一種村鎮供水管網的可視化設計系統和方法與流程

2023-06-24 04:20:56 1

本發明涉及供水管網優化設計技術領域，特別涉及一種村鎮供水管網的可視化設計系統和方法。

背景技術：

近年來隨著鄉鎮經濟的發展、農村生活條件的改善以及鄉鎮企業規模擴大，生產用水及生活用水需求量不斷增加，並且用戶對水量水質的要求都有了一定的提高，飲水安全這項民生工程也越來越受到社會各界的廣泛關注。同時，隨著水資源日益緊缺和水資源開發利用率的提高，老舊供水系統的修復、改建和擴建等所需的投入也逐漸增大。利用科學的方法有效建設供水管網工程，在保障人民生活和農村發展中有著舉足輕重的作用。

傳統的供水管網設計完全依靠人工計算和手動繪圖，成果以紙質資料保存。隨著CAD即計算機輔助設計技術的發展，設計人員開始利用AutoCAD等輔助設計軟體進行管網繪製，並藉助於Excel的計算功能進行水力計算，基本實現管網設計的半自動化。近年來，市場上也出現了一些管網設計的軟體，但是這些軟體在管網建模和出圖方面存在不同程度的缺陷，諸如計算過程無法可視化表達、管網查詢不夠靈活，成果格式的不可變性、無法導入AutoCAD中，並且在與相關設計圖的匹配上存在很大問題。

現有的供水管網設計軟體存在如下缺點：

（1）圖形和屬性的鬆散耦合導致關聯關係的維護比較複雜。計算結果與設計圖紙分離管理，資料分散在計算機技術高度發達的今天顯得十分低效；

（2）設計修改工作量大。無論是設計圖紙的修改還是水力計算參數的改變，都會引起另一方面的修改，工作量大、效率低；

（3）計算結果不夠直觀。管網水力計算的結果不能直觀的反映在圖紙上，根據計算結果才能為設計圖紙添加標註信息；

（4）管網成果圖繪製工作量大。管網設計的最終結果需要輸出多種設計圖紙，每種圖紙都需要添加不同的標註信息，手工添加這些標註信息需要耗費很大的工作量。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於，提供一種村鎮供水管網的可視化系統和設計方法，可以快速地構建水力模型，將水力計算過程可視化，實現了設計流程的統一化與規範化，提高了設計效率，保證了供水工程管網設計的準確性、可靠性和科學性。

本發明的目的是以下述方式實現的：

一種村鎮供水管網的可視化設計系統，包括數據交互模塊、管網模型構建模塊、可視化水力計算模塊、方案檢測模塊、自動化成果輸出模塊、工程預算模塊和圖文一體化管理模塊；

所述數據交互模塊提供通用CAD、GIS數據訪問接口，與AutoCAD、ArcGIS、Surfer、CASS或EPANET等軟體實現數據交換；

所述管網模型構建模塊提供管道、節點、閥門等專業模型的快速構建與編輯；所述管網模型構建模塊使用箭頭對於管段的水流方向進行可視化；

所述可視化水力計算模塊通過圖、表、動畫、UI互動方式對構建的管網模型進行可視化水力計算；

所述方案檢測模塊根據可視化水力計算模塊的計算結果，通過生成最不利管道檢驗方案是否滿足實際設計需要；用戶在管網上選擇一個控制點，系統自動的由該控制點到水源生成一條主管道，然後判斷主管道上的節點處的水壓是否滿足與該節點相連的支管道所需的水壓，如果全部滿足說明該方案設計合理，如果未滿足需要自行調整管道的管徑，進行水力計算後再次檢測；

所述自動化成果輸出模塊基於ActiveX技術實現與AutoCAD、Word或Excel軟體的無縫集成，提供圖紙、文檔、水力計算表格的自動化輸出；

所述工程預算模塊通過集成的工程預算子系統，計算工程項目中人工、材料、機械各項費用，並輸出預算報表；

所述圖文一體化管理模塊實現空間數據與屬性數據的一體化管理，採用圖層管理對象，每個圖層都有自己的屬性表，圖層中的每個對象都有自己的屬性信息。

所述可視化管網水力計算包括沿線流量、節點流量、設計管徑、水頭損失等的計算。

所述管網模型構建模塊在管段的連接處用節點進行表示，在插入節點的時候自動顯示節點處管段的水流方向，並用不同的顏色表示節點處的流入與流出。

所述自動化成果輸出模塊在圖紙輸出過程中，系統根據水利計算結果及圖紙類型，自動添加標註信息。

一種村鎮供水管網的可視化設計方法，所述方法包括如下步驟：

（1）管網模型構建

步驟101：外部數據導入；

步驟102：管線繪製：根據導入的基礎數據，利用捕捉功能及圖形編輯功能繪製管段；

步驟103：節點繪製：在管段銜接處繪製節點，自動的對每個節點進行編碼，以不同的顏色顯示節點連接的每根管段的流入流出屬性；

步驟104：管網拓撲構建：

步驟105：拓撲檢查：搜索出管網中孤立的管段和節點，並以高亮度顏色顯示，提示該處拓撲錯誤；

（2）管網水力計算

步驟201：計算參數輸入：每根管段和節點都有自己的屬性信息，所述屬性信息在水力計算時作為計算參數使用；

步驟202：水力計算：所述水力計算包括沿線流量、節點流量、設計管徑、水頭損失等的計算；

步驟203：結果覆核：通過結果覆核判斷設計是否滿足需求；

（3）管網水力計算結果顯示：水力計算結果作為管段或者節點的屬性信息，通過屬性標註在管段或者節點附近顯示；

（4）管網成果圖表繪製：根據水力計算結果和管網模型，通過AutoCAD數據接口自動繪製成果圖紙。

所述步驟104中，管網拓撲構建採用逐級搜索的方法構建管網拓撲，第一級搜索管網中的源節點，找出與該節點相連的管段，搜索該管段下遊節點，並將管段的上遊節點編號及下遊節點編號保存到管段屬性信息中；然後以第一級搜索節點為基礎，繼續向下進行遍歷，直到匯節點結束。

所述步驟203中，結果覆核包括水壓覆核法和水量覆核法。

所述水壓覆核法在管網上選擇一個匯節點，搜索出該節點到水源的一條主管道，然後判斷主管道上的節點處的水壓是否滿足與該節點相連的支管道所需的水壓，如果全部滿足說明該方案設計合理，如果未滿足需要自行調整管道的管徑，進行水力計算後再次檢測。

所述水量覆核法根據管網中各管段的水頭損失和節點的高程值搜索的一條最不利的管道，通過查看最不利點的水量值可以檢驗該方案是否滿足實際設計需要。

村鎮供水管網的可視化設計系統將空間數據與屬性數據一體化管理，全面實現了圖文動態更新與專業屬性數據的整體同步。此外，通過內置高效的空間分析模塊、健壯的水力計算算法、完善的數據訪問接口和可靠的AutoCAD交互方式，系統完全滿足用戶從數據處理到水力計算再到成果圖輸出與工程預算的流程需求。

村鎮供水管網的可視化設計方法主要包括管網模型構建的可視化、管網水力計算過程的可視化、管網水力計算結果的可視化、管網成果圖表繪製的可視化。基於此種設計方法研發的輔助設計軟體能夠輔助廣大基層供水設計人員進行供水工程設計，軟體將空間數據與屬性數據一體化管理，全面實現了圖文動態更新與專業屬性數據的整體同步。此外，通過內置高效的空間分析模塊、健壯的水力計算算法、完善的數據訪問接口和可靠的AutoCAD交互方式，系統完全滿足用戶從數據處理到水力計算再到成果圖輸出與工程預算的流程需求。

相對於現有技術，本發明針對性強、易掌握，實現了設計流程的統一化與規範化，提高了設計效率，縮短了設計周期，節約了成本，可以快速地構建水力模型，保證了供水工程管網設計的準確性、可靠性和科學性。

附圖說明

圖1為本發明的系統框架圖。

圖2為本發明的系統業務流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，村鎮供水管網的可視化系統主要包括：

(1)數據交互模塊：

能夠與其它軟體方便、靈活的進行數據交換是一個系統的重要組成部分，是其兼容性的體現。系統提供通用的CAD、GIS數據格式訪問接口，可實現與AutoCAD、ArcGIS、Surfer、CASS、EPANET等軟體的數據交換。

(2)管網模型構建模塊：

系統結合供水工程設計需求，除常用幾何模型外，還提供管道、節點、閥門等專業模型的快速構建與編輯。

對於管段的水流方向，系統用箭頭對其進行可視化，且用戶能夠方便快捷的根據設計需求改變水流方向。

在管段的連接處用節點進行表示，在插入節點的時候自動顯示節點處管段的水流方向，並用不同的顏色表示節點處的流入與流出。

(3)圖文一體化管理模塊：

數據存儲是系統中的關鍵性的步驟，它涉及到空間數據與屬性數據的存儲。目前大多數系統都是將二者分開存儲，通過公共數據項來連接。這種組織方式的缺點是數據的定義與數據操作相分離，無法有效地記錄地理實體在時間域上的變化屬性，不能適應用戶的需求。

系統採用圖層管理對象，每個圖層都有自己的屬性表，圖層中的每個對象都有自己的屬性信息。用戶可以通過查詢功能通過屬性信息查詢對象，也可以通過點擊對象查看對象屬性信息，提高數據的訪問速度，真正實現圖文一體化管理。

(4)可視化水力計算模塊：

系統最突出特點就是對水力計算的可視化表達，通過圖、表、動畫、UI互動等方式對管網水力計算全過程進行可視化表達，方便管理、設計、施工等不同用戶群體在同一尺度下直觀、快速地查看計算結果。供水管網的計算主要包括沿線流量、節點流量、設計管徑、水頭損失等的計算。通過圖文聯動功能快速輸入計算參數和屬性，然後進行計算並查看結果，如果不滿意重新調整計算參數並進行相應的水力計算，最終設計成果將按照管徑的不同分顏色進行可視化，用戶能夠直觀、方便地查看管網計算結果。

（5）方案檢測模塊：

用戶可以通過方案檢測功能判斷設計是否滿足需求，用戶在管網上選擇一個控制點（葉子節點），系統會自動的由該控制點到水源生成一條主管道，然後判斷主管道上的節點處的水壓是否滿足與該節點相連的支管道所需的水壓，如果全部滿足說明該方案設計合理，如果未滿足需要自行調整管道的管徑，進行水力計算後再次檢測。

最不利管道計算是指根據管網中各管段的水頭損失和節點的高程值求出的一條最不利的管道，最不利點一般為管網中的高程最高點或者距離水源最遠的點，通過生成最不利管道可以檢驗該方案是否滿足實際設計需要。

（6）自動化成果輸出模塊：

基於ActiveX技術實現與AutoCAD、Word、Excel等軟體的無縫集成，提供圖紙、文檔、水力計算表格等設計成果的自動化輸出，包括管徑計算圖、水壓計算圖、平面布置圖、縱斷面圖等。

在圖紙輸出過程中，系統根據水利計算結果及圖紙類型，自動添加標註信息，大大提高了管網設計效率。

（7）工程預算模塊：

通過集成的工程預算子系統，可以快速地計算出工程項目中人工、材料、機械等各項費用，並輸出預算報表。

如圖2所示，村鎮供水管網的可視化設計方法主要包括：

（1）管網模型構建的可視化

第一步：外部數據導入

可導入常用CAD、GIS軟體數據格式，包括AutoCAD、ArcGIS、Surfer、CASS、EPANET等。即可將導入的數據作為底圖，也可以直接將數據轉換為管段或者節點，導入數據時能夠一併將每個對象的屬性信息導入。

第二步：管線繪製

根據導入的底圖數據，利用捕捉功能及圖形編輯功能繪製管段。繪製管段時打開管段水流方向開關，管段中部會顯示一個箭頭表示流向，可根據需求改變管段流向。

第三步：節點繪製

在管段銜接處繪製節點，軟體以不同的顏色自動顯示節點連接的每根管段的流入流出屬性，只有流出的節點稱為源節點，只有流入的節點稱為匯節點。軟體能夠自動的對每個節點進行編碼，並顯示在節點旁邊，方便查看。

第四步：管網拓撲構建

採用逐級搜索的方法構建管網拓撲，第一級搜索管網中的源節點，找出與該節點相連的管段，搜索該管段下遊節點，並將管段的上遊節點編號及下遊節點編號保存到管段屬性信息中。以第一級搜索節點為基礎，繼續向下進行遍歷，直到匯節點結束。

第五步：拓撲檢查

通過拓撲檢查，搜索出管網中孤立的管段和節點，並以高亮度顏色顯示，提示該處拓撲錯誤。

（2）管網水力計算過程的可視化

第一步：計算參數輸入

軟體實現圖文一體化管理功能，能夠有效地記錄實體在時間域上的變化屬性。每根管段和節點都有自己的屬性信息，通過在管網中選擇管段，就可以查看和編輯屬性，這些屬性在水力計算時作為重要計算參數使用。

第二步：水力計算

主要包括沿線流量、節點流量、設計管徑、水頭損失等的計算。在水力計算交互界面中輸入與管段和節點無關的計算參數，分步進行計算，計算結果存儲為管段和節點的屬性信息，能夠方便地進行查看，若對計算結果不滿意，可以手動進行修改。如設計管徑的計算，根據計算參數，能夠計算出一個相對理想的管徑，但是設計人員可以根據實際情況進行調整，根據調整後結果進行下一步水力計算。

第三步：結果覆核

通過結果覆核判斷設計是否滿足需求，包括水壓覆核和水量覆核。水壓覆核是在管網上選擇一個匯節點，搜索出該節點到水源的一條主管道，然後判斷主管道上的節點處的水壓是否滿足與該節點相連的支管道所需的水壓，如果全部滿足說明該方案設計合理，如果未滿足需要自行調整管道的管徑，進行水力計算後再次檢測。水量覆核是指根據管網中各管段的水頭損失和節點的高程值搜索的一條最不利的管道，最不利點一般為管網中的高程最高點或者距離水源最遠的點，通過查看最不利點的水量值可以檢驗該方案是否滿足實際設計需要。

通過圖、表、動畫、UI互動等方式對管網水力計算全過程進行可視化表達，方便管理、設計、施工等不同用戶群體在同一尺度下直觀、快速地查看計算結果。

（3）管網水力計算結果的可視化

水力計算結果作為管段或者節點的屬性信息，均可以通過屬性標註在管段或者節點附近顯示，還可以根據屬性值用顏色梯度進行顯示，如管徑分色顯示、水壓分色顯示、水質分色顯示等。

（4）管網成果圖表繪製的可視化

在管網設計中，成果圖紙的繪製往往需要大量的工作，軟體實現AutoCAD數據接口，根據水力計算結果和管網模型，能夠自動的繪製成果圖紙。在圖紙繪製時，既可以輸出整個管網模型，也可以根據需求只輸出部分管網模型數據，圖紙中的標註信息的樣式也可以自定義。包括管徑計算圖、水壓計算圖、平面布置圖、縱斷面圖等圖紙的繪製。

以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本領域的技術人員來說，在不脫離本發明整體構思前提下，還可以作出若干改變和改進，這些也應該視為本發明的保護範圍。