CN113673066A - 一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，方法包括以下步骤：首先，在考虑了各类管线(给水、排水和燃气)混接的前提下，构建管网的有向图网络模型；随后通过流向高差一致性和管线匹配一致性对数据要素进行核查，并利用广度优先遍历算法，采用嵌套循环的递归方式对管网数据遍历访问；最后基于内外双循环，结合映射和单位向量的思想实现管线要素映射三维模型。本发明的有益效果是通过有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，将复杂空间对象以立体的方式形象具体地展现在用户面前，并从海量数据中快速高效地获取有效流径。

Description

一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法
技术领域
本发明涉及城市管网泄漏物流向分析技术领域，尤其涉及一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法。
背景技术
对城市水泄漏与燃气泄漏的管线安全事故管理是城市可持续发展及生态保护不可或缺的部分，尤其是超标有毒水体和燃气的排放与泄漏，不仅破坏了生态环境，而且严重危害人类的生命安全。针对海量排水管网数据，准确高效的流向分析方法的应用对于保障城市管线安全具有重要意义
城市规模的扩大使得地下管网分布日益复杂，导致管网泄漏事件层出不穷。而传统的借助图纸去分析查找泄漏物流径及流向的方案费时费力，目前也多是研究二维平面的地下管线管理，不能将复杂空间对象以立体的方式展现在用户面前，降低了管理决策者的沉浸感。
发明内容
针对上述技术存在的问题，本发明提供一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，目的在于将复杂空间对象以立体的方式展现在用户面前，并从海量数据中快速高效地获取流径及最终排放口。本发明通过下述技术方案实现
本发明通过下述技术方案实现：
一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，包括以下步骤：
S1:建立管网二维矢量网络。
S2:所述的管网二维矢量网络，建立基于有向图的二维网络流向模型。
S3:所述的管网二维矢量网络，通过建立二维网络模型索引，检索三维管网模型以建立三维管线流向。
S4:所述的三维管线，对管线进行分段并获取单位管线起终点三维坐标，依据单位向量计算得到各小段管线中点坐标。
进一步地，所述S1包括以下子步骤：
S11:采用两点一线的数据结构构建几何网络模型数据结构表。
S12:所述的几何网络模型数据表，须同时满足单表的约束条件和表间的约束条件。
进一步地，所述S2包括以下子步骤：
S21:对管段流向与起终点相对高差一致性核查。
若为有压管，则由管段流向标识获取。
若为无压管，利用起终点位置的地面高程h′、埋深或净空高度l计算高程h。
进一步地，针对不同敷设方式，采用不同计算方式：
若为地下管线，则内底计算高程为:h＝h′-l。
若为架空管段，则外底计算高程为:h＝h′+l。
S22:判断管段流向与高程一致性：
若管段流向为正向，需满足ha-hb≥r(r为判断阈值)；
若管段流向为负向，需满足hb-ha≥r(r为判断阈值)。
S23:采用出入度值来核查管点管段匹配一致性，进一步的，定义与管点连接的管段数目为度，用δ表示。
S24:进一步的，出度指目标管点指向其它管点的管段数，用δ出表示，反之为入度δ入。
S25:进行流向分析时，据流向的指向判断管点、管段的有效性，对有效管线和管点进行提取。
S26:以起始检索点为出发点，依次遍历所有未被访问过的邻接点集，以指定的一个管点为起点，依次遍历并记录所有未被访问过的邻接点集，接着以这些点集为起点做递归处理，结合有向图的指向性，遍历出度δ出＞0的管线。
进一步地，所述S4包括以下子步骤：
S41:依据管线长度将管线分为若干段；
S42:利用管线属性获得管线的起终点三维坐标；
S43:获得沿管线从起点到终点的单位向量；
S44:获得第一小分段管线中间点坐标M，依次迭代，获取后续各小段的中间点坐标。
S45:将三维箭头符号以元素的形式加入M点，实现三维管线流向标定。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、在海量数据中，相比于SQL数据库查询和传统网络模型分析两种方法，这种直接对原始图形中实体的操作，能够快速搜索到有效流径集合，降低时间及空间复杂度；
2、算法结构清晰，便于转换为编程语言；
3、三维GIS方法可将复杂空间对象以立体的方式展现在用户面前，提高管理决策者的沉浸感，给用户以真实世界的感受。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的具体流程示意图；
图2为管段流向正确性核查流程图；
图3为管线示意图；
图4为管网遍历序列抽象模型示意图；
图5为单位管线示意图；
图6为本发明获取的有效管线流径进行三维显示后的成果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
S1：建立管网二维矢量网络；
具体地，包括：
步骤1：采用两点一线的数据结构构建几何网络模型，即用两个点要素和一个线要素表示一条管线，设计过程中部分数据结构见表1(表名为管线数据结构表)：
表1管线数据结构表：
Figure RE-GDA0003268283470000031
步骤2：创建数据表时，须同时满足单表的约束条件和表间的约束条件，管网数据库中各要素实体的约束条件如图2所示：
S2：建立基于有向图的二维网络流向模型；
具体地，包括：
步骤1:对管段流向与相对高差一致性进行核查，具体流程如图3所示。即根据是否有压管、敷设方式和管段流向循环嵌套判断。
若为有压管，则由管段流向标识获取。
若为无压管，利用起终点位置的地面高程h′、埋深或净空高度l计算高程h。
图4中ha、ha′表示起点所在位置的地面高程与起点管线高程，hb、hb′表示终点所在位置的地面高程与终点管线高程，l为地下敷设管线的埋深或架空管线的净空高度，r为核查阈值。
进一步地，针对不同敷设方式，采用不同计算方式：
若为地下管线，则内底计算高程为:h＝h′-l。
若为架空管段，则外底计算高程为:h＝h′+l。
进一步地，判断管段流向与高程一致性：
若管段流向为正向，需满足ha-hb≥r(r为判断阈值)；
若管段流向为负向，需满足hb-ha≥r(r为判断阈值)；
步骤2:对管点管段匹配一致性进行核查，采用出入度定义与管点连接的管段数目为度，用δ表示，其中出度指目标管点指向其它管点的管段数，用δ出表示，反之为入度δ入。如排水管线的“进水口”作为入水口仅有1条管段与之连接，即入水口的入度δ入＝0，出度δ出＝1，依据表2(表名为管段出入度值核查标准表) 进行管点管段匹配一致性核查。
表2管段出入度值核查标准表：
Figure RE-GDA0003268283470000041
步骤3:利用点要素缓冲区分析获取管线要素集合，通过要素类型、管线关联性及出度的判断获取与管点(段)关联的有效管段(点)。
有效管段提取算法如下：
输入：Map_No，R
输出：Maps_No，Prjs_No,Container
将管点Map_No加入至检索集合Maps_No中；
以管点Map_No所在位置为中心、定距R建立缓冲区；
获取缓冲区内的要素集合Buffer；
若获取到的管点为混接点，则获取对应跨管种混接点Mix-map_No并加入检索集合Maps_No中；
从要素集合Buffer中获取管段Prj_No并操作函数实例化Prj_No；
利用函数判断管段Prj_No端点与Map_No属性的一致性，若一致，且δ出＝1，将Prj_No加入管段集合Prjs_No中。
有效管点提取算法如下：
输入：Prj_No，R
输出：Maps_No,Container
将管线Prj_No加入至检索集合Prjs_No中；
以Prj_No流向终点坐标所在位置为中心、定距R建立缓冲区；
获取缓冲区内的要素集合Buffer；
若获取到的管点为混接点，则获取对应跨管种混接点Mix-map_No并加入检索集合Maps_No中；
从要素集合Buffer中获取管点Map_No并操作函数实例化Map_No；
利用函数判断管段Prj_No端点与Map_No属性的一致性，若一致，且δ出＝1，将Map_No加入管段集合Maps_No中。
步骤4:该过程涉及到“管点检索有效关联管段”、“管段检索有效关联管点”的循环嵌套，此处以管段检索为内循环，管点检索为外循环。
若初始检索元素为管段Prj_No，则操作函数获取该管段流向指向的管点Map_No为检索点，再进行循环嵌套分析。即采用“点－段－点－段…”嵌套循环的递归方式对管网数据遍历访问，自动搜索算法过程具体描述如下：
输入：Map_No,Container
输出：Maps，Prjs
初始化遍历容器Container，用以记录后续数据；
判断初始检索元素，若为点元素，则直接进行将检索点加入选择集合 Sel，若为线元素，则获取该管段对象终点元素Map_No；
将检索点加入选择集合Sel；
采用do-while循环，采用上述获取有效管段的方法获取选择集合Sel 中的有效管段Prjs_No，并将其放入集合Prjs；
将检索到的管点Maps_No加入点集合中Maps；
for—next作为内层循环，将与Sel中管段集合Prjs_No相连接的有效管点加入选择集合中Sel；
重复do-while外循环与for—next内循环；
当选择集合Sel为空时，算法终止。
S3：通过建立二维网络模型索引，检索三维管网模型以建立三维管线流向；
具体地，包括：
建立Prjs_No、Maps_No集合元素索引号，依据索引号在Model集合中检索并创建对应的三维管网对象。
S4：对管线进行分段并获取单位管线起终点三维坐标，依据单位向量计算得到各小段管线中点坐标；
具体地，包括：
用元素(Element)对立体模型进行表示，根据Prjs_No，Maps_No集合中的坐标、高程等属性值构建具有空间位置信息的三维对象，此处基于内外双循环，并采用映射和单位向量的思想实现三维管网流向展示。
算法过程具体描述如下：
输入：Prjs_No，Maps_No，Model
输出：Element
将管网要素存储于Prjs_No、Maps_No集合中，其三维模型存储于 Model集合中，获得与管点管线相匹配的三维模型集合；
建立Prjs_No、Maps_No集合元素索引号，依据索引号在Model集合中检索并创建对应的三维管网对象；
采用do-while循环，遍历Prjs_No中所有管线元素，依据管线长度将管线分为n段，得到每段长度为l的单位管线(单位管线示意图见图5)；
for—next作为内层循环，利用管线的S_Exp属性和E_Exp属性获得管线的起终点三维坐标：
A:(x1,y1,h1)
B:(x2,y2,h2)
将起终点三维坐标代入下公式，获得沿管线从起点到终点的单位向量：
Figure RE-GDA0003268283470000061
将单位向量代入下式，获得第一小分段管线中间点坐标M，依次迭代，获取后续各小段的中间点坐标M；
Figure RE-GDA0003268283470000062
PSize为管径，l为单位向量的管段长度。
重复重复do-while外循环与for—next内循环过程，获得所有中间点坐标集合；
将三维箭头符号以元素(Element)的形式加入坐标点M，管线要素成功映射三维模型。
图6是本发明获取的有效管线进行三维显示并标记流向后的结果。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:建立管网二维矢量网络；
S2:所述的管网二维矢量网络，建立基于有向图的二维网络流向模型；
S3:所述的管网二维矢量网络，通过建立二维网络模型索引，检索三维管网模型以建立三维管线流向；
S4:所述的三维管线，对管线进行分段并获取单位管线起终点三维坐标，依据单位向量计算得到各小段管线中点坐标。
2.根据权利要求1所述的一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，其特征在于，所述的S1建立管网二维矢量网络包括以下步骤：
S11:采用两点一线的数据结构构建几何网络模型数据结构表；
S12:所述的几何网络模型数据表，须同时满足单表的约束条件和表间的约束条件。
3.根据权利要求1所述的一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，其特征在于，所述的S2建立基于有向图的二维网络流向模型包括以下子步骤：
S21:对管段流向与起终点相对高差一致性核查；
S22:判断管段流向与高程一致性；
S23:采用出入度值来核查管点管段匹配一致性，进一步的，定义与管点连接的管段数目为度，用δ表示；
S24:进一步的，出度指目标管点指向其它管点的管段数，用δ出表示，反之为入度δ入；
S25:进行流向分析时，据流向的指向判断管点、管段的有效性，对有效管线和管点进行提取；
S26:以起始检索点为出发点，依次遍历所有未被访问过的邻接点集，以指定的一个管点为起点，依次遍历并记录所有未被访问过的邻接点集，接着以这些点集为起点做递归处理，结合有向图的指向性，遍历出度δ出＞0的管线。
4.根据权利要求1所述的一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，其特征在于，所述的S4对管线进行分段并进行三维管线流向标定包括以下子步骤：
S41:依据管线长度将管线分为若干段；
S42:利用管线属性获得管线的起终点三维坐标；
S43:获得沿管线从起点到终点的单位向量；
S44:获得第一小分段管线中间点坐标M，依次迭代，获取后续各小段的中间点坐标；
S45:将三维箭头符号以元素的形式加入M点，实现三维管线流向标定。
5.根据权利要求1或3所述的一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，其特征在于，所述的S21对管段流向与起终点相对高差一致性核查包括是否有压管、敷设方式：
若为有压管，则由管段流向标识获取；
若为无压管，利用起终点位置的地面高程h′、埋深或净空高度l计算高程h；
进一步地，针对不同敷设方式，采用不同计算方式：
若为地下管线，则内底计算高程为:h＝h′-l；
若为架空管段，则外底计算高程为:h＝h′+l。
6.根据权利要求1或3所述的一种利用有向图的三维管网泄漏物流向分析方法，其特征在于，所述对管段流向与起终点相对高差一致性核查包括管段流向判断：
若管段流向为正向，需满足ha-hb≥r(r为判断阈值)；
若管段流向为负向，需满足hb-ha≥r(r为判断阈值)。
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