基于网络服务的城市天然气管网管理与应急系统研究

【摘要】：天然气是目前我国大力推广的能源,是城市燃气事业的主要组成部分。但是传统的天然气供应系统存在两方面急需解决的问题:传统管理方法的低效和管网系统的安全隐患。本文基于管理和应急两方面的需求,采用了基于网络服务的系统架构,尝试开发天然气管网专用的地理信息系统,并对管网系统架构、管网专用模型、管网应急抢修与监控和天然气泄漏扩散模型及仿真等四方面进行了深入研究。 本文通过大量参考文献的分析、比较和研究,提出了基于网络服务的管网管理与应急系统架构。在此基础之上,利用ArcGIS系列软件搭建了系统平台,开发了基于网络服务的天然气管网管理与应急系统,并进行了应用测试。 利用面向对象的空间数据模型,并根据天然气管网特点,制定了管网专用模型的设计原则,运用UML静态结构图建立了模型,通过原始管网数据的导入、编辑和整饰,并将模型应用到本系统平台,实现了对实际供气系统的模拟。 本文对最短路径算法和管网监控进行了深入研究。其中,通过对模拟退火算法、遗传算法和蚁群算法等三种启发式算法进行比较分析,研究并实现了改进型蚁群算法的最短路径计算程序,用于在系统中计算泄漏点与维修站的最佳路线,有效地缩短了应急抢修的响应时间。通过图层与数据库的字段关联,实现了气压数据的监测与预警。 根据天然气泄漏及扩散特点,对气体泄漏的高斯扩散模型进行了理论研究。并利用该模型计算出天然气扩散的范围和浓度分布边界值,模型计算结果在系统中得到了可视化的表现。本文还利用GIS空间综合分析功能对受影响的建筑和人口进行了统计分析。 经试运行,本系统运行稳定,有良好的可视化表现能力,实用性强,运行效果良好。新研究的空间数据专用模型、改进算法及气体扩散仿真模型在系统平台中能够协同操作,实现了复杂的天然气管网管理及应急的大部分功能。 本论文的部分成果可直接应用于天然气供应系统中,以改善目前的管理模式和安全应急现状。 【关键词】：地理信息系统 天然气管网系统 空间数据模型 蚁群算法 高斯扩散模型
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU996.8
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 引言10-26
• 1.1 研究背景10-13
• 1.1.1 我国城市燃气事业发展现状10-11
• 1.1.2 城市天然气供应系统11
• 1.1.3 传统管理方法的效率问题11-12
• 1.1.4 天然气管网的安全问题12-13
• 1.2 选题意义13-15
• 1.2.1 地理信息系统与天然气管网管理13-14
• 1.2.2 天然气管网的监控和应急14-15
• 1.3 国内外研究状况15-18
• 1.3.1 GIS 技术在燃气行业的应用15-16
• 1.3.2 ComGIS 和WebGIS16-17
• 1.3.3 几种天然气管网系统的研究17-18
• 1.4 主要研究内容及关键技术18-21
• 1.4.1 研究目标的确定18
• 1.4.2 管网系统架构的设计18-19
• 1.4.3 管网专用模型的研究19-20
• 1.4.4 管网监控及应急抢修的最短路径算法研究20-21
• 1.4.5 天然气泄漏扩散模型及仿真研究21
• 1.5 功能需求与研究方案21-24
• 1.5.1 功能需求21-23
• 1.5.2 研究方案23-24
• 1.6 论文结构24-26
• 第2章 管网系统架构26-44
• 2.1 系统架构26-28
• 2.2 ESRI 的ArcGIS 软件系列28-30
• 2.2.1 ArcGIS 系列软件的发展史28-29
• 2.2.2 ArcGIS 系列软件简介29-30
• 2.3 地图服务器端采用ArcGIS Server REST API30-35
• 2.3.1 基于ArcGIS Server 的开发方案30-32
• 2.3.2 网络服务类型：SOAP 和REST32-34
• 2.3.3 REST API34-35
• 2.4 网站服务器端采用ArcGIS API for Silverlight35-38
• 2.4.1 RIA 与传统Web 应用35-36
• 2.4.2 主要的RIA 引擎36-37
• 2.4.3 Silverlight API37-38
• 2.5 开发环境38
• 2.5.1 硬件环境38
• 2.5.2 软件环境38
• 2.6 系统平台的搭建38-43
• 2.6.1 地图服务器的搭建38-41
• 2.6.2 网站服务器的搭建41-43
• 2.7 本章小结43-44
• 第3章 管网专用模型的研究与实现44-60
• 3.1 基于ArcGIS 的管网数据模型44-46
• 3.1.1 Geodatabase44-45
• 3.1.2 管网模型45-46
• 3.2 管网数据模型的设计原则46-47
• 3.3 管网专用模型的建立47-53
• 3.3.1 建模工具VISIO47-48
• 3.3.2 用VISIO 建立天然气管网数据模型48-52
• 3.3.3 模型转换及导入空间数据库52-53
• 3.4 管网地图数据的编辑53-59
• 3.4.1 管网数据导入54-56
• 3.4.2 坐标系和仿射变换56-57
• 3.4.3 管网地图修饰57-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第4章 管网应急抢修与监控60-76
• 4.1 研究内容60
• 4.1.1 应急抢修的最短路径算法60
• 4.1.2 管网监控60
• 4.2 应急抢修的最短路径算法60-71
• 4.2.1 算法与复杂度理论61-62
• 4.2.2 三种最短路径算法的介绍与比较62-66
• 4.2.3 蚁群算法的实现66-70
• 4.2.4 试验结果与分析70-71
• 4.3 管网监控71-75
• 4.3.1 图层与监控数据的关联71-73
• 4.3.2 气压数据的可视化表现73-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第5章 天然气泄漏扩散模型及仿真研究76-87
• 5.1 研究内容76
• 5.1.1 天然气扩散模型及可视化76
• 5.1.2 空间分析与统计76
• 5.2 天然气扩散模型及可视化76-82
• 5.2.1 天然气泄漏的危害性76-77
• 5.2.2 天然气扩散影响因素77
• 5.2.3 扩散模型分类77-78
• 5.2.4 瞬时扩散模型78-79
• 5.2.5 连续源扩散模型79
• 5.2.6 模型实现79-82
• 5.3 空间分析与统计82-85
• 5.3.1 建立缓冲区82-83
• 5.3.2 叠加分析83-85
• 5.4 本章小结85-87
• 第6章 管网系统开发87-105
• 6.1 功能需求87-88
• 6.2 系统界面88-89
• 6.3 简单功能模块的实现89-94
• 6.3.1 浏览控制89-90
• 6.3.2 图层控制90
• 6.3.3 信息查询90
• 6.3.4 网络数据90-91
• 6.3.5 应用实例91-94
• 6.4 复杂功能模块的实现94-99
• 6.4.1 特殊数据94-95
• 6.4.2 分级渲染95-96
• 6.4.3 简单编辑96
• 6.4.4 应用实例96-99
• 6.5 管网抢修模块的实现99-102
• 6.5.1 管网监控99
• 6.5.2 最短路径99-100
• 6.5.3 应用实例100-102
• 6.6 灾害仿真模块的实现102-104
• 6.6.1 扩散模型102
• 6.6.2 影响统计102
• 6.6.3 应用实例102-104
• 6.7 本章小结104-105
• 第7章 结论105-108
• 7.1 论文主要工作的总结105-106
• 7.2 不足与展望106-108
• 参考文献108-111
• 致谢111-112
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果112

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