地理信息系统在热网管理系统的应用

摘 要

摘要：介绍了地理信息系统(GIS)技术在热网管理中的作用及GIS的基本组成，比较了GIS与传统管理系统的特点，探讨了GIS的应用前景。GIS技术和自动化监控技术相结合，能够快速地更新数
摘要：介绍了地理信息系统(GIS)技术在热网管理中的作用及GIS的基本组成，比较了GIS与传统管理系统的特点，探讨了GIS的应用前景。GIS技术和自动化监控技术相结合，能够快速地更新数据库，实现热网地理数据、属性数据的可视化管理，对热网的运行管理进行优化，实现热网的安全运行。
关键词：热网；地理信息系统；管理信息系统
1 概述
    近年来，我国经济迅速发展，城市集中供热事业及相应设施也得到了迅速发展。为了适应这种情况，城市热网也不断进行扩建和改造。然而我国的集中供热历史还比较短，很多供热公司的热网运行和控制还是采用常规仪表和人工操作，往往给热网的安全、经济、合理的运行造成影响，特别是热网运行调节参数的记录和故障预测水平还比较落后。此外，热网具有信息量大、查询复杂、信息保存期长的特点，以往对这些资料的保存通常采用图纸、图表方式，甚至依靠工作人员的记忆，随着这些工作人员的相继退离，热网资料也有不同程度的流失。
    面对这种情况，某些供热公司提出了采用CAD或者ACCESS数据库，甚至是利用自动监控系统来对热网进行管理。虽然这可以在一定程度上解决某些问题，但是采用上述方法记录的数据查阅不方便，利用起来不灵活，可视化水平低，事故预测水平低。随着计算机技术的快速发展，供热公司需要选择更先进的技术对热网进行管理。本文对GIS(Geographic Information System，地理信息系统)在热网管理系统中的应用进行研究。
2 热网GIS
2.1 GIS的概念
    GIS包涵两方面的内容：一方面，它是描述、储存、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，它又是以地理空间数据为基础，采用地理模型分析方法，适时提供空间的和动态的地理信息。简单地讲，就是把图形目标及其描述信息(属陛)相关联的计算机技术，它可以把地域范围广阔的自然地理、人文建设组成的现实世界移植到计算机中，分类、分层概括地表达出来[1]。它把地理实体的空间数据与相关联的居陛数据有机地结合在一起，不同层次地满足了城市规划、居民生活对各种空间信息的需求，并凭借其独有的空间分析功能和可视化表达方式在各个领域辅助人们进行管理与决策。
2.2 GIS在供热管网管理中的作用
    目前，GIS在热网管理中的作用主要有以下两方面[2～7]：①热网GIS可以将文字信息与图形描述结合起来，建立空间地理数据和相关属性数据的共同检索和相关查询系统，具有数据管理、地图管理、管网设备与运行管理、系统决策管理和系统管理等5项功能，实现了供热管理的科学化和自动化。通过GIS可以很方便地查询供热系统的主要运行参数及埋于地下的各种管道的埋深，并且能够利用GIS的强大功能将其可视化。②可以利用GIS软件的空间分析、网络分析功能为城市供热管网的规划设计、管理调控提供强有力的支持。空间分析、网络分析还可用于管道施工、维修预案和管网事故抢修决策等方面。热网事故预测分析功能，为管网事故分析建立了逻辑网络模型，使得在热网发生事故时，能及时迅速地找到应当关闭的阀门及确定受影响的范围。
2.3 GIS的基本组成
    GIS通常包括硬件系统(含网络系统)、软件系统、地理空间数据、系统管理人员、用户。其中硬件系统、软件系统是GIS使用工具，地理空间数据反映了GIS的地理内容，系统管理人员、用户则决定GIS的工作方式和信息表达方式。硬件系统是用来储存、处理、传输和显示地理信息或空间数据；软件系统则是GIS的核心，用来执行GIS功能的各种操作。GIS的操作对象是空间数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。人是构成GIS的重要因素，GIS从设计、建立、运行到维护的整个生命周期都离不开人，系统管理人员是GIS应用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障[1]。
    GIS将普通MIS(Management Information System，管理信息系统)与矢量图形系统结合在一起，克服了MIS的局限性，大大提高了GIS的直观性和可操作性，同时提供了MIS不具备的功能。一个完整的热网GIS应该提供以下功能[8～11]：①能够对管子、阀门和其他重要装置的属性数据进行检索和查询，了解管线的确切位置、埋深、走向、敷设时间、直径等。②能够及时更新各种空间地理数据，并可根据热网中各条热力管道的属性数据及其近年来的运行调节参数进行统计、三维分析、空间分析、网络分析等。③能够实现地下各种综合管线数据的共享，为城市规划部门提供确实可靠的数据，从而在建设施工中避免管道破坏的事故发生。④能够对热网的事故情况进行模拟及预测，当供热管道破裂时，可以通过GIS的网络分析功能确定最佳的故障检修方案，加快抢修速度，减少经济损失。
3 GIS与传统热网管理系统的比较
3.1 传统热网管理系统
    虽然我国的集中供热事业快速发展，但同样有很多小型供热锅炉房存在，而小型供热锅炉房大多数采用图纸和手工记录来进行热网管理。规模稍大的供热系统则采用图形与数据库管理或者是CAD与MIS综合管理。总体而言，传统热网管理系统主要包括了3种方案：图纸、手工管理；数据库与图形管理；CAD与MIS综合管理[10]。随着热网规模的扩大，传统管理方式无法满足目前的管理要求，并且传统管理方式存在着两方面问题[9～10]：由于绘图误差，图纸标注与热力管道的实际位置不符，往往在管网维修或扩建工程中造成较大的经济损失。热网数据库和图形的松散耦合不利于热网属性数据的统计分析，也同样不利于与其他地下管线的数据共享，给城市规划带来较大的困难。
3.2 GIS与传统热网管理系统的比较[3～22]
    首先，在管网施工或维修阶段。传统热网管理方式使得地下各种管线的数据难于共享，热网的施工、维修则无法准确、迅速地进行。而GIS可以将其他管线作为单独显示的图层，方便位置属性的查询，甚至可以通过三维效果图显示相对位置情况，这样就能减少破坏其他管线问题的产生。
    其次，在热网运行阶段。随着对供热系统的经济性、可靠性等有关指标的要求日益提高，供热公司在运行热网中投入的管理费用也越来越多。为了实现热网的运行优化，减少管理费用，更需要使用先进的科学管理技术。然而传统热网管理系统在管网的运行中记录的数据非常零散，而且不能及时进行综合统计，而GIS则可以很快地根据以前所记录的运行调节参数，进行统计、空间分析，可以得到管网运行所需要的调节方案趋势。可以根据以前记录的数据进行空间分析，得出最可能出现故障的区域，提前预测，这样就会比较迅速地解决供热过程出现的问题。
    最后，在热网可视性方面。随着城市化进程逐渐加快，城市建筑、道路等基础设施增长迅速，城市规划也不断变化，使得城市地下管线错综复杂，数量越来越多。传统热网管理方式无法满足可视化的需求，利用GIS的空间分析功能则能够在热网出现故障的时候，形象地模拟出现停止供热的区域，并且提供一套关闭阀门数量最小的方案。如利用GIS的关阀搜索、管网状态仿真模型，迅速分析事故的影响范围和影响程度，模拟管网动态变化，以便调度管网有关设施，提高供热质量。显然与传统热网管理方式的事故处理相比，GIS充分显示出现代科学技术高效率的优势。
    GIS以其独特的优势，将成为对热网运行实施管理信息模拟不可替代的工具。在GIS技术的支持下，热网图形库、属性数据库及外部数据库融为一体[19]，不仅图形与数据实现结合、表示准确，而且易于动态更新，从而大大提高了热网管理工作的效率和质量。
4 GIS的应用前景
    现在很多供热公司都采用了自动化监控技术，以便迅速地调节各种参数，并且通过仿真系统对热网进行运行分析，使之达到最优化的运行状态，但是仅依靠自动化监控技术来提高集中供热系统的技术水平是远远不够的。我国在集中供热系统中应用GIS技术的城市还不是很多，并且也仅仅是采用图形库与数据库的简单平台，只是停留在日常管理的范围内。对于迫切需要的水力计算、压力分析、优化调度等却很少有人涉足。
    因此，充分利用GIS软件具备的分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论方法相结合，进行深度开发，或者是与自动化监控技术结合在一起，建立一个能及时更新各种主要参数的数据库，这样更能迅速地进行热网的运行调节，从而能够在供热负荷发生变化时进行及时调整，及时预测故障可能出现的地点，体现GIS技术的可视化功能。如果能够在设计GIS时增加迫切需要的水力计算、压力分析、优化调度等功能，这样更能充分满足集中供热系统的学管理要求，真正实现供热管网空间数据、属性数据、拓扑关系[19]的可视化管理。根据可靠、准确的地理空间数据，结合自动化监控技术，建立热网GIS，是实现热网优化运行的必经之路。在集中热网中使用GIS技术，能够实现集中供热系统的优质供热、安全运行，以及在经济发展中节约能源、保护环境。
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(本文作者：王远清 王松岭 吴正人 华北电力大学 河北保定 071003)