农村供水工程辅助设计系统研究

杨成杰，李孟奇，刘雪梅(.华北水利水电大学 资源与环境学院，郑州 4500；. 汝阳县水利水保技术推广站，河南 洛阳 4700)

0 引 言

农村供水工程是为了满足农村人民的生活和生产活动过程中对水在量和质两个方面的需求，包括规划、设计和运行管理3个阶段[1]。同城市相比，农村居民点受自然因素影响大，布局分散，农村供水工程具有数量众多、供水区域较大、供水管线较长且落差大的特点，在此情况下，一个使整个供水系统运行可靠性最高、维修量最小的合理管网设计方案就显得极为必要[2]。

随着信息技术在水利行业应用的深入，传统的供水工程设计方法复杂而繁琐，效率低下的缺陷日渐突出，设计后的成果，图形与属性完全分离，对后续设计方案的调整、管材统计、工程预算、项目管理均不能提供直接支持，难以满足信息化条件下设计工作升级换代的需求。将最新的信息化技术应用到农村供水管网设计与管理中已势在必行[3]。

1 供水管网信息系统设计分析

1.1 二次开发方式

目前工程领域，常基于商业化的计算机辅助设计(Computer Aided Design, 简称CAD)或地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)软件进行专业图形系统的开发。这种方式不必考虑复杂的底层算法，繁琐的交互操作，只关注与专业相关的分析和计算，可快速研发出解决特定问题的软件产品。然而，由于必须借助于成熟的商业系统，二次开发的信息系统在实际应用中存在以下几个问题：

(1)CAD系统专注于工程制图，没有空间数据库支持，在属性数据的管理方面存在局限性，所开发的软件除绘图外的大部分工作还需要人工参与，难以进行自动化的分析与计算。

(2)基于GIS开发的系统，通过与GIS的集成，使管网图形库、属性数据库及外部数据库融为一体，高效准确，且易于动态更新，大大提高了管网管理工作的效率和质量[4]。然而，GIS系统的数据模型、管理方式以及分析方法主要针对地理空间，图形的精度以及绝大部分专业功能不能满足设计行业需求。

(3)开发的软件产品不能脱离商业平台独立运行，大范围推广应用需要投入巨额资金。

1.2 自主研发方式

随着软件开发技术的快速发展，针对农村供水工程的行业特点，开发一套适合中国国情，具有自主知识产权，满足供水管网设计流程且支持属性与空间数据一体化管理的图形系统，将是“数字水利”领域相关理论在农田水利实际生产中的典型应用。这种模式研发的系统具有以下特点：

(1)较强的灵活性。灵活性是从底层开发图形系统的最大特点，因为系统所有流程和数据都在设计者的控制之下，设计的系统短小精悍，软硬件要求低，运行速度快，在专业系统开发时具有无可比拟的优势。

(2)拥有系统版权。开发者拥有完全自主知识产权的底层技术，可为不同领域特定要求提供定制产品，并且易于扩展和升级，特别适合行业内的大规模推广应用。

(3)满足个性化需求。能够根据用户的个性化需求，方便地添加新功能，满足相同专业背景下不同应用人群的差异性需求，实现信息化与专业的完美结合。

目前市场上成熟的CAD、GIS软件种类较多，这些产品各有特点，经过考察和对比国内外具有代表性的相关软件，针对我国农村供水工程的行业特点，最终选择从底层自主研发的方式，开发了HotMap供水管网辅助设计系统。

2 HotMap供水管网辅助设计系统

HotMap是一套将计算机技术与乡镇供水理论相结合研发的可视化管网辅助设计系统，具有自主研发的几何内核， 在与主流CAD软件高度兼容的前提下，将CAD精准制图和GIS强大的属性管理在一个平台上完美融合，满足了新一代CAD系统自动化、智能化需求。具有完善的数据交换、快捷的图形绘制、强大的图形编辑、灵活的属性管理以及较强的专业分析功能。

2.1 系统框架

为兼顾效率与易用性，系统底层的数学库、算法库、几何库、图形渲染库、空间分析库、数据访问引擎等模块全部采用C++语言编码；中间层用C++/CLI语言封装成组件库和控件库，以便用户随时进行系统的升级和定制；应用层采用.Net语言开发的插件进行功能扩展。系统架构如图1所示。

2.2 数据模型

模型是用来表示实际的或抽象的实体对象。建立模型的几何描述是对被处理对象进行设计、分析、模拟和研究的基础。数据模型是一组实体以及它们之间关系的一般性描述，是真实世界的一个抽象[5,6]。如图2所示，在HotMap中模型依据复杂程度抽象为点、线、面、体四种基本类型：点模型表示对点状实体的抽象，可以具体指一个点状地物、高程点、注记等；线模型用来表达管线、道路、河流、地形线、区域边界等两点之间的地理信息；面状模型的边界由具有方向的封闭曲线组成，如不同的地块、土壤不同的类型，居民点等；体模型由有向封闭的面包络为边界，如系统中的管道、地层、构造物等模型[7,8]。

图1 系统架构Fig.1 The system architecture

图2 基本几何模型Fig.2 Basic geometric model

2.3 主要功能模块

参考设计人员的工作习惯，并遵循文献[1]中农村供水工程设计的业务流程，将系统主要功能划分为数据前处理、管网设计、成果输出3个部分：

(1)前处理阶段：设计人员可以在可视化状态下根据导入的测量数据，快速地绘制管网并赋予管网各种属性信息；

(2)系统设计阶段：基于绘制的管网插入管网节点并构建拓扑关系，设置和修改管网计算参数并进行管网水力计算，根据管网水力计算的结果确定有关技术参数，得到最优设计方案；

(3)成果输出阶段：基于设计好的管网快速导出管径计算图、水压计算图、平面布置图、纵断面图等各种设计图表成果。

系统主要功能模块如图3 所示。

3 基于HotMap的农村供水管网设计流程

3.1 绘制管网

绘制管网是供水设计内业流程中的第一个步骤，为了满足供水管网的需求，HotMap二维系统实现了除点、线、面、文字等常规几何对象的绘制、编辑外，系统还增加了节点、阀门井、测量点等特殊对象。用户可通过系统提供的数据导入功能与测量设备直接连接，导入测量点数据，然后基于测量点数据，利用系统的图形绘制、对象编辑等功能绘制管网；也可以通过数据交互功能将AutoCAD绘制好的管网通过DXF文件导入到系统中。系统绘制的管网如图4所示。

3.2 智能构建拓扑

正确的拓扑关系是管网水力计算的保障，系统用“节点”来标示管线的拓扑关系，节点在系统中作为一种特殊的点对象，除包含点模型的几何信息和属性信息外还增加了流入和流出两种水流方向，用于标示管网中流量的变化。当没有流入只有流出时，该节点为根节点；当只有流入没有流出时，该节点为叶子节点；当有流入也有流出时，该节点为中间节点。

通过节点可实现智能管网拓扑构建及拓扑检查功能，用户插入管网节点时系统自动为每个节点编码并将与之相关的管线添加节点信息；节点增加、删除时，与之相关的管线节点信息也会随之变化；节点插入完成后，利用系统的拓扑检查功能验证管网拓扑的正确性，如果有错只需根据提示信息重新调整即可，直至管网拓扑完全正确。拓扑检查如图5所示。

图3 系统功能框图Fig.3 Diagram of the system functions

图4 管网绘制Fig.4 Piping drawing

图5 管网节点Fig.5 Piping nodes

3.3 自动水力计算

水力计算是整个设计流程中最重要的环节，需要的参数比较多，供助与系统强大的属性与空间数据一体化管理功能，影响水力计算的管长、节点高程等几何信息可以直接从图形系统中获取，但人均用水量等指标与当地的人口自然增长率，管网的设计年限以及所在区域的供水量标准等因素有直接的关系，计算起来比较复杂且需要重复验证。为解决这个问题，系统采用属性表来管理管线的属性信息及水力计算结果，并提供多种属性输入模式，用户只需设置计算参数，系统能够自动进行人均用水量、设计管径、水头损失等管网水力计算，计算结果能够直观反映在设计图上，真正意义上实现管网方案调整与水力计算的联动。水力计算设置如图6、图7所示。

图6 水力计算参数Fig.6 Hydraulic calculation parameters

图7 水力计算结果Fig.7 Hydraulic calculation results

3.4 设计方案检测

经过水力计算设计好的管网是否合理，还需要通过检测功能进行检测，系统采用“最不利管道”的方法来对设计方案进行检查。以树状供水工程为例，其计算过程如图8所示：从叶子节点开始计算每一个父节点下最大供水压力，递归这个过程直至根节点，最终开成一个从根节点到某个叶子节点的“最不利管道”。

图8中，每条支管水压线的计算公式为：

图8 最大供水压力计算Fig.8 The maximum water pressure calculation

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

H=max(h1,h2,…,hn) (2)

式中：h为每条支管需满足的供水压力水头，m；hf为水管沿程水头损失，m；hz为水管局部水头损失，m；z1为出水口地面高程，m；z2为出水口要求压力水头，m；n为每个节点的分支管路数目；H为节点下最大压力水头。

方案检测可以检测某一个节点所处的主管道上任意节点的水压是否满足需求，如果全部满足说明该方案设计合理，否则需要用户自行调整管道的管径，重新进行水力计算后并再次检测，重复这个过程直至方案合理。如图9所示，方案检测功能每次会自动计算出整个管网中最不利的一条管道，并进行高亮显示。

图9 设计方案检测Fig.9 Design scheme testing

3.5 设计成果输出

工程图纸是规划、设计与生产过程的主要技术文件，自动化图纸输出功能能够极大减少设计人员的工作量。系统根据水力计算结果，通过ActiveX将计算好的成果直接输出到Word、Excel、AutoCAD等环境中，实现水力计算表、管径计算图、水压计算图、平面布置图、纵断面图等专业图表的自动编绘。这种方式既满足了用户对设计数据格式的需求，又保证图纸与水力计算结果的联动统一，方便数据维护更新。管网设计成果输出如图10所示。

3.6 三维可视化

随着三维可视化技术在水利行业中的广泛应用，人们已经不仅仅满足于一般的工程场景浏览，对系统的图形、声音、控制等有了更高的要求。用户希望在友好的可视化人机界面交互下，像玩游戏一样来控制三维场景，实现驾驭式可视化，直接在三维环境中完成工程规划、设计、施工模拟、空间分析等工作[9]。采用三维可视化技术将项目区地形、地物、管线、工程设施等要素进行建模，转化为具有三维交互特征的动态场景，便于设计人员对设计方案进行检查和对比，及时发现并改进设计中存在的问题[10]。HotMap三维系统实现的管网及地形可视化效果如图11、图12所示。

4 结 语

我国是世界上淡水资源匮乏国家之一，北方地区缺水现象尤甚，合理、可靠的设计对于保障农村饮水安全具有重要意义。结合我国水利行业特点，开发自主产权的管网辅助设计系统，需要较高的开发技术和很大的开发量，但成果完全符合国内设计标准，便于大规模应用。HotMap系统已经在河南省汝阳县几十个工程中进行了全流程的应用，事实证明，该系统具有较高的可靠性和经济性，经过进一步完善可推广到其他相关领域。

图10 设计成果输出Fig.10 Design output

图11 管网三维浏览Fig.11 Piping 3D browsing

图12 管网布置分析Fig.12 Piping layout analysis

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[1] 鲁 刚. 新编农村供水工程规划设计手册(第一卷)[M]. 北京：中国水利水电出版社,2006.

[2] 林佳平,刘俊萍. 基于GIS 的农村人饮供水管网信息系统设计[J].人民黄河,2013,35(4):58-60.

[3] 张 峰.丘陵山区重力式村镇供水管网优化及安全调控研究[D].山东泰安:山东农业大学, 2010.

[4] 潘少奇,张雪峰,李亚婷. 基于GIS的供水管网爆管分析[J].管道技术与设备,2008,(4):7-8.

[5] 张山山,边馥苓.地理信息系统数据模型分析[J].测绘通报,2004,(8):18-24.

[6] 李清泉,李德仁.三维空间数据模型集成的概念框架研究[J].测绘学报,1998,27(4):325-330.

[7] 李清泉,杨必胜,史文中,等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉:武汉大学出版社,2003,12:109-111.

[8] 王英杰,袁勘省,余卓渊.多维动态地学信息可视化[M].北京：科学出版社,2003,10:95-97.

[9] 杨成杰,田宜平,吴冲龙,等.三维引擎在水利水电可视化中的应用[J].中国农村水利水电,2010,(4):151-154.

[10] 刘 波,李大军,阮 见,等．基于ArcEngine 的供水管网三维模块的设计与实现[J]．测绘科学, 2010,35(6):236-237．