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【摘 要】本文介绍了建立城市长距离热力网 专题地理信息系统的一般过程。在地理信息系统平台的基础上建立了热力网运行管理的支持系统，以更大限度地发挥地理信息系统的作用。
【关键词】热力网 运行管理 地理信息系统
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-057-01
集中供热系统是一个包括热源、热力网、热力站、热用户等的复杂系统。近年来随着城市规模的不断扩大， 地上地下建筑物的不断变更， 热网的规模也越来越大， 结构越来越复杂， 形式、种类也越来越多。热力网的建设是一个渐进过程， 必然存在新老热网并存的现象， 给运行管理带来不便。特别是多热源环形管网及直埋管道技术在集中供热领域中的推广应用， 在热力网运行管理上需要处理的信息量变得更加庞大， 运行管理也变得越来越复杂。
我国的城市管网普遍存在资料不全、埋深情况复杂等问题。由于目前管网系统的复杂性和多变性， 利用传统的手工管理、图纸记录、人为处理信息及手工经验调节的方法很难满足供热系统的规划、改扩建及运行管理的要求， 更不能满足城市热力网发展的需要。如何实现整个网络的科学、高效管理以及优化设计， 解决运行调节中存在的问题， 优化参数就成了迫切需要解决的课题。
地理信息系统（GIS）是为特定应用目标而建立的空间信息系统， 是在计算机硬件、软件和网络技术的支持下， 对有关空间数据进行预处理、输入、存储、查询检索、处理、分析、显示、更新和提取利用的技术系统。由于供热系统自身的特点，特别是大中型长距离热力网，研究适合供热系统的GIS技术势在必行。国内少数供热企业已经开始使用GIS技术对热力网进行管理。本文探讨建立城市热力网专题地理信息系统的过程和应注意的问题。
一、城市热力网地理信息系统构建的一般过程
城市供热地理信息系统作为一种专题地理信息系统，有着自身的特点。它需要建立在一定的GIS软件平台之上，同时还要满足供热系统的运行管理需要。热力网地理信息系统的构建一般可按以下步骤进行。
1. 确定GIS 软件平台
合适的平台是一个专题地理信息系统功能实现的关键。专题地理信息系统的GIS软件平台应具有开放性， 易于定制并具有较强的二次开发功能。开发的供热专业的专题地理信息系统， 不但要具有传统的地理信息系统的功能， 而且要能在该平台上构造适合供热专业的计算分析模型， 另外还要结合供热部门的具体情况， 定制各项管理功能。一般来讲， 应选用二次开发功能较强的软件，平台选择要作广泛的调查研究， 选择性价比高、适用于供热企业运行管理的GIS 软件。
2. 数据库的搭建
城市热力网地理信息系统的数据源可概括为两类， 一类是基础数据， 包括城市基础地形图和用于反映地形、标高、交通、水系、境界、房屋和人口等信息的属性数据资料； 另一类是与供热系统相关的专题数据， 包括热力管网及热源、热力站等热力设施的空间数据及相关专业技术信息、运行记录等属性数据。
对上述数据的收集整理是建库的基础， 为保证数据精度、适用性、可扩充性， 城市地形图一般选用测绘部门提供的大比例电子地形图， 对于没有电子地形图的地区， 可以采用纸质地形图扫描矢量化， 有些GIS平台提供自动、半自动扫描矢量化的功能。热力系统专题数据（主要是热力网数据） 的获取有三种方式： 外业测量数据、施工图矢量化和数据转换。外业测量数据是将外业测量成果在GIS软件平台上直接形成空间数据和属性数据， 方便准确， 但是成本较高； 施工图矢量化是采用对纸质施工图扫描矢量化， 数据精度主要由底图质量和数据录入人员控制； 数据转换是将CAD等电子格式数据进行数据转换， 生成热力系统专题数据。对所有属性数据应分类整理， 并与空间数据挂接。
3. 基于GIS 的专业模型的建立
城市地理信息系统的发展经历了城市资源的静态管理、城市动态模拟、检测及可持续能力建设的阶段。早期的城市供热地理信息系统只满足静态管理， 与专业计算模型结合的很少， 而要实现供热系统的动态模拟和决策支持， 必须在GIS平台上建立适合供热专业的数学模型， 特别是水力计算模型。到目前为止， 还没有完全适合供热专业的专题地理信息系统， 必须在GIS 软件系统平台基础上进行二次开发。将GIS 软件的拓扑识别、空间分析功能与图论和面向对象技术结合， 可以实现热力管网的自动建网、自动更新。一些GIS软件对网文件或线文件具有识别功能， 利用这一功能， 取出各管段（网段） 的起止节点， 即连接关系， 形成整个管线的拓扑关系， 然后搜索热力系统设备， 如热源、热力站、热用户、管路附件等设施与管段节点的连接关系， 最后将管线、热力系统设备、管路附件等设备的属性赋为管网图类的权值或成员变量， 对管网图类进行封装， 形成水力计算需要的关联矩阵、基本回路矩阵， 计算管段比摩阻、流速、阻力数、阻力损失以及选择管径等。水力计算的方法可以采用流量法或节点法， 这两种方法各有优缺点， 一般设计计算采用流量法， 工况计算采用节点法较方便。对管网拓扑及热力系统的自动识别、自动建网， 不仅准确、快捷， 还可以实现大规模管网的优化设计、优化布线， 提高热力系统设计水平。同时， 当热力系统需要改建、扩建时， 可以直接在该系统上实现。
4. 用户界面及管理功能定制
用户界面应方便友好， 易于操作。功能与管理信息系统MIS基本相似， 同时由于GIS软件具有对图形信息、地理坐标的处理能力， 可以实现空间信息和属性的互动， 使基于GIS的供热系统管理更加丰富多彩。其基本功能包括： ①浏览功能。对整个供热系统图形（空间数据） 的分层管理， 可以隐藏或显示； 实现对图形数据的浏览、平移、放大、缩小及缩略图显示； 设定绘图综合的功能， 不同的显示比例， 显示不同的信息量， 提高运行速度； 根据热力网水力计算结果或监测数据模拟水流方向等。②查询、统计功能。查询功能是管理软件的基本功能之一， 应提供分类查询、组合查询、模糊查询等查询功能。统计功能应实现对管线、管路附件、热力站等热力设备的分类统计、汇总等。在GIS软件的基础上， 查询、统计的结果可以通过空间数据和属性数据反映出来， 使操作者一目了然。另外， 可以根据事故工况的模拟数据和阀件信息进行关阀搜索、事故分析等。③文字图形报表功能。提供给用户定制各种文字报表的功能， 并应具有打印功能。对供热专业来说， 还要提供水压图、横剖面图、纵剖面图、热负荷延续图、调节曲线图等。④图形输出功能。按比例、分幅输出地形图、管网图等。许多GIS 软件都提供了强大的图形输出功能和接口， 可以按照用户的需要进行工程输出。
5. 运行管理
长距离热力网运行管理是是供热部门最关心的问题。结合供热专业技术与监控和数据采集SCADA系统，开发基于GIS技术的热力网优化设计、水力工况分析、优化调度、热网事故分析与处理等决策支持系统是热力网地理信息系统亟待解决的问题。GIS技术为热力网决策支持的专家系统提供了最好的平台支持， 通过与专业的结合， 开发出适合供热业的决策支持系统是完全可行的。
6. 数据安全
数据安全对数据库的管理至关重要，特别是热力网的管段数据与热源、热力站、管路附件等是相互关联的，一个数据的错误可能导致整个水力计算无法正常进行， 在作必要的拓扑检查的同时，数据安全极为重要。不同的操作人员应设置不同的权限，通过设定分级操作权限， 增加数据的安全性，保证系统的正常运行。
二、结论
GIS技术目前已经比较成熟，是代替传统管理的阻力模型。通过对建筑热过程的模拟和通风的计算，DeST实现了建筑热环境和自然通风的真正的耦合模拟。最后通过通风模拟计算的实例，利用通风模拟分析解决了几个设计中的问题，说明通风模拟在通风系统设计、控制策略分析上的应用，指出了建筑通风模拟在实际中的应用意义。
三、我院典型工程案例
嘉兴新嘉爱斯热电有限公司，管网起点供热参数为1.0MPa，290℃，其最大供热距离为17公里，能满足末端用户供热要求。镇海电厂，管网起点供热参数为2.2MPa，310℃，其最大供热距离为22公里，能满足末端用户供热要求。
因此，本项目热源点具备最远端供热能力，本项目投标文件中水力计算结果也验证了该结论。
【关键词】热力网 运行管理 地理信息系统
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-057-01
集中供热系统是一个包括热源、热力网、热力站、热用户等的复杂系统。近年来随着城市规模的不断扩大， 地上地下建筑物的不断变更， 热网的规模也越来越大， 结构越来越复杂， 形式、种类也越来越多。热力网的建设是一个渐进过程， 必然存在新老热网并存的现象， 给运行管理带来不便。特别是多热源环形管网及直埋管道技术在集中供热领域中的推广应用， 在热力网运行管理上需要处理的信息量变得更加庞大， 运行管理也变得越来越复杂。
我国的城市管网普遍存在资料不全、埋深情况复杂等问题。由于目前管网系统的复杂性和多变性， 利用传统的手工管理、图纸记录、人为处理信息及手工经验调节的方法很难满足供热系统的规划、改扩建及运行管理的要求， 更不能满足城市热力网发展的需要。如何实现整个网络的科学、高效管理以及优化设计， 解决运行调节中存在的问题， 优化参数就成了迫切需要解决的课题。
地理信息系统（GIS）是为特定应用目标而建立的空间信息系统， 是在计算机硬件、软件和网络技术的支持下， 对有关空间数据进行预处理、输入、存储、查询检索、处理、分析、显示、更新和提取利用的技术系统。由于供热系统自身的特点，特别是大中型长距离热力网，研究适合供热系统的GIS技术势在必行。国内少数供热企业已经开始使用GIS技术对热力网进行管理。本文探讨建立城市热力网专题地理信息系统的过程和应注意的问题。
一、城市热力网地理信息系统构建的一般过程
城市供热地理信息系统作为一种专题地理信息系统，有着自身的特点。它需要建立在一定的GIS软件平台之上，同时还要满足供热系统的运行管理需要。热力网地理信息系统的构建一般可按以下步骤进行。
1. 确定GIS 软件平台
合适的平台是一个专题地理信息系统功能实现的关键。专题地理信息系统的GIS软件平台应具有开放性， 易于定制并具有较强的二次开发功能。开发的供热专业的专题地理信息系统， 不但要具有传统的地理信息系统的功能， 而且要能在该平台上构造适合供热专业的计算分析模型， 另外还要结合供热部门的具体情况， 定制各项管理功能。一般来讲， 应选用二次开发功能较强的软件，平台选择要作广泛的调查研究， 选择性价比高、适用于供热企业运行管理的GIS 软件。
2. 数据库的搭建
城市热力网地理信息系统的数据源可概括为两类， 一类是基础数据， 包括城市基础地形图和用于反映地形、标高、交通、水系、境界、房屋和人口等信息的属性数据资料； 另一类是与供热系统相关的专题数据， 包括热力管网及热源、热力站等热力设施的空间数据及相关专业技术信息、运行记录等属性数据。
对上述数据的收集整理是建库的基础， 为保证数据精度、适用性、可扩充性， 城市地形图一般选用测绘部门提供的大比例电子地形图， 对于没有电子地形图的地区， 可以采用纸质地形图扫描矢量化， 有些GIS平台提供自动、半自动扫描矢量化的功能。热力系统专题数据（主要是热力网数据） 的获取有三种方式： 外业测量数据、施工图矢量化和数据转换。外业测量数据是将外业测量成果在GIS软件平台上直接形成空间数据和属性数据， 方便准确， 但是成本较高； 施工图矢量化是采用对纸质施工图扫描矢量化， 数据精度主要由底图质量和数据录入人员控制； 数据转换是将CAD等电子格式数据进行数据转换， 生成热力系统专题数据。对所有属性数据应分类整理， 并与空间数据挂接。
3. 基于GIS 的专业模型的建立
城市地理信息系统的发展经历了城市资源的静态管理、城市动态模拟、检测及可持续能力建设的阶段。早期的城市供热地理信息系统只满足静态管理， 与专业计算模型结合的很少， 而要实现供热系统的动态模拟和决策支持， 必须在GIS平台上建立适合供热专业的数学模型， 特别是水力计算模型。到目前为止， 还没有完全适合供热专业的专题地理信息系统， 必须在GIS 软件系统平台基础上进行二次开发。将GIS 软件的拓扑识别、空间分析功能与图论和面向对象技术结合， 可以实现热力管网的自动建网、自动更新。一些GIS软件对网文件或线文件具有识别功能， 利用这一功能， 取出各管段（网段） 的起止节点， 即连接关系， 形成整个管线的拓扑关系， 然后搜索热力系统设备， 如热源、热力站、热用户、管路附件等设施与管段节点的连接关系， 最后将管线、热力系统设备、管路附件等设备的属性赋为管网图类的权值或成员变量， 对管网图类进行封装， 形成水力计算需要的关联矩阵、基本回路矩阵， 计算管段比摩阻、流速、阻力数、阻力损失以及选择管径等。水力计算的方法可以采用流量法或节点法， 这两种方法各有优缺点， 一般设计计算采用流量法， 工况计算采用节点法较方便。对管网拓扑及热力系统的自动识别、自动建网， 不仅准确、快捷， 还可以实现大规模管网的优化设计、优化布线， 提高热力系统设计水平。同时， 当热力系统需要改建、扩建时， 可以直接在该系统上实现。
4. 用户界面及管理功能定制
用户界面应方便友好， 易于操作。功能与管理信息系统MIS基本相似， 同时由于GIS软件具有对图形信息、地理坐标的处理能力， 可以实现空间信息和属性的互动， 使基于GIS的供热系统管理更加丰富多彩。其基本功能包括： ①浏览功能。对整个供热系统图形（空间数据） 的分层管理， 可以隐藏或显示； 实现对图形数据的浏览、平移、放大、缩小及缩略图显示； 设定绘图综合的功能， 不同的显示比例， 显示不同的信息量， 提高运行速度； 根据热力网水力计算结果或监测数据模拟水流方向等。②查询、统计功能。查询功能是管理软件的基本功能之一， 应提供分类查询、组合查询、模糊查询等查询功能。统计功能应实现对管线、管路附件、热力站等热力设备的分类统计、汇总等。在GIS软件的基础上， 查询、统计的结果可以通过空间数据和属性数据反映出来， 使操作者一目了然。另外， 可以根据事故工况的模拟数据和阀件信息进行关阀搜索、事故分析等。③文字图形报表功能。提供给用户定制各种文字报表的功能， 并应具有打印功能。对供热专业来说， 还要提供水压图、横剖面图、纵剖面图、热负荷延续图、调节曲线图等。④图形输出功能。按比例、分幅输出地形图、管网图等。许多GIS 软件都提供了强大的图形输出功能和接口， 可以按照用户的需要进行工程输出。
5. 运行管理
长距离热力网运行管理是是供热部门最关心的问题。结合供热专业技术与监控和数据采集SCADA系统，开发基于GIS技术的热力网优化设计、水力工况分析、优化调度、热网事故分析与处理等决策支持系统是热力网地理信息系统亟待解决的问题。GIS技术为热力网决策支持的专家系统提供了最好的平台支持， 通过与专业的结合， 开发出适合供热业的决策支持系统是完全可行的。
6. 数据安全
数据安全对数据库的管理至关重要，特别是热力网的管段数据与热源、热力站、管路附件等是相互关联的，一个数据的错误可能导致整个水力计算无法正常进行， 在作必要的拓扑检查的同时，数据安全极为重要。不同的操作人员应设置不同的权限，通过设定分级操作权限， 增加数据的安全性，保证系统的正常运行。
二、结论
GIS技术目前已经比较成熟，是代替传统管理的阻力模型。通过对建筑热过程的模拟和通风的计算，DeST实现了建筑热环境和自然通风的真正的耦合模拟。最后通过通风模拟计算的实例，利用通风模拟分析解决了几个设计中的问题，说明通风模拟在通风系统设计、控制策略分析上的应用，指出了建筑通风模拟在实际中的应用意义。
三、我院典型工程案例
嘉兴新嘉爱斯热电有限公司，管网起点供热参数为1.0MPa，290℃，其最大供热距离为17公里，能满足末端用户供热要求。镇海电厂，管网起点供热参数为2.2MPa，310℃，其最大供热距离为22公里，能满足末端用户供热要求。
因此，本项目热源点具备最远端供热能力，本项目投标文件中水力计算结果也验证了该结论。