一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法技术

本发明专利技术公开了一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法，包括（1）收集待普查区域管网数据，根据待普查区域管网信息得到管点数据和管段数据，构造管网的拓扑结构图；（2）基于裁剪算法，提取地下管网的主干网络；（3）基于社区发现算法，以管网长度为收敛条件，将地下管网划分为若干最小分区单元；（4）输入指定的普查分区数量，以最小分区单元的长度、面积为约束条件，聚合各管网最小分区单元；（5）输出管网分区结果，包括管网矢量数据以及各分区的管网长度、面积等统计信息。本发明专利技术克服了城市地下管网管理普查工作中传统规则格网分区方法破坏管网连续性、普查工作量不均等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法
本专利技术涉及一种城市供水管网分区方法，尤其涉及一种市政管理中面向城市地下供水管网普查的分区方法，属于市政工程管理

技术介绍
地下管线是城市重要的基础设施，被称为城市“生命线”。随着城市规模的不断扩张，地下管线新旧混杂，网络结构日趋复杂化。由于缺乏全面的管线信息，特别是准确的空间位置信息，各种安全事故常有发生，甚至导致重大经济损失。在加强管线科学规划、信息化管理的同时，对现有城市地下管线的普查和探测工作也越来越受到重视。传统的管网普查时，通常采用人工划定普查区域或者是基于地图图幅的规则格网方式进行分区。不仅仅破坏了管网的整体拓扑连通性，造成了普查管段的不连续。同时忽略了区域内部管网的结构，导致了基于分区的普查工作量分配不均衡。因此，面对地下管网普查时，如何科学、有效地对管网进行区域划分是管网普查具体作业中的关键问题。当前，管网分区的技术主要是针对管网设计、分析等各项问题的研究，出于降低管网的规模和复杂程度，通常建立在管网简化的基础上，重点探讨了管网的主干情况，应用于城市新增管网的规划以及针对已有管网的压力分区优化等方向。但从现势管网普查出发，对城市地下复杂管网进行分析与建模，而进行的管网分区研究鲜有涉及。顾及管网的完整性和拓扑结构特征，以满足普查分区中有特定工作区数量的需求，缺少针对性研究。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法，实现了管网分区普查总长度、面积大致相等，满足普查工作量的合理分配的需求。适用于绝大多数的管网普查分区问题。充分考虑了管网的实体性质，保持了分区内管网的良好的连通性，避免了分区后管段的割裂。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法，包括以下步骤：步骤1，收集待普查区域管网信息，根据待普查区域管网信息得到管点数据和管段数据。面向地下管网普查中管网设备具有重要的特征，重点关注管网设备（如三通、阀门井、泄气等设施设备），以及管段的相关信息（如材质、管径等）。本方法需要进行两次抽象，第一次将管网设备抽象为矢量点，管段抽象为矢量线，综合管点数据和管段数据形成管网矢量数据。第二次抽象将管点管段作为统一的空间实体对象，作为整体由欧式空间向拓扑空间进行投影。根据管网矢量数据将管点抽象成节点，将管段抽象成连接节点的边，将管段的长度作为边的权重，构造管网拓扑无向图。步骤2，步骤1得到的管网拓扑无向图是实际的管网结构，并未通过简化。使用特定裁剪算法将管网进行结构的划分。划分结果包括主干骨架网络结构和分支网络结构，主干骨架网络结构是整个管网的核心，主要由主线管网和部分涉及关键拓扑位置的支线管网构成的。分支网络结构有明显的前驱后继关系，形成有层次的树形结构，其中只有一个前驱节点，而无后继节点的为叶子节点。提取管网拓扑无向图中的供水管网的主干网络结构和分支网络结构。在管网拓扑无向图当中，存在诸多度为1的节点，删除这些节点之后又会出现新的度为1的节点，迭代之后，剩下的拓扑结构即为主干骨架网络结构。记录删除节点的顺序，逆序输出构建为树形结构。步骤3，根据得到的主干网络结构和分支网络结构将供水管网划分为nc个单元。步骤31，将主干骨架网络结构中的每个节点看成一个独立的单元，初始单元的数目与节点个数相同。且每一个单元的权重包括挂载在该节点的树状结构的所有长度权重。因管网普查工作量主要是管网长度，故此处将管段的长度属性设为权重。步骤32，对每个节点i，尝试把节点i分配到其邻接节点所在的单元中，并计算分配前与分配后的模块度差值ΔQ，并记录模块度差值ΔQ最大的那个邻接节点。如果最大的ΔQ>0，则把节点i分配到ΔQ最大的那个邻接节点所在的单元，否则放弃此次划分。模块度差值的计算公式如下：其中，ΔQ表示模块度差值，TopologySim表示两个相邻节点的拓扑相似度，i,n是节点编号，i表示第i个节点，n为i的邻接节点，是单元C内的权重之和，表示单元C的内部权重，是连接单元C的外部连接的权重之和，表示连接单元C的外部权重，C表示邻接节点n所在的单元，是连接节点i的外部连接的权重之和，是节点i与内部节点的连接权重相加的和，为整个网络的权重之和。步骤33，重复步骤32，直到所有节点的所属单元不再发生变化。步骤34，将步骤33得到的具有相同的归属的节点，视作一个新的节点，重新构造子图，两个新节点之间的权重为相应两个单元之间所有边的权重之和。步骤35，给定最小社区子团分辨率参数，将步骤34得到的子图作为输入，重新执行步骤31到步骤34，直到满足给定的最小子团分辨率参数，得到最小社区子团以及社区子团。步骤36，输出最小社区子团以及社区子团的连接关系，将最小社区子团作为管网的最小分区单元，本步骤实现了管网在规定分辨率内的最精细化分割。步骤4，在子团连接关系的基础上，根据指定分区数量，以长度相当为主要收敛条件，面积为次要收敛条件，实现管网最小分区单元聚合，达到指定的分区数目。将新节点作为社区子团的可能性，节点i被选为社区子团的可能性的计算具体公式如下：其中，表示节点i被选为社区子团的概率，D（i）定义为节点i到邻居子团欧氏空间的质心的距离，表示节点i的所有邻接节点n到节点i的距离平方和。此外，不同于一般的社区发现算法的收敛条件，本方法还从面积分配的角度，定义空间面积上的收敛条件：其中，表示每个分区面积的最小值，表示分区数，为候选节点，是第个分区，mi为邻接节点的质心。根据不同的收敛数，选择取极值点处的数值，作为最优的子团分配方式。步骤41，将分支网结构的权重赋予其所挂载的主干网络结构的节点上，根据该节点的所属单元，将分支网结构的管段长度赋给所属单元。步骤42，选择社区子团中权重最小的节点，合并其邻接节点中权重最小的节点为新节点，新节点权重由原节点与原节点之间的边权重的和相加得到。当权重最小的两个节点并不存在直接拓扑关联时，分别计算两节点加入邻居时外包矩形的面积大小，选择面积变化较大的合并方案。步骤43，重复步骤42，直到所有节点合并完成，得到不同分区方案下的各分区。步骤44，分别计算不同分区方案下的各分区长度的方差，选取方差最小的分区方案。长度方差相等时，使用外包矩形的面积作为判断条件。步骤5，输出管网分区结果，包括矢量数据以及分区的管网长度信息。优选的：步骤1中构造管网拓扑无向图的方法如下：步骤11，采集管网设备（如三通、阀门井、泄气等设施设备），以及管段的相关信息（如材质、管径等），管网的对象建模需要将管网矢量数据（包括管点数据和管段数据）进行概念的抽象。首先对管点数据和管段数据进行检查，确保每条管段是两个管点的连线，管段内部没有多余管点设备。对不符合要求的管段和管点进行修正，删除缺少端点管点的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，收集待普查区域管网信息，根据待普查区域管网信息得到管点数据和管段数据，面向地下管网普查中管网设备具有管网设备以及管段的相关信息，进行两次抽象，第一次将管网设备抽象为矢量点，管段抽象为矢量线，综合管点数据和管段数据形成管网矢量数据；第二次抽象将管点管段作为统一的空间实体对象，作为整体由欧式空间向拓扑空间进行投影，根据管网矢量数据将管点抽象成节点，将管段抽象成连接节点的边，将管段的长度作为边的权重，构造管网拓扑无向图；/n步骤2，步骤1得到的管网拓扑无向图是实际的管网结构，并未通过简化，使用裁剪算法将管网结构进行划分；划分结果包括主干骨架网络结构和分支网络结构，主干骨架网络结构是整个管网的核心，主要由主线管网和部分涉及关键拓扑位置的支线管网构成的；分支网络结构有明显的前驱后继关系，形成有层次的树形结构，其中只有一个前驱节点，而无后继节点的为叶子节点；提取管网拓扑无向图中的供水管网的主干网络结构和分支网络结构；在管网拓扑无向图当中，存在诸多度为1的节点，删除这些节点之后又会出现新的度为1的节点，迭代之后，剩下的拓扑结构即为主干骨架网络结构；记录删除节点的顺序，逆序输出构建为树形结构；/n步骤3，根据得到的主干网络结构和分支网络结构将供水管网划分为nc个单元；/n步骤31，将主干网络结构中的每个节点看成一个独立的单元，初始单元的数目与节点个数相同；/n步骤32，对每个节点...

【技术特征摘要】
1.一种市政管理中面向地下管网普查的分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，收集待普查区域管网信息，根据待普查区域管网信息得到管点数据和管段数据，面向地下管网普查中管网设备具有管网设备以及管段的相关信息，进行两次抽象，第一次将管网设备抽象为矢量点，管段抽象为矢量线，综合管点数据和管段数据形成管网矢量数据；第二次抽象将管点管段作为统一的空间实体对象，作为整体由欧式空间向拓扑空间进行投影，根据管网矢量数据将管点抽象成节点，将管段抽象成连接节点的边，将管段的长度作为边的权重，构造管网拓扑无向图；
步骤2，步骤1得到的管网拓扑无向图是实际的管网结构，并未通过简化，使用裁剪算法将管网结构进行划分；划分结果包括主干骨架网络结构和分支网络结构，主干骨架网络结构是整个管网的核心，主要由主线管网和部分涉及关键拓扑位置的支线管网构成的；分支网络结构有明显的前驱后继关系，形成有层次的树形结构，其中只有一个前驱节点，而无后继节点的为叶子节点；提取管网拓扑无向图中的供水管网的主干网络结构和分支网络结构；在管网拓扑无向图当中，存在诸多度为1的节点，删除这些节点之后又会出现新的度为1的节点，迭代之后，剩下的拓扑结构即为主干骨架网络结构；记录删除节点的顺序，逆序输出构建为树形结构；
步骤3，根据得到的主干网络结构和分支网络结构将供水管网划分为nc个单元；
步骤31，将主干网络结构中的每个节点看成一个独立的单元，初始单元的数目与节点个数相同；
步骤32，对每个节点i，尝试把节点i分配到其邻接节点所在的单元中，并计算分配前与分配后的模块度差值ΔQ，并记录模块度差值ΔQ最大的那个邻接节点；如果最大的ΔQ>0，则把节点i分配到ΔQ最大的那个邻接节点所在的单元，否则放弃此次划分；模块度差值的计算公式如下：






其中，ΔQ表示模块度差值，TopologySim表示两个相邻节点的拓扑相似度，i,n是节点
编号，i表示第i个节点，n为i的邻接节点，是单元C内的权重之和，表示单元C的
内部权重，是连接单元C的外部连接的权重之和，表示连接单元C的外部权重，C
表示邻接节点n所在的单元，是节点i与内部节点的连接权重相加的和，是连接节
点i的外部连接的权重之和，为整个网络的权重之和；
步骤33，重复步骤32，直到所有节点的所属单元不再发生变化；
步骤34，将步骤33得到的具有相同的归属的节点，视作一个新的节点，重新构造子图，两个新节点之间的权重为相应两个单元之间所有边的权重之和；
步骤35，给定最小社区子团分辨率参数，将步骤34得到的子图作为输入，重新执行步骤31到步骤34，直到达给定的最小社区子团分辨率参数，得到最小社区子团以及社区子团；
步骤36，输出最小社区子团以及社区子团的连接关系，将最小社区子团作为管网的最小分区单元；
步骤4，根据指定分区数量，以长度相当为主要收敛条件，面积为次要收敛条件，实现管网最小分区单元聚合，达到指定的分区数目；将新节点作为社区子团的可能性，节点i被选为社区子团的可能性的计算具体公式如下：



其中，表示节点i被选为社区子团的概率，D（i）定义为节点i到邻居子团欧氏空间
的质心的距离，表示节点i的所有邻接节点n到节点i的距离平方和，还从面积分
配的角度，定义空间面积上的收敛条件：



其中，表示每个分区面积的最小值，表示分区数，为候选节点，是第个分区，mi为邻接节点的质心，根据不同的收敛数，选择取极值点处的数值，作
为最优的子团分配方式；
步骤41，将分支网结构的权重赋予其所挂载的主干网络结构的节点上，根据该节点的所属单元，将分支网结构的管段长度赋给所属单元；
步骤42，选择社区子团中权重最小的节点，合并其邻接节点中权重最小的节点为新节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱少楠，邵家琦，李猛，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32