一种基于管网数据预处理的关阀方案生成方法技术

本发明专利技术提供了一种基于管网数据预处理的关阀方案生成方法，该技术方案包含两个相对独立的过程：管网数据预处理过程和关阀方案生成过程。管网数据预处理过程将实际的物理管线网络抽象为结点-弧段图G，利用该图生成单源点单元-阀门图G-UV，然后进一步生成阀门关断方向图G-SD并加以存储；关阀方案生成过程利用存储的阀门关断方向图G-SD迅速对爆管事故或开管施工作出关阀决策。本发明专利技术利用该方法利用预处理成果进行关阀分析，避免了对管网数据进行遍历，在常数时间复杂度内即可得到精确关阀方案，有利于及时施工、避免险情，达到保护人民生命财产安全的有益效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于管网数据预处理的关阀方案生成方法，属于城市管网安全保障领域。
技术介绍
近年来，随着城市规模的扩大和居民生活水平的提高，自来水、燃气等基本生活物资的需求量不断增长，我国各城市都加快了供水和燃气管网等市政基础设施的建设步伐。大规模管网给城市居民生活带来了方便，但频发的爆管、渗漏、堵塞和污染等管网事故，也给城市安全和居民生活带来负面影响。在供水和燃气爆管事故发生后，需要尽快关闭爆管点周边阀门，停止水、气在爆管处的外泄，以阻止损失扩大，并方便管网抢修。另外，在进行管道改扩建的施工中，也需要根据开管施工位置制定合理的关阀方案来停水停气。关阀方案，就是由最少数量的阀门构成的、满足以下条件的集合：关闭这些阀门，即可实现在施工点(爆管处或开管施工处)的停水/停气，并使得关阀造成的停水/停气范围最小。关阀方案与管网拓扑连接、阀门和水/气源的分布存在密切关联。 目前，关阀方案的生成方式主要分为人工判定和计算机自动生成两种。 (1)人工判定方式主要依靠人工经验辅以管网图纸进行应关阀门的筛选。错综复杂的管网结构以及工作人员的业务水平限制决定了这种方式在效率和精确性两方面都难以得到保证，容易导致阀门的迟关、多关、漏关和错关等情况，造成资源浪费或次生灾害； (2)利用计算机技术自动生成关阀方案，是开发一套以管网数据和事故管点所属管段为输入，以应关阀门组合为输出的方法。 当前，在利用计算机对管网信息进行表达和管理时，基本上都将其视为一个图，图中的结点与管网中的管点相对应，图中的边则表示管网中的管段。 在管网图上求解关阀方案的算法通常分为2个步骤： (1)获取候选阀门：以施工点为起点，利用遍历搜索算法找到包围施工点的所有阀门，这些阀门都是可能需要关闭的阀门，称为候选阀门； (2)筛选应关阀门：在候选阀门集合中进行筛选，剔除那些远离源头(水源、气源)、通向末端分支管网的阀门，留下真正通向源头，应该关闭以阻止水/气流到施工点的阀门，即应关阀门。 以上两步都是使用管网图执行遍历搜索。步骤(1)是单起点局部搜索，步骤(2)则是多起点全局搜索。 对于步骤(1)，本专利申请人中国地质大学(武汉)曾文等研究者在公开发表的论文《适用于关阀分析算法的供水管网单元-阀门图模型》(《武汉大学学报信息科学版》，2013年12月，网络出版)中提出了优化方法。论文在管网传统结点-弧段图模型的基础上，提出了优化实体数量并简洁表达拓扑结构的单元-阀门图模型。该模型是结点-弧段图的一种伪对偶图，将管网内被阀门区隔形成的封闭连通区域(称为“单元”)归结为顶点，将分隔两个单元的阀门转化为边。在将管网模型预先处理为单元-阀门图之后，包含施工点的那个单元(单元-阀门图中的一个顶点)，其连接的全部边(即包围单元的阀门)就是候选阀门。这样，候选阀门可以通过单元-阀门图的连接关系直接得到，无需执行任何搜索操作。 步骤(2)从具体实现上看，有不同的搜索策略：可以从各个水源或气源出发对管网进行遍历，一旦遇到候选阀门就停止该方向的搜索，并将这个候选阀门加入应关阀门集合；也可以依次从每个候选阀门出发搜索水源或气源，在搜索过程中遇到任意候选阀门则停止该方向的搜索，若最终搜索到水源或气源，则作为起点的这个候选阀门就是应关阀门，如果遍历结束仍然没有遇到水源或气源，则该候选阀门不是应关阀门。以上两种方法都是通过进行全局搜索来考察候选阀门与源头之间的连通关系，然后以此为依据筛选应关阀门。如果管网规模较大，这种搜索将会非常耗时。 专利申请人上述论文对步骤(2)也提出了优化方法，即在生成单元-阀门图模型时把包含水源或气源的单元标记为源单元，然后在包含源单元的单元-阀门图中执行搜索。虽然这种方法仍然需要执行全局搜索，但是由于单元-阀门图中顶点和边的数量明显少于原始结点-弧段模型，搜索效率可以提高近一个数量级。 为了避免关阀方案生成时的全局搜索，一些研究人员提出基于阀门控制关系的筛选策略。阀门v1是否为阀门v2的控制阀门，可以由如下定义确定，设v1和v2相邻(二者之间存在至少一条不经过其他阀门的路径)，v2目前已知的控制阀门集合为S(初始为空)，若从v1到源头的路径中至少有一条不经过S中的阀门，则v1是v2的控制阀门，将其添加到v2的控制阀门集合S。按照这种策略反复搜索全网，即可获取每个阀门的控制阀门集合；在生成关阀方案的筛选应关阀门步骤中，若某候选阀门的所有控制阀门都在候选阀门集合内，则该阀门不是应关阀门。该算法在实际应用时存在以下缺陷：1)阀门控制关系的判定算法太过复杂，时间耗费很大；2)每个阀门都需要建立一个阀门控制阀门集合表，存储空间需求很高；3)确定应关阀门时需要将每个候选阀门的控制阀门集合与候选阀门集合进行比对，也比较耗时。
技术实现思路
本专利技术的目的，是解决现有技术的不足，通过对管网数据预先进行分析和处理，得到阀门在管网中的止水(止气)作用模式；在实际的关阀分析步骤中，无论获取候选阀门还是筛选应关阀门，都不再对管网执行搜索，可以直接得到应关阀门。 本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于管网数据预处理的关阀方案生成方法，用于在管线网络事故抢修或开管施工时做出关阀决策，其特征在于包括管网数据预处理和关阀方案生成两个相对独立的过程； 其中，管网数据的预处理过程，具体包括以下步骤： (A1)生成单源点单元-阀门图G-UV： (A1a)将物理管线网络抽象为结点-弧段图G：将物理管线网络中的管点设施映射为结点-弧段图G中的结点，将物理管线网络中的管段映射为结点-弧段图G中的边；其中，管点设施中的源头映射为源结点，管点设施中的阀门映射为阀门结点，其它管点设施映射为普通管点结点； (A1b)合并源结点生成单源点结点-弧段图G’：在结点-弧段图G中新增一个结点作为唯一的源点，从该源点引边分别连接结点-弧段图G中的全部源结点，然后将全部源结点更新为普通管点结点，得到单源点结点-弧段图G’； (A1c)生成关断单元：将单源点结点-弧段图G’中的每个阀门结点分裂为2个不相连的结点，得到非连通图G”，所述非连通图G”中的每个连通分量即一个关断单元；所有关断单元中，包含单源点结点-弧段图G’中源结点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于管网数据预处理的关阀方案生成方法，用于在管线网络事故抢修或开管施工时做出关阀决策，其特征在于包括管网数据预处理和关阀方案生成两个相对独立的过程；其中，管网数据的预处理过程，具体包括以下步骤：(A1)生成单源点单元‑阀门图G‑UV：(A1a)将物理管线网络抽象为结点‑弧段图G：将物理管线网络中的管点设施映射为结点‑弧段图G中的结点，将物理管线网络中的管段映射为结点‑弧段图G中的边；其中，管点设施中的源头映射为源结点，管点设施中的阀门映射为阀门结点，其它管点设施映射为普通管点结点；(A1b)合并源结点生成单源点结点‑弧段图G’：在结点‑弧段图G中新增一个结点作为唯一的源点，从该源点引边分别连接结点‑弧段图G中的全部源结点，然后将全部源结点更新为普通管点结点，得到单源点结点‑弧段图G’；(A1c)生成关断单元：将单源点结点‑弧段图G’中的每个阀门结点分裂为2个不相连的结点，得到非连通图G”，所述非连通图G”中的每个连通分量即一个关断单元；所有关断单元中，包含单源点结点‑弧段图G’中源结点的关断单元为源单元；(A1d)生成单源点单元‑阀门图G‑UV：将非连通图G”中的各关断单元作为单源点单元‑阀门图G‑UV的结点；对于由单源点结点‑弧段图G’每个阀门结点分裂的两个结点，将其连通转化为单源点单元‑阀门图G‑UV的边，得到单源点单元‑阀门图G‑UV；所述单源点单元‑阀门图G‑UV为无向连通图；其中，单源点单元‑阀门图G‑UV中的每个结点为一个关断单元，每条边为一个阀门，源单元是单源点单元‑阀门图G‑UV中唯一包含源点的关断单元；(A2)生成阀门关断方向图G‑SD：(A2a)利用割点求解算法确定单源点单元‑阀门图G‑UV的全部割点；(A2b)针对每个割点执行如下步骤：若将该割点从单源点单元‑阀门图G‑UV中移除，则单源点单元‑阀门图G‑UV必然包括2个以上连通分量，其中有且仅有一个连通分量包含源点；对于不包含源点的每个连通分量，分别将该割点通向该连通分量的连接边修改为以该割点为尾结点的有向边；(A2c)按步骤(A2b)处理所有割点，并将源点连接的无向边全部改为从源点出发的有向边，即得到阀门关断方向图G‑SD；阀门关断方向图G‑SD中的结点即单元结点；关阀方案生成过程，在每次发生爆管事故时执行，具体包括以下步骤：(B1)获取候选阀门：首先确定施工点所属管段在阀门关断方向图G‑SD中对应的单元结点，然后取出该单元结点的全部连接边，这些边代表候选阀门；施工点所属管段对应于结点‑弧段图G中的边；(B2)筛选应关阀门：检查步骤(B1)中得到的各个连接边的方向，若该连接边是无向边，或是指向施工单元的有向边，则该边所代表的候选阀门为应关阀门；否则该边代表的候选阀门不是应关阀门。...

【技术特征摘要】
1.一种基于管网数据预处理的关阀方案生成方法，用于在管线网络事故抢修或开
管施工时做出关阀决策，其特征在于包括管网数据预处理和关阀方案生成两个相对独立
的过程；
其中，管网数据的预处理过程，具体包括以下步骤：
(A1)生成单源点单元-阀门图G-UV：
(A1a)将物理管线网络抽象为结点-弧段图G：将物理管线网络中的管点设施映射
为结点-弧段图G中的结点，将物理管线网络中的管段映射为结点-弧段图G中的边；其
中，管点设施中的源头映射为源结点，管点设施中的阀门映射为阀门结点，其它管点设
施映射为普通管点结点；
(A1b)合并源结点生成单源点结点-弧段图G’：在结点-弧段图G中新增一个结点
作为唯一的源点，从该源点引边分别连接结点-弧段图G中的全部源结点，然后将全部
源结点更新为普通管点结点，得到单源点结点-弧段图G’；
(A1c)生成关断单元：将单源点结点-弧段图G’中的每个阀门结点分裂为2个不
相连的结点，得到非连通图G”，所述非连通图G”中的每个连通分量即一个关断单
元；所有关断单元中，包含单源点结点-弧段图G’中源结点的关断单元为源单元；
(A1d)生成单源点单元-阀门图G-UV：将非连通图G”中的各关断单元作为单源
点单元-阀门图G-UV的结点；对于由单源点结点-弧段图G’每个阀门结点分裂的两个
结点，将其连通转化为单源点单元-阀门图G-UV的边，得到单源点单元-阀门图G-UV；
所述单源点单元-阀门图G-UV为无向连通图；其中，单源点单元-阀门图G-UV中的每
个结点为一个关断单元，每条边为一个阀门，源单元是单源点单元-阀门图G-UV中唯
一包含源点的关断单元；
(A2)生成阀门关断方向图G-SD：...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾文，扈震，敖卿鑫，杨之江，王柳，方建明，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42