面向?qū)ο蟮某鞘泄芫W(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計

程小凱，李愷毅，李景文，陳大克

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.廣西壯族自治區(qū)科技廳,廣西南寧530000）

面向?qū)ο蟮某鞘泄芫W(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計

程小凱，李愷毅1，李景文1，陳大克2

（1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.廣西壯族自治區(qū)科技廳,廣西南寧530000）

針對現(xiàn)有城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織方式存在的問題，提出了一種基于面向?qū)ο蟮某鞘泄芫W(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型，該模型從人們認(rèn)知的角度，將客觀世界中的管網(wǎng)作為集數(shù)據(jù)和方法于一體的對象綜合體，進行一體化存儲和管理。模型在引入“類”概念的基礎(chǔ)上，對基類中幾何類和實體類的結(jié)構(gòu)進行了詳細設(shè)計，并討論了模型中類與類、類與對象之間的關(guān)系，最后以城市供水管網(wǎng)為例，設(shè)計了基于對象的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型。

對象；類； 城市管網(wǎng)；數(shù)據(jù)組織；模型設(shè)計

城市管網(wǎng)作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣泛，是一個縱橫交錯的龐大網(wǎng)絡(luò)體系，具有復(fù)雜的空間和非空間屬性特征。如何有效地管理浩瀚的城市管網(wǎng)信息是城市管網(wǎng)信息化建設(shè)亟待解決的問題。目前，國內(nèi)已建成的城市管網(wǎng)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織大致可分為兩大類：一類是將圖形和屬性數(shù)據(jù)分開存儲，通過屬性字段的關(guān)鍵字聯(lián)接[1-3]；另一類是采用分層模式將屬性數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理[4,5]。前者圖形和屬性的松散耦合導(dǎo)致關(guān)聯(lián)關(guān)系的維護比較復(fù)雜，且圖元間的拓撲關(guān)系無法有效的管理，后者采用數(shù)據(jù)分層的存儲和管理模式，導(dǎo)致屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的固定化，從而難以實現(xiàn)復(fù)雜管網(wǎng)信息的決策分析和綜合管理。本文將面向?qū)ο蟮乃枷牒蛷?fù)雜管網(wǎng)自身特點結(jié)合起來，提出了將空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及操作方法封裝為實體對象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型，為錯綜復(fù)雜的管網(wǎng)信息的一體化存儲、管理及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)模型的設(shè)計方法和應(yīng)用實例。

1 基于對象的城市管網(wǎng)劃分和數(shù)據(jù)組織模型

城市管網(wǎng)是由管線和管節(jié)點組成，管線根據(jù)用途不同分為給水、排水、燃氣、供熱、電力和電信等管線[6]；管節(jié)點可分為給水、排水、燃氣、供熱、電力和電信等，各類管節(jié)點根據(jù)功能不同又可進一步細分，如給水管節(jié)點可分為閥門、水表、測壓點、加壓泵站、水廠和用戶端等。

現(xiàn)實中的各種管網(wǎng)管線和其附屬設(shè)備，都可抽象成為對象。對象是客觀世界中客觀實體的抽象，是構(gòu)成管網(wǎng)系統(tǒng)的基本單位，具有自己的靜態(tài)特征和動態(tài)特征[6]。對象可分為簡單對象和復(fù)雜對象，簡單對象是表示空間事物的基本單元，它是具有完整物理意義的實體對象。復(fù)雜對象是結(jié)構(gòu)復(fù)雜實體的抽象表達，可看作是幾個簡單對象的組合。在城市管網(wǎng)中，閥門、水表和各類管線都屬于簡單對象，管網(wǎng)屬于復(fù)雜對象，是由管線和若干不同管節(jié)點等簡單對象組合而成。

本文提出的基于對象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型是將對象標(biāo)識碼、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及操作方法封裝為對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和方法的統(tǒng)一管理，管網(wǎng)對象用四元組表述為：

PO=（OID,GD,AD,M）

其中，OID為對象標(biāo)識碼，是確定空間對象的唯一標(biāo)識，每一個實體對象都擁有唯一的對象標(biāo)識碼；GD為空間數(shù)據(jù)（Geo_data）的集合，即GD=(gd1,gd2,…,gdn)，是描述目標(biāo)對象的空間位置和幾何形狀等空間信息，每一個實體對象都有唯一的空間位置；AD為屬性數(shù)據(jù)（Attri_data）的集合，即AD=(ad1,ad2,…, adn)，是對實體對象具體特性的描述，屬性集包含公共屬性和私有屬性，其中私有屬性為一類對象獨有而別類對象所不具有的屬性；M為實體對象方法（Method）的集合，即M=(m1,m2,…,mn)，是按有關(guān)空間定義、規(guī)則、操作函數(shù)等對實體對象進行操作的方法集，具體可概括為：操作方法、空間關(guān)系（如度量關(guān)系、拓撲關(guān)系和方位關(guān)系）和空間分析。任意兩個管網(wǎng)對象可通過方法建立對象間的聯(lián)系，對數(shù)據(jù)信息的表達、修改及操作均可通過對象的方法接口來實現(xiàn)。管網(wǎng)對象的數(shù)據(jù)組織模型如圖1所示。

圖1 管網(wǎng)對象的數(shù)據(jù)組織模型

2 模型中類的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其邏輯關(guān)系

城市管網(wǎng)對象眾多，各類對象的數(shù)據(jù)和方法多種多樣，為了有效描述不同類型的復(fù)雜管網(wǎng)對象，基于對象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型引入了“類”的概念，類是具有相同結(jié)構(gòu)、方法（操作）、并遵守相同約束規(guī)則的一組對象集合[7]。在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，類是具有相同內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法的對象的抽象總和，類有基類和子類(或派生類)之分，且它們之間存在著復(fù)雜的邏輯關(guān)系。其中，基類是該模型的核心和基礎(chǔ)，決定著其子類的結(jié)構(gòu)及對象的內(nèi)容。

2.1 城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中基類的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，基類是用來派生新類的類，它主要劃分為幾何類和實體類。幾何類是地理實體在幾何空間上信息的抽象。實體類是對地理實體中所含公共屬性數(shù)據(jù)和公有方法的概括描述與抽象，為其子類提供公共屬性數(shù)據(jù)和操作方法。幾何類無地理實體的屬性數(shù)據(jù)，而主要對空間信息進行描述；實體類無地理實體的空間數(shù)據(jù)，而主要對屬性信息進行描述，二者相互補充，共同實現(xiàn)基類對地理實體公共信息的抽象描述?；愂侨舾勺宇惖某橄?，它抽取了其子類的公共部分，子類是基類的派生。

2.1.1 幾何類

在模型中，幾何類主要分為點類和線類，其結(jié)構(gòu)包含類標(biāo)識碼、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和操作方法。點類是對管線節(jié)點的空間數(shù)據(jù)和相關(guān)空間操作方法的抽象描述，其空間數(shù)據(jù)主要描述地理實體空間點位信息，如空間坐標(biāo)（x,y,z）；其操作方法是對空間數(shù)據(jù)的基本操作和拓撲處理的描述，如創(chuàng)建、刪除、移動點位和分析點與點、線的拓撲關(guān)系。線類是對管線的空間數(shù)據(jù)和相關(guān)空間操作方法的抽象描述，其空間數(shù)據(jù)主要描述地理實體的空間位置信息和形狀，如(x1,y1,z1; x2,y2,z2;…;xn,yn,zn)；其操作方法是對空間數(shù)據(jù)的基本操作和拓撲處理的描述，如創(chuàng)建、刪除、旋轉(zhuǎn)線和分析線與點、線的拓撲關(guān)系。幾何類中的方法是實現(xiàn)地理實體空間信息關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵，通過調(diào)用方法，可實現(xiàn)對地理實體的空間數(shù)據(jù)進行刪除、移動、復(fù)制等基本操作和處理地理實體之間的拓撲關(guān)系。幾何類的結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

表1 幾何類結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.2 實體類

在模型中，實體類主要劃分為管節(jié)點類和管線類，其結(jié)構(gòu)包含類標(biāo)識碼、空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和方法。管節(jié)點類是對管線節(jié)點的屬性數(shù)據(jù)和相關(guān)分析函數(shù)、方法的抽象描述，其屬性數(shù)據(jù)主要是描述跟管線節(jié)點有關(guān)的公共屬性信息，如管節(jié)點類型、地面標(biāo)高、是否壓力已知等屬性信息；其操作方法主要包含與管節(jié)點相關(guān)的公共操作、分析和函數(shù)，如尋找管節(jié)點所連管線、檢測管節(jié)點是否泄漏等。管線類是對管線的屬性數(shù)據(jù)和相關(guān)分析函數(shù)、方法的抽象描述，其屬性數(shù)據(jù)是對跟管線相關(guān)的公共屬性信息的抽象描述，如管線類型、管線材料等屬性數(shù)據(jù)；其操作方法主要包含與管線相關(guān)的公共操作、分析和函數(shù)，如尋找管線所連管節(jié)點、計算管線內(nèi)流量等。

2.2 模型中類的邏輯關(guān)系

在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，基類(BaseClass)可以派生出城市管網(wǎng)的其他子類，如圖 2所示。點類(CPoint)和管節(jié)點類 (CPipeNode)共同派生出閥門類（Class Valve）、水塔類（Class WaterTower）、泵站類（Class Pump）等子類。線類 (CLine)和管線類 (CPipe)共同派生出排水管線類 (Class DrainPipe)、供水管線類 (Class WaterPipe)、燃氣管線類 (Class GasPipe)、供熱管線類(ClassHeatPipe)、電力管線類(ClassPower-Line)和電信管線類 (ClassTeleLine)等子類。這些子類既繼承了幾何類 (C_Geo)的數(shù)據(jù)及方法，也繼承了實體類 (C_Entity)的數(shù)據(jù)及方法，同時這些子類又可以有自己的數(shù)據(jù)和方法。另外，這些子類按一定方式聚合派生出一個新類--網(wǎng)類 (ClassNet)，如排水管網(wǎng)類(C_DPNet)即為網(wǎng)類的一種，它是由泵站類、閥門類及排水管線類等子類聚合而成。

圖2 管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中類的邏輯結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，類與類之間有著緊密的聯(lián)系，類的這種邏輯結(jié)構(gòu)反映了現(xiàn)實世界中管網(wǎng)系統(tǒng)的真實模型，通過類的派生和繼承實現(xiàn)地理實體之間的信息的傳遞和共享。

2.3 城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中對象和類之間關(guān)系

城市管網(wǎng)主要包括供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、電力管網(wǎng)和通信管網(wǎng)等。不同類型管網(wǎng)相互交織，空間分布錯綜復(fù)雜，各類管網(wǎng)之間相互獨立、自成體系，同時，各類管網(wǎng)的管線和節(jié)點之間又存在著很多共同特性。在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型中，通過類實現(xiàn)了管網(wǎng)對象的相同屬性和方法的概括和抽象，通過對象的繼承實現(xiàn)了每個管網(wǎng)對象各自相關(guān)類的公共資源的共享。例如，閥門作為一個實體對象，是閥門類的實例化，它既繼承了點類的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法，如閥門中含有 (x,y,z)等空間位置信息和Move_Point(P)、Point_Point(P1,P2)等空間操作函數(shù)和拓撲分析函數(shù)，又繼承了管節(jié)點類的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法，如閥門中含有管節(jié)點類型、地面標(biāo)高等屬性信息和尋找管節(jié)點所連的管線 ()等分析函數(shù)。同時，閥門又有自身特有的數(shù)據(jù)和方法，如閥門中含有閥門類型、閥門開關(guān)狀態(tài)等閥門特有的屬性和開閥關(guān)閥分析等閥門特有的分析函數(shù)和方法。

3 基于對象的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型設(shè)計

本文以基于對象的城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型的理論、設(shè)計方法為依據(jù)，以城市供水管網(wǎng)為例，探討了基于對象的城市供水管網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)組織方法和方案設(shè)計，詳細設(shè)計如圖3所示。

圖3 城市供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)組織方案設(shè)計

基于對象的城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型主要包含主管網(wǎng)、支管網(wǎng)等復(fù)雜對象和各類管節(jié)點、供水管線等簡單對象，其中，主管網(wǎng)和支管網(wǎng)是由各類管節(jié)點和供水管線組合而成，管節(jié)點具體包括水廠、閥門、泵站和用戶水表等簡單對象。各類管節(jié)點對象既繼承點類和管節(jié)點類的數(shù)據(jù)和方法，又有自己的數(shù)據(jù)和方法；供水管線既繼承線類和管線類的數(shù)據(jù)和方法，又有自己的數(shù)據(jù)和方法，在圖 3中重點描述了各對象特有的數(shù)據(jù)和方法。模型中，所有的數(shù)據(jù)和方法通過對象來實現(xiàn)，各對象間的聯(lián)系和各種不同分析可通過調(diào)用各自類的操作方法來實現(xiàn)。

4 結(jié) 語

本文從認(rèn)知的角度出發(fā)，將面向?qū)ο蟮乃枷霊?yīng)用于城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)的組織和管理中，提出了基于對象的管網(wǎng)數(shù)據(jù)組織模型。該模型不僅實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，而且將數(shù)據(jù)與方法綁定在一起，統(tǒng)一封裝為管網(wǎng)對象，實現(xiàn)對復(fù)雜、海量的城市管網(wǎng)信息的描述、表達、存儲與管理。基于該模型的數(shù)據(jù)組織模式，改變了傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理方式，為今后城市管網(wǎng)信息化建設(shè)和城市管網(wǎng)信息共享提供一種新的思路。

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Design of Data Organization M odel for Urban Pipe Networks Based on Object

CHENG Xiaokai1,LI Kaiyi1,LI Jingwen1,CHEN Dake2
(1.Col lege of Civil Engi neering and Const ructi on,Gui lin Uni ver sity of Technol ogy, Guilin 541004,China；2.Science and Technol ogy Agency of Guangxi,Nanning 530000,China)

In view of the analysis of the existed problems for data organization on Urban Pipe networks.This paper presented a data organization model for urban pipe network based on object.This model regarded the pipe networks in the objective world as the object complex of data and method from the point of human cognition.The structure of Geometry Class and Entity Class in Base Class were designed based on the“CLASS” in model, and class-class relation and class-object relation were discussed.Finally,taking example for urban water-supply networks,data organization model for urban water-supply networks based on object was designed.

object;class;urban pipe network;data organization;model design

2009-10-09

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目 (40574002)；廣西自然科學(xué)基金資助項目 (0832250)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目 (0992030-1)。

P208

B

1672-4623(2010)02-0127-03

程小凱，碩士，從事城市信息化方面的研究。