Fließrichtung in einem geometrischen Netzwerk

In den Versorgungsnetzanwendungen ist die Kenntnis der Fließrichtung entlang der Netzwerkkanten oft sehr wichtig. Güter wie Wasser, Elektrizität und Öl durchfließen ein Netzwerk nicht auf unbestimmte Weise. Das Netzwerk gibt die Fließrichtung durch die Konfiguration von Quellen, Senken und Kantenrichtungen vor. Aus diesem Grund wird der Güterfluss durch ein Versorgungsnetzwerk auch als gerichteter Fluss bezeichnet.

Die Fließrichtung in einem Netzwerk kann anhand der beiden folgenden Methoden bestimmt werden:

• Digitalisierrichtung von Netzwerkkanten
• Durch die Definition von Knoten, deren Fluss von Quellen oder Senken bestimmt wird

Quellen und Senken bestimmen den Fluss in einem Versorgungsnetz. Quellen sind Knoten-Features, die den Fluss von sich selbst weg über die Kanten durch das Netzwerk lenken. Beispiel: In einem Wassernetz können Pumpstationen als Quellen abgebildet werden, da sie das Wasser durch die Leitungen von den Pumpstationen weg transportieren. Senken sind Knoten-Features, die den Fluss von den Kanten im Netzwerk an sich ziehen. In einem Flussnetz ist z. B. die Mündung eines Flusses eine Senke, da die Anziehungskraft sämtliches Wasser zur Mündung treibt. Der Fluss bewegt sich von Quellen zu Senken. Da die Fließrichtung sowohl mit Quellen als auch mit Senken festgelegt werden kann, ist es im Allgemeinen ausreichend, nur Quellen oder nur Senken in einem Netzwerk zu bestimmen. So verhindern Sie auch, dass Kanten mit unbestimmter Fließrichtung entstehen.

Beachten Sie, dass auch deaktivierte Features bei der Einstellung der Fließrichtung einbezogen werden. Die Deaktivierung eines Features bewirkt, dass der Fluss es nicht mehr passieren kann. Das heißt, dass die Fließrichtung für die deaktivierten Features nicht eingestellt werden kann, und auch die Features, die mit den Quellen oder Senken nur über ein deaktiviertes Feature verbunden sind, können nicht eingestellt werden.

Fließrichtung anhand der Digitalisierrichtung von Kanten

Die Fließrichtung anhand der Digitalisierrichtung wird von folgenden Faktoren bestimmt:

• der Konnektivität des Netzwerks
• Richtung der Kanten-Features

In vielen Netzwerken spiegelt die Digitalisierrichtung der Netzwerkkanten die Richtung wider, in der der Fluss an diesen Kanten erfolgen sollte. Dieses Szenario ist in Wassernetzwerken weit verbreitet, unabhängig davon, ob es sich um Wasser-/Abwassernetzwerke oder Wasserlaufnetze handelt. Wenn Ihre Daten auf diese Weise eingerichtet werden, können Sie die Vorteile der Digitalisierrichtung nutzen, um die Fließrichtung festzulegen. Die Fließrichtung kann entweder in oder entgegen der Digitalisierrichtung festgelegt werden. Diese Festlegung kann jedoch nur auf Netzwerkebene, nicht für einzelne Kanten, erfolgen. Die Festlegung der Fließrichtung anhand der Digitalisierrichtung von Kanten kann nur mit dem Geoverarbeitungswerkzeug "Fließrichtung festlegen" erfolgen.

Fließrichtung anhand von Quellen und Senken

Die Festlegung der Fließrichtung anhand von Quellen und Senken wird von folgenden Faktoren bestimmt:

• der Konnektivität des Netzwerks

• der Lage von Quellen und Senken im Netzwerk

• dem aktivierten oder deaktivierten Zustand von Features

Die Entscheidung, Quellen und Senken zur Steuerung des Flusses in einem geometrischen Netzwerk zu verwenden, muss zum Zeitpunkt der Netzwerkerstellung getroffen werden. Hierbei handelt es sich um eine Einstellung, die auf Knoten-Feature-Classes angewendet wird. Wenn ein Netzwerk mit Knoten-Feature-Classes anhand von Quellen oder Senken erstellt wird, können einzelne Knoten-Features als Quellen oder Senken definiert werden. Quellen sind Knoten-Features, die den Fluss von sich selbst weg über die Kanten durch das Netzwerk lenken. Beispiel: In einem Wassernetz können Pumpstationen als Quellen abgebildet werden, da sie das Wasser durch die Leitungen von den Pumpstationen weg transportieren. Senken sind Knoten-Features, die den Fluss von den Kanten im Netzwerk an sich ziehen. In einem Abwassersystem kann z. B. eine Wasseraufbereitungsanlage eine Senke sein, da die Anziehungskraft sämtliches Wasser zur Wasseraufbereitungsanlage treibt. Der Fluss bewegt sich von Quellen zu Senken. Da die Fließrichtung sowohl mit Quellen als auch mit Senken festgelegt werden kann, sollten Sie nur Quellen oder nur Senken in einem Netzwerk verwenden. So verhindern Sie auch, dass Kanten mit unbestimmter Fließrichtung entstehen.

Beachten Sie, dass auch deaktivierte Features bei der Einstellung der Fließrichtung einbezogen werden. Die Deaktivierung eines Features bewirkt, dass der Fluss es nicht mehr passieren kann. Das heißt, dass die Fließrichtung für die deaktivierten Features nicht eingestellt werden kann, und auch die Features, die mit den Quellen oder Senken nur über ein deaktiviertes Feature verbunden sind, können nicht eingestellt werden.

Drei Kategorien der Fließrichtung

Nachdem Sie die Fließrichtung für das Netzwerk festgelegt haben, verfügt eine Kante über eine der drei folgenden Kategorien von Fließrichtungen:

Bestimmbare Fließrichtung

Wenn die Fließrichtung einer Kante anhand der Netzkonnektivität, der Positionen von Quellen und Senken und des aktivierten oder deaktivierten Zustands der Features eindeutig bestimmt werden kann, hat das Feature eine bestimmbare Fließrichtung. Bei der auf Digitalisierrichtung basierenden Fließrichtung wird die Fließrichtung entweder richtungsgetreu oder entgegen der Richtung festgelegt, in der das Feature auf Grundlage der definierten Fließrichtung digitalisiert wurde.

Unbestimmbare Fließrichtung

Die unbestimmbare Fließrichtung in einem Netzwerk tritt auf, wenn die Fließrichtung aus der Topologie des Netzwerks, den Positionen von Quellen und Senken und dem aktivierten oder deaktivierten Zustand der Features nicht eindeutig bestimmt werden kann. Wenn die Fließrichtung auf Grundlage der Digitalisierrichtung definiert wird, sollten niemals Kanten mit unbestimmbarer Fließrichtung vorhanden sein.

In einem Netzwerk, in dem die Fließrichtung auf Grundlage von Quellen und Senken festgelegt wird, tritt die unbestimmbare Fließrichtung in der Regel bei Kanten auf, die Teil einer Schleife oder eines geschlossenen Kreislaufs sind. Sie kann auch bei Kanten auftreten, deren Fluss von mehreren Quellen und Senken bestimmt wird, wobei eine Quelle oder Senke den Fluss in eine Richtung über die Kante führt, eine andere Quelle oder Senke aber in die entgegengesetzte Richtung.

Als Beispiel dient ein geometrisches Netzwerk mit der folgenden Verteilung von Quellen und Senken:

In diesem Beispiel wird die unbestimmbare Fließrichtung veranschaulicht.

Hier ist die Fließrichtung für Kante 1 und 2 festgelegt, aber die Fließrichtung von Kante 3 ist nicht bestimmbar. Um zu ermitteln, warum dies so ist, sehen Sie sich im Vergleich dazu das Netzwerk an, für das nur die Quelle definiert ist.

Dieses Beispiel veranschaulicht den Fluss entlang der drei Kanten, wenn nur eine Quelle angegeben wird.

Dabei ist die Fließrichtung für Kante 3 nach rechts definiert.

Nachfolgend wird dasselbe Netzwerk ohne Quelle dargestellt:

Dieses Beispiel veranschaulicht den Fluss entlang der drei Kanten, wenn nur eine Senke angegeben wird.

Dabei ist die Fließrichtung für Kante 3 nach links definiert. Da die möglichen Fließrichtungen gegenläufig sind, kommt es zu einem Konflikt.

Wenn die Fließrichtung einer Kante bei Verwendung von Quellen oder Senken identisch ist, wird die Fließrichtung entsprechend festgelegt, wie im Beispiel für die Kanten 1 und 2. Kommt es jedoch zu einem Konflikt (siehe Kante 3), wird die Fließrichtung als "unbestimmbar" definiert, da es zwei mögliche Ergebnisse gibt.

Ein weiteres Beispiel für eine unbestimmbare Fließrichtung ist eine Kante, die an beiden Enden über Quellen verfügt.

Nicht-initialisierte Fließrichtung

Eine nicht-initialisierte Fließrichtung in einem Netzwerk tritt bei Kanten auf, die von den Quellen und Senken im Netzwerk isoliert sind. Dies kann vorkommen, wenn die Kante im Netzwerk topologisch nicht mit den Quellen und Senken verbunden ist oder wenn die Kante mit den Quellen und Senken nur über deaktivierte Features verbunden ist. Wie bei der unbestimmbaren Fließrichtung sollten bei der Festlegung der Fließrichtung auf Grundlage der Digitalisierrichtung keine Kanten mit nicht initialisierter Fließrichtung vorhanden sein.

Festlegen der Fließrichtung auf Grundlage von Quellen und Senken

Zum Festlegen der Fließrichtung in einem geometrischen Netzwerk anhand von Quellen und Senken, müssen Sie Knoten im Netzwerk als Quellen und Senken auswählen, die die richtige Fließrichtung erzeugen.

Nach dem Festlegen der Fließrichtung kann es auch dann zu einer unbestimmbaren Fließrichtung kommen, wenn Ihnen die Richtung bekannt ist. Das liegt daran, dass die Fließrichtung neben der Konnektivität oder den Positionen der Quellen und Senken durch die Eigenschaften des Netzwerks oder der Features im Netzwerk bestimmt wird.

Beispiel: In einem Wassernetz wird die Fließrichtung in einer Leitung vom Unterschied im Wasserdruck an beiden Enden der Leitung bestimmt. Die unterschiedlichen Druckverhältnisse hängen von solchen Faktoren wie dem Leitungsmaterial, dem Durchmesser der Leitung, der Fließgeschwindigkeit, der physischen Konfiguration der Leitung (einschließlich Flaschenhälsen, Ventilen oder scharfen Biegungen), der Wassertemperatur und der Höhe der Leitungsenden sowie der Konnektivität des Netzwerks ab. Da ArcGIS allgemeine Netze handhabt (keine domänenspezifischen Netztypen), werden diese Informationen nicht zum Festlegen der Fließrichtung verwendet. Daher kann die Fließrichtung für einige Kanten in diesen Netzen auf unbestimmbar eingestellt sein.

In jeder Domäne gibt es eine Reihe ähnlicher Variablen. Entwickler können benutzerdefinierte Fließrichtungslösungen erstellen, die diese Variablen verwenden, um die Fließrichtung in domänenspezifischen Netzen festzulegen.