CN112712441A - 城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法 - Google Patents

Abstract

城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，涉及环境系统模拟预测技术领域。本发明是为了解决现有技术中依靠人工对“厂网河”拓扑关系进行梳理，导致耗时长、效率低、错误率高的问题。本发明将城市“厂网河”水系统的复杂连接关系抽象为二维点线拓扑结构，以深度优先遍历算法实现数据合理性检验，以广度优先遍历算法实现拓扑结构检查与延接，并运用智能自动化技术实现转换过程的高效自动化。实现“管网‑污水厂‑河流排放口‑河流”间流向关系自动构建的同时，对流向错误、管线断点、河流排放口遗漏等进行自动识别与纠正，智慧贯通城市“厂网河”的水动力路径，从而为城市“厂网河”建模与运行管理服务。

Description

城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法

技术领域

本发明属于环境系统模拟预测技术领域。

背景技术

由污水处理厂、管网、河流组成的城市“厂网河”水系统，负责收集、输送和处理城市生产、生活过程中产生的雨水和污水，显著影响着城市水环境质量和水生态安全。建立城市“厂网河”水系统水力水质模型，可模拟及评价“厂网河”排涝减灾和控源截污能力，对“厂网河”的运行与管理提供科学指导，具有重要的意义。

但建立“厂网河”水系统水力水质模型的先决条件是准确构建“厂网河”间水流流向的拓扑关系。目前，城市“厂网河”拓扑关系主要依靠人工对原始数据进行目视梳理，需要针对位置、长度、标高、管径等基础信息综合判断，对管段的流向、错接漏接和断接情况进行梳理，耗时长、效率低，且在信息缺失情况下错误率较高。因此，亟需一种针对城市“厂网河”拓扑关系自动检查、修正和智慧延伸连接的方法。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中依靠人工对“厂网河”拓扑关系进行梳理，导致耗时长、效率低、错误率高的问题，现提供城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法。

城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，包括以下步骤：

步骤一：读取管网数据，所述管网数据包括管段数据和节点数据：

步骤二：将管段数据中小于临界管径的数据和孤立的节点数据删除，对查询不到的管段起点或终点进行节点补充，补充的节点数据为管段数据中对应字段的数据，完成管网数据的更新：

步骤三：利用深度优先遍历算法对更新后的管网数据进行修正，并判断修正后的管网数据是否错误，是则进行警告并利用人工进行修正，然后返回步骤二，否则执行步骤四：

步骤四：依据标高优先原则，判断修正后管网数据中管段流向：

步骤五：根据节点数据识别节点特征值，所述节点特征值为：起始点、普通点、分流点、合流点、河流排放口或污水厂；

步骤六：选取节点特征值为起始点的节点所对应编号最小的管段，将该管段作为选中管段：

步骤七：从选中管段开始利用广度优先算法遍历所有管段，查询管段拓扑关系：

步骤八：当查询到选中管段的下游管段为一个时，将下游管段更新为选中管段，然后返回步骤七，

当查询到选中管段的下游管段大于一个时，将所有下游管段中编号最小的管段更新为选中管段，然后返回步骤七，

当未查询到选中管段的下游管段时，执行步骤九：

步骤九：判断选中管段的终点对应节点的节点特征值是否为河流排放口或污水厂，是则执行步骤十，否则执行步骤十一；

步骤十：判断修正后管网数据中所有管段数据是否均参与梳理，是则输出梳理后的管网数据，否则结束对选中管段的梳理，然后返回步骤五；

步骤十一：选取无匹配管段的终点坐标作为圆心，以管段拓扑关系查询初始半径画圆，所述无匹配管段为终点坐标不与任何管段起点坐标匹配的管段，

将起点坐标位于圆内的管段作为备选管段，选取所有备选管段中的最优管段，在选中管段与最优管段之间增加最优延接管段，然后将最优管段更新为选中管段，返回步骤七。

上述步骤三中，当节点坐标是管段起点或终点坐标，且节点数据与管段数据中相同该字段数据不一致时，将节点数据修改至与管段数据一致，完成对管网数据的修正。当修正后的管网数据出现重复、空缺、不合理或未按规定表述时，则判定修正后的管网数据错误。

上述步骤四中判断修正后管网数据中管段流向的具体方法为：

当管段数据中管段类别为有压管的管道时，管段流向为标高低的一端至标高高的一端，

当管段数据中管段类别为普通管的管道时，管段流向为标高高的一端至标高低的一端，

当管段起点标高与终点标高相同时，则管段流向为任意方向。

上述步骤七中，查询管段拓扑关系的具体方法为：

将选中管段赋值为已参与梳理，然后将选中管段的终点坐标与其他管段的起点坐标进行比对，

当有至少一个管段的起点坐标与选中管段的终点坐标匹配时，则视为查询到选中管段的下游管段，否则视为未查询到选中管段的下游管段。

上述步骤十一中，选取所有备选管段中的最优管段的具体方法为：

对所有备选管段进行打分，将得分最高的备选管段作为最优管段。

上述对所有备选管段进行打分的原则如下：

备选管段的管径大于选中管段，备选管段得1分，

备选管段的管段横截面与选中管段相同，备选管段得3分，

选中管段的管段类别为普通管，且备选管段的参数A大于选中管段的参数B，备选管段得5分，其中参数A为备选管段终点节点内底标高与终点管段偏移之差，参数B为选中管段起点节点内底标高与起点管段偏移之差，

选中管段的管段类别为有压管，且备选管段的参数A小于选中管段的参数B，备选管段得5分，

将备选管段的起点到终点做有向直线，将选中管段的起点到终点做有向直线，当两条有向直线的夹角θ<45°时，备选管段得5分，当45°≤θ≤90°时，备选管段得3分，当θ>90°时，备选管段不得分，

若备选管段中得分最高的管段数量大于1，则计算备选管段起点到选中管段终点的距离，距离最短的备选管段得1分。

本发明实现的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，减轻了人工进行数据合理性检查和拓扑关系检查的工作量，提高了工作效率，避免重复性的机械劳动。经过本发明数据合理性梳理和拓扑关系梳理后的数据，能够直接输入到Info Works、MIKE、SWMM等城市雨洪模型中，节省了“厂网河”拓扑关系连接过程的二次处理。本发明能够将城市“厂网河”数据合理性检查和拓扑关系检查时间缩短，效率提升100倍以上，正常3个工作日的人工工作量，通过机器人流程智能自动化实现在10分钟内完成。

附图说明

图1为城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，包括以下步骤：

步骤一：读取管网数据，所述管网数据包括管段数据和节点数据。

管段数据包括：管段名称、管段编号、管段类别、管段性质、是否参与梳理、起点x、起点y、起点类别、起点检查井内底标高、起点管段偏移、终点x、终点y、终点类别、终点检查井内底标高、终点管段偏移、管径、管段横截面、报错与警告提醒等字段。其中，起点x和起点y分别为起点坐标的x轴坐标值和y轴坐标值。

节点数据包括：节点名称、节点编号、x坐标、y坐标、节点内底标高、节点深度、节点地面标高、报错与警告提醒等字段。

步骤二：将管段数据中小于临界管径的数据和孤立的节点数据删除，所述孤立的节点数据为节点坐标不是管段起点或终点坐标的数据。

将管段数据于节点数据进行比对，对查询不到的管段起点或终点进行节点补充，补充的节点数据为管段数据中对应字段的数据，完成管网数据的更新。

步骤三：利用深度优先遍历算法对更新后的管网数据进行修正，修正的具体方法为：当节点坐标是管段起点或终点坐标，且节点数据与管段数据中相同该字段数据不一致时，认为存在异常，需要给出警告信息并将节点数据修改至与管段数据一致，完成对管网数据的修正。

利用管段数据计算管段坡度，当管段坡度小于0.0015时，认为存在异常，此时需要给出警告信息，但不需要进行修正。

当修正后的管网数据出现重复、空缺、不合理或未按规定表述时，则判定修正后的管网数据错误，管网数据出现错误时，则进行警告并利用人工辅助进行修正，然后返回步骤二；管网数据未出现错误时，则执行步骤四。

步骤四：依据标高优先原则，判断修正后管网数据中管段流向。具体方法为：

当管段数据中管段类别为有压管的管道时，管段流向为标高低的一端至标高高的一端，

当管段数据中管段类别为普通管的管道时，管段流向为标高高的一端至标高低的一端，

无论管段类型为何，当管段起点标高与终点标高相同时，则管段流向为任意方向，并需要在最终梳理结果输出时，在相应管段后备注警告信息。

步骤五：根据节点数据识别节点特征值，所述节点特征值为：起始点、普通点、分流点、合流点、河流排放口或污水厂；

节点特征值的判定是面向管段数据中“未参与梳理”的数据行对应的节点，已参与过梳理的数据行不再进行节点特征值的判定。需要特别指出的是，管段数据中已包含用户初始定义的节点特征值，若上述识别的特征值与用户初始输入的不同，将自动更新为上述识别的特征值，并会在最终计算结果输出时在相应管段后备注警告信息。

步骤六：选取节点特征值为起始点的节点所对应编号最小的管段，将该管段作为选中管段。

步骤七：从选中管段开始利用广度优先算法遍历所有管段，查询管段拓扑关系。具体方法为：将选中管段赋值为已参与梳理，然后将选中管段的终点坐标与其他管段的起点坐标进行比对，当有至少一个管段的起点坐标与选中管段的终点坐标匹配时，则视为查询到选中管段的下游管段，否则视为未查询到选中管段的下游管段。

步骤八：当查询到选中管段的下游管段为一个时，将下游管段更新为选中管段，然后返回步骤七；

当查询到选中管段的下游管段大于一个时，将所有下游管段中编号最小的管段更新为选中管段，然后返回步骤七；

当未查询到选中管段的下游管段时，执行步骤九。

步骤九：判断选中管段的终点对应节点的节点特征值是否为河流排放口或污水厂，是则节点特征值为终点型，然后执行步骤十；否则节点特征值为非终点型，然后执行步骤十一。

步骤十：判断修正后管网数据中所有管段数据是否均参与了梳理，是则输出梳理后的管网数据，即得到完整的城市“厂网河”拓扑结构梳理结果，同时给出错接漏接位置警告点以指导管理人员的巡视检查并结束程序。否则结束对选中管段的梳理，然后返回步骤五。

步骤十一：选取无匹配管段的终点坐标作为圆心，以管段拓扑关系查询初始半径画圆，所述无匹配管段为终点坐标不与任何管段起点坐标匹配的管段。

将起点坐标位于圆内的管段作为备选管段，选取所有备选管段中得分最高的备选管段作为最优管段，在选中管段与最优管段之间增加最优延接管段，与此同时还需要在管段数据中增加最优延接管段的数据行，然后将最优管段更新为选中管段，返回步骤七。

上述所有备选管段得分的原则如下：

备选管段的管径大于选中管段，备选管段得1分，

备选管段的管段横截面与选中管段相同，备选管段得3分，

选中管段的管段类别为普通管，且备选管段的参数A大于选中管段的参数B，备选管段得5分，其中参数A为备选管段终点节点内底标高与终点管段偏移之差，参数B为选中管段起点节点内底标高与起点管段偏移之差，

选中管段的管段类别为有压管，且备选管段的参数A小于选中管段的参数B，备选管段得5分，

将备选管段的起点到终点做有向直线，将选中管段的起点到终点做有向直线，当两条有向直线的夹角θ<45°时，备选管段得5分，当45°≤θ≤90°时，备选管段得3分，当θ>90°时，备选管段不得分，

若备选管段中得分最高的管段数量大于1，则计算备选管段起点到选中管段终点的距离，距离最短的备选管段得1分。

本实施方式为使用者预留两个可调节模型参数，分别是管段主成分筛选临界管径和管段拓扑关系查询初始半径。本实施方式输入的管段数据中，管段类别字段包括普通管和有压管，其中普通管包括无压管、明渠、暗渠；起点类别和终点类别，字段包括起始点、普通点、分流点、合流点、河流排放口、污水厂；是否参与梳理字段包括未参与计算和已参与计算；管段横截面字段包括圆形、矩形、梯形和其他多边形等。

本实施方式所述的一种城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，将城市“厂网河”水系统的复杂连接关系抽象为二维点线拓扑结构，以深度优先遍历算法实现数据合理性检验，以广度优先遍历算法实现拓扑结构检查与延接，并运用智能自动化技术实现转换过程的高效自动化。该方法突破传统拓扑关系人工检查效率低、错误率高等弊端，实现“管网-污水厂-河流排放口-河流”间流向关系自动构建的同时，对流向错误、管线断点、河流排放口遗漏等进行自动识别与纠正，智慧贯通城市“厂网河”的水动力路径，从而为城市“厂网河”建模与运行管理服务。

具体实施例

结合实际情况，本实施利用python语言进行编程，将其打包为独立应用程序，窗口界面展示预留变量与操作进度结果，具体遍历过程放在后台进行。

本实施例的数据来源为城市“厂网河”基础信息普查工作形成的城市“厂网河”数据库，包括管段数据和节点数据，初始读取到管段数据9300行，节点数据9410行。

依据使用者输入的“管段主成分筛选临界管径”，将输入管段数据中小于临界管径的管段数据删除，本实施例删除后的管段数据为6496行。

将节点数据与管段数据进行匹配，删除不匹配的节点数据，本实施例删除孤立节点后的节点数据为5763行。

将管段数据与节点数据进行匹配，补充管段数据中存在但节点数据中缺失的节点，本实施例补充缺失节点后的节点数据为6924行。

对6496行管段数据和6924行节点数据进行合理性检查与修正，对于修正后仍无法通过合理性检查的数据由人工辅助进行修正，直至全部数据均通过数据合理性检查。

依据标高优先原则，结合管段数据中“管段类别”，对6496行管段数据进行流向判断，流向判断的结果通过起始点坐标展示。

依据节点特征值判定的原则，对6924行节点数据进行节点特征值的判定。为简化模型计算，提高模型计算的效率，节点特征值在每次管段计算结束后都会重新赋值，本实施例初始节点特征值判定结果为起始点397个、普通点5737个、分流点346、合流点391、河流排放口452个、污水厂1个。

从节点特征值为“起始点”的节点对应的管段编号最小的管段开始，执行管段拓扑关系查询，若查询到当前管段的下游管段，则跳转至下游管段继续进行查询，若查询不到当前管段的下游管段，则判断当前管段的终点节点特征值，若为河流排放口或污水厂，则判断全部管段是否已参与计算，若还有管段未参与计算，则当前管段计算结束，重新为节点赋予识别特征值，重复上述操作；若查询不到当前管段的下游管段且当前管段的终点节点特征值不是河流排放口或污水厂，则依据规定的打分原则对全部备选管段进行打分，得分最高的管段被认为是最优管段，在最优管段和当前管段之间增加最优延接管段，最优延接管段的数据根据当前管段和最优管段数据自动确定，然后将当前管段跳转至最优管段，继续进行管段拓扑关系的查询。本实施例计算过程中累计识别到流向错误103处、突然中断173处、新增河流排放口32处、新增最优延接管段65处。

当全部管段均参与梳理之后，输出管段数据和节点数据，本实施例梳理后的管段数据为7026行，节点数据为7135行，全部计算过程用时约10分钟。

Claims (8)

1.城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：读取管网数据，所述管网数据包括管段数据和节点数据：

步骤二：将管段数据中小于临界管径的数据和孤立的节点数据删除，对查询不到的管段起点或终点进行节点补充，补充的节点数据为管段数据中对应字段的数据，完成管网数据的更新：

步骤三：利用深度优先遍历算法对更新后的管网数据进行修正，并判断修正后的管网数据是否错误，是则进行警告并利用人工进行修正，然后返回步骤二，否则执行步骤四：

步骤四：依据标高优先原则，判断修正后管网数据中管段流向：

步骤五：根据节点数据识别节点特征值，所述节点特征值为：起始点、普通点、分流点、合流点、河流排放口或污水厂；

步骤六：选取节点特征值为起始点的节点所对应编号最小的管段，将该管段作为选中管段：

步骤七：从选中管段开始利用广度优先算法遍历所有管段，查询管段拓扑关系：

步骤八：当查询到选中管段的下游管段为一个时，将下游管段更新为选中管段，然后返回步骤七，

当查询到选中管段的下游管段大于一个时，将所有下游管段中编号最小的管段更新为选中管段，然后返回步骤七，

当未查询到选中管段的下游管段时，执行步骤九：

步骤九：判断选中管段的终点对应节点的节点特征值是否为河流排放口或污水厂，是则执行步骤十，否则执行步骤十一；

步骤十：判断修正后管网数据中所有管段数据是否均参与梳理，是则输出梳理后的管网数据，否则结束对选中管段的梳理，然后返回步骤五；

步骤十一：选取无匹配管段的终点坐标作为圆心，以管段拓扑关系查询初始半径画圆，所述无匹配管段为终点坐标不与任何管段起点坐标匹配的管段，

将起点坐标位于圆内的管段作为备选管段，选取所有备选管段中的最优管段，在选中管段与最优管段之间增加最优延接管段，然后将最优管段更新为选中管段，返回步骤七。

2.根据权利要求1所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，

所述孤立的节点数据为节点坐标不是管段起点或终点坐标的数据。

3.根据权利要求1所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，步骤三中，当节点坐标是管段起点或终点坐标，且节点数据与管段数据中相同该字段数据不一致时，将节点数据修改至与管段数据一致，完成对管网数据的修正。

4.根据权利要求1或3所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，步骤三中，当修正后的管网数据出现重复、空缺、不合理或未按规定表述时，则判定修正后的管网数据错误。

5.根据权利要求1所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，步骤四中判断修正后管网数据中管段流向的具体方法为：

当管段数据中管段类别为有压管的管道时，管段流向为标高低的一端至标高高的一端，

当管段数据中管段类别为普通管的管道时，管段流向为标高高的一端至标高低的一端，

当管段起点标高与终点标高相同时，则管段流向为任意方向。

6.根据权利要求1所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，步骤七中，查询管段拓扑关系的具体方法为：

将选中管段赋值为已参与梳理，然后将选中管段的终点坐标与其他管段的起点坐标进行比对，

当有至少一个管段的起点坐标与选中管段的终点坐标匹配时，则视为查询到选中管段的下游管段，否则视为未查询到选中管段的下游管段。

7.根据权利要求1所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，步骤十一中，选取所有备选管段中的最优管段的具体方法为：

对所有备选管段进行打分，将得分最高的备选管段作为最优管段。

8.根据权利要求7所述的城市“厂网河”拓扑关系的自动化梳理方法，其特征在于，对所有备选管段进行打分的原则如下：

备选管段的管径大于选中管段，备选管段得1分，

备选管段的管段横截面与选中管段相同，备选管段得3分，

选中管段的管段类别为普通管，且备选管段的参数A大于选中管段的参数B，备选管段得5分，其中参数A为备选管段终点节点内底标高与终点管段偏移之差，参数B为选中管段起点节点内底标高与起点管段偏移之差，

选中管段的管段类别为有压管，且备选管段的参数A小于选中管段的参数B，备选管段得5分，

将备选管段的起点到终点做有向直线，将选中管段的起点到终点做有向直线，当两条有向直线的夹角θ<45°时，备选管段得5分，当45°≤θ≤90°时，备选管段得3分，当θ>90°时，备选管段不得分，

若备选管段中得分最高的管段数量大于1，则计算备选管段起点到选中管段终点的距离，距离最短的备选管段得1分。

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