一步确定所有受影响的小区；再次应用几何查询功能，找到受影响区域内所有建筑物，并根据所得到建筑物信息计算出所有受影响住户数量。然后通过统计得到爆管事故所有受影响的小区数量和住户数量，将小区和建筑物进行渲染，用面状符号在地图上直观表示。

该功能在事故初期就将受影响区域的大小准确地计算出来，并直观表示在图上，根据影响大小启动不同级别的应急预案，使得应急处理更加有效。具体流程如图3所示。

图3 影响区域分析流程图

4 开发环境

系统使用Microsoft Visual Studio .NET作为开发工具，以ArcGIS Server 10.2作为服务器端开发平台，采用Silverlight + ArcGIS for Silverlight API作为Web客户端开发工具、 Android + ArcGIS API for Android作为移动端开发工具、SQL Server 2008+ ArcSDE for SQL Server为空间数据库管理系统。

ArcGIS Server是一个用于构建集中管理、支持多用户的企业级GIS应用平台。使用ArcGIS Server可以构建Web应用、Web服务以及其他运行在标准的.NET和J2EE Web服务器上的企业应用。ArcGIS Server支持SOE（server object extension）扩展，根据需求自定义服务，SOE是能够封装业务逻辑（自定义渲

染器、类扩展等）的特殊扩展方法。本功能通过ArcGIS Server提供地图服务，通过自行编写SOE实现分析功能。Silverlight是一个跨浏览器、跨平台的插件，使用ArcGIS for Silverlight API进行客户端开发，使爆管分析可以在网页上使用，方便抢修人员随时随地使用。ArcSDE是一种高效的空间数据库引擎，使用ArcSDE空间数据库引擎可以使每次分析时使用的数据都是最新的，分析结果更具时效性，能避免数据过时引发的错误。

5 系统实现

以洛阳市给水管网为例，假设该管网一管段于2014年某月某日发生爆管事故。事故发生后，由巡查人员上报事故发生位置，并在Web端标注显示，爆管点位置位于图4中“爆管点”所在位置，用空心“×”符号表示。经分析，待关阀门位置位于图4中“待关阀门”所在位置，用空心“☆”符号表示，并可进一步查看阀门详细信息[7]。受影响的小区在图4中用面状符号表示，受影响小区信息在图4中右下角处显示。

与传统关阀流程比较，本系统在爆管发生后事故上报阶段，使用移动Android设备上报爆管信息可以更加快速准确地确定爆管位置；在关阀分析过程中，可以给关阀人员提供便捷的关阀分析功能，若遇到待关阀门失效等情况，关阀人员还可以直接进行二次关阀分析，节省二次关阀的响应时间；阀门关闭后，可以精确计算受此次事故影响的用户范围，辅助应急措施的制定。

P208

B

1672-4623（2015）03-0104-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.037

2014-08-27。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41271392）；国家自然科学基金青年科学基金资助项目（41401463）。