CN115795122B - 一种城市排水管网拓扑关系梳理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种城市排水管网拓扑关系梳理方法，包括根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系，还包括以下步骤：比较管线两端点的底高程，初步定义上下游端，构建有向图；计算有向图节点的节点度、入度和出度；检索所有节点度大于1且出度为0的节点，根据节点在管网系统的相对高差修正管段流向；检索所有的有向环，在确定无代表泵站的管段前提下，修正管段方向与管网系统整体趋势一致，解除环状结构；检索所有节点度大于1且入度为0的节点，根据管网系统服务的整体调整节点相关管段流向；循环执行前述步骤，直到无法检测出所述步骤到所述步骤的特征拓扑结构；对代表管网系统的有向图进行DAG测试，确定拓扑排序终点位于城市下游承载水体。

Description

一种城市排水管网拓扑关系梳理方法

技术领域

本发明涉及水利工程的技术领域，特别是一种城市排水管网拓扑关系梳理方法。

背景技术

在市政排水和水利工程领域中，常常需要构建水文水动力模型来评估城市排水系统的能力并进行洪涝灾害风险的预演。近年来，这些水文水动力模型愈发朝着复杂化、精细化，基于物理过程的方向发展。构建此类水动力模型对基础数据资料的质量带来了很大的挑战。这一类型的模型要求管网数据资料能够得到最大程度的保留，避免水动力汇流过程的模拟失真。其中，高分辨率地下管网数据的一手资料往往由多方资料来源汇集而成，记录混乱、标准不一。建模人员需要在其基础上进一步梳理和检查错误，保证正确的拓扑关系以满足水动力模型的建模需求。

目前国内外管网梳理方法基本思想都是对其进行分级。管网分级方法常采用的是河道分级中的斯特拉勒分级法。该方法定义从河源出发的河流为1级河流；同级的两条河流交汇形成的河流级别比原来增加1级；不同级的两条河流形成的河流级别为两者中较高者。自然界的天然河流因为最小熵产生原理和侵蚀作用会形成一个二分叉树结构，最后支流会汇合收敛至干流，只有唯一的出口。然而此方法应用于城市排水管网系统有一定的局限性，原因有二：（1）区别于自然河流，城市排水管网可能存在一个尺寸固定、贯穿始末的干管，该管的等级应该始终如一，但是通过斯特拉勒法会造成下游段的管网高于上游段；（2）城市排水管网是人造系统。管网分叉会使系统有多个出口的现象。在同一系统中可能出现一些尺寸规格相差较大但等级一致的“干管”，对主次分析造成影响。另一种方法是直接根据管网的尺寸进行分类，通过管线的横截面尺寸区分干支管。这种方法简单明了，能够显示出管网的结构功能属性，但是管网建设容易随着时间推移采用不同标准，新建管网标准普遍大于陈旧管网，放在一起考虑时容易对分类结果产生混淆。

然而，以上方法对管网数据可能存在的拓扑逻辑错误不敏感，管网数据分辨率较高时，业内处理人员往往千头万绪，无从下手。对此，地下排水管网数据亟需一套错误检查思路，用来定位和检索存疑管网拓扑。相应的，还需要根据排水管网的设计初衷和原则提出一个应该遵守的通用标准，用来判断管网拓扑逻辑是否达标。

公开号为CN112712441A的发明专利申请公开了一种城市“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。该方法的缺点是深度优先算法未将点线拓扑关系定义为有向图，在算法提出警告时无法识别出有向图能够反应的流向冲突问题。

2016年第5期的《中国给水排水》杂志上公开了金溪和王芳的题目为《排水管网有向图拓扑结构自动生成方法分析》，该文章针对人工建立排水管网拓扑结构存在的效率低、错误率高等问题,提出了以广度优先遍历为基础的排水管网拓扑结构自动生成方法。通过为节点引入层级标识概念,可将排放口节点作为出发节点逆向遍历管网中的所有节点,并进行节点层级标识的计算与赋值。循环过程中为出发节点设置"前进"或"暂停"状态,解决了节点层级标识的多次赋值以及上下游节点顺序颠倒问题。应用排水管网拓扑结构自动生成方法可大大提高排水管网水力模型的建模效率和准确性，该方法的缺点是完全利用管网拓扑结构本身进行流向分析，在环状管网以及两个末端节点项链的树状管网处的结果会会出现随机性。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种城市排水管网拓扑关系梳理方法，基于有向图和排水管网自身特性进行拓扑分析。

本发明的目的是提供一种城市排水管网拓扑关系梳理方法，包括根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系，还包括以下步骤：

步骤1：比较管线两端点的底高程，初步定义上下游端，构建有向图；

步骤2：计算有向图节点的节点度、入度和出度；

步骤3：检索所有节点度大于1且出度为0的节点，根据节点在管网系统的相对高差修正管段流向；

步骤4：检索所有的有向环，在确定无代表泵站的管段前提下，修正管段方向与管网系统整体趋势一致，解除环状结构；

步骤5：检索所有节点度大于1且入度为0的节点，根据管网系统服务的整体调整节点相关管段流向；

步骤6：循环所述步骤3到所述步骤6，直到无法检测出所述步骤到所述步骤的特征拓扑结构；

步骤7：对代表管网系统的有向图进行DAG测试，确定拓扑排序终点位于城市下游承载水体。

优选的是，所述根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系包括计算节点要素和管线要素端点的欧氏距离，将距离最近的节点和管线端点进行匹配。

在上述任一方案中优选的是，每一个根管线匹配两个节点编码x 与 y，管线可以被表征为这两个节点的组合（x，y）。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤1包括将比较结果中底高程高的端点定义为上游，将比较结果中底高程低的端点定义为下游，将管网系统概化为有向图，数学表达为： G=( V, E)，其中 V是节点集合，， E是节点有向数对组成的边集合。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤2包括使用NetworkX拓展模块对有向图各节点的节点度信息进行快速计算。

在上述任一方案中优选的是，所述节点度是指和该节点相关联的边的条数。

在上述任一方案中优选的是，所述入度是指进入该节点的边的条数。

在上述任一方案中优选的是，所述出度是指从该节点出发的边的条数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括将检索出的节点命名为全入流节点，该类节点不能对水量排泄的方向进行恰当的表示，根据服务目标调整边的方向。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤4 包括利用有向环检索功能，找到所有构成有向环的边，并命名为有向环结构。

在上述任一方案中优选的是，如果有多个环产生交集，寻找其公共边进行方向检查和修正。

在上述任一方案中优选的是，对于独立的有向环，根据服务目标调整边的方向。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤5包括将检索出的节点命名为全出流节点，此类节点没有上游节点但有多个下游节点。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤6包括在循环过程中，某一轮的错误检查导致新的错误拓扑结构的产生，执行算法使特征拓扑结构传递至有向图边界或多度节点而被释放。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤7包括保证出度为0的节点进行位于下游承载水体旁。

在上述任一方案中优选的是，所述下游承载水体包括河道和/或污水处理厂。

在上述任一方案中优选的是，所述DAG为一个没有有向循环的、有限的有向图，由有限个顶点和有向边组成，每条有向边都从一个顶点指向另一个顶点；从任意一个顶点出发都不能通过这些有向边回到原来的顶点。

本发明提出了一种城市排水管网拓扑关系梳理方法，能够合理的解决目前的水力模型计算过程中初始条件插值的不合理问题，可操作性强。

DAG为Direct Acyclic Graph，表示直接非循环图（有向无环图），从图中任意一个节点出发，根据方向无法回到原点的图就叫做直接非循环图。

NetworkX是一个进行复杂图形网络计算的Python软件包。针对由物理、生物、社会、工程技术、信息系统中多种类型的关系和过程所抽象出的图论问题进行建模并进行分析，用于发现和理解图形网络关联数据之间的复杂关系和优化路径。

附图说明

图1为按照本发明的城市排水管网拓扑关系梳理方法的一优选实施例的流程图。

图2为按照本发明的城市排水管网拓扑关系梳理方法的另一优选实施例的流程操作示意图。

图3为按照本发明的城市排水管网拓扑关系梳理方法的排水管网系统存疑拓扑结构的一实施例的计算流程图。

图4为按照本发明的城市排水管网拓扑关系梳理方法的流向与坡度相反的管线的一实施例的示意图。

实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例

如图1所示，执行步骤100，根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系，计算节点要素和管线要素端点的欧氏距离，将距离最近的节点和管线端点进行匹配，每一个根管线匹配两个节点编码下 x 与 y，管线可以被表征为这两个节点的组合（x，y）。

执行步骤110，比较管线两端点的底高程，初步定义上下游端，构建有向图.将比较结果中底高程高的端点定义为上游，将比较结果中底高程低的端点定义为下游，将管网系统概化为有向图，数学表达为： G=( V, E)，其中 V是节点集合，， E是节点有向数对组成的边集合。

执行步骤120，计算有向图节点的节点度、入度和出度，使用NetworkX拓展模块对有向图各节点的节点度信息进行快速计算。所述节点度是指和该节点相关联的边的条数，所述入度是指进入该节点的边的条数，所述出度是指从该节点出发的边的条数。

执行步骤130，检索所有节点度大于1且出度为0的节点，根据节点在管网系统的相对高差修正管段流向，将检索出的节点命名为全入流节点，该类节点不能对水量排泄的方向进行恰当的表示，根据其服务目标调整边的方向。

执行步骤140，检索所有的有向环，在确定无代表泵站的管段前提下，修正管段方向与管网系统整体趋势一致，解除环状结构，利用有向环检索功能，找到所有构成有向环的边，并命名为有向环结构e。如果有多个环产生交集，寻找其公共边进行方向检查和修正。对于独立的有向环，根据服务目标调整边的方向。

执行步骤150，检索所有节点度大于1且入度为0的节点，根据管网系统服务的整体调整节点相关管段流向，将检索出的节点命名为全出流节点，此类节点没有上游节点但有多个下游节点。

执行步骤160，判断是否能检测特征拓扑结构。如果还能检测出特征拓扑结构，则循环执行步骤120到步骤150。在循环过程中，某一轮的错误检查导致新的错误拓扑结构的产生，这些错误会随着不断循环传递至拓扑图边界或多度节点而被释放。

如果无法检测出特征拓扑结构，则执行步骤170，对代表管网系统的有向图进行DAG测试，确定拓扑排序终点位于城市下游承载水体，保证出度为0的节点进行位于下游承载水体旁，所述下游承载水体包括河道和/或污水处理厂。所述DAG为一个没有有向循环的、有限的有向图，由有限个顶点和有向边组成，每条有向边都从一个顶点指向另一个顶点；从任意一个顶点出发都不能通过这些有向边回到原来的顶点。

实施例

如图2所示，本发明提出一种基于有向图的城市排水管网拓扑关系梳理方法和应用。该方法能够快速定位管网数据中的存疑拓扑结构，并定义了排水管网数据应遵守的拓扑标准，包括如下步骤：

S1：根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系。

具体为：计算节点要素和管线要素端点的欧氏距离，将距离最近的节点和管线端点进行匹配，每一个根管线将会匹配两个节点编码下 x 与 y，管线可以被表征为这两个节点的组合（x，y）。

S2：比较管线两端的底高程，初步定义上下游端，构建有向图。

具体为，比较管段两端点的底高程，将较高端定义为上游、较低端定义为下游，将管网系统概化为有向图，数学表达为： G=( V, E)，其中 V是节点集合，， E是节点有向数对组成的边集合。

S3：计算有向图节点的节点度、入度和出度。

具体为：可使用Python社区的NetworkX拓展模块对有向图各节点的节点度信息进行快速计算。其中，节点度是指和该节点相关联的边的条数，又称关联度。特别地，对于有向图，节点的入度是指进入该节点的边的条数；节点的出度是指从该节点出发的边的条数。

S4：检索所有节点度大于1，但出度为0的节点，根据节点在管网系统的相对高差修正管段流向。

具体的：检索出节点度大于1，但出度为0的节点，该类节点所表征的管网拓扑结构如图3（a）所示，将其命名为“All-down（全入流节点）”，该类节点无法将水量排泄的方向进行恰当的表示，必须根据服务目标调整边的方向。

S5：检索所有的有向环，在确定无代表泵站的管段前提下，修正管段方向与管网系统整体趋势一致，解除环状结构。

具体为：利用有向环检索功能，找到所有构成有向环的边，该类节点所表征的管网拓扑结构如图3（b）所示，将其命名为“Cycle（有向环结构）”；如果有多个环产生交集，寻找其公共边进行方向检查和修正；对于独立的有向环，则根据服务目标调整边的方向。

S6：检索所有节点度大于1，但入度为0的节点，根据管网系统服务的整体选择性调整节点相关管段流向。

具体为：检索所有节点度大于1，但入度为0的节点，该类节点所表征的管网拓扑结构如图3（c）所示，将其命名为“All-up（全出流节点）”。此类节点表现为没有上游节点但有多个下游节点，此类点在现实排水管网中可能出现，所以检索到此类结构仅仅是作为排查管网错误拓扑结构的警告。

S7：循环步骤S3到S6，直到无法检测出步骤S3到S6的特征拓扑结构。

具体为：在循环步骤S3至S6过程期间，某一轮的错误检查可能会导致新的错误拓扑结构的产生，而这些错误会随着步骤S3-S6不断循环传递至拓扑图边界或多度节点而被释放。

S8：对代表管网系统的有向图进行DAG(Direct Acyclic Graph)测试，同时保证出度为0 的节点进行位于河道、污水处理厂等下游承载水体旁。

具体为：DAG是一个没有有向循环的、有限的有向图。具体来说，它由有限个顶点和有向边组成，每条有向边都从一个顶点指向另一个顶点；从任意一个顶点出发都不能通过这些有向边回到原来的顶点；在此基础上，代表管网拓扑关系的DAG同时应保证该图的终点位于城市下游承载水体旁。

关于修正时所提到的“根据服务目标调整边的方向”做出如下解释：排水管网是一个重力驱动系统，具有一定的坡度，其总体的正坡方向体现了排水管网的功能属性，所以我们将管段的一般水流方向定义为管段方向。此管线的一般方向未必就是从管线较高的端点指向较低的端点（原因可能是地质沉降或者施工失误），而是该管段在总体管网系统中针对服务目标的一般表现，如图4所示， 虽然管b的A点方向低于B 点，但管b的方向在整体中应是由A至B。

为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (6)

1.一种城市排水管网拓扑关系梳理方法，包括根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系，其特征在于，还包括以下步骤：

所述根据空间检索构建管网数据的点线拓扑关系包括计算节点要素和管线要素端点的欧氏距离，将距离最近的节点和管线端点进行匹配，每一个根管线匹配两个节点编码下x 与 y，管线可以被表征为这两个节点的组合（x，y）；

步骤1：比较管线两端点的底高程，初步定义上下游端，构建有向图；

步骤2：计算有向图节点的节点度、入度和出度；

步骤3：检索所有节点度大于1且出度为0的节点，根据节点在管网系统的相对高差修正管段流向；

步骤4：检索所有的有向环，在确定无代表泵站的管段前提下，修正管段方向与管网系统整体趋势一致，解除环状结构；利用有向环检索功能，找到所有构成有向环的边，并命名为有向环结构，如果有多个环产生交集，寻找其公共边进行方向检查和修正；对于独立的有向环，根据服务目标调整边的方向；

步骤5：检索所有节点度大于1且入度为0的节点，根据管网系统服务的整体调整节点相关管段流向；

步骤6：循环所述步骤3到所述步骤5，直到无法检测出所述步骤3到所述步骤5的特征拓扑结构；

步骤7：对代表管网系统的有向图进行DAG测试，确定拓扑排序终点位于城市下游承载水体。

2.如权利要求1所述的城市排水管网拓扑关系梳理方法，其特征在于，所述步骤1包括将比较结果中底高程高的端点定义为上游，将比较结果中底高程低的端点定义为下游，将管网系统概化为有向图，数学表达为：G=(V,E)，其中V是节点集合，，E是节点有向数对组成的边集合。

3.如权利要求2所述的城市排水管网拓扑关系梳理方法，其特征在于，所述步骤2包括使用NetworkX拓展模块对有向图各节点的节点度信息进行快速计算。

4.如权利要求3所述的城市排水管网拓扑关系梳理方法，其特征在于，所述节点度是指和该节点相关联的边的条数，所述入度是指进入该节点的边的条数，所述出度是指从该节点出发的边的条数。

5.如权利要求4所述的城市排水管网拓扑关系梳理方法，其特征在于，所述步骤3包括将检索出的节点命名为全入流节点，该类节点不能对水量排泄的方向进行恰当的表示，根据服务目标调整边的方向。

6.如权利要求5所述的城市排水管网拓扑关系梳理方法，其特征在于，所述步骤5包括将检索出的节点命名为全出流节点，此类节点没有上游节点但有多个下游节点。

Images