基于GIS的燃气停气智能预测分析及应用

王重阳 马兆俊 霍思慧 帅艳民

（1．沈阳燃气有限公司，辽宁 沈阳 110000；2．辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

燃气安全关系到千家万户，还体现了燃气企业的管理水平。沈阳的新城区是基于新理念规划打造的，但是目前老城区仍然是人口密集居住区。随着运营年限的増加，部分燃气管线出现了老化现象。提高老城区气化水平、保障供气安全成为燃气供应企业必须面对和解决的问题[1]。除了需要了解和提高管道系统运行的可靠性、减少故障的发生以及延长管道系统的使用寿命，还应该逐步抽换老旧管线。为了保障安全，在管改及新设等燃气工程施工前，需要进行停气预测。由于公司以往的预测方式是在地理信息系统（GIS）软件中采用人眼识别、分析和判断的方法对错综复杂的海量管网数据进行逐条预测，因此难以避免出现漏看或误判的情况，从而导致预测结果存在误差。且预测过于依赖预测人员的个人经验，出具的预测报告尚无统一的标准。改进上述不足、降低工作强度以及提升效率和准确性已经成为亟待解决的问题。

鉴于GIS强大的空间分析和网络分析功能，通过梳理停气预测工作所涉及的空间和属性数据特点，构建停气预测数据库。对现有的ARCGIS平台进行二次开发，通过程序自动进行停气预测分析，并生成停气预测图及报告的新工作模式，为施工提供了重要的生产依据。使该工作更规范，避免了出现理解偏差。新预测模式有助于维护燃气管网数据的现势性，便于统计和溯源；减轻了劳动强度，提升了工作效率和科学性，可以取得较高的经济效益，在行业中具有很大的推广价值。

1 研究范围

沈阳市是辽宁省的省会，位于中国东北地区南部，是东北地区最大的中心城市。以沈阳燃气公司为例，研究区涵盖了由沈阳市和平区、沈河区、皇姑区、大东区、铁西区、于洪区、沈北新区、浑南区、新民、法库以及苏家屯区构成的城区。燃气GIS数据库中包括多级别管网及附属设施数据，例如高压A/B、次高压A/B、中压A/B、低压管网、门站、调压站以及进户等[2-3]。其中低压管网分布密集，且直达终端用户，是服务广大市民的重要供气管道，因此管网的安全运行极其重要。

2 研究方法

停气预测工作是燃气企业安全生产的重要组成部分，考虑到GIS强大的空间分析和网络分析能力，对停气预测的传统工作模式进行重新梳理与改进优化，提取关键环节，并结合燃气管网现状，构建停气预测数据库。该文提出了基于几何网络分析及爆管分析的原理和接口，对现有的ARCGIS DESKTOP进行二次开发，实现停气预测智能分析的创新工作模式，新模式的技术实现如图1所示。经过功能测试，该模式投入了企业的生产运营，实现了分析过程的“自动化”和输出成果的规范化。

2.1 几何网络

Geodatabase是面向对象的第三代地理数据模型，通过赋予其自然行为及拓扑规则，可以使GIS数据集中的特征更加智能化，其实质是建立在DBMS基础上统一的智能化的空间数据库。Geodatabase 使用线性网络来描述城市管网等地理网络模型，以几何网络和逻辑网络来表示1个线性系统，几何网络将地理空间抽象成几何对象的集合[4]。几何网络分析建立在点、线元素的基础上，以有向的拓扑方式相互连接，通过交汇点实现边与边的传递，可以进行连通、追溯等分析[5]。一个网络可以由多个要素组成，例如在燃气系统中，可以由中高压管线、低压管线以及调压站等构成一个网络，在GIS中表现为由一系列相互连通的点和线组成，用来表达水、电和气等空间几何特征和资源的流动特性，因此这种包括线要素和点要素的网络被称为几何网络。应用ArcGIS强大的几何网络分析功能，调取相应接口，可以满足燃气行业停气预测智能分析的需求。

2.2 模糊查询

在自动预测分析的过程中，工程名称和工程编号非常重要，其中，工程编号是空间数据关联的纽带。当输入工程编号后，相关掐头点和接头点就可以被自动检索出来。算法主要通过模糊查询实现，需要调用ARCGIS的IQueryFilter、IFeatureCursor、IFeature以及IFeatureClass等接口及专门用于属性查询的查询过滤器QueryFilterClass。通过WhereClause属性设置查询条件的Sql语句，这里要使用通配符LIKE，符号%可以代表0个或多个字符，例如：” DNAME LIKE ‘%” + this. DName.Text + “%’”，即查找含有输入信息相关的工程。

图1 技术实现图

2.3 流向判断

在燃气网络中，由于气体的流动具有流向，因此需要从掐头点开始沿着低压管网追溯到运行的调压站，要知道网络中的源头以及能追溯到的调压站的开关状态，从而判断气源的来向，进而得出正确的预测及建筑物的影响区域。根据掐头点和接头点所在低压管线的位置，判断其气源的来向。首先，获取该管线起点和终点坐标，再计算出与X轴正方向的夹角值[6]，可以通过自定义函数来实现；其次，需要判断起点和终点是否为同一点，通过设定容差值dataTolerance，利用X、Y坐标差与容差值进行判断，例如（Math.Abs（pt1.X - pt2.X） ＜= dataTolerance && Math.Abs（pt2.Y - pt2.Y） ＜= dataTolerance）；再次，排除相同点，再通过角度计算判断流向。角度计算需要用到反正切函数 Math.atan()，具体实现可用（180 * Math.Atan（f）） / π得到角度，其中f值可以通过低压管线两端点的X、Y坐标求得，例如f=Math.Abs（（pt2.Y - pt1.Y） / （pt2.X - pt1.X））；最后，将角度与设定好的角度规则进行判断，确定气源的来向。

2.4 影响区域分析

影响区域建筑物的提取分为掐头影响区域提取和接头影响区域提取，需要对断管后的低压管网的连通性进行判断，确定每条低压管线所带的进户，通过进户点在一定缓冲区范围确定受影响的建筑物。代码实现需要先设定缓冲区大小常量，例如double Dist= 4，根据选中的要素wGeometry和设定好的Dist常量，调用ARCGIS接口构建缓冲区，代码如下：pTopologicalOperator = wGeometry as ITopologicalOperator; wGeometry = pTopologicalOperator.Buffer（Dist）。判断空间关系，用ISpatialFilter接口进行空间关系查询时，需要使用esriSpatialRelEnum枚举类型。esriSpatialRelContains（包括）、esriSpatialRelWithin（包括于）等9个关系是分别从几何体的内部、边界和外部来区分的，所有的几何体之间的拓扑关系都是由这9个关系组成的。通过IFeatureSelection接口构建选择集对象，并使用SelectionColor方法指定影响建筑物的颜色，最终显示出受影响的建筑物。

2.5 预测报告生成

停气预测报告的生成，主要包括掐头预测报告和接头预测报告，关键环节在于提取管网信息和输出格式，输出文件主要以Microsoft Excel （*.xls）格式导出。主要属性信息提取自数据面状图层中录入环节的“停气预测”面。输出预测图需要用到布局视图，开发中需要用到ArcGIS 的IPageLayout、IGxMapPageLayout、IMxDocument和IElement等接口。图面显示过程的关键在于按照编号对同一区域不同预测点影响范围的显示状态进行控制。可以利用DeleteElement和Reset方法清空上一次输出留下的图形，避免出现同一张图上预测区域显示的堆叠和交错，从而造成理解上的混淆。

3 应用与分析

在应用过程中，首先由规划设计部门出具施工图/竣工图，按地址和编号录入停气预测面。对照图纸中的“大样图”添加掐头点和接头点，问题点用于标明需要现场试气和反馈的管线。根据图纸编号完善各要素的属性信息。预测过程根据该图纸编号锁定预测涉及的掐头和接头点，结合线状低压管网和调压站的供气情况，自动分析提取管线掐接过程中供气受到影响的建筑物，并标识出低压管线的改造方式，最终生成预测图（如图2所示）。导出对应的掐头和接头报告，报告中详细体现了施工单位需求的掐接点气源来向以及低压管线的长度、管径和影像区域的建筑物编号等信息；以掐头报告为例（见表1），该报告是施工中的必要环节，与传统“人工模式”相比，采用GIS程序预测的新模式可以自动完成分析过程，大大降低了工作强度，避免出现理解上的偏差，为安全施工提供了重要保障。

4 结语

通过GIS强大的管网分析功能，结合日益完善的管网数据，采用程序自动分析，克服了人眼搜索识别难度大及对海量数据的频繁操作的问题，在提高效率的同时，还提升了分析的准确性。在预测分析过程中，虽然程序不能自动处理错误的数据，但是程序可以及时发现停气预测区管网数据中不易被肉眼识别的“问题”数据，有助于及时发现错误，将问题快速反馈到公司测绘部门进行修正，增强了公司管网数据的现势性，从而提升了管网数据的质量。新模式减少了重复工作，分析过程更加客观，还实现了管网分析的“自动化”和处理过程及预测结果的准确性和规范化，对公司安全生产和行业应用的推广都有十分重要的意义。

图2 停气预测自动分析及结果示意图

表1 低压管线改造、并网停气范围预测废线报告表