规则驱动的城市地下管网智能化设计

谢亚坤，杨 骏，冯德俊，张 珩，李 强

（1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756；2. 西昌学院 土木与水利工程学院，四川 西昌 615000）

0 引 言

市政管线的综合设计是一项规范性极强的工作，在此领域国家颁布了一系列的设计规范，如《城市工程管线综合规划规范》[1]《管线信息系统建设技术规范》[2]《管线测绘技术规程》等[3]（以下简称规范），需要遵循上述《规范》对城市道路地下管线进行综合规划，实现市政管线的综合设计。但是在实际工作中，《规范》只是给出一个设计参考而并没有详细具体的规定。如《规范》中给水与电力管线最小水平间距为0.5 m，在实际设计中往往只要求两者水平间距大于0.5 m即可，并没有对水平间距给出上限。这就需要设计人员在遵循《规范》的前提下，运用已有的设计经验，协调管线之间及管线与附属设施之间的位置关系，统筹布置各管线的空间位置，解决管线在空间位置上的冲突问题[4]。另外，在实际工程中，很少是对某个城区或者街区进行整体设计，大多数是对道路某类管线的单独设计，如此则需要参照已有管线及附属设施位置，反复进行管线的协调设计，直至符合《规范》要求为止，反复的设计过程会使得设计者的工作量增大[5]。

本文采用的基于规则驱动的市政管线智能化设计方法，可以在完成管线设计的同时极大地减少设计者的工作量，其基本思路是首先分析市政管线综合设计中存在的各种矛盾及其深层次原因，寻找出相应的解决方案，并进一步归纳、总结，形成不同语义环境下的设计规则并构建相应的规则仓库。在此基础上，结合启发式设计实现道路中某类管线的单独设计或者部分区域管线的综合设计工作。

1 规则驱动的管网设计智能化方法

1.1 规则解析

规则是人们在不断实践中对所沉淀的认识和经验的总结，包括数据、信息、概念、约束、模式和规律等，可以概括地表达为概念及其之间的关系[6]。在城市地下管线设计行业的国家规范中就存在着大量的规则，这些规则从安全、节能、环保和卫生等方面对管网设施之间的空间关系和属性信息提出了明确的要求，约束着管线的设计。

以道路宽度作为语义，不同的道路宽度即为不同的语义环境，基于规则驱动的管线综合设计的首要任务就是对不同语义环境下的规则进行解析，即将已存在的不同道路宽度下管线设计的行业规范和相关领域的实际经验形式化地描述出来，作为地下管线智能化设计的基本依据[7]。依据《规范》以及实际设计经验，智能化管线布线规则可从以下3个方面进行解析：

1）空间规则，即管线各实体对象之间的空间拓扑关系。管线设计是指在城市道路有限的断面上合理布置各种专业管线，避免各管线在水平和竖向空间位置上的互相冲突[8]。规则的制定应满足《规范》中管线之间及管线与建（构）筑物之间最小水平净距、管线最小覆土深度及管线交叉时最小垂直净距等空间距离的约束，这是地下管线智能化设计规则制定的基本要求，属于强制性原则[9]。其标准应满足水平间距约束如式（1）和埋深约束如式（2）要求：

根据语义环境来确定调整参数d的值，道路宽度小于30 m时d取值为0.1 m，道路宽度大于等于30 m时d取值为0.2 m，若在某一语义环境下启发式管网设计不满足管线布设规范，则重新取值d=0.5d，直至符合管线设计规范要求。

2）分布规则，即管线在不同语义下相对于道路的位置分布及数量。如沿城市道路规划的工程管线应与道路中心线平行[10]；道路红线超过50 m的城市干道宜两侧布置给水、燃气、通信、电力和排水管线[11]。分布规则是在符合空间规则的前提下结合《规范》和实际施工经验制定的规则。

3）属性规则，即对于不同语义下的管线属性所制定的规则。主干路管线与分支路管线都有同类型管线，但不同道路类型下的同类型管线的管材及管径等属性信息不一定相同。不同语义下的管线规格应根据设计规则及施工人员经验制定。

结合以上三方面规则解析建立完整的空间数据规则。空间数据规则由空间规则、分布规则、属性规则三部分构成，空间数据规则通过空间位置和属性特征来进行表达，其中空间规则和分布规则表现为空间数据的空间位置，属性规则表现为空间数据的属性特征[12]。以解析所得的不同语义环境下雨水管线布线规则为例，见表1。

表1 不同语义环境下雨水管线布线规则解析Tab.1 Analysis of rainwater pipeline routing rules in different semantic environments

表1为通过解析空间规则、分布规则以及属性规则所得到的不同语义下管线布线规则，如32 m道路宽度下雨水管线只分布于道路右侧，用II级钢筋混凝土管DN（公称直径）值为800 mm，50 m道路宽度下道路左右两侧都要布置雨水管线，用II级钢筋混凝土管DN值分别为600 mm和800 mm。通过对上述方法扩展，将不同语义下的行业规范和实际经验映射为可执行的空间数据规则，为下一阶段智能化设计的实现奠定基础[13]。

1.2 综合布线数据库设计

综合布线数据库是将规则库与设计库相结合建立的管线布线综合数据库，其中规则库为解析的空间数据规则文件，设计库为经过预处理之后的道路信息数据库。

规则库设计是将上述解析的空间数据规则作为结构化规则文件表示，其中定义灵活、可读性强、支持规则表达是该规则文件的基础[14]。XML(可扩展标记语言)是一种用于标记电子文件使其具有结构性的语言，具有良好的数据存储格式、可扩展性、高度结构化等特点，普遍应用于数据交换和数据存储。本系统将采用XML文件格式来存储规则文件[15]。

系统中共定义了6级X M L标签，分别为PipelineAttribute（管线属性）、PipelineType（管线类型）、PipelineDistribution（管线方位）、RoadWidth（道路宽度）、RoadType（道路类型）、RuleFile（规则文件）：

1）PipelineAttribute为规则文件中的管线属性规则，包括管线材料、管径等所需布设管线的属性信息。

2）PipelineType为管线种类，包括雨水、污水、电力等管线类别。每类管线都有不同字段记录其不同的属性值，id记录其唯一编码，name表示其类型，diatance表示其与道路中线距离，各种管线属性信息通过PipelineAttribute标签直接定义。

3）PipelineDistribution是管线分布信息，表示管线在道路水平空间的分布。结合《规范》要求以及PipelineType中的distance属性可对其水平空间位置进行约束。

4）RoadWidth为RoadType中所包含的要素类别，同一道路类型下可能存在不同宽度的道路，id与width表示道路唯一类型。

5）RoadType为根据语义进行规则制定基础，根据城市道路等级规范对其进行划分。

6）RuleFile为规则文件的根标签，由不同的语义环境下的管线设计规范组成。

各级标签嵌套关系UML图如图1所示，通过XML文件表达不同语义下的空间数据规则，同时获取管线空间位置及属性特征[16]。由RoadType及RoadWidth标签获取规则文件中的不同语义，在获取的既定语义前提下，通过PipelineDistribution和PipelineType得到管线种类及空间位置信息，并在相应位置生成管线，对已生成的管线通过PipelineAttribute进行属性信息赋值。其部分规则内容见表2（表中null表示不需要布设管线）。同时以已有的XML规则文件为基础，规则库可以随时进行调整，对于有冲突位置则在保留规则库中原有规则的基础上，通过启发式调整进行管线设计，并将调整之后的规则保存为新的规则。用户亦可根据不同城市规划要求对规则库重新设计，如新增规则、变更属性等，提供灵活、弹性的规则文件。

图1 XML标签组合嵌套关系UML图Fig.1 XML label combination nested relationship UML diagram

表2 32 m道路地下管线布线规则说明表（部分）Tab.2 32 m road underground pipeline routing rules description table(partial)

设计库是由CAD格式存储的已有市政规划数据经数据转换为单图层shp文件而建立的数据库，包括道路中线、道路红线、高程数据、已有管线及其他附属设施，并通过对shp文件进一步处理完善设计库。结合规则库与设计库共同实现管线综合布线数据库的设计，其E-R图如图2所示。

图2 综合布线数据库E-R图Fig.2 E-R diagram of integrated routing database

1.3 启发式管网综合设计原理

传统的管网设计是人工干预程度极高的过程，在这个过程中，设计人员根据设计需求并按照《规范》标准通过“设计-调整-再设计-再调整”这样一个反复的过程实现管网设计。而这个过程，也正是一个运用规则对设计环境进行“认识-实践-再认识-再实践”的启发式过程。

所谓启发式规则设计的工作原理如图3所示，是对管线设计行业规范和施工经验的获取，将这些规范经验以某种方式输入计算机，作为规则的设计需求存储。根据语义将获取的设计经验转化为一系列的规则，储存在规则库中。结合规则与基础数据通过启发式设计建立规则模型，同时对规则库进行访问，将设计结果与输入计算机内的规则库进行对比，如果发现有悖于规则库中的规则，便通过启发式调整进一步进行设计并构建新的规则模型，直至形成符合规则的模型，完成之后进行确认并反馈设计结果作为启发式新规则添加进入规则库。这样基础数据与规则库之间便形成了一个相互促进，相互集成的环境，不断地为各类用户提供理想的设计方案[17]。

图3 启发式规则设计原理Fig.3 The principle of heuristic rule design

2 智能化系统设计

根据上述基于规则驱动的地下管线智能化设计方法，本文设计开发了规则驱动下的城市地下管线智能化设计软件。首先根据设计需求来完成智能化设计功能分析，然后根据已有的管线行业规范和设计及施工人员经验建立规则库，最后结合功能分析与规则库来实现智能化布线软件的开发[18]。根据需求调研，智能化布线系统功能设计主要包括数据转换、规则设计及编辑、平面布线、符号化4个部分，如图4所示。

图4 系统功能设计Fig.4 System function design

规则设计及编辑是其中的重点，规则设计基于《规范》以及实际经验实现。两者相互结合实现不同语义下管线布线的规则解析与规则库建立，对规则的设计以及编辑是能否实现智能化设计的重要指标。在建立规则的同时利用已有设计库中的内容实现重力管线的流向自动化标注，并根据城市管线符号要求制作符号，实现管线及标注的符号化。

根据完成的系统功能需求分析以及数据库进行系统设计，其主要流程图如图5所示。

图5 智能化布线流程图Fig.5 Intelligent routing fl ow chart

3 实 例

根据以上研究成果，在Visual C#.NET开发环境下，基于ESRI ArcGIS Engine成功实现了地下管线智能化设计软件开发，并对某地级市进行了管线综合设计，该市城区面积达21.3 km2，市内地形起伏明显，道路类型多样，设计包括对新城区的管线综合设计以及老城区管线改造设计。对该市地下管线智能化设计可以直接通过CAD数据格式的道路信息实现，并将规划后数据以两种方式进行出图保存：一种是保存为CAD数据格式，另一种是保存为shp文件格式。

实例1为对某区域管线进行整体设计，图6为某地级市设计库中所获取道路数据，图6中包括多种语义环境下的道路管线设计，根据其不同道路宽度调用不同的规则完成对该区域道路智能化布线。经符号化的成果图如图7所示，图8为图6、图7中红色框选部分设计管线的细节展示。从图中可以看出，该方法基于规则库完整地实现了选定区域内的整体管线智能化布线。

图6 设计库中道路数据Fig.6 Road data in the designdatabase

图7 区域道路智能化设计成果Fig.7 Intelligent design results of the regional roads

图8 框选部分管线布线成果Fig.8 Box selection part of pipeline routing results

实例2为道路某类管线的单独设计，经读取该道路宽度为31 m，且已知道路两侧已存在电力管线和雨水污水管线，其中电力管线距离道路边线为1.2 m，雨水污水管线距离道路边线为10 m。选取32 m道路宽度管线设计规则作为布线规则，如图9所示，图9为规则库中已有布线规则道路管线断面图。对其进行管线设计时返回以下冲突：①道路两侧已存在电力管线、雨水管线、污水管线；②设计后的电力管线与给水管线间距应小于《规范》中最小值0.5 m。根据启发式规则设计做如下调整，首先删除32 m规则库中的电力、雨水和污水管线，其次根据式（1）对电力管线进行水平间距约束调整，为电力与给水管线最小间距为0.5 m，若根据已有规则进行管线设计，电力与给水管线间距为0.4 m，不符合管线间距规范，则需要对规则进行启发式调整。由于道路宽度大于30 m，d取值0.2 m，经启发式调整，使得给水管线向道路中线方向移动0.2 m，此时电力与给水管线间距为0.6 m，符合规范，完成管线规划设计，并将此规则加入规则库，其流程如图10所示。图11为启发调整后道路管线设计成果图，图12为道路管线启发式调整后横断面图。从成果图中可以看出当对道路进行部分管线布设时也可以在保证《规范》的前提下自动计算出管线最佳位置。

图9 规则库中道路管线断面图Fig.9 Section view of road pipeline in rule base

图10 启发式布线流程Fig.10 A heuristic routing process

图1 1 启发调整后道路管线设计成果图Fig.11 Road pipeline design results after heuristic adjustment

图12 启发式调整后道路管线断面图Fig.12 Road pipeline section view after heuristic adjustment

4 结束语

本文通过对城市地下管线设计规范及实际经验的深入分析，建立了不同语义环境下地下管线智能化设计规则库，设计管线的符号化显示，重力管流向的自动化标注，实现了城市地下管线的智能化设计。该方法可以根据设计需求不同而编辑不同的规则，不用修改程序逻辑结构便可以实现不同语义环境下城市整体区域或道路部分管线的智能化设计。运用这种方法对某地级市地下管线进行了综合设计，证明这种基于规则驱动的地下管线智能化设计系统是切实可行的。随着城市化进程的飞速发展，管线间的关系变化进一步复杂，新材料、新技术的应用也不断更新，为保证系统的有效、准确，下一步应从规则库中知识与规则的完善与三维管线设计方面进一步完善地下管线智能化设计系统。