地理信息系統在熱網管理系統的應用

摘 要

摘要：介紹了地理信息系統(GIS)技術在熱網管理中的作用及GIS的基本組成，比較了GIS與傳統管理系統的特點，探討了GIS的應用前景。GIS技術和自動化監控技術相結合，能夠快速地更新數
摘要：介紹了地理信息系統(GIS)技術在熱網管理中的作用及GIS的基本組成，比較了GIS與傳統管理系統的特點，探討了GIS的應用前景。GIS技術和自動化監控技術相結合，能夠快速地更新數據庫，實現熱網地理數據、屬性數據的可視化管理，對熱網的運行管理進行優化，實現熱網的安全運行。
關鍵詞：熱網；地理信息系統；管理信息系統
1 概述
    近年來，我國經濟迅速發展，城市集中供熱事業及相應設施也得到了迅速發展。為了適應這種情況，城市熱網也不斷進行擴建和改造。然而我國的集中供熱歷史還比較短，很多供熱公司的熱網運行和控制還是采用常規儀表和人工操作，往往給熱網的安全、經濟、合理的運行造成影響，特別是熱網運行調節參數的記錄和故障預測水平還比較落后。此外，熱網具有信息量大、查詢復雜、信息保存期長的特點，以往對這些資料的保存通常采用圖紙、圖表方式，甚至依靠工作人員的記憶，隨著這些工作人員的相繼退離，熱網資料也有不同程度的流失。
    面對這種情況，某些供熱公司提出了采用CAD或者ACCESS數據庫，甚至是利用自動監控系統來對熱網進行管理。雖然這可以在一定程度上解決某些問題，但是采用上述方法記錄的數據查閱不方便，利用起來不靈活，可視化水平低，事故預測水平低。隨著計算機技術的快速發展，供熱公司需要選擇更先進的技術對熱網進行管理。本文對GIS(Geographic Information System，地理信息系統)在熱網管理系統中的應用進行研究。
2 熱網GIS
2.1 GIS的概念
    GIS包涵兩方面的內容：一方面，它是描述、儲存、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門新興的交叉學科；另一方面，它又是以地理空間數據為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供空間的和動態的地理信息。簡單地講，就是把圖形目標及其描述信息(屬陛)相關聯的計算機技術，它可以把地域范圍廣闊的自然地理、人文建設組成的現實世界移植到計算機中，分類、分層概括地表達出來[1]。它把地理實體的空間數據與相關聯的居陛數據有機地結合在一起，不同層次地滿足了城市規劃、居民生活對各種空間信息的需求，并憑借其獨有的空間分析功能和可視化表達方式在各個領域輔助人們進行管理與決策。
2.2 GIS在供熱管網管理中的作用
    目前，GIS在熱網管理中的作用主要有以下兩方面[2～7]：①熱網GIS可以將文字信息與圖形描述結合起來，建立空間地理數據和相關屬性數據的共同檢索和相關查詢系統，具有數據管理、地圖管理、管網設備與運行管理、系統決策管理和系統管理等5項功能，實現了供熱管理的科學化和自動化。通過GIS可以很方便地查詢供熱系統的主要運行參數及埋于地下的各種管道的埋深，并且能夠利用GIS的強大功能將其可視化。②可以利用GIS軟件的空間分析、網絡分析功能為城市供熱管網的規劃設計、管理調控提供強有力的支持。空間分析、網絡分析還可用于管道施工、維修預案和管網事故搶修決策等方面。熱網事故預測分析功能，為管網事故分析建立了邏輯網絡模型，使得在熱網發生事故時，能及時迅速地找到應當關閉的閥門及確定受影響的范圍。
2.3 GIS的基本組成
    GIS通常包括硬件系統(含網絡系統)、軟件系統、地理空間數據、系統管理人員、用戶。其中硬件系統、軟件系統是GIS使用工具，地理空間數據反映了GIS的地理內容，系統管理人員、用戶則決定GIS的工作方式和信息表達方式。硬件系統是用來儲存、處理、傳輸和顯示地理信息或空間數據；軟件系統則是GIS的核心，用來執行GIS功能的各種操作。GIS的操作對象是空間數據，它具體描述地理實體的空間特征、屬性特征和時間特征。人是構成GIS的重要因素，GIS從設計、建立、運行到維護的整個生命周期都離不開人，系統管理人員是GIS應用的關鍵，而強有力的組織是系統運行的保障[1]。
    GIS將普通MIS(Management Information System，管理信息系統)與矢量圖形系統結合在一起，克服了MIS的局限性，大大提高了GIS的直觀性和可操作性，同時提供了MIS不具備的功能。一個完整的熱網GIS應該提供以下功能[8～11]：①能夠對管子、閥門和其他重要裝置的屬性數據進行檢索和查詢，了解管線的確切位置、埋深、走向、敷設時間、直徑等。②能夠及時更新各種空間地理數據，并可根據熱網中各條熱力管道的屬性數據及其近年來的運行調節參數進行統計、三維分析、空間分析、網絡分析等。③能夠實現地下各種綜合管線數據的共享，為城市規劃部門提供確實可靠的數據，從而在建設施工中避免管道破壞的事故發生。④能夠對熱網的事故情況進行模擬及預測，當供熱管道破裂時，可以通過GIS的網絡分析功能確定最佳的故障檢修方案，加快搶修速度，減少經濟損失。
3 GIS與傳統熱網管理系統的比較
3.1 傳統熱網管理系統
    雖然我國的集中供熱事業快速發展，但同樣有很多小型供熱鍋爐房存在，而小型供熱鍋爐房大多數采用圖紙和手工記錄來進行熱網管理。規模稍大的供熱系統則采用圖形與數據庫管理或者是CAD與MIS綜合管理。總體而言，傳統熱網管理系統主要包括了3種方案：圖紙、手工管理；數據庫與圖形管理；CAD與MIS綜合管理[10]。隨著熱網規模的擴大，傳統管理方式無法滿足目前的管理要求，并且傳統管理方式存在著兩方面問題[9～10]：由于繪圖誤差，圖紙標注與熱力管道的實際位置不符，往往在管網維修或擴建工程中造成較大的經濟損失。熱網數據庫和圖形的松散耦合不利于熱網屬性數據的統計分析，也同樣不利于與其他地下管線的數據共享，給城市規劃帶來較大的困難。
3.2 GIS與傳統熱網管理系統的比較[3～22]
    首先，在管網施工或維修階段。傳統熱網管理方式使得地下各種管線的數據難于共享，熱網的施工、維修則無法準確、迅速地進行。而GIS可以將其他管線作為單獨顯示的圖層，方便位置屬性的查詢，甚至可以通過三維效果圖顯示相對位置情況，這樣就能減少破壞其他管線問題的產生。
    其次，在熱網運行階段。隨著對供熱系統的經濟性、可靠性等有關指標的要求日益提高，供熱公司在運行熱網中投入的管理費用也越來越多。為了實現熱網的運行優化，減少管理費用，更需要使用先進的科學管理技術。然而傳統熱網管理系統在管網的運行中記錄的數據非常零散，而且不能及時進行綜合統計，而GIS則可以很快地根據以前所記錄的運行調節參數，進行統計、空間分析，可以得到管網運行所需要的調節方案趨勢。可以根據以前記錄的數據進行空間分析，得出最可能出現故障的區域，提前預測，這樣就會比較迅速地解決供熱過程出現的問題。
    最后，在熱網可視性方面。隨著城市化進程逐漸加快，城市建筑、道路等基礎設施增長迅速，城市規劃也不斷變化，使得城市地下管線錯綜復雜，數量越來越多。傳統熱網管理方式無法滿足可視化的需求，利用GIS的空間分析功能則能夠在熱網出現故障的時候，形象地模擬出現停止供熱的區域，并且提供一套關閉閥門數量最小的方案。如利用GIS的關閥搜索、管網狀態仿真模型，迅速分析事故的影響范圍和影響程度，模擬管網動態變化，以便調度管網有關設施，提高供熱質量。顯然與傳統熱網管理方式的事故處理相比，GIS充分顯示出現代科學技術高效率的優勢。
    GIS以其獨特的優勢，將成為對熱網運行實施管理信息模擬不可替代的工具。在GIS技術的支持下，熱網圖形庫、屬性數據庫及外部數據庫融為一體[19]，不僅圖形與數據實現結合、表示準確，而且易于動態更新，從而大大提高了熱網管理工作的效率和質量。
4 GIS的應用前景
    現在很多供熱公司都采用了自動化監控技術，以便迅速地調節各種參數，并且通過仿真系統對熱網進行運行分析，使之達到最優化的運行狀態，但是僅依靠自動化監控技術來提高集中供熱系統的技術水平是遠遠不夠的。我國在集中供熱系統中應用GIS技術的城市還不是很多，并且也僅僅是采用圖形庫與數據庫的簡單平臺，只是停留在日常管理的范圍內。對于迫切需要的水力計算、壓力分析、優化調度等卻很少有人涉足。
    因此，充分利用GIS軟件具備的分析、模擬與預測的強大功能，與專業理論方法相結合，進行深度開發，或者是與自動化監控技術結合在一起，建立一個能及時更新各種主要參數的數據庫，這樣更能迅速地進行熱網的運行調節，從而能夠在供熱負荷發生變化時進行及時調整，及時預測故障可能出現的地點，體現GIS技術的可視化功能。如果能夠在設計GIS時增加迫切需要的水力計算、壓力分析、優化調度等功能，這樣更能充分滿足集中供熱系統的學管理要求，真正實現供熱管網空間數據、屬性數據、拓撲關系[19]的可視化管理。根據可靠、準確的地理空間數據，結合自動化監控技術，建立熱網GIS，是實現熱網優化運行的必經之路。在集中熱網中使用GIS技術，能夠實現集中供熱系統的優質供熱、安全運行，以及在經濟發展中節約能源、保護環境。
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(本文作者：王遠清 王松嶺 吳正人 華北電力大學 河北保定 071003)