CN101251795A - 泛型空间网络分析模型及其算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于泛型程序设计的泛型空间网络分析模型，即：采用GeoView——大型的地学三维信息系统作为开发平台，对管网对象的空间信息与属性信息进行整合，并且统一数据结构，由此创建泛型空间网络分析模型。建立好网络分析模型以后就可以进行具体的网络分析。解决最短路径、子网联通等问题时，我们采用Dijkstra算法来实现，实现算法时采用C++的模板类。本发明实现了模型与算法的分离，具有很强的通用性，提高了开发效率，节约了开发成本，提高了系统的易维护性和健壮性。同时在统一模型的基础上提高了网络分析算法的效率。

Description

泛型空间网络分析模型及其算法

技术领域

本发明涉及地学信息处理技术、地下综合管线管理、泛型程序设计等领域，特别是涉及空间分析模型及其算法的建立。

背景技术

随着社会经济的快速发展，城市规模不断扩大，功能不断完善，对城市建设的管理水平要求也越来越高，城市地下管线作为城市的重要基础设施之一，其高效管理对城市的安全和发展具有重要意义。近年来全国许多城市都利用GIS技术建立城市综合地下管线管理信息系统，实现城市地下管线自动化管理，提高了城市管理水平。

建立城市综合地下管线管理信息系统中的一个重要部分就是建立网络分析模型及其算法。也就是对各种管线所构成的管网进行物理管网状况的逻辑描述，用一种数据结构来记录整个管网中的各条管线之间的连接状况。

现今许多城市地下综合管线管理信息系统的网络模型，都是基于GIS软件网络分析模块建立的。但由于泛型程序设计的思想近期才发展起来，所以在网络分析方面的应用还不常见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于泛型程序设计思想的网络分析模型及其算法，以实现几何模型、属性模型、拓扑模型、网络模型的统一数据结构，并实现模型与算法的分离，从而提高开发效率，节约开发成本，提高系统的易维护性和健壮性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用GeoView——大型的地学三维信息系统作为开发平台，对管网对象的空间信息与属性信息进行整合，并且统一数据结构，由此创建泛型空间网络分析模型。

本发明基于泛型程序设计思想来创建网络分析模型及其算法。泛型程序设计兴起于20世纪90年代中后期，其主要推动来自C++的标准模板库(Standard Template Library，简称STL)，包含了许多在计算机科学领域里所常用的基本数据结构和基本算法。

本发明在建立管网空间网络分析模型和进行最短路径分析、联通子网分析等算法设计中，较好地运用了STL，在很大程度上简化了代码，提高了城市地下管线管理信息系统的运行效率，在组织逻辑数据并达到优秀的运算性能方面，有较好的效果。

本发明还具有以下主要优点：

其一.基于大型地学三维信息系统平台(GeoView)开发，GeoView本身已经实现了管网对象空间信息与属性信息的整合，因而在建立几何模型与属性模型时，具有一定的优势。

其二.城市地下管线管理信息系统(以下简称“系统”)通过导入指定格式的标准数据文件(MDB数据库文件)自动创建管网对象，每个管网对象都保留其属性信息。该系统定义了特定的数据结构来存储管网对象之间的逻辑关系，因此在创建管网对象几何信息的同时，也建立起管网对象之间的逻辑关系。这种方式节省了用户大量的编图时间，并确保了数据的准确性和安全性。

其三.系统有两种描述模型：几何模型和逻辑模型。几何模型是几何要素的集合，是由边线和交汇点相连组成的系统。一条边线有两个交汇点，而一个交汇点可以与任何数量的边线相连。逻辑网络由一系列连接的边和弧段组成，用特定的属性表存储网络的连通信息，因此它不包含坐标值。一个几何网络总是关联到一个逻辑网络，当编辑几何网络对象时，逻辑网络中的要素将会自动更新。因此，我们不需要同时维护管网对象的几何模型与逻辑模型，有效地提高了工作效率。

其四.泛型程序设计的关键，在于实现ADT(Abstract Data Type，抽象数据类型)，它将各种类型按照一小组功能性的需求加以抽象，然后以这些需求为条件实现算法。由于算法在其操作的数据类型上定义了一个严格的窄接口，同一个算法便可以应用于各种类型之上。因此，基于泛型程序设计的网络分析模型及算法具有较高的通用性，可以有效地提高开发效率。

在建立网络分析模型的时候，基于图论的知识，将各管线连通交点、用户节点等抽象为网络的“节点”，将管线抽象为“边”，将管网抽象为几何上的“网”。点、线建立拓扑关系，组成网络。图的模型，也就是网络模型，其表示方法多种多样。这样就可以将系统内部的数据结构如管点、管线、管网对象的逻辑拓扑关系等抽象为一个与具体特征无关的抽象的网络，在这个网络中，只有节点、边、权、方向和网等要素；算法建立于抽象的网络之上，就实现了模型与算法的分离，具有很强的通用性。

其五.本发明在组织逻辑数据时主要用的是泛型程序设计范例——STL容器。STL容器对最常用的数据结构提供了支持，允许制定容器中元素的数据类型，将许多重复工作进行简化。网络分析算法直接操作STL容器中的数据，因此只需要通过调用算法模板，就可以完成所需要的功能并大大提升效率，而且不依赖于任何特定的数据类型。

总之，本发明采用大型的地学三维信息系统GeoView作为开发平台，该平台实现了管网对象空间信息与属性信息的完美整合，解决了几何模型、属性模型、拓扑模型、网络模型与属性模型的统一数据结构，并实现模型与算法的分离，从而提高开发效率，节约开发成本，提高系统的易维护性和健壮性。同时在统一模型的基础上提高了网络分析算法的效率。

附图说明

图1是几何网络与逻辑网络关系图。

具体实施方式

本发明提供的基于泛型程序设计思想的网络分析模型是：采用大型的地学三维信息系统GeoView作为开发平台，通过导入标准格式的结果数据文件(MDB文件)自动创建管网对象。在创建管网对象几何信息的同时，也建立起管网对象之间的逻辑关系，并在此基础上对它进行抽象，建立与具体特征无关的网络。网络分析的算法采用迪科斯彻(Dijkstra)算法，算法建立于与实体无关的、抽象的网络之上；实现算法时采用STL容器——即泛型程序设计范例，实现模型与算法的分离。

对管网对象的空间信息与属性信息进行整合时，通过导入用户采集的结果数据文件，自动创建管网对象，在创建管网对象几何信息的同时，也建立起管网对象之间的逻辑拓扑关系，一个几何网络对应一个逻辑网络。

在建立网络分析模型时，根据泛型程序设计的思想，将包括管点、管线和管网对象的逻辑拓扑关系抽象为一个与具体特征无关的抽象的网络，在这个抽象的网络中，只含节点、边、权、方向和网等要素。

抽象的网络基于图论构建，将各管线的管点即管线的连通交点和用户节点抽象为网络的“节点”，将管线抽象为“边”，将管网抽象为几何上的“网”；点、线建立拓扑关系，组成抽象的网络。当编辑几何网络对象时，逻辑网络中的要素将会自动更新。

建立好泛型空间网络分析模型以后就可以进行具体的网络分析。在解决最短路径分析、子网联通分析网络分析等功能问题时，我们采用Dijkstra算法，实现算法时采用STL容器——即泛型程序设计范例，来实现模型与算法的分离。

下面对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

1.定义数据结构：

系统是基于管线和管点数据进行构造的。本系统中，对管网数据模型是按照下列步骤进行的：

①定义实体：管线实体是具有相同特征的集合，根据管网数据特点，定义管线实体、管点实体、与其空间关联的地理实体；

②定义关系：关系是管网实体间的一种逻辑关系。在定义实体间的关系时，必须指出实体间的依赖关系，确定关系名，对关系进行定义；

③定义关键字与属性：定义实体的键属性，并扩展和改进实体与关系的定义，将所有不确定的关系改进、替换成确定的连接(父子)关系或者分类关系。定义属性是模型开发的关键步骤，是确定空间实体的属性集和建立属性属主关系。

2.创建管网：

系统可以导入用户提供的成果数据文件(数据库文件)自动创建管网对象，这些成果数据文件有一定的规则，必须有足够的管网对象几何信息，如管点要有点号、坐标、特征等信息；管线要有上点、本点、上点埋深、本点埋深等信息。系统根据这些信息自动生成管网对象，同时创建管点类型、管线方向等网络分析所必需的信息。其它的属性信息都作为管网对象的属性保存起来，以供管网对象的查询与统计功能使用。

3.建立拓扑关系：

(1)几何拓扑关系建造：

管网中，物理网络中对象实体可以概括为边线和结点两类要素。管线与结点分别代表物理网络中的设备及其连接关系。管网的实体被抽象为要素类后是具有几何形状的并且可以通过网络图形来显示，所以这种网络被称为几何网络。在一个几何网络中只能包含边线要素和结点要素。一个网络可以由多个要素类组成。利用本系统向导可以将现场测量的网络结点自动生成几何网络。在生成几何网络时将各类参数设置如下：

1)选择参与构建网络的要素类，并输入网络名：如阀门类型、管线类型等；另外系统也可以提供选择从已有管网要素类生成网络和先建立一个空网络后添加管网数据两种网络生成模式；

2)设置网络的简单边线、复杂边线、简单结点、复杂结点、独立结点等要素类型属性；

3)设置网络的源头和终点；

4)设置网络权值。通过上述步骤，仅仅是建立了一个基础网络，还必须设置相应的网络连通性规则，才能确保网络的完整性。

(2)逻辑拓扑关系建造：

在网络数据模型中，每一个几何网络均对应一个逻辑网络，它是一个幕后的数据结构，其作用是存储边线和结点的连接关系和逻辑拓扑规则。当一个几何网络被生成时，一个逻辑网络将自动被系统产生和维护。进行网络分析功能时，系统对空间数据的操作将只涉及到逻辑网络。

4.网络分析模型的建立：

泛型程序设计的关键在于实现ADT(Abstract Data Type，抽象数据类型)。在系统中建立起来的管线网络及其逻辑拓扑关系并不能直接用来进行网络分析，必须要对它进行抽象，建立与具体特征无关的网络。系统中，这个网络的数据结构定义为Network，它只有结点，边，权，方向，网等抽象要素，它是网络分析算法的接口，网络分析只针对这个抽象的网络进行分析。

5.网络分析算法的建立；

网络分析中最基本最关键的问题是最短路径问题。本系统采用经典的Dijkstra算法为理论基础，建立算法时利用STL容器类库中的基本容器vector(向量)增加了一层封装内存操作(指针、引用等)的代码，如下：

vector<ShortestPathNode>m_path；

vector<NetNode*>m_Nodes；

vector<NetEdge*>m_Edges；

建立算法时使用模板类std::vector<>来管理任意类型的对象的动态数组。它在任何方面都要优于传统的使用MFC的模板类CArray<>，不但可以在任何平台的任何C++编译器下使用，而且简化了代码，提高了代码维护性。如下：

static void dijkstraShortestPath(int num_vertices，

std::vector<std::pair<int，int>>&edges，

std::vector<double>&w，

int indexSourceNode，int indexTargetNode，

std::vector<int>&pathEdges)；

6.泛型程序设计实现算法与数据类型的分离：

由于泛型程序设计具有数据抽象性，可为内存数据库不同的表单(Table)结构编写同一种算法，为此，将表单结构的指针封装在一个模板类中，以提供统一的操作方法：

Template<typenameT>

ClassRecord

{

T*data；

Public：

T Operator->()

{

return*data；

}

…

}；

T是一个模板参数，代表用户定义的表单结构，其每一个成员代表表单的一个字段(Field)。通过对Operator->的重载，使用Record类与使用表单本身的效果一样″内存数据库系统在进行数据存取服务时只与Record<T>模板类打交道而无需知道用户定义的T是何种结构。

Claims (7)

1.泛型空间网络分析模型，其特征是采用GeoView——大型的地学三维信息系统作为开发平台，对管网对象的空间信息与属性信息进行整合，并且统一数据结构，由此创建泛型空间网络分析模型。

2.根据权利要求1所述的泛型空间网络分析模型，其特征是在对管网对象的空间信息与属性信息进行整合时，通过导入用户采集的结果数据文件，自动创建管网对象，在创建管网对象几何信息的同时，也建立起管网对象之间的逻辑拓扑关系，一个几何网络对应一个逻辑网络。

3.根据权利要求1所述的泛型空间网络分析模型，其特征是在建立泛型空间网络分析模型时，将包括管点、管线和管网对象的逻辑拓扑关系抽象为一个与具体特征无关的抽象的网络，在这个抽象的网络中，只含节点、边、权、方向和网要素。

4.根据权利要求3所述的泛型空间网络分析模型，其特征是抽象的网络基于图论构建，将各管线的管点即管线的连通交点和用户节点抽象为网络的“节点”，将管线抽象为“边”，将管网抽象为几何上的“网”；点、线建立拓扑关系，组成抽象的网络。

5.根据权利要求4所述的泛型空间网络分析模型，其特征是当编辑几何网络对象时，逻辑网络中的要素将会自动更新。

6.根据权利要求1所述的泛型空间网络分析模型，其特征是在建立好泛型空间网络分析模型以后，采用迪科斯彻算法来实现最短路径分析、子网联通分析网络分析功能。

7.根据权利要求1所述的泛型空间网络分析模型，其特征是在建立网络分析模型时，根据泛型程序设计的思想，采用STL容器——即泛型程序设计范例，实现模型与算法的分离。