Сетевой анализ в ГИС

геоинформационная система сетевой анализ

Инженерные сети

ГИС в сфере инженерных сетей выполняют функции проектирования, инвентаризации, моделирования, а также информационной поддержки экспертных оценок и принятия решений. Они также используется для эксплуатации инженерных сетей, являются информационно-справочными системами. Основные особенности ГИС такого класса:

Использование ГИС с сетевой моделью в бизнесе позволяет существенно повысить его эффективность, поскольку позволяет ответить, например, на следующие вопросы:

Расположение ближайших пожарных частей, полицейских участков, больниц. Вычисление наилучшего пути следования службы, в зависимости от дорожной ситуации, точек остановки, и т.д.

3. ГИС для инженерных сетей

Помимо преимуществ, присущих всем автоматизированным системам, таких как электронное представление данных предприятия, централизованное хранение информации, работа со многими пользователями, составление отчётов, ГИС в инженерных сетях даёт:

· Представление инженерной сети в виде модели, что позволяет анализировать её методами теории графов. А когда известна топология сети и произведены все топологические расчёты, становится возможным производить уже технологические расчёты, такие, как расчёт давления в трубопроводе или тока короткого замыкания, что является, по сути, основной возможностью ГИС в инженерных сетях и отличает их от ГИС других назначений. По сути ГИС здесь - скорее одна из важных составных частей масштабной системы эксплуатации на предприятии.

· Привязка к реальной географии - отображение точной топологии сети на плане города/местности. В то же время, хоть и полезно, но не всегда обязательно и целесообразно соблюдать точность в задании геодезических координат, поскольку для некоторых случаев она не важна, а детальная прорисовка сети может сильно замедлить этап расчётов. Например, повороты и изгибы проводников в электрической сети не влияют на силу протекающего в них тока. В тепловой сети, напротив, наличие изгибов задаёт гидравлическое сопротивление сети, но его можно учесть простым заданием параметра.

· Модель реальной сети можно обобщить. Например, можно представить несколько параллельно идущих проводов (трёхфазной электрической сети) одной линией с заданными определённым образом атрибутами. На результатах расчёта это никак не скажется, но зато позволит существенно повысить скорость ввода данных. Можно так же обобщать некоторые участки сети и производить расчёты для них как для единого целого.

· Работа в таких ГИС может существенно облегчить задачу ввода параметров инженерной сети, за счёт того, что выбор требуемых объектов происходит графически, а не только из таблиц БД. Очень удобно выделять нужные участки сети и для всех сразу задавать одинаковые значения параметров (если это требуется), особенно если таких участков большое количество.

· Графическое указание ошибок, полученных в результате расчётов или при вводе атрибутивной информации, облегчает нахождение «проблемного места» в сети. Например, можно просто подсветить определённым цветом такой участок. Так же, совместное графическое отображение исходных данных и результатов расчётов повышает наглядность модели.

3.2 ГИС и инженерные сети

Удобство использования ГИС, как информационно-справочной системы с точно нанесенной на местность инженерной сетью, улицами, домами, сетями других организаций очевидна. ГИС позволяет привязать объекты сети к территории, подключать к ним атрибутивную информацию, выполнять пространственные запросы, выводить информацию на печать и т.д.

Однако в процессе эксплуатации инженерных сетей возникает много специфических вопросов, прямо не связанных с ГИС: какое давление будет в трубопроводе при выходе из строя насоса, сколько потребителей окажется без воды при отключении задвижки, какой будет ток короткого замыкания на шине. Если нельзя быстро и правильно ответить на десятки подобных вопросов, то трудно говорить о возможности эффективного управления сетями. Сети нужно уметь считать.

В основе математической модели для расчетов сетей лежит граф. Как известно, граф состоит из узлов, соединенных дугами.

В любой сети можно выделить свой набор узловых элементов. Так в теплоснабжении - это источники, тепловые камеры, потребители, насосные станции, запорная арматура; в электроснабжении - источники, трансформаторы, потребители, выключатели и т.д. Дугами графа являются участки сети: трубопроводы, кабели. Участок обязательно должен начинаться в каком-то узле и заканчиваться узлом (рис. 1).

На рисунке 1 приведен пример того, как выглядит фрагмент тепловой сети, полученной от геодезистов. Участки трубопроводов, идущие между бетонными стенками каналов, заканчиваются у стен зданий и стенок колодцев.

Рис. 1

Очевидно, что напрямую использовать эту информацию для построения расчетной математической модели невозможно. С точки зрения модели это не более чем рисунок.

И не удивительно, что долгое время на предприятиях, эксплуатирующих сети, совершенно независимо могли существовать службы занимающиеся ведением схем, чертежей, привязкой объектов сети к территории, паспортизацией сети и отделы, занимающиеся технологическими расчетами сетей.

В программных средствах, не использующих геоинформационные технологии, описание графа сети (кодирование сети) производилось в табличном виде. Например, для приведенного рисунка фрагмент графа, состоящий только из трех потребителей и четырех тепловых камер, можно было бы представить так:

Давайте проверим, все ли участки фрагмента сети мы описали. Сверяясь с рисунком, и просматривая записи таблицы, нетрудно заметить, что нами пропущен один участок (ТК3,ТК2.) Добавляем запись в таблицу и исправляем ошибку.

Вроде бы все не так сложно, но теперь представьте, что таких участков в сети несколько тысяч. Легко понять, что начать расчеты и заняться анализом их результатов (то ради чего и нужна кодировка), придется не скоро. И даже после окончания кодирования сети добросовестного специалиста периодически будет посещать мысль, а правильно ли я все ввел?

Теперь представим, что какой-то графический редактор позволяет работать с точками и линиями, наделенными рядом дополнительных свойств, не связанных с координатной привязкой и стилем отображения:

1. Точечный объект одновременно является узлом математического графа;

2. Линейный объект одновременно является дугой математического графа.

Отсюда следует, что в начале и конце такого линейного объекта обязательно должны находиться точечные объекты, являющиеся узлами.

Если графический редактор позволяет добавлять объекты с такими свойствами, то, начиная рисовать участок сети, нужно будет обязательно либо привязать начало участка к одному из существующих узлов, либо выбрать из набора узлов, входящих в структуру слоя, узел, в котором этот участок будет начинаться. Точно так же, заканчивая ввод участка, нужно либо привязать его конец к одному из существующих узлов, либо установить новый узел, в котором участок будет закончен.

Если мы перемещаем какой-то узел (изменяем его координаты), то вместе с ним переместятся начала и концы участков, связанных с этим узлом. То есть изменение положения узлов в пространстве не приведет к изменению топологии графа. Сеть не "развалится".

С точки зрения математической модели совершенно неважно, будут ли координаты узлов и точек перелома участков введены по координатам с геодезической точностью, обрисованы по какой-то подложке или просто изображены схематично. Важно, что нужные пары узлов соединены дугами, и в результате "рисования" сети мы автоматически получаем и кодировку математического графа сети. Если рисунок выполнен правильно, то и граф сети ошибок содержать не будет.

А теперь представим, что такой топологическим редактором обладает геоинформационная система. Тогда все возможности и достоинства ГИС совмещаются с возможностью описывать в графическом виде математическую модель сети.

Когда ГИС обладает описанными свойствами, принято говорить, что она поддерживает линейно-узловую топологию.

Возвращаясь к примеру, и используя его как подложку для ввода сети в виде графа (рис. 2), можно получить фрагмент слоя для расчетов. Этот слой одновременно содержит информацию о пространственном положении элементов сети и о ее математической модели.

Рис. 2

Конкретные реализации топологических редакторов по уровню сложности и набору сервисных возможностей могут быть различны.

Средства редактирования для инженерных сетей должны включать возможность определения специальных правил, контролирующих допустимые и недопустимые действия пользователя при определении компонентов сети или изменении ее конфигурации. Например, потребитель может быть связан только с одним участком; высоковольтный и низковольтный участки могут быть связаны не напрямую, а только через трансформатор; в регулятор давления только один участок должен входить и только один выходить; и т.д.

Таким образом, можно говорить не о редактировании полилиний или точек - геометрических примитивов, а о редактировании содержательно определенных объектов - потребителей, проводников, выключателей, трансформаторов или трубопроводов, вентилей, насосов.

3.3 Топологические задачи

В инженерных сетях, независимо от их назначения, можно выделить ряд общих, с точки зрения топологии, элементов.

1. Источник. Узловой элемент. В электроснабжении это может быть источник напряжения, трансформаторная подстанция, в водоснабжении - водонапорная башня, скважина, в теплоснабжении - котельная, ТЭЦ. Источник может иметь два состояния: включен или отключен.

2. Потребитель. Узловой элемент. Это потребители воды, газа, электрической и тепловой энергии. Источник может иметь два состояния: подключен или отключен.

3. Осекающее устройство. Узловой элемент. В электроснабжении - это рубильники, выключатели, контакторы, в трубопроводных сетях - запорная арматура: вентили, задвижки, краны. Отсекающее устройство может иметь два состояния: открыто или закрыто.

4. Простые узлы служат для соединения участков и всегда имеют одно состояние - открыто.

5. Участок. Линейный объект. Соединяет пару узлов. Это кабели, ЛЭП, участки трубопроводов. В зависимости от конкретной реализации, участок тоже может иметь состояния: открыт или закрыт. Кроме того, участок имеет направление от начального узла к конечному узлу.

Конкретных задач, использующих топологические свойства графа сети, можно придумать множество. Перечислим некоторые из них.

Проверка связанности.

Эта проверка базируется на поиске пути по графу между двумя узлами. Если путь между узлами найден, то узлы связаны друг с другом, и являются членами одной подсети. Таким образом можно определить, связан ли данный потребитель с данным источником, работают ли два источника на одну сеть.

Используя возможности ГИС по созданию тематических карт, можно покрасить все участки, связанные с указанным источником в один цвет, а все остальные в другой. Несмотря на простоту такой операции, это очень мощное средство контроля ошибок при вводе. Если в каком-то месте сети ошибочно допущен разрыв, то его можно сразу увидеть по смене цвета участков на границе разрыва.

Поиск ближайших отсекающих устройств.

Эта возможность крайне важна при локализации места аварии, или планового вывода участков сети из работы.

Конфигурация сети бывает довольно сложной и в уме не всегда можно быстро и правильно определить, какие отсекающие устройства нужно закрыть, чтобы изолировать участок сети. Ошибки в таких случаях могут стоить очень дорого. Особенно важно, чтобы отключение было оптимальным, т.е. привело бы к отключению минимального числа потребителей. На графе сети такие задачи решаются очень просто.

Анализ результатов переключений в сети.

На рисунке 3 изображены два состояния фрагмента сети, до и после отключения задвижки.

Рис. 3

Когда задвижка на карте переводится в состояние "закрыта", граф сети пересчитывается, и отсеченные от источника потребители автоматически принимают состояние "отключен". При этом формируется список отключившихся потребителей. Если на карте присутствует слой со зданиями, и узлы потребителей помещены внутрь контуров зданий, то, пространственным запросом можно определить какие здания были отключены, и получить список их адресов.

Результаты отключения можно передать в диспетчерскую систему для формирования записей в журнале отключений, а список отключенных абонентов можно передать в систему по расчетам с потребителями для перерасчета начисляемой абонентской платы.

Заметим, что при отключении десятков и сотен потребителей, получение таких списков "вручную" довольно трудоемко и не гарантировано от ошибок.

3.4 Технологические расчеты

Знание топологии сети позволяет найти ответы на многие вопросы. Но есть ряд задач, которые невозможно решить без учета физической сущности сетей.

Вот пример простой схемы тепловой сети с двумя источниками и двумя потребителями (рис. 4). Как определить, в какую сторону потечет вода по среднему участку? Найти ответ путем логического анализа топологии сети невозможно.

Рис. 4

Решение зависит от многих факторов: напора на выходе каждого источника, гидравлических сопротивлений всех участков трубопроводов, тепловых и гидравлических параметров потребителей и т.д. Без физических расчетов, учитывающих технологию функционирования сети, тут обойтись уже нельзя.

Для каждого типа инженерных сетей существует множество методик своих технологических расчетов. Это электрические, гидравлические, теплогидравлические, прочностные расчеты, выходящие за рамки данного предмета. Важно то, что использование ГИС существенно облегчает и упрощает работу по созданию расчетной модели сети и вводу атрибутивных данных.

3.5 Расчетная модель и реальность

Следует отметить, что создаваемая для расчетов сеть все-таки является моделью, а не полной копией сети на местности.

Однолинейное представление участков.

В некоторых сетях участки содержат несколько параллельно идущих ниток. Так, в электрической трехфазной сети параллельно идут три фазы, или три фазы и ноль. В тепловых сетях, как правило, всегда рядом идут подающий и обратный трубопроводы, а могу быть трехтрубные и четырехтрубные сети. С точки зрения модели совсем не нужно рисовать рядом три провода или две трубы. Пользователь вводит участки сети в одну линию, а расчетная задача, если это необходимо, уже сама переводит внешнее представление сети во внутреннюю кодировку. Например, схема, приведенная на рис. 4, будет преобразована в памяти компьютера примерно к виду, показанному на рисунке 5:

Рис. 5

Степень детализации при изображении сети.

Степень детализации при изображении сети, в зависимости от требований модели, может быть различна.

Например, в водопроводной сети могут присутствовать сотни задвижек. Их назначение - перекрывать те или иные участки сети. Но модель может быть построена так, что изображать задвижки не будет необходимости. Вместо задвижки можно просто "включать" и "отключать" сам участок, а физическое влияние задвижки можно учесть в атрибутах коэффициентом местного сопротивления.

Рис. 6

Показанные на рисунке 6 схемы эквивалентны, но на второй схеме на три узла и три участка меньше. Когда таких "лишних" объектов тысячи и по ним нужно заносить десятки атрибутов, время ввода существенно замедляется.

Если в здании несколько абонентских узлов, то объектом "потребитель" можно описать каждый узел ввода отдельно. И в этой же сети можно описать целый квартал одним обобщенным потребителем рис. 7.

Рис. 7

В жизни такого потребителя как квартал не существует, но именно такая генерализация позволяет быстро производить расчеты магистральных сетей, не разрисовывая распределительную сеть внутри квартала. Особенно это важно, когда магистральные и внутриквартальные сети находятся на балансе разных предприятий.

Точность и подробность изображения.

Геодезическая точность задания координат и обязательное наличие всех точек переломов на участках в некоторых расчетных задачах вообще не имеет большого значения. Например, повороты и изгибы проводника никак не влияют на силу протекающего в нем тока. Важна общая длина провода, которую можно задать как атрибут.

На рисунке 8 изображены два способа задания одного и того же участка тепловой сети. Верхний участок соединяет две камеры прямой линией. Нижний участок соединяет эти же две камеры, но линия выполнена с прорисовкой П-образных компенсаторов, которые по определенным законам влияют на гидравлическое сопротивление сети.

Рис. 8

С точки зрения графа оба способа топологически корректны. Физические свойства компенсаторов для технологического расчета нужно учесть в обоих случаях, задав соответствующие атрибуты, так как подробность прорисовки никак не указывает на наличие физически значимых особенностей. В результате, инженер технолог, которому требуется просто посчитать сеть, выберет первый вариант, хотя геодезист будет его уверять, что сеть введена неверно.

По изложенным выше причинам множество объектов паспортизации и множество объектов расчетной модели одной и той же сети сильно не совпадают. Например, один расчетный участок может состоять из нескольких эксплуатационных. Попытка использовать инвентаризационные объекты в качестве объектов расчетной модели приводит к ее значительному и неоправданному усложнению.

Получается, что, с одной стороны, очень удобно, когда расчетный граф сети привязан к местности. С другой стороны, качественный с точки зрения геодезии и полный, с точки зрения паспортизации, ввод элементов сети, существенно отдаляет момент начала расчетов, ничего не добавляя к ним содержательно.

Поэтому, во многих организациях схема сети для паспортизации и технологическая схема для расчетов, ведутся параллельно, несмотря на проблему согласования нескольких представлений одной и той же сети, о которой говорилось выше.

Быстрый ввод упрощенной схемы сети позволяет инженерам быстро начать расчеты, а в дальнейшем, по мере надобности и при наличии свободных временных и людских ресурсов, ее уточнять.

3.6 Ввод атрибутивной информации

По сравнению с изображением расчетной сети на карте, присвоение атрибутов объектам сети может занять гораздо больше времени. По некоторым объектам количество атрибутов, в зависимости от решаемых задач, может составлять несколько десятков. Самый простой путь состоит в последовательном указании каждого объекта и занесения по нему информации. Графическое представление данных помогает ускорить этот процесс.

Если выделять на карте группы объектов с одинаковыми атрибутами, то атрибуты можно присваивать сразу всей группе.

Если карта выполнена в масштабе, и сеть введена с хорошей точностью, то длины участков сети для расчетов можно получать из графической базы.

При наличии слоя с рельефом местности, геодезические отметки узлов тоже можно получать автоматически.

Если для расчета тепловых потерь трубопроводов с подземной прокладкой требуется информация о типе грунта, и есть контурный слой по грунтам, то тип грунта можно присвоить сразу всем участкам, выполнив всего один пространственный запрос.

Хорошую помощь использование ГИС может оказать при контроле правильности введенных атрибутов.

Часто встречается опечатка при вводе числовых данных, когда оператор не там поставил запятую. Такие ошибки, например, при задании диаметров трубопроводов можно визуализировать, построив вокруг участков буферную зону, пропорциональную их диаметрам. В этом случае нарушение телескопичности, в случае грубой ошибки, сразу бросается в глаза (рис. 9).

Рис. 9

3.7 Анализ результатов расчета

Как бы ни трудоемок и долог был процесс ввода топологии расчетной сети и ее атрибутивных данных, основная часть работы выполняется один раз. Расчеты же могут выполняться многократно, и от удобства анализа результатов во многом зависит эффективность использования самих расчетов.

Результаты расчетов, независимо от их назначения, записываются в таблицы. Например, в электроснабжении это напряжения на всех узлах, сила тока и потери на каждом участке; в теплоснабжении - напоры и температуры в каждом узле, расходы, скорости и потери на каждом участке. В табличном виде просмотр тысяч записей, выявление неверных результатов, вызванных ошибками в исходных данных, бывает довольно неудобен.

Использование ГИС включает в себя традиционный анализ таблиц: запросы, сортировки, выборки. Кроме того, пользователь получает мощный инструмент по визуализации результатов и выполнению пространственных запросов.

Очень удобно, перемещаясь по записям в таблице, сразу отображать на карте соответствующий текущей записи объект.

Используя механизм создания тематических карт, можно раскрасить участки сети по различным критериям: по величине потерь, по скорости движения воды, по температуре, по принадлежности к источнику. Выделение цветом по тем или иным параметрам позволяет сразу увидеть критические места в сети, оценить на качественном уровне адекватность тех или иных результатов.

Одним из основных документов, создаваемых по результатам гидравлических расчетов для всех трубопроводных сетей, является пьезометрический график. Этот график изображает линию изменения давления в узлах сети по какому-то выбранному на графе сети маршруту, например, от источника до одного из потребителей. Используя ГИС для построения маршрута, достаточно указать его начальный и конечный узлы. После этого маршрут строится автоматически. Если путей от узла до узла может быть несколько, то достаточно указать ряд промежуточных узлов.

После построения графика, который может проходить через сотни узлов, удобно организовать взаимодействие графика с картой: указав точку на графике, сразу показать на карте тот узел, которому эта точка соответствует.

Крайне полезной является возможность совместного отображения графической информации, исходных данных и результатов расчета (рис. 10). Используя ГИС, это легко можно сделать, указав, какие поля атрибутов нужно выводить на карту.

Рис. 10

4. Обзор существующих решений

По большому счёту во всех ГИС так или иначе присутствует функциональность, связанная с сетевым анализом. Рассмотрим основные решения и, в частности, применительно к инженерным сетям:

ESRI ArcGIS

ArcGIS Network Analyst - расширение, позволяющее проводить, основанный на сетях, пространственный анализ. Сети можно строить из данных ГИС, используя специальную модель данных. Сетевой анализ в Network Analyst включает в себя следующие основные понятия:

· Route tool - прокладывает наилучший маршрут между двумя заданными пунктами или несколькими. Пункты можно задавать, помещая их на экране, вводя адрес или используя существующий векторный слой. Порядок обхода нескольких точек можно задавать вручную, или утилита сама определит наилучший. В качестве весового критерия можно использовать время или расстояние. После построения маршрута он детально описывается по шагам, и его можно распечатать.

· Service Area Tool - определяет область доступности за заданный промежуток времени/заданное расстояние, где область доступности - это все объекты, лежащие в пределах заданного критерия.

· Closest Facility - определяет ближайший к заданной точке объект из группы выбранных или группу ближайших объектов.

· OD (origin-destination) cost matrix - таблица, содержащая стоимостные коэффициенты между всеми возможными точками отправления и назначения. Также ранжирует точки назначения с которыми связаны точки отправления в порядке возрастания значения коэффициента, требующегося для прибытия в каждую точку назначения из этой точки отправления. Используется, например, для нахождения наилучших путей для каждой точки из набора заданных, связанной с четырьмя ближайшими точками.

· Location-allocation - помогает выбрать, какие объекты из заданного набора объектов лучше взаимодействуют с требуемыми точками или покрывают требуемую область (например, если требуется сократить число магазинов в районе, то можно узнать какого минимального количества из них достаточно, чтобы покрыть весь район без снижения покупательной способности).

ArcGIS Schematics - решение для схематического отображения геоданных ArcGIS. Оно включает улучшенные средства визуализации и управления физическими и логическими сетями: электрические сети, светофоры, циклы доставки, компьютерные сети. Отличительная особенность ArcGIS Schematics заключается в параллельной работе с тремя графическими отображениями одной сети: географический, схематичный и географическо-схематичный. Это даёт более наглядное представление о том, как организована сеть.

Bentley

Продукты Bentley для инженерных сетей предназначены для ведения всего жизненного цикла имущества -- от планирования, проектирования, строительства и управления до вывода из эксплуатации и демонтажа. Это решение ГИС для инфраструктуры электро- и газоснабжения на основе продуктов Bentley Electric, Bentley Gas и Bentley Geospatial Server с возможностью проектирования и оценки сетей распределения при помощи Bentley Expert Designer. Из особенностей можно выделить:

· Bentley Electric: модель данных содержит более чем 70 компонентов с заданными атрибутами, отношениями и поведением. Она может быть изменена/заменена в зависимости от нужд компании.

· Так же имеется возможность написания собственных расширений используя платформу и специальный API.

· Поддержка других форматов в интерфейсе Bentley Map: ESRI SHP files, MapInfo TAB files, Oracle Spatial, SQL Server Spatial, ODBC, WFS, WMS, Google KML/KMZ, 3D PDF, i-models и др.

· Поддержка пространственных 2D и 3D данных Oracle и SQL Server.

Intergraph

Intergraph's G/Technology - специализированный продукт для создания инженерных ГИС. Платформа состоит из таких программных компонентов, как G/Technology Administrator, G/Technology Designer, и др. Программные приложения G/Technology базируются на РСУБД Oracle и предназначены для решения комплексных задач предприятий, управляющих и эксплуатирующих объекты инженерных сетей - энергоснабжения, газоснабжения, водоснабжения, телекоммуникаций.

Zulu

Отечественная ГИС предназначенная для разработки ГИС приложений, требующих визуализации пространственных данных в векторном и растровом виде, анализа их топологии и их связи с семантическими базами данных. В виде модулей расширения Zulu, реализованы приложения для гидравлических и теплогидравлических расчетов инженерных коммуникаций и модуль для построения пьезометрических графиков: ZuluThermo (расчеты систем теплоснабжения), ZuluHydro (расчеты систем водоснабжения), ZuluGaz (расчеты газовых сетей), ZuluSteam (расчеты паропроводов). Из особенностей Zulu можно выделить:

· Ввод сети на карте населённого пункта с привязкой к существующим зданиям и сооружениям;

· Адаптация программного обеспечения под условия российских предприятий;

· Архитектура plug-ins (дополнительные встраиваемые модули) позволяет использовать Zulu как ГИС-платформу (или ГИС-среду) для работы других приложений.

Размещено на Allbest.ru