CN109299526A - 一种基于供水管网gis数据库的水力模型生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法及系统，该方法首先检查供水管网GIS数据的拓扑结构，然后构建GIS数据与Inp文件的对应关系，快速生成Inp文件，最后调整模型参数并将最终模型结果写回到供水管网GIS数据库，下次建模时可以接入上次更新的水力计算参数或相关配置。如此，能够实现供水管网水力模型的构建及模型数据的同步更新，有效减轻建模的重复工作量。
Description
技术领域
本发明涉及给水管网水力计算技术领域，具体涉及一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法及系统。
背景技术
给水工程作为城市的一个重要基础实施，承担着保证足够的水量，合格的水质，充裕的水压等作用，对于人们的生活和工作都非常关键。为了保证给水质量，实时跟踪供水管网之中的各项指标是一项重要的工作。传统的供水管网水力计算模型的建立通常需要将收集到的供水管网的基础属性数据(静态数据)导入到EPANET、WaterGEMS等专用的供水管网建模软件中进行水力计算进而获得供水管网的计算数据，之后通过数据库存储的方式把静态数据和计算数据储存起来。一般是，管网的静态数据通过GIS数据库存储，借助GIS快速建立和维护供水管网的拓扑关系。而EPANET、WaterGEMS默认的输入数据是文本形式单一Inp文件，管网的所有静态数据与动态数据及模拟计算的相应配置都以节(section)的形式存储在该文件中。因此在利用EPANET、WaterGEMS进行水力模拟前需要进行数据的转换和导入，即将GIS数据库存储的管网静态数据转换成Inp文件后导入到EPANET、WaterGEMS软件中，结合水泵运行、监测点压力流量、远传水表流量等动态数据及模拟计算的相应配置，建立和求解管网基本方程组，模拟计算各管段的流量、流速、水头损失、各节点压力以及各水源的供水量、供水压等，并与监测数据相比较，求得误差，若误差不符合规定的要求，则修改模型，如此反复直至模拟时段的计算输出结果与实际监测值最接近。如果要开展下一次建模，则需要重复上述工作。
随着城市建设的加快，供水管网每年都会由于扩建而变化，各个管段的阻力情况也会随之变化，这会造成历史数据辨识的模型与现实管网有一定差异，重新构建水力模型的需求频率日益上升，需要实时更新GIS数据库中供水管网的基础属性数据和重新执行模拟计算的相应配置，造成管网建模的重复工作量大。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法及系统，实现供水管网水力模型的构建及模型数据的同步更新，减轻建模的重复工作量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法及系统，首先检查GIS数据的拓扑结构，然后构建GIS数据与Inp文件的对应关系快速生成Inp文件，最后调整模型参数并将最终模型结果写回到GIS数据库，下次建模时可以接入上次更新的水力计算参数或相关配置。
一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，主要包含以下步骤：
步骤1：GIS数据检查。
对GIS数据库中的管网数据进行拓扑检查和管网连通检查，依据实际情况修正发现的错误，删除孤立点或通过添加管线重新建立孤立点与其他设施点的拓扑连接，删除悬挂管线或将其连接到正确的设施点，删除或重新定位重叠点，消除孤立管网或添加水源。
步骤2：构建GIS数据与Inp文件的对应关系，快速生成Inp格式的水力模型输入文件；
首先构建GIS数据库中的管网数据与Inp文件的对应关系，然后设置数据过滤条件，筛选出合适的管网数据及水力建模所需字段，最后生成Inp文件。
进一步的，GIS数据库中的管网数据可以是通过建立管网数据模型并进行空间数据库实例化后导入的管网数据，也可以是采用ARCGIS的Geodatabase存储的管网数据。
进一步的，生成Inp文件的过程中还需要将各设备的关键参数保存在Inp文件的特定字段中，并获取参与模型计算的管网动态数据并保存到Inp文件的动态数据节中。
步骤3：水力模型参数调整，使模拟时段节点(水头、压强、水质)、管道(流量、流速、水头损失)、阀门(流量和水头损失)等计算输出结果与实际监测值相接近；
步骤4：模型数据写回GIS数据库。
在原始GIS数据库的管点管线表中创建相关字段，存储调整后的相关参数。
进一步的，可将水力模型中的水泵曲线及用水模式以配置文件的形式导出到本地，下次生成Inp格式的水力模型输入文件时可直接作为水泵曲线及用水模式的定义文件；
本发明还提供一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成系统，包括：GIS数据检查模块，GIS源管网读取模块，管网配置模块，动态数据获取模块，模型生成模块，模型数据写回GIS数据库模块，水泵定义导出模块，用水模式导出模块。
GIS数据检查模块，用于对GIS数据库中的管网数据进行拓扑检查和管网连通检查；
GIS源管网读取模块，用于输入GIS数据库地址、用户名、密码后读取GIS数据库中的管网数据；
管网配置模块，用于配置GIS数据库中的管网数据与Inp文件的对应关系和数据筛选条件，以及定义管网的摩阻系数、水泵曲线及用水模式；
动态数据获取模块，用于获取参与模型计算的水泵运行数据、监测点压力流量数据、远传水表流量数据等动态监测数据；
模型生成模块，用于调用GIS源管网读取模块读取的管网静态数据，管网配置模块配置的GIS文件与Inp文件的对应关系以及定义的管网的摩阻系数、水泵曲线及用水模式，以及动态数据获取模块获取的动态监测数据，从而生成水力模型数据；
模型数据写回GIS数据库模块，用于将参数调整后的水力模型数据写回GIS数据库；
水泵定义导出模块，用于将水力模型中的水泵曲线以配置文件的形式导出到本地；
用水模式导出模块，用于将水力模型中的用水模式以配置文件的形式导出到本地。
本发明的有益效果是：实现了数据的同步更新，在下次建模时可以接入上次更新的水力结果，在上次水力建模相关设置的基础上对模型进行微调，避免重复进行用户节点基础需水量分配、用水模式设置、水泵定义、摩阻系数定义、管道状态/阀门状态调整等工作，有效减轻了建模的工作量。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为本发明实施例的配置文件本地化循环利用方法流程图；
图3为本发明实施例的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法及系统，以实现GIS数据库到水力模型的快速转换，及水力模型数据快速写回GIS数据库，包括以下步骤：
步骤1：GIS数据检查，考虑供水管网水力模拟要求所有管点需与水源连通，对GIS数据库中的管网数据进行拓扑检查和管网连通检查，并依据实际情况修正发现的错误：删除孤立点或通过添加管线重新建立孤立点与其他设施点的拓扑连接；删除悬挂管线或将其连接到正确的设施点；删除或重新定位重叠点；消除孤立管网或添加水源；
步骤2：生成Inp格式的水力模型输入文件。
首先，构建GIS数据库中的管网数据与Inp文件的对应关系。通过建立管网数据模型并进行空间数据库实例化后导入的管网数据，对应关系的构建即设置GIS管网设备分类和水力模型组件的对应关系，如在管网模型中设置管段的设备分类标识码dno为1、水库的设备分类标识码dno为5、水池的设备分类标识码dno为6、水泵的设备分类标识码dno为2、阀门的设备分类标识码dno为12、节点的设备分类标识码dno为11，则Inp文件和GIS数据库中的“管道、水库、水池、水泵、阀门、节点”等组件的对应关系为：Inp文件中PIPES节的行对应于GIS数据库的管段表中dno＝1的要素；Inp文件中RESERVOIRS节的行对应于GIS数据库的管点表中dno＝5的要素；Inp文件中TANKS节的行对应于GIS数据库的管点表中dno＝6的要素；Inp文件中的PUMPS节的行对应于GIS数据库的管点表中dno＝2的要素；Inp文件中的VALVES节的行对应于GIS数据库的管点表中dno＝12的要素；Inp文件中JUNCTIONS节的行对应于GIS数据库的管点表中dno＝11的要素；
利用ARCGIS的Geodatabase存储的管网数据，GIS数据库中的管网数据与Inp文件的对应关系为Inp文件中的PIPES节、RESERVOIRS节、TANKS节、PUMPS节、VALVES节、JUNCTIONS节分别对应于Geodatabase的管网要素集的管道、水库、水池、水泵、阀门、节点要素类，各节的行分别对应于各要素类中的要素。
然后设置数据过滤条件，筛选出合适的管网数据及水力建模所需字段：对管道设备，设置管径阈值剔除不满足条件的支管从而简化管网结构，保留“管径、长度、材质”等字段；对水库设备，保留“水头”字段；对水池设备，保留“地面高程、最小水位、最大水位、初始水位、水池直径、最小容积”等字段；对水泵设备，保留“功率、转速比、模式”等字段；对阀门设备，保留“口径、开关状态、阀门类型、阀门设置、损失系数”等字段；对节点设备，保留“地面高程、埋深”等字段。
最后生成Inp文件，生成Inp文件的过程中还需要：根据管道设备的材质，定义管道设备的摩阻系数以将摩阻系数保存在Inp文件的PIPES节的Roughness字段中；定义水泵设备的水泵曲线(扬程与流量关系曲线)以将相关参数保存在Inp文件的PUMPS节的Parameters字段中；定义节点设备用水模式以将用水模式保存在Inp文件的JUNCTIONS节的Pattern字段中；获取参与模型计算的管网动态数据并保存到Inp文件的动态数据节中，包括水泵运行数据、监测点压力流量数据、远传水表流量数据；
步骤3：调整水力模型参数使模拟时段节点(水头、压强、水质)、管道(流量、流速、水头损失)、阀门(流量和水头损失)等计算输出结果与实际监测值相接近；可以在水力建模软件中进行以下工作：利用营销收费系统提供的水表水量信息分配用户节点的基础需水量；根据实际运行情况调整管道状态、水泵参数、阀门状态、节点的用水模式、水池的容积曲线；更新管网拓扑结构数据使其与实际情况相一致；考虑管龄等因素调整已定义的管道设备的摩阻系数。
步骤4：在原始GIS数据库的管点表中创建基础需水量字段，存储分配的用户节点基础需水量数据；在原始GIS数据库的管点表中创建用水模式字段，存储调整后的节点的用水模式；在原始GIS数据库的管点表中创建水泵定义字段，存储调整后的水泵设备的水泵曲线；在原始GIS数据库的管点表中创建容积曲线字段，存储调整后的水池设备的容积曲线；在原始GIS数据库的管线表中创建摩阻系数字段，存储调整后的摩阻系数。
具体实施时，可将水力模型中的水泵曲线及用水模式以配置文件的形式导出到本地，下次生成Inp格式的水力模型输入文件时可直接作为水泵曲线及用水模式的定义文件。
基于以上步骤，可以实现了数据的同步更新，在下次建模时可以接入上次更新的水力结果，在上次水力建模相关设置的基础上对模型进行微调，避免重复进行用户节点基础需水量分配、用水模式设置、水泵定义、摩阻系数定义、管道状态/阀门状态调整等工作，有效减轻了建模的工作量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，包括：
步骤1，GIS数据检查，对GIS数据库中的管网数据进行拓扑检查和管网连通检查，依据实际情况修正发现的错误；
步骤2，构建GIS数据与Inp文件的对应关系，快速生成Inp格式的水力模型输入文件；
步骤3，水力模型参数调整，使模拟时段计算输出结果与实际监测值相接近；
步骤4，模型数据写回GIS数据库，在原始GIS数据库的管点管线表中创建相关字段，存储调整后的相关参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，其中所述GIS数据检查，对GIS数据库中的管网数据进行拓扑检查和管网连通检查，依据实际情况修正发现的错误，包括：
删除孤立点或通过添加管线重新建立孤立点与其他设施点的拓扑连接；
删除悬挂管线或将所述悬挂管线连接到正确的设施点；
删除或重新定位重叠点；
消除孤立管网或添加水源。
3.根据权利要求1所述的一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，其中所述构建GIS数据与Inp文件的对应关系，快速生成Inp格式的水力模型输入文件，包括：
首先构建GIS数据库中的管网数据与Inp文件的对应关系，然后设置数据过滤条件，筛选出合适的管网数据及水力建模所需字段，最后生成Inp文件。
4.根据权利要求3所述的一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，其中所述的生成Inp文件，包括：
将各设备的关键参数保存在Inp文件的特定字段中，并获取参与模型计算的管网动态数据并保存到Inp文件的动态数据节中。
5.根据权利要求1所述的一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，其中所述水力模型参数调整，包括：
利用营销收费系统提供的水表水量信息分配用户节点的基础需水量；
根据实际运行情况调整管道状态、水泵参数、阀门状态、节点的用水模式、水池的容积曲线；
更新管网拓扑结构数据使其与实际情况相一致；
考虑管龄因素调整已定义的管道设备的摩阻系数。
6.根据权利要求1所述的一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，其中所述模型数据写回GIS数据库，在原始GIS数据库的管点管线表中创建相关字段，存储调整后的相关参数，包括：
在原始GIS数据库的管点表中创建基础需水量字段，存储分配的用户节点基础需水量数据；
在原始GIS数据库的管点表中创建用水模式字段，存储调整后的节点的用水模式；
在原始GIS数据库的管点表中创建水泵定义字段，存储调整后的水泵设备的水泵曲线；
在原始GIS数据库的管点表中创建容积曲线字段，存储调整后的水池设备的容积曲线；
在原始GIS数据库的管线表中创建摩阻系数字段，存储调整后的摩阻系数。
7.根据权利要求6所述的一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成方法，其特征在于，其中所述的在原始GIS数据库的管点管线表中创建相关字段，存储调整后的相关参数，还包括将水力模型中的水泵曲线及用水模式以配置文件的形式导出到本地，下次生成Inp格式的水力模型输入文件时可直接作为水泵曲线及用水模式的定义文件。
8.一种基于供水管网GIS数据库的水力模型生成系统，其特征在于，包括：
GIS数据检查模块，用于对GIS数据库中的管网数据进行拓扑检查和管网连通检查；
GIS源管网读取模块，用于读取GIS数据库中的管网数据；
管网配置模块，用于配置GIS数据库中的管网数据与Inp文件的对应关系和数据筛选条件，以及定义管网的摩阻系数、水泵曲线及用水模式；
动态数据获取模块，用于获取参与模型计算的动态监测数据；
模型生成模块，用于生成水力模型数据；
模型数据写回GIS数据库模块，用于将参数调整后的水力模型数据写回GIS数据库；
水泵定义导出模块，用于将水力模型中的水泵曲线以配置文件的形式导出到本地；
用水模式导出模块，用于将水力模型中的用水模式以配置文件的形式导出到本地。
9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，其中所述的生成水力模型数据，包括调用GIS源管网读取模块读取的管网静态数据，管网配置模块配置的GIS文件与Inp文件的对应关系以及定义的管网的摩阻系数、水泵曲线及用水模式，以及动态数据获取模块获取监测数据，从而生成水力模型数据。
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| 陈凌: "给水管网GIS和水力模型无缝连接的方法研究", 《工业用水与废水》, no. 05, 30 October 2006 (2006-10-30), pages 1 - 4 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110188370A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-08-30 | 成都理工大学 | 自动化可复用地理空间信息处理快速建模方法 |
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