CN104616328B - 一种供水压力分布图的绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种供水压力分布图的绘制方法，包括：按预设时间间隔采集供水区域内的各个压力节点在同一时刻的压力数据，同时加载地理底图位图并将所有压力节点的空间地理坐标转化为地理底图位图上的坐标；将地理底图位图按设定的纵横比例切割为多个矩形块；分别计算各压力节点相对于每个矩形块的中心的距离；结合各个压力节点的压力数据，计算每个矩形块的模拟压力值；将每个矩形块的模拟压力值转化为颜色色谱对应的RGB颜色值后，以半透明图层绘制到地理底图位图的对应矩形块上。本方法可以相对准确地反映供水管网的宏观压力分布情况，而且实现方式比较简单，所需计算机资源较少，绘制效率比较高，可广泛应用于供水压力分布图的绘制领域中。

Description

一种供水压力分布图的绘制方法

技术领域

本发明涉及供水压力分布图的绘制领域，特别是涉及一种无需考虑供水管网拓扑关系的以面取点的供水压力分布图的绘制方法。

背景技术

目前我国供水行业的管网数据采集系统已普遍建立起来并日趋发展成熟。与电力等行业不同的是，供水监测点分布较稀疏，主要针对的是管网重要节点和重点监测区域，因此无法直接使用监测数据完全绘制出全市供水管道上的所有状况。为了较好地近似掌握全市供水压力分布状况，利用计算机采用虚拟计算方法自动绘制压力分布图是一个较为有效的途径。目前绘制压力图的方法包括四种：一、采用水力模型计算后产生的等压线图；二、将区域划分开然后使用聚类算法取具代表性的监测点压力作为区域代表压力；三、将压力节点图划分为三角形网格图然后按三角形边进行节点插值；四、神经网络建模方法。第一类方法采用建模的方法来绘图，其前提是对地下的管网细节信息必须掌握得较为正确和齐备，否则一些关键点的错误可能会造成较大的误差。第二类方法采用代表性的监测点压力来绘制的缺点是当监测点稀疏的地方，绘制比较粗略，区域之间缺少良好的过渡，而在管网比较复杂的地方每个节点可能都是重要节点，这类方法要么使得聚类成员很少，要么忽略了那些比较重要的具有代表性的节点。第三类方法实际上是拟合的一种变形，插值是为了使曲面平滑过渡，但是这类方法可能导致不能反应压力的真正变化。第四类方法还在起步阶段。而且，目前的这些绘制供水压力分布图的方法，无论是建模、聚类、拟合插值、神经网络等等，都较为复杂，需要消耗较多的计算机资源，效率不高。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种供水压力分布图的绘制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种供水压力分布图的绘制方法，包括：

S1、通过SCADA系统按预设时间间隔采集供水区域内的各个压力节点在同一时刻的压力数据，同时加载地理底图位图并将所有压力节点的空间地理坐标转化为地理底图位图上的坐标；

S2、将地理底图位图按设定的纵横比例切割为多个矩形块；

S3、分别计算各压力节点相对于每个矩形块的中心的距离；

S4、结合各个压力节点的压力数据和各个压力节点到每个矩形块的中心的距离，计算每个矩形块的模拟压力值；

S5、将每个矩形块的模拟压力值转化为颜色色谱对应的RGB颜色值后，对应地以半透明图层绘制到地理底图位图的对应矩形块上。

进一步，所述步骤S1包括：

S11、通过SCADA系统采集当前时刻供水区域内的各压力节点的压力数据，同时获取各压力节点的空间地理坐标；

S12、获取地理底图位图边缘的空间地理坐标；

S13、以地理底图位图的最左上角为原点(0,0)建立二维坐标系，进而根据各压力节点的空间地理坐标计算各压力节点在此位图中的坐标。

进一步，所述步骤S2包括：

S21、获取对地理底图位图进行矩形块切割的切割数，所述切割数包括长度切割数和宽度切割数；

S22、将地理底图位图的长度和宽度分别除以对应的长度切割数和宽度切割数后，获得矩形块的长度和宽度；

S23、根据获得的长度和宽度将地理底图位图依序切割成多个矩形块，获得每个矩形块在地理底图位图上的中心坐标。

进一步，所述步骤S3，其具体为：

根据各个压力节点在地理底图位图上的坐标，采用下式计算各个压力节点到每个矩形块的中心的距离：

上式中，k_i代表第i个压力节点到该矩形块的距离，(x₀,y₀)代表该矩形块的中心坐标，(x_i,y_i)代表第i个压力节点的坐标。

进一步，所述步骤S4，包括：

S41、获取预设的压力变化平滑度n的值，n为自然数；

S42、按顺序逐个提取矩形块后，按照从小到大的顺序对各个压力节点到该矩形块的中心的距离进行排序，进而选取排在前面的n个压力节点；

S43、根据下式计算获得该矩形块的模拟压力值：

上式中，F表示该矩形块的模拟压力值，M表示该矩形块的压力矩且满足以下条件：

其中，F_i表示第i个压力节点的压力数据；

S44、重复执行步骤S42～S43，直到获得所有矩形块的模拟压力值。

进一步，所述步骤S5，包括：

S51、将所有矩形块的模拟压力值进行排序；

S52、从颜色色谱中横向地选择一颜色带，设定最小的模拟压力值与该颜色带中最左端颜色的RGB颜色值对应，同时设定最大的模拟压力值与该颜色带中最右端颜色的RGB颜色值对应，按照平均分布原则，获得不同的模拟压力值所对应的RGB颜色值；

S53、将获得的模拟压力所对应的RGB颜色值以任意透明度的半透明图层绘制到地理底图位图上对应的矩形块内。

进一步，所述步骤S52，其具体为：

从颜色色谱中选择蓝色到红色部分的颜色带，并获得颜色带上每一点的RGB颜色值后，设定最小的模拟压力值对应为RGB颜色值(0,0,255)，同时设定最大的模拟压力值对应为RGB颜色值(255,0,0)，将最大的模拟压力值和最小的模拟压力值之间的区间按分段函数进行切割，同时对应地将颜色带按分段函数进行切割，根据各模拟压力值所处的区间获得不同的模拟压力值在颜色带中所对应的RGB颜色值。

本发明的有益效果是：本发明的一种供水压力分布图的绘制方法，包括：S1、通过SCADA系统按预设时间间隔采集供水区域内的各个压力节点在同一时刻的压力数据，同时加载地理底图位图并将所有压力节点的空间地理坐标转化为地理底图位图上的坐标；S2、将地理底图位图按设定的纵横比例切割为多个矩形块；S3、分别计算各压力节点相对于每个矩形块的中心的距离；S4、结合各个压力节点的压力数据和各个压力节点到每个矩形块的中心的距离，计算每个矩形块的模拟压力值；S5、将每个矩形块的模拟压力值转化为颜色色谱对应的RGB颜色值后，对应地以半透明图层绘制到地理底图位图的对应矩形块上。本方法可以相对准确地反映供水管网的宏观压力分布情况，而且实现方式比较简单，所需计算机资源较少，绘制效率比较高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种供水压力分布图的绘制方法的流程图；

图2是本发明的一具体实施例中所绘制的供水压力分布图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参照图1，本发明提供了一种供水压力分布图的绘制方法，包括：

S1、通过SCADA系统按预设时间间隔采集供水区域内的各个压力节点在同一时刻的压力数据，同时加载地理底图位图并将所有压力节点的空间地理坐标转化为地理底图位图上的坐标；预设时间间隔一般可以设为15分钟、20分钟等，可根据绘制需要任意设置；

S2、将地理底图位图按设定的纵横比例切割为多个矩形块；

S3、分别计算各压力节点相对于每个矩形块的中心的距离；

S4、结合各个压力节点的压力数据和各个压力节点到每个矩形块的中心的距离，计算每个矩形块的模拟压力值；

S5、将每个矩形块的模拟压力值转化为颜色色谱对应的RGB颜色值后，对应地以半透明图层绘制到地理底图位图的对应矩形块上。

优选的，步骤S1包括：

S11、通过SCADA系统采集当前时刻供水区域内的各压力节点的压力数据，同时获取各压力节点的空间地理坐标；

S12、获取地理底图位图边缘的空间地理坐标；

S13、以地理底图位图的最左上角为原点(0,0)建立二维坐标系，进而根据各压力节点的空间地理坐标计算各压力节点在此位图中的坐标。这里原点(0,0)的设置可以是在最左上角、最左下角、最右下角、最右上角等位置，一般习惯上将原点(0,0)设置在最左上角的位置。

优选的，所述步骤S2包括：

S21、获取对地理底图位图进行矩形块切割的切割数，所述切割数包括长度切割数和宽度切割数；

S22、将地理底图位图的长度和宽度分别除以对应的长度切割数和宽度切割数后，获得矩形块的长度和宽度；

切割数即地理底图位图的纵横比例，也相当于分辨率，设定长度切割数和宽度切割数后，即可计算获得矩形块的长度和宽度，相当于将地理底图位图切割成长度切割数×宽度切割数个矩形块；纵横比例即分辨率反映的是地理底图位图上矩形块分割的细化程度，分割越细则绘制的结果越精细，但是同时计算所需的资源也越多。

S23、根据获得的长度和宽度将地理底图位图依序切割成多个矩形块，获得每个矩形块在地理底图位图上的中心坐标，即获得每个矩形块在建立的二维坐标系中的坐标。

由于选定了纵横比例即分辨率后各矩形块的中心坐标将不再变化，因此在绘图之前可以预先计算各个矩形块的中心坐标后存储起来，后续在绘制供水压力分布图的过程中直接使用即可，无需每次绘图都重复计算，可以减少计算时间。

优选的，所述步骤S3，其具体为：

根据各个压力节点在地理底图位图上的坐标，采用下式计算各个压力节点到每个矩形块的中心的距离：

上式中，k_i代表第i个压力节点到该矩形块的距离，(x₀,y₀)代表该矩形块的中心坐标，(x_i,y_i)代表第i个压力节点的坐标。

同样地，由于在多次绘图过程中各压力节点到每个矩形块中心的距离不变，因此这一步也可以预先计算后将计算结果存储起来以供每一次绘图时直接调用，从而减少重复计算，节省计算资源。

优选的，所述步骤S4，包括：

S41、获取预设的压力变化平滑度n的值，n为自然数；

S42、按顺序逐个提取矩形块后，按照从小到大的顺序对各个压力节点到该矩形块的中心的距离进行排序，进而选取排在前面的n个压力节点；

S43、根据下式计算获得该矩形块的模拟压力值：

上式中，F表示该矩形块的模拟压力值，M表示该矩形块的压力矩且满足以下条件：

其中，F_i表示第i个压力节点的压力数据；

S44、重复执行步骤S42～S43，直到获得所有矩形块的模拟压力值。

压力变化平滑度n是一个预设的自然数，它会影响矩形块的模拟压力值的平滑度，因此，本申请中将它称为压力变化平滑度；压力变化平滑度的选择也要根据计算机的资源状况来选择，压力变化平滑度越高，绘制的供水压力分布图也显得更平滑过渡，但计算所需的资源也越多。

优选的，所述步骤S5，包括：

S51、将所有矩形块的模拟压力值进行排序；

S52、从颜色色谱中横向地选择一颜色带，设定最小的模拟压力值与该颜色带中最左端颜色的RGB颜色值对应，同时设定最大的模拟压力值与该颜色带中最右端颜色的RGB颜色值对应，按照平均分布原则，获得不同的模拟压力值所对应的RGB颜色值；

所述均分布原则，是指颜色色谱的颜色带上，某种模拟压力值所对应的颜色处于最左端颜色到最右端颜色之间的位置与该模拟压力值处于最小值与最大值区间内的位置对等。颜色带上RGB颜色值的变化是一个分段函数，因此需要切割对应的函数定义域区间来进行计算。若选择的是蓝色到红色部分的颜色带，则纯蓝颜色为最左端颜色，纯红颜色为最右端颜色。

从颜色色谱中选择的颜色带可以是任意的，只要保证对同一矢量地图底图所选取的颜色带一致，以及保证相同的模拟压力值区间对应的RGB颜色值一致即可保证绘制的供水压力分布图的一致性；

S53、将获得的模拟压力所对应的RGB颜色值以任意透明度的半透明图层绘制到地理底图位图上对应的矩形块内。半透明的图层使得颜色不至于完全覆盖地理底图位图上的内容，有助于结合地理底图位图上的具体信息来观察压力的分布状态。

本实施例中，步骤S52的一优选实施情况为：

从颜色色谱中选择蓝色到红色部分的颜色带，并获得颜色带上每一点的RGB颜色值后，设定最小的模拟压力值对应为RGB颜色值(0,0,255)，同时设定最大的模拟压力值对应为RGB颜色值(255,0,0)，将最大的模拟压力值和最小的模拟压力值之间的区间按分段函数进行切割，同时对应地将颜色带按分段函数进行切割，根据各模拟压力值所处的区间获得不同的模拟压力值在颜色带中所对应的RGB颜色值。如前所述，颜色带上RGB颜色值的变化是一个分段函数，因此需要按分段函数进行切割，相应地，模拟压力值的区间也是按分段函数的比例进行切割，通过判断每个模拟压力值处于哪一个区间，然后将处于该对应区间的RGB颜色值作为该模拟压力值对应的RGB颜色值。

需要注意的是，本方法的隐含前提假设是供水压力分布在宏观上具有区域连续性，因此本发明不适用于对供水瞬时流量分布状态的绘制。由于忽略了管网拓扑，忽略了管网中的构筑物或设备等，因此本方法也不适用于对细节要求比较高的场景，特别是在对加压泵站、水厂的特殊点上，由于这些点不具备区域连续性，因此这些点是被忽略掉的，本方法仅观察由这些点所推动的绝大多数区域中供水管网的宏观分布。对于已经水力建模的情况，在水力模型基础上仍然可以使用本发明的方法，且准确度会更高。

现有技术中的绘制供水压力分布图的方法大部分是采用“以点带面”的方式，即围绕着压力监测节点本身去估算其所涉及范围的压力。本发明通过将地理底图位图分割成多个矩形块后，计算与每个矩形块相关性最高的若干个压力节点的压力占比来合成该矩形块的压力值，实际上是以小块的“面”为核心选择相应的“点”来计算的过程。由于选择的过程中可以预先算好并存储矩形块的中心坐标，而计算供水的模拟压力值的过程相对比较简单，因此计算复杂度仅仅与地理底图位图的切割分辨率以及计算过程的压力变化平滑度n有关，通过调节这两个参数，可以减少计算量。此外，本方法不需要处理管网拓扑，相比建模、分区的方法又节省了很多计算，因此可以通过定时地采集各个压力节点的实时压力数据，实时地更新绘制供水压力分布图。

实际使用时，定时采集各个压力节点的最新的压力数据后，刷新本方法绘制的供水压力分布图，即可得到连续变化的压力分布图，由于图像比具体的数字可以更直观地反映供水压力分布情况，而个别的异常点也特别容易暴露在这种宏观压力分布图中。本方法所绘制的供水压力分布图不仅可以作为日常供水调度业务的基础数据，而且还可以通过及时发现管道爆管、仪表故障、某个未上报而又影响较大的管道施工等情况，比较容易观察和分析出压力异常的地点。因此本方法绘制的供水压力分布图可以直观有效地反映供水压力分布情况，具有实用价值。

实施例二

采用实施例一的方法对某市的供水管网绘制的供水压力分布图如图2所示，该图的分辨率为长度方向为1200，宽度方向为600，压力变化平滑度n为3。计算机绘制图2中的供水压力分布图的时间大约为6分钟，如果进一步降低分辨率和压力变化平滑度，还可以将绘制时间缩短到2分钟。

从图2可以看到，左上角及左下角属于低压地区，压力不足。中间部分是山陵地区，绝对水压较高。其余部分则根据压力分布大致控制在比较均衡的状态，这和日常供水调度情况是相符的。但是图中下方也出现了两个明显的压力过低点，这两个点恰恰显示了非正常状态，经检查，其中左侧的点是安装监测点时采样管接驳方式错误造成的，右侧的点则是因为监测点的故障造成的。此外，红色区域往左下部分延伸出一块黄色区域，反映了那一带的供水压力过高的情况，需要在进行供水调度时通过减少泵机适当下调压力。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种供水压力分布图的绘制方法，其特征在于，包括：

S1、通过SCADA系统按预设时间间隔采集供水区域内的各个压力节点在同一时刻的压力数据，同时加载地理底图位图并将所有压力节点的空间地理坐标转化为地理底图位图上的坐标；

S2、将地理底图位图按设定的纵横比例切割为多个矩形块；

S3、分别计算各压力节点相对于每个矩形块的中心的距离；

S4、结合各个压力节点的压力数据和各个压力节点到每个矩形块的中心的距离，计算每个矩形块的模拟压力值；

S5、将每个矩形块的模拟压力值转化为颜色色谱对应的RGB颜色值后，对应地以半透明图层绘制到地理底图位图的对应矩形块上；

所述步骤S3，其具体为：

根据各个压力节点在地理底图位图上的坐标，采用下式计算各个压力节点到每个矩形块的中心的距离：

$k_i=\sqrt{{(x_0-x_i)}^2+{(y_0-y_i)}^2}$

上式中，k_i代表第i个压力节点到该矩形块的距离，(x₀,y₀)代表该矩形块的中心坐标，(x_i,y_i)代表第i个压力节点的坐标；

所述步骤S4，包括：

S41、获取预设的压力变化平滑度n的值，n为自然数；

S42、按顺序逐个提取矩形块后，按照从小到大的顺序对各个压力节点到该矩形块的中心的距离进行排序，进而选取排在前面的n个压力节点；

S43、根据下式计算获得该矩形块的模拟压力值：

$F=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{M}{k_i}$

上式中，F表示该矩形块的模拟压力值，M表示该矩形块的压力矩且满足以下条件：

$\frac{1}{M}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{k_i\×F_i}$

其中，F_i表示第i个压力节点的压力数据；

S44、重复执行步骤S42～S43，直到获得所有矩形块的模拟压力值。

2.根据权利要求1所述的一种供水压力分布图的绘制方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、通过SCADA系统采集当前时刻供水区域内的各压力节点的压力数据，同时获取各压力节点的空间地理坐标；

S12、获取地理底图位图边缘的空间地理坐标；

S13、以地理底图位图的最左上角为原点(0,0)建立二维坐标系，进而根据各压力节点的空间地理坐标计算各压力节点在此位图中的坐标。

3.根据权利要求1所述的一种供水压力分布图的绘制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、获取对地理底图位图进行矩形块切割的切割数，所述切割数包括长度切割数和宽度切割数；

S22、将地理底图位图的长度和宽度分别除以对应的长度切割数和宽度切割数后，获得矩形块的长度和宽度；

S23、根据获得的长度和宽度将地理底图位图依序切割成多个矩形块，获得每个矩形块在地理底图位图上的中心坐标。

4.根据权利要求1所述的一种供水压力分布图的绘制方法，其特征在于，所述步骤S5，包括：

S51、将所有矩形块的模拟压力值进行排序；

S52、从颜色色谱中横向地选择一颜色带，设定最小的模拟压力值与该颜色带中最左端颜色的RGB颜色值对应，同时设定最大的模拟压力值与该颜色带中最右端颜色的RGB颜色值对应，按照平均分布原则，获得不同的模拟压力值所对应的RGB颜色值；

S53、将获得的模拟压力所对应的RGB颜色值以任意透明度的半透明图层绘制到地理底图位图上对应的矩形块内。

5.根据权利要求4所述的一种供水压力分布图的绘制方法，其特征在于，所述步骤S52，其具体为：

从颜色色谱中选择蓝色到红色部分的颜色带，并获得颜色带上每一点的RGB颜色值后，设定最小的模拟压力值对应为RGB颜色值(0,0,255)，同时设定最大的模拟压力值对应为RGB颜色值(255,0,0)，将最大的模拟压力值和最小的模拟压力值之间的区间按分段函数进行切割，同时对应地将颜色带按分段函数进行切割，根据各模拟压力值所处的区间获得不同的模拟压力值在颜色带中所对应的RGB颜色值。