一种村镇供水管网的可视化设计系统和方法与流程

本发明涉及供水管网优化设计技术领域，特别涉及一种村镇供水管网的可视化设计系统和方法。

背景技术：

近年来随着乡镇经济的发展、农村生活条件的改善以及乡镇企业规模扩大，生产用水及生活用水需求量不断增加，并且用户对水量水质的要求都有了一定的提高，饮水安全这项民生工程也越来越受到社会各界的广泛关注。同时，随着水资源日益紧缺和水资源开发利用率的提高，老旧供水系统的修复、改建和扩建等所需的投入也逐渐增大。利用科学的方法有效建设供水管网工程，在保障人民生活和农村发展中有着举足轻重的作用。

传统的供水管网设计完全依靠人工计算和手动绘图，成果以纸质资料保存。随着CAD即计算机辅助设计技术的发展，设计人员开始利用AutoCAD等辅助设计软件进行管网绘制，并借助于Excel的计算功能进行水力计算，基本实现管网设计的半自动化。近年来，市场上也出现了一些管网设计的软件，但是这些软件在管网建模和出图方面存在不同程度的缺陷，诸如计算过程无法可视化表达、管网查询不够灵活，成果格式的不可变性、无法导入AutoCAD中，并且在与相关设计图的匹配上存在很大问题。

现有的供水管网设计软件存在如下缺点：

（1）图形和属性的松散耦合导致关联关系的维护比较复杂。计算结果与设计图纸分离管理，资料分散在计算机技术高度发达的今天显得十分低效；

（2）设计修改工作量大。无论是设计图纸的修改还是水力计算参数的改变，都会引起另一方面的修改，工作量大、效率低；

（3）计算结果不够直观。管网水力计算的结果不能直观的反映在图纸上，根据计算结果才能为设计图纸添加标注信息；

（4）管网成果图绘制工作量大。管网设计的最终结果需要输出多种设计图纸，每种图纸都需要添加不同的标注信息，手工添加这些标注信息需要耗费很大的工作量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种村镇供水管网的可视化系统和设计方法，可以快速地构建水力模型，将水力计算过程可视化，实现了设计流程的统一化与规范化，提高了设计效率，保证了供水工程管网设计的准确性、可靠性和科学性。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种村镇供水管网的可视化设计系统，包括数据交互模块、管网模型构建模块、可视化水力计算模块、方案检测模块、自动化成果输出模块、工程预算模块和图文一体化管理模块；

所述数据交互模块提供通用CAD、GIS数据访问接口，与AutoCAD、ArcGIS、Surfer、CASS或EPANET等软件实现数据交换；

所述管网模型构建模块提供管道、节点、阀门等专业模型的快速构建与编辑；所述管网模型构建模块使用箭头对于管段的水流方向进行可视化；

所述可视化水力计算模块通过图、表、动画、UI互动方式对构建的管网模型进行可视化水力计算；

所述方案检测模块根据可视化水力计算模块的计算结果，通过生成最不利管道检验方案是否满足实际设计需要；用户在管网上选择一个控制点，系统自动的由该控制点到水源生成一条主管道，然后判断主管道上的节点处的水压是否满足与该节点相连的支管道所需的水压，如果全部满足说明该方案设计合理，如果未满足需要自行调整管道的管径，进行水力计算后再次检测；

所述自动化成果输出模块基于ActiveX技术实现与AutoCAD、Word或Excel软件的无缝集成，提供图纸、文档、水力计算表格的自动化输出；

所述工程预算模块通过集成的工程预算子系统，计算工程项目中人工、材料、机械各项费用，并输出预算报表；

所述图文一体化管理模块实现空间数据与属性数据的一体化管理，采用图层管理对象，每个图层都有自己的属性表，图层中的每个对象都有自己的属性信息。

所述可视化管网水力计算包括沿线流量、节点流量、设计管径、水头损失等的计算。

所述管网模型构建模块在管段的连接处用节点进行表示，在插入节点的时候自动显示节点处管段的水流方向，并用不同的颜色表示节点处的流入与流出。

所述自动化成果输出模块在图纸输出过程中，系统根据水利计算结果及图纸类型，自动添加标注信息。

一种村镇供水管网的可视化设计方法，所述方法包括如下步骤：

（1）管网模型构建

步骤101：外部数据导入；

步骤102：管线绘制：根据导入的基础数据，利用捕捉功能及图形编辑功能绘制管段；

步骤103：节点绘制：在管段衔接处绘制节点，自动的对每个节点进行编码，以不同的颜色显示节点连接的每根管段的流入流出属性；

步骤104：管网拓扑构建：

步骤105：拓扑检查：搜索出管网中孤立的管段和节点，并以高亮度颜色显示，提示该处拓扑错误；

（2）管网水力计算

步骤201：计算参数输入：每根管段和节点都有自己的属性信息，所述属性信息在水力计算时作为计算参数使用；

步骤202：水力计算：所述水力计算包括沿线流量、节点流量、设计管径、水头损失等的计算；

步骤203：结果复核：通过结果复核判断设计是否满足需求；

（3）管网水力计算结果显示：水力计算结果作为管段或者节点的属性信息，通过属性标注在管段或者节点附近显示；

（4）管网成果图表绘制：根据水力计算结果和管网模型，通过AutoCAD数据接口自动绘制成果图纸。

所述步骤104中，管网拓扑构建采用逐级搜索的方法构建管网拓扑，第一级搜索管网中的源节点，找出与该节点相连的管段，搜索该管段下游节点，并将管段的上游节点编号及下游节点编号保存到管段属性信息中；然后以第一级搜索节点为基础，继续向下进行遍历，直到汇节点结束。

所述步骤203中，结果复核包括水压复核法和水量复核法。

所述水压复核法在管网上选择一个汇节点，搜索出该节点到水源的一条主管道，然后判断主管道上的节点处的水压是否满足与该节点相连的支管道所需的水压，如果全部满足说明该方案设计合理，如果未满足需要自行调整管道的管径，进行水力计算后再次检测。

所述水量复核法根据管网中各管段的水头损失和节点的高程值搜索的一条最不利的管道，通过查看最不利点的水量值可以检验该方案是否满足实际设计需要。

村镇供水管网的可视化设计系统将空间数据与属性数据一体化管理，全面实现了图文动态更新与专业属性数据的整体同步。此外，通过内置高效的空间分析模块、健壮的水力计算算法、完善的数据访问接口和可靠的AutoCAD交互方式，系统完全满足用户从数据处理到水力计算再到成果图输出与工程预算的流程需求。

村镇供水管网的可视化设计方法主要包括管网模型构建的可视化、管网水力计算过程的可视化、管网水力计算结果的可视化、管网成果图表绘制的可视化。基于此种设计方法研发的辅助设计软件能够辅助广大基层供水设计人员进行供水工程设计，软件将空间数据与属性数据一体化管理，全面实现了图文动态更新与专业属性数据的整体同步。此外，通过内置高效的空间分析模块、健壮的水力计算算法、完善的数据访问接口和可靠的AutoCAD交互方式，系统完全满足用户从数据处理到水力计算再到成果图输出与工程预算的流程需求。

相对于现有技术，本发明针对性强、易掌握，实现了设计流程的统一化与规范化，提高了设计效率，缩短了设计周期，节约了成本，可以快速地构建水力模型，保证了供水工程管网设计的准确性、可靠性和科学性。

附图说明

图1为本发明的系统框架图。

图2为本发明的系统业务流程图。

具体实施方式

如图1所示，村镇供水管网的可视化系统主要包括：

(1)数据交互模块：

能够与其它软件方便、灵活的进行数据交换是一个系统的重要组成部分，是其兼容性的体现。系统提供通用的CAD、GIS数据格式访问接口，可实现与AutoCAD、ArcGIS、Surfer、CASS、EPANET等软件的数据交换。

(2)管网模型构建模块：

系统结合供水工程设计需求，除常用几何模型外，还提供管道、节点、阀门等专业模型的快速构建与编辑。

对于管段的水流方向，系统用箭头对其进行可视化，且用户能够方便快捷的根据设计需求改变水流方向。

在管段的连接处用节点进行表示，在插入节点的时候自动显示节点处管段的水流方向，并用不同的颜色表示节点处的流入与流出。

(3)图文一体化管理模块：

数据存储是系统中的关键性的步骤，它涉及到空间数据与属性数据的存储。目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共数据项来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据操作相分离，无法有效地记录地理实体在时间域上的变化属性，不能适应用户的需求。

系统采用图层管理对象，每个图层都有自己的属性表，图层中的每个对象都有自己的属性信息。用户可以通过查询功能通过属性信息查询对象，也可以通过点击对象查看对象属性信息，提高数据的访问速度，真正实现图文一体化管理。

(4)可视化水力计算模块：

系统最突出特点就是对水力计算的可视化表达，通过图、表、动画、UI互动等方式对管网水力计算全过程进行可视化表达，方便管理、设计、施工等不同用户群体在同一尺度下直观、快速地查看计算结果。供水管网的计算主要包括沿线流量、节点流量、设计管径、水头损失等的计算。通过图文联动功能快速输入计算参数和属性，然后进行计算并查看结果，如果不满意重新调整计算参数并进行相应的水力计算，最终设计成果将按照管径的不同分颜色进行可视化，用户能够直观、方便地查看管网计算结果。

（5）方案检测模块：

用户可以通过方案检测功能判断设计是否满足需求，用户在管网上选择一个控制点（叶子节点），系统会自动的由该控制点到水源生成一条主管道，然后判断主管道上的节点处的水压是否满足与该节点相连的支管道所需的水压，如果全部满足说明该方案设计合理，如果未满足需要自行调整管道的管径，进行水力计算后再次检测。

最不利管道计算是指根据管网中各管段的水头损失和节点的高程值求出的一条最不利的管道，最不利点一般为管网中的高程最高点或者距离水源最远的点，通过生成最不利管道可以检验该方案是否满足实际设计需要。

（6）自动化成果输出模块：

基于ActiveX技术实现与AutoCAD、Word、Excel等软件的无缝集成，提供图纸、文档、水力计算表格等设计成果的自动化输出，包括管径计算图、水压计算图、平面布置图、纵断面图等。

在图纸输出过程中，系统根据水利计算结果及图纸类型，自动添加标注信息，大大提高了管网设计效率。

（7）工程预算模块：

通过集成的工程预算子系统，可以快速地计算出工程项目中人工、材料、机械等各项费用，并输出预算报表。

如图2所示，村镇供水管网的可视化设计方法主要包括：

（1）管网模型构建的可视化

第一步：外部数据导入

可导入常用CAD、GIS软件数据格式，包括AutoCAD、ArcGIS、Surfer、CASS、EPANET等。即可将导入的数据作为底图，也可以直接将数据转换为管段或者节点，导入数据时能够一并将每个对象的属性信息导入。

第二步：管线绘制

根据导入的底图数据，利用捕捉功能及图形编辑功能绘制管段。绘制管段时打开管段水流方向开关，管段中部会显示一个箭头表示流向，可根据需求改变管段流向。

第三步：节点绘制

在管段衔接处绘制节点，软件以不同的颜色自动显示节点连接的每根管段的流入流出属性，只有流出的节点称为源节点，只有流入的节点称为汇节点。软件能够自动的对每个节点进行编码，并显示在节点旁边，方便查看。

第四步：管网拓扑构建

采用逐级搜索的方法构建管网拓扑，第一级搜索管网中的源节点，找出与该节点相连的管段，搜索该管段下游节点，并将管段的上游节点编号及下游节点编号保存到管段属性信息中。以第一级搜索节点为基础，继续向下进行遍历，直到汇节点结束。

第五步：拓扑检查

通过拓扑检查，搜索出管网中孤立的管段和节点，并以高亮度颜色显示，提示该处拓扑错误。

（2）管网水力计算过程的可视化

第一步：计算参数输入

软件实现图文一体化管理功能，能够有效地记录实体在时间域上的变化属性。每根管段和节点都有自己的属性信息，通过在管网中选择管段，就可以查看和编辑属性，这些属性在水力计算时作为重要计算参数使用。

第二步：水力计算

主要包括沿线流量、节点流量、设计管径、水头损失等的计算。在水力计算交互界面中输入与管段和节点无关的计算参数，分步进行计算，计算结果存储为管段和节点的属性信息，能够方便地进行查看，若对计算结果不满意，可以手动进行修改。如设计管径的计算，根据计算参数，能够计算出一个相对理想的管径，但是设计人员可以根据实际情况进行调整，根据调整后结果进行下一步水力计算。

第三步：结果复核

通过结果复核判断设计是否满足需求，包括水压复核和水量复核。水压复核是在管网上选择一个汇节点，搜索出该节点到水源的一条主管道，然后判断主管道上的节点处的水压是否满足与该节点相连的支管道所需的水压，如果全部满足说明该方案设计合理，如果未满足需要自行调整管道的管径，进行水力计算后再次检测。水量复核是指根据管网中各管段的水头损失和节点的高程值搜索的一条最不利的管道，最不利点一般为管网中的高程最高点或者距离水源最远的点，通过查看最不利点的水量值可以检验该方案是否满足实际设计需要。

通过图、表、动画、UI互动等方式对管网水力计算全过程进行可视化表达，方便管理、设计、施工等不同用户群体在同一尺度下直观、快速地查看计算结果。

（3）管网水力计算结果的可视化

水力计算结果作为管段或者节点的属性信息，均可以通过属性标注在管段或者节点附近显示，还可以根据属性值用颜色梯度进行显示，如管径分色显示、水压分色显示、水质分色显示等。

（4）管网成果图表绘制的可视化

在管网设计中，成果图纸的绘制往往需要大量的工作，软件实现AutoCAD数据接口，根据水力计算结果和管网模型，能够自动的绘制成果图纸。在图纸绘制时，既可以输出整个管网模型，也可以根据需求只输出部分管网模型数据，图纸中的标注信息的样式也可以自定义。包括管径计算图、水压计算图、平面布置图、纵断面图等图纸的绘制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。