地理信息系統(tǒng)在熱網(wǎng)管理系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)在熱網(wǎng)管理中的作用及GIS的基本組成，比較了GIS與傳統(tǒng)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了GIS的應(yīng)用前景。GIS技術(shù)和自動化監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，能夠快速地更新數(shù)
摘要：介紹了地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)在熱網(wǎng)管理中的作用及GIS的基本組成，比較了GIS與傳統(tǒng)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了GIS的應(yīng)用前景。GIS技術(shù)和自動化監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，能夠快速地更新數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)地理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的可視化管理，對熱網(wǎng)的運(yùn)行管理進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的安全運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：熱網(wǎng)；地理信息系統(tǒng)；管理信息系統(tǒng)
1 概述
    近年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市集中供熱事業(yè)及相應(yīng)設(shè)施也得到了迅速發(fā)展。為了適應(yīng)這種情況，城市熱網(wǎng)也不斷進(jìn)行擴(kuò)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(wǎng)運(yùn)行和控制還是采用常規(guī)儀表和人工操作，往往給熱網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)行造成影響，特別是熱網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)的記錄和故障預(yù)測水平還比較落后。此外，熱網(wǎng)具有信息量大、查詢復(fù)雜、信息保存期長的特點(diǎn)，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(wǎng)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(shù)據(jù)庫，甚至是利用自動監(jiān)控系統(tǒng)來對熱網(wǎng)進(jìn)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(shù)據(jù)查閱不方便，利用起來不靈活，可視化水平低，事故預(yù)測水平低。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，供熱公司需要選擇更先進(jìn)的技術(shù)對熱網(wǎng)進(jìn)行管理。本文對GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))在熱網(wǎng)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。
2 熱網(wǎng)GIS
2.1 GIS的概念
    GIS包涵兩方面的內(nèi)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(xué)科；另一方面，它又是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，適時提供空間的和動態(tài)的地理信息。簡單地講，就是把圖形目標(biāo)及其描述信息(屬陛)相關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它可以把地域范圍廣闊的自然地理、人文建設(shè)組成的現(xiàn)實(shí)世界移植到計(jì)算機(jī)中，分類、分層概括地表達(dá)出來[1]。它把地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)與相關(guān)聯(lián)的居陛數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合在一起，不同層次地滿足了城市規(guī)劃、居民生活對各種空間信息的需求，并憑借其獨(dú)有的空間分析功能和可視化表達(dá)方式在各個領(lǐng)域輔助人們進(jìn)行管理與決策。
2.2 GIS在供熱管網(wǎng)管理中的作用
    目前，GIS在熱網(wǎng)管理中的作用主要有以下兩方面[2～7]：①熱網(wǎng)GIS可以將文字信息與圖形描述結(jié)合起來，建立空間地理數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的共同檢索和相關(guān)查詢系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)管理、地圖管理、管網(wǎng)設(shè)備與運(yùn)行管理、系統(tǒng)決策管理和系統(tǒng)管理等5項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了供熱管理的科學(xué)化和自動化。通過GIS可以很方便地查詢供熱系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)及埋于地下的各種管道的埋深，并且能夠利用GIS的強(qiáng)大功能將其可視化。②可以利用GIS軟件的空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析功能為城市供熱管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理調(diào)控提供強(qiáng)有力的支持。空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析還可用于管道施工、維修預(yù)案和管網(wǎng)事故搶修決策等方面。熱網(wǎng)事故預(yù)測分析功能，為管網(wǎng)事故分析建立了邏輯網(wǎng)絡(luò)模型，使得在熱網(wǎng)發(fā)生事故時，能及時迅速地找到應(yīng)當(dāng)關(guān)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(tǒng)(含網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))、軟件系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理人員、用戶。其中硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)是GIS使用工具，地理空間數(shù)據(jù)反映了GIS的地理內(nèi)容，系統(tǒng)管理人員、用戶則決定GIS的工作方式和信息表達(dá)方式。硬件系統(tǒng)是用來儲存、處理、傳輸和顯示地理信息或空間數(shù)據(jù)；軟件系統(tǒng)則是GIS的核心，用來執(zhí)行GIS功能的各種操作。GIS的操作對象是空間數(shù)據(jù)，它具體描述地理實(shí)體的空間特征、屬性特征和時間特征。人是構(gòu)成GIS的重要因素，GIS從設(shè)計(jì)、建立、運(yùn)行到維護(hù)的整個生命周期都離不開人，系統(tǒng)管理人員是GIS應(yīng)用的關(guān)鍵，而強(qiáng)有力的組織是系統(tǒng)運(yùn)行的保障[1]。
    GIS將普通MIS(Management Information System，管理信息系統(tǒng))與矢量圖形系統(tǒng)結(jié)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(wǎng)GIS應(yīng)該提供以下功能[8～11]：①能夠?qū)茏?、閥門和其他重要裝置的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和查詢，了解管線的確切位置、埋深、走向、敷設(shè)時間、直徑等。②能夠及時更新各種空間地理數(shù)據(jù)，并可根據(jù)熱網(wǎng)中各條熱力管道的屬性數(shù)據(jù)及其近年來的運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、三維分析、空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。③能夠?qū)崿F(xiàn)地下各種綜合管線數(shù)據(jù)的共享，為城市規(guī)劃部門提供確實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，從而在建設(shè)施工中避免管道破壞的事故發(fā)生。④能夠?qū)峋W(wǎng)的事故情況進(jìn)行模擬及預(yù)測，當(dāng)供熱管道破裂時，可以通過GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能確定最佳的故障檢修方案，加快搶修速度，減少經(jīng)濟(jì)損失。
3 GIS與傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理系統(tǒng)的比較
3.1 傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理系統(tǒng)
    雖然我國的集中供熱事業(yè)快速發(fā)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(shù)采用圖紙和手工記錄來進(jìn)行熱網(wǎng)管理。規(guī)模稍大的供熱系統(tǒng)則采用圖形與數(shù)據(jù)庫管理或者是CAD與MIS綜合管理。總體而言，傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理系統(tǒng)主要包括了3種方案：圖紙、手工管理；數(shù)據(jù)庫與圖形管理；CAD與MIS綜合管理[10]。隨著熱網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)管理方式無法滿足目前的管理要求，并且傳統(tǒng)管理方式存在著兩方面問題[9～10]：由于繪圖誤差，圖紙標(biāo)注與熱力管道的實(shí)際位置不符，往往在管網(wǎng)維修或擴(kuò)建工程中造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。熱網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和圖形的松散耦合不利于熱網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，也同樣不利于與其他地下管線的數(shù)據(jù)共享，給城市規(guī)劃帶來較大的困難。
3.2 GIS與傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理系統(tǒng)的比較[3～22]
    首先，在管網(wǎng)施工或維修階段。傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理方式使得地下各種管線的數(shù)據(jù)難于共享，熱網(wǎng)的施工、維修則無法準(zhǔn)確、迅速地進(jìn)行。而GIS可以將其他管線作為單獨(dú)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(chǎn)生。
    其次，在熱網(wǎng)運(yùn)行階段。隨著對供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性等有關(guān)指標(biāo)的要求日益提高，供熱公司在運(yùn)行熱網(wǎng)中投入的管理費(fèi)用也越來越多。為了實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化，減少管理費(fèi)用，更需要使用先進(jìn)的科學(xué)管理技術(shù)。然而傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理系統(tǒng)在管網(wǎng)的運(yùn)行中記錄的數(shù)據(jù)非常零散，而且不能及時進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，而GIS則可以很快地根據(jù)以前所記錄的運(yùn)行調(diào)節(jié)參數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、空間分析，可以得到管網(wǎng)運(yùn)行所需要的調(diào)節(jié)方案趨勢?？梢愿鶕?jù)以前記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，得出最可能出現(xiàn)故障的區(qū)域，提前預(yù)測，這樣就會比較迅速地解決供熱過程出現(xiàn)的問題。
    最后，在熱網(wǎng)可視性方面。隨著城市化進(jìn)程逐漸加快，城市建筑、道路等基礎(chǔ)設(shè)施增長迅速，城市規(guī)劃也不斷變化，使得城市地下管線錯綜復(fù)雜，數(shù)量越來越多。傳統(tǒng)熱網(wǎng)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(wǎng)出現(xiàn)故障的時候，形象地模擬出現(xiàn)停止供熱的區(qū)域，并且提供一套關(guān)閉閥門數(shù)量最小的方案。如利用GIS的關(guān)閥搜索、管網(wǎng)狀態(tài)仿真模型，迅速分析事故的影響范圍和影響程度，模擬管網(wǎng)動態(tài)變化，以便調(diào)度管網(wǎng)有關(guān)設(shè)施，提高供熱質(zhì)量。顯然與傳統(tǒng)熱網(wǎng)管理方式的事故處理相比，GIS充分顯示出現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高效率的優(yōu)勢。
    GIS以其獨(dú)特的優(yōu)勢，將成為對熱網(wǎng)運(yùn)行實(shí)施管理信息模擬不可替代的工具。在GIS技術(shù)的支持下，熱網(wǎng)圖形庫、屬性數(shù)據(jù)庫及外部數(shù)據(jù)庫融為一體[19]，不僅圖形與數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)結(jié)合、表示準(zhǔn)確，而且易于動態(tài)更新，從而大大提高了熱網(wǎng)管理工作的效率和質(zhì)量。
4 GIS的應(yīng)用前景
    現(xiàn)在很多供熱公司都采用了自動化監(jiān)控技術(shù)，以便迅速地調(diào)節(jié)各種參數(shù)，并且通過仿真系統(tǒng)對熱網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行分析，使之達(dá)到最優(yōu)化的運(yùn)行狀態(tài)，但是僅依靠自動化監(jiān)控技術(shù)來提高集中供熱系統(tǒng)的技術(shù)水平是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我國在集中供熱系統(tǒng)中應(yīng)用GIS技術(shù)的城市還不是很多，并且也僅僅是采用圖形庫與數(shù)據(jù)庫的簡單平臺，只是停留在日常管理的范圍內(nèi)。對于迫切需要的水力計(jì)算、壓力分析、優(yōu)化調(diào)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(yù)測的強(qiáng)大功能，與專業(yè)理論方法相結(jié)合，進(jìn)行深度開發(fā)，或者是與自動化監(jiān)控技術(shù)結(jié)合在一起，建立一個能及時更新各種主要參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，這樣更能迅速地進(jìn)行熱網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，從而能夠在供熱負(fù)荷發(fā)生變化時進(jìn)行及時調(diào)整，及時預(yù)測故障可能出現(xiàn)的地點(diǎn)，體現(xiàn)GIS技術(shù)的可視化功能。如果能夠在設(shè)計(jì)GIS時增加迫切需要的水力計(jì)算、壓力分析、優(yōu)化調(diào)度等功能，這樣更能充分滿足集中供熱系統(tǒng)的學(xué)管理要求，真正實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系[19]的可視化管理。根據(jù)可靠、準(zhǔn)確的地理空間數(shù)據(jù)，結(jié)合自動化監(jiān)控技術(shù)，建立熱網(wǎng)GIS，是實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的必經(jīng)之路。在集中熱網(wǎng)中使用GIS技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)集中供熱系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)供熱、安全運(yùn)行，以及在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。
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(本文作者：王遠(yuǎn)清 王松嶺 吳正人 華北電力大學(xué) 河北保定 071003)