CN107958104A - 由开源gis及数据库构建给水管网管理及水力模型方法 - Google Patents

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田梅
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Abstract

本发明属于市政工程给水管网信息技术领域，为为克服现有技术的不足，本发明旨在提出构建给水管网模型的方法，体系结构简洁、性能良好、成本低廉。本发明采用的技术方案是，由开源GIS及数据库构建给水管网管理及水力模型方法，步骤如下：(1)对给水管网所必需具备的管段、节点、水库图层，合理设计其属性字段；(2)采用开源的QGIS(Quantum GIS)桌面软件管理给水管网数据、地图，实现数据的录入、编辑功能，查询、统计功能；(3)采用开源的PostGIS地理数据库存储给水管网数据；(4)向EPANET输入文件的转换；(5)进行水力模拟、计算。本发明主要应用于市政工程给水管网信息处理场合。

Description

由开源GIS及数据库构建给水管网管理及水力模型方法
技术领域
本发明属于市政工程给水管网信息技术领域，具体来说是一种基于开源GIS及开源数据库技术构建给水管网管理***及水力模型的方法。
背景技术
地下管线的数据量极大，以往基于纸质图纸、文档进行管理，维护比较复杂、效率低下。随着我国信息化程度的不断加深，基于计算机技术的先进管理手段不断引入到各行各业中。例如，基于GIS(Geographic Information System，地理信息***)的管理***，已经应用到市政管线的各个方面，例如供水管网、再生水管网、城市燃气管网等。
我国不少城市建立的GIS给水管网管理***基于商业软件，例如美国ESRI公司(Environmental Systems Research Institute，美国环境***研究所)的系列软件，武汉中地数码集团开发的基础平台及供水管网管理***模块。尽管这些商业软件功能强大，但在给水管网中有较多的功能往往用不到，且成本高昂，动则数十万元，不但一次性采购费用较高，升级、维护也要不断投入大量资金。与此同时，在注重知识产权保护的欧美国家，不少企事业单位逐渐采用开源GIS软件构建自己的管理***，也取得了较好的效果。在我国，开源GIS软件在给水管网领域应用较少，其应用思路和具体方法也不够清晰。随着开源GIS软件的发展与完善，以及国家对知识产权保护的日益重视，这将成为值得研究的一个发展方向。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出。本发明采用的技术方案是，由开源GIS及数据库构建给水管网管理及水力模型方法，步骤如下：
(1)对给水管网所必需具备的管段、节点、水库图层，合理设计其属性字段，以满足将来建立水力模型进行水力计算的需要；
(2)采用开源的QGIS(Quantum GIS)桌面软件管理给水管网数据、地图，实现数据的录入、编辑功能，查询、统计功能，并访问PostGIS地理数据库；
(3)采用开源的PostGIS地理数据库存储给水管网数据，并实现多用户协同编辑，实现多用户同时编辑、由在线数据库转换成离线数据库、离线数据库同步；
(4)采用QGIS的插件Ghydraulics实现给水管网地理数据向EPANET输入文件的转换；
(5)转换以后，利用EPANET建立给水管网模型，进行水力模拟、计算。
步骤(2)进一步具体包括：各ShapeFile图层字段设计：利用QGIS软件，新建一份地图文档，添加管网ShapeFile数据，至少包括管段、节点、水库三类图层，图层名称应采用英文；
管段Pipes图层至少包含各字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：管段的编号，字符型，由shp文件的FID通过字段计算器计算得到，或人工指定；
LENGTH：可由shp文件自带的Shape_Leng属性，通过字段计算器赋值得到；
ROUGHNESS：浮点型，粗糙系数；
MiNORLOSS：局部损失系数；
STATUS：文本型，初始状态
节点Junctions至少包含的字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：节点的编号，
DEMAND：浮点型，需水量
ELEVATION：浮点型，标高
PATTERN：模式
清水库Reservior至少包含的字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：清水库的编号，字符型为宜
DEMAND：浮点型，需水量
PATTERN：需水量模式
导入Shapfile文件到PostGIS数据库：在QGIS中，利用“SPIT工具”，连接到PostGIS数据库，选择需要导入的ShapeFile文件，然后即可导入。
水力模拟、计算的具体步骤如下：
(1)首先，在EPANET中选择水力计算采用的公式，即Hazen-Williams公式：
(2)对于24小时延时模拟，首先要设置水厂(在EPANET软件中为“水库”)的模式。在EPANET的“浏览器”中，选择“模式”，添加一个新的模式，输入每个时段的“乘子”，应为每一个水库设置其供水总水头随24小时变化的模式；
(3)选择“水库”，双击打开其属性窗口设置“总水头”，并选择已经设置好的“模式”；
(4)对于节点，首先仍按照步骤(1)的方法为节点的需水量设置模式。然后，选择每一个节点，双击打开属性窗口，设置节点的“基本需水量”，并在“需水量模式”中选择刚才设置的模式；
(5)对于管段，选择某一管段后，双击打开属性窗口，为其设置“粗糙系数”、“管径”关键参数；。
(6)设置好以上参数以后，即可点击“运行”按钮，EPANET将进行水力计算，水力计算的结果，可以通过节点、管段的属性窗口查看，或以表格、图形的形式查看；
(7)如果进行管网的升级改造，在对现状管网进行水力分析以后，应分析哪些管段的水头损失过大，并拟定新的管径，重新设置管段的管径参数，按照以上步骤(2)-(6)操作；如果没有达到预期的效果，应重新拟定管径，重复以上步骤，直到取得比较满意的结果为止。
本发明的特点及有益效果是：
(1)所采用的软件均为开源软件，***建设的成本低廉。且由于软件源代码开放，可以根据实际需求，修改源代码，增添必须的功能，实现软件的个性化定制。
(2)软件***均为广泛使用的成熟软件，稳定性好，运行速度快。
(3)给水管网的数据量极大，若仅通过单机用户管理数据，工作量大、效率低。本发明可实现多用户协同编辑地图数据，显著提高工作效率。
(4)本发明采用Qhydraulics实现给水管网GIS地图数据向EPANET输入文件的转换，在建成给水管网GIS地理数据库以后，可建立给水管网模型，实现水力分析计算，为供水企业的管网改造、运行管理、节能降耗提供支持。
附图说明：
图1为本发明涉及到的PostgreSQL、PostGIS、QGIS等软件的***体系结构图；
图2为本发明中使用pgAdmin管理PostGIS地理数据库；
图3为本发明所论述的方法采用的给水管网实例图；
图4为管段Pipes图层所必须具有的字段；
图5为节点Junctions图层所必须具有的字段；
图6为水库Reservior图层所必须具有的字段；
图7为QGIS中将多人协同编辑的在线项目转为离线项目的工具；
图8为离线编辑后的同步工具；
图9为Ghydraulics的设置选项；
图10为利用Ghydraulics导出EPANET输入文件的工具；
图11为设置水厂(“水库”)备选的“水头模式”；
图12为设置水厂的关键属性；
图13为设置节点的关键属性；
图14为设置管段的关键属性；
图15为某市的现状管网部分干管水力分析结果；
图16为该市管网部分干管按照初步拟定的新管径水力分析计算结果。
具体实施方式
本发明的目的在于基于开源GIS技术、开源数据库技术，首先构建满足多用户同时查看、编辑、管理管网地图的信息化管理***，然后将给水管网地图数据导入管网建模软件EPANET，构建管网模型，进行水力分析计算。
本发明主要针对商业软件昂贵、占用***资源大、软件代码封闭、不支持实现跨操作***平台的的不足，提出了一种基于开源GIS及开源数据库技术构建给水管网模型的方法，体系结构简洁、性能良好、成本低廉。本发明首先提出了构建满足多用户同时查看、编辑、管理管网地图的信息化管理***，然后提出了将给水管网地图数据导入管网建模软件EPANET，从而进行水力、水质模拟的方法。本发明的应用前景在于以下方面：水务集团等供水企业可采用本方法建立给水管网信息化管理***，结合该***进行管网的日常管理维护，并可在此基础上构建水力模型进行水力平差，从而分析管网运行中水头损失过大的管段、压力不足的节点，为给水管网改造、泵站运行优化、给水***节能降耗提供依据。
本发明的技术方案如下：
一种基于开源GIS及开源数据库技术构建给水管网管理***及水力模型的方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)对给水管网所必需具备的管段、节点、水库等图层，合理设计其属性字段，以满足将来建立水力模型进行水力计算的需要。
(2)采用开源的QGIS桌面软件管理给水管网数据、地图，实现数据的录入、编辑功能，查询、统计功能，并访问PostGIS地理数据库。开源GIS桌面软件有QGIS，uDig等。其中，QGIS功能比较强大，操作方式与ArcGIS类似，软件占用***资源少，运行稳定。
(3)采用开源的PostGIS(PostGIS是开源数据库PostgreSQL的扩展)地理数据库存储给水管网数据，并实现多用户协同编辑。目前，常见的开源数据库软件有Oracle公司的MySQL以及由加州大学伯克利分校开发的PostgreSQL。其中，PostgreSQL对开源GIS软件支持最好。PostGIS是对象关系型数据库***PostgreSQL的一个扩展，PostGIS提供如下空间信息服务功能:空间对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符。同时，PostGIS遵循OpenGIS的规范。本发明采用以上两个软件协作，实现多用户同时编辑、由在线数据库转换成离线数据库、离线数据库同步等功能。
(4)采用QGIS的插件Ghydraulics实现给水管网地理数据向EPANET(由美国环保总局开发的开源管网建模软件)平差软件输入文件的转换。
(5)转换以后，可利用EPANET建立给水管网模型，进行水力模拟、计算。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
1.采用QGIS实现地图数据导入到PostGIS
(1)PostGIS数据库准备：首先在客户端计算机上使用“mstsc远程桌面连接工具”，连接到服务器，在服务器上打开pgAdmin管理软件，新建一个数据库，并添加PostGIS扩展，添加扩展后即可用来存储空间数据，见图2。
(2)各ShapeFile图层字段设计：利用QGIS软件，新建一份地图文档，添加管网ShapeFile数据，至少包括管段、节点、水库三类图层，图层名称应采用英文，生成的电子地图实例见图3。
管段Pipes图层至少包含的字段见图4，各字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：管段的编号，字符型(不要采用整型，字符型可加前缀表示出类型，例如管段可以表示成P1、P2……)，可由shp文件的FID通过字段计算器计算得到，或人工指定；
NODE1、NODE2：起点的节点编号、终点的节点编号，可不设置；
LENGTH：可由shp文件自带的Shape_Leng属性，通过字段计算器赋值得到；
ROUGHNESS：浮点型(小数型)，粗糙系数；
MiNORLOSS：局部损失系数；
STATUS：文本型，初始状态
节点Junctions至少包含的字段见图5，各字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：节点的编号，字符型为宜(可加前缀J)
DEMAND：浮点型，需水量
ELEVATION：浮点型，标高
PATTERN：模式
清水库Reservior至少包含的字段见图6，各字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：清水库的编号，字符型为宜(可加前缀R)
DEMAND：浮点型，需水量
PATTERN：需水量模式
(3)导入Shapfile文件到PostGIS数据库：在QGIS中，利用“SPIT工具”，连接到PostGIS数据库，选择需要导入的ShapeFile文件，然后即可导入。
2.创建以PostGIS数据库为数据源的地图文档
利用QGIS新建地图文档，在QGIS“浏览器”子窗口中连接PostGIS数据库，选择需要添加的图层，双击图层即可添加到地图文档中。添加后，应对各个图层选择合适的样式。QGIS自带的样式比较有限，管理人员可以创建svg文件，并将其导入到QGIS中，最终可以将闸阀、蝶阀、放气阀、泄水阀、法兰盘等各种管网要素都以恰当的样式表现出来。地图文档制作完毕以后，其他人员只需复制地图文档即可。
3.多用户同时查看、编辑、管理管网地图
多个用户各自复制地图文档，利用QGIS打开文档，由于实际数据存储在同一个PostGIS数据库中，可同时实现多用户对于地图的操作，包括：
(1)属性表的编辑：实现对于管长、管径、管材、敷设年代、节点标高、节点埋深等管网基本信息的编辑。
(2)增加、修改、删除管网元素：多用户可同时实现管段、节点、阀门等管网元素的增加、修改、删除等操作。
(3)管理操作：多用户可同时实现对于给水管网的属性查询、空间查询、面积与距离测量等管理操作。
4.加快管网地图访问速度的方法
采取以上方法建立的管网地图，直接从服务器上读取数据，具有能够实现多用户同时访问、实时更新的优点，并且当多用户同时编辑属性表时，编辑后的数据能够自动整合。但是亦存在缺点，例如地图刷新较慢。利用QGIS提供的“离线编辑”插件，可以将地图引入的数据暂时保存为sqlite离线数据库文件，此时该地图项目将由“在线项目”转为“离线项目”，见附图7。转换为离线项目以后，地图访问的速度将大大提高。
用户在对离线项目进行编辑以后，可以通过“同步”将本地离线数据同步到服务器的PostGIS数据库中，同步以后地图项目将变为“在线项目”，即直接从服务器上读取数据，见图8。此后，用户可将地图项目再次转换为离线项目。注意每次转换为离线项目时，保存的文件名不能相同。
5.利用GHydraulics结合EPANET实现给水管网水力分析
在管网地图拓扑关系正确，管段的管长、管径、管材、敷设年代、节点的高程、埋深、用水量等属性完整的情况下，可利用QGIS的Ghydraulics插件将管网地图转换为EPANET软件的输入文件。
Ghydraulics可输出不同格式的EPANET输入文件inp，因此用户可以设置自动生成的EPANET输入文件inp模板。inp文件模板应采用如下编码方式：UTF-8无BOM编码。
转换时采用的ShapFile文件名必须是英文名，并且必须是junctions、pipes、pumps等，不然不能识别。同一类元素可有多个文件，例如可以有junctions1.shp、junctions2.shp等文件都包含节点，不必先行合并ShapFile文件。
在图9所示的Ghydraulics的选项设置窗口中，应确保每一个shp文件都能被正确识别，如果没有正确识别，则会位于Unused内，可以尝试拖动到相应的Model Elements(模型元素)内。
最后可以采用图10所示的Ghydraulics导出EPANET输入文件的工具，生成EPANET输入文件。转换完以后，即可利用EPANET进行水力分析。EPANET不但可应用于给水管网设计计算，也可用于建成管网的水力分析，为已建成管网的改建、扩建提供支持。可找出水头损失过大的管段，供水压力不足的节点，从而为寻找爆管点、管网升级改造，泵站节能降耗提供依据。
水力分析的方法步骤如下：
(8)首先，在EPANET中选择水力计算采用的公式，即Hazen-Williams公式：
(9)对于24小时延时模拟，首先要设置水厂(在EPANET软件中为“水库”)的模式。在EPANET的“浏览器”中，选择“模式”，添加一个新的模式，输入每个时段的“乘子”。应为每一个水库设置其供水总水头随24小时变化的模式，如图11。
(10)选择“水库”，双击打开其属性窗口设置“总水头”，并选择已经设置好的“模式”，如图12。
(11)对于节点，首先仍按照步骤(1)的方法为节点的需水量设置模式。然后，选择每一个节点，双击打开属性窗口，设置节点的“基本需水量”，并在“需水量模式”中选择刚才设置的模式，如图13。
(12)对于管段，选择某一管段后，双击打开属性窗口，为其设置“粗糙系数”、“管径”等关键参数，如图14。
(13)设置好以上参数以后，即可点击“运行”按钮，EPANET将进行水力计算。水力计算的结果，可以通过节点、管段的属性窗口查看，或以表格、图形的形式查看。
(14)如果进行管网的升级改造，在对现状管网进行水力分析以后，应分析哪些管段的水头损失过大，并拟定新的管径，重新设置管段的管径等参数，按照以上步骤(2)-(6)操作。如果没有达到预期的效果，应重新拟定管径，重复以上步骤，直到取得比较满意的结果为止。
以下为管网升级改造的一个实例：
图11为按照步骤5中所述的方法对某市现状管网进行水力分析的结果。
自来水厂位于图的底部，图上箭头为水流方向，从水厂向左上方大片管网供水的三段干管(即图上标注的管段1、管段2、管段3)的管径分别为DN500、DN400、DN400，三段管的总管长仅为1470m，而三根管的水头损失分别为4.9m、4.5m、5.6m，总水头损失为15m，单位水头损失达10.2m/km，这样的能量损失显然太高，消耗的泵站运行电费较高。
该管网改造的方案为增大管径，三段管的管径初步拟定为DN700、DN600、DN600。在EPANET管网模型软件中，将管径分别修改为上述值，重新进行水力分析计算，得到的结果如图12。如果采用拟定的管径进行改造，计算结果表明，改造后三根管的水头损失分别将为1.4m、1.2m、1.6m，总水头损失为4.2m，不到原来的三分之一，且流速在0.6m/s-0.7m/s之间，符合管网最低流速的要求。如果采用此方案改造，可有效降低管网运行中的能量损失，更好的满足用户处的服务水压需求，实现节能降耗的目的。

Claims (3)

1.一种由开源GIS及数据库构建给水管网管理及水力模型方法，其特征是，步骤如下：
(1)对给水管网所必需具备的管段、节点、水库图层，合理设计其属性字段，以满足将来建立水力模型进行水力计算的需要；
(2)采用开源的QGIS(Quantum GIS)桌面软件管理给水管网数据、地图，实现数据的录入、编辑功能，查询、统计功能，并访问PostGIS地理数据库；
(3)采用开源的PostGIS地理数据库存储给水管网数据，并实现多用户协同编辑，实现多用户同时编辑、由在线数据库转换成离线数据库、离线数据库同步；
(4)采用QGIS的插件Ghydraulics实现给水管网地理数据向EPANET输入文件的转换；
(5)转换以后，利用EPANET建立给水管网模型，进行水力模拟、计算。
2.如权利要求1所述的由开源GIS及数据库构建给水管网管理及水力模型方法，其特征是，步骤(2)进一步具体包括：各ShapeFile图层字段设计：利用QGIS软件，新建一份地图文档，添加管网ShapeFile数据，至少包括管段、节点、水库三类图层，图层名称应采用英文；
管段Pipes图层至少包含各字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：管段的编号，字符型，由shp文件的FID通过字段计算器计算得到，或人工指定；
LENGTH：可由shp文件自带的Shape_Leng属性，通过字段计算器赋值得到；
ROUGHNESS：浮点型，粗糙系数；
MiNORLOSS：局部损失系数；
STATUS：文本型，初始状态
节点Junctions至少包含的字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：节点的编号，
DEMAND：浮点型，需水量
ELEVATION：浮点型，标高
PATTERN：模式
清水库Reservior至少包含的字段的作用及数据类型要求如下：
DC_ID：清水库的编号，字符型为宜
DEMAND：浮点型，需水量
PATTERN：需水量模式
导入Shapfile文件到PostGIS数据库：在QGIS中，利用“SPIT工具”，连接到PostGIS数据库，选择需要导入的ShapeFile文件，然后即可导入。
3.如权利要求1所述的由开源GIS及数据库构建给水管网管理及水力模型方法，其特征是，水力模拟、计算的具体步骤如下：
(1)首先，在EPANET中选择水力计算采用的公式，即Hazen-Williams公式：
<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>10.67</mn> <msup> <mi>q</mi> <mn>1.852</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>w</mi> <mn>1.852</mn> </msubsup> <msup> <mi>D</mi> <mn>4.87</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mi>l</mi> </mrow>
(2)对于24小时延时模拟，首先要设置水厂(在EPANET软件中为“水库”)的模式。在EPANET的“浏览器”中，选择“模式”，添加一个新的模式，输入每个时段的“乘子”，应为每一个水库设置其供水总水头随24小时变化的模式；
(3)选择“水库”，双击打开其属性窗口设置“总水头”，并选择已经设置好的“模式”；
(4)对于节点，首先仍按照步骤(1)的方法为节点的需水量设置模式。然后，选择每一个节点，双击打开属性窗口，设置节点的“基本需水量”，并在“需水量模式”中选择刚才设置的模式；
(5)对于管段，选择某一管段后，双击打开属性窗口，为其设置“粗糙系数”、“管径”关键参数；。
(6)设置好以上参数以后，即可点击“运行”按钮，EPANET将进行水力计算，水力计算的结果，可以通过节点、管段的属性窗口查看，或以表格、图形的形式查看；
(7)如果进行管网的升级改造，在对现状管网进行水力分析以后，应分析哪些管段的水头损失过大，并拟定新的管径，重新设置管段的管径参数，按照以上步骤(2)-(6)操作；如果没有达到预期的效果，应重新拟定管径，重复以上步骤，直到取得比较满意的结果为止。
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