基于GIS的城市供水管網(wǎng)管理系統研究與應用

來(lái)源: 參考文獻：[1] 郭遠剛,許克良.GIS在供氣管網(wǎng)管理中的應用[J].城市燃氣,2006(01).[2] 向懷坤,武文波,丁繼新.GIS支持下的城市地下管網(wǎng)信息系統研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999(03).[3] 馬力輝.城市供水企業(yè)管理調度系統開(kāi)發(fā)研究[D].太原理工大學(xué),2004. [4] 林少萍,郁建林.地理信息系統在自來(lái)水管網(wǎng)信息管理中的應用[J].城市公用事業(yè),1996,(01).[5] 粟小榮.城市自來(lái)水供水管網(wǎng)地理信息系統設計

前言

隨著(zhù)城市建設的快速發(fā)展，城市供水管線(xiàn)數量急劇增加，形成一個(gè)縱橫交錯的巨大網(wǎng)絡(luò )，供水管網(wǎng)管理的難度越來(lái)越大，要求越來(lái)越高，涉及面越來(lái)越廣。采用傳統方式的手工資料管理方式已經(jīng)不能供水企業(yè)發(fā)展需要。過(guò)去，大量的設計、施工與竣工資料和圖表一直采用人工管理，在資料或者檔案室存檔；隨著(zhù)管網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，這種人工管理完全不能適應新的管理要求，手工管理很難做到科學(xué)的管理，各個(gè)屬性的關(guān)聯(lián)等等；而且各種資料非常容易損壞、丟失，信息檢索也非常不方便。在這種情況下，無(wú)法實(shí)現管網(wǎng)圖與城市地形圖相一致的動(dòng)態(tài)管理，更談不上為城市各部門(mén)提供管線(xiàn)的綜合信息服務(wù)。

1 建立城鎮供水GIS的現狀
傳統工作方式中，城鎮供水管網(wǎng)信息一般是通過(guò)圖紙圖表描述(例如，設計、施工和竣工資料圖表)，采用人工管理，長(cháng)期以來(lái)，自來(lái)水公司在管網(wǎng)資料的管理方面一直沿用這種做法。但是，各種圖檔資料的不齊全使自來(lái)水公司在管理這樣一個(gè)龐大的管網(wǎng)時(shí)感到力不從心。自來(lái)水輸配調度缺乏依據，遇到緊急情況無(wú)法及時(shí)得知有關(guān)信息采取相應措施。為了徹底改變這一現狀，必須采用最新的信息技術(shù)來(lái)管理自來(lái)水公司的管網(wǎng)資料，以及與SCADA等系統一起完成自來(lái)水的生產(chǎn)、輸配與銷(xiāo)售。GIS 正是將水源、用戶(hù)、管線(xiàn)的地理位置信息與屬性信息相結合，根據閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，水壓監測情況，利用GIS網(wǎng)絡(luò )分析模型實(shí)現供水網(wǎng)絡(luò )壓力和流量分析，完成故障分析、制定搶修方案，改變供水公司的工作模式，提高技術(shù)服務(wù)信譽(yù)和質(zhì)量。近幾年來(lái)供水管網(wǎng)信息化管理已越來(lái)越被各水司的領(lǐng)導所重視。

管網(wǎng)數據資料是供水企業(yè)寶貴的基礎資源，應該在企業(yè)內部共享，在企業(yè)的信息化建設過(guò)程中，需要開(kāi)發(fā)比較多的信息系統，其實(shí)這些系統實(shí)際上需要GIS作為基礎圖形平臺或提供基本數據。另一方面，隨著(zhù)市政公共設施的建設飛速發(fā)展，今后的城市發(fā)展和城市管理將更加注重各個(gè)行業(yè)橫向的信息共享。地下電力設施、通信管線(xiàn)、熱力管線(xiàn)，自來(lái)水管線(xiàn)、燃氣管線(xiàn)等等，組成了城市復雜的地下管網(wǎng)系統。所以，地下供水管線(xiàn)的建設還應與市政、交通、電力、通信等其他部門(mén)協(xié)作，建立整個(gè)地下管網(wǎng)的綜合數據管理系統，以促進(jìn)城市的信息化進(jìn)程，那就更加需要先進(jìn)的信息技術(shù)來(lái)整合這些資源。

2 供水GIS的發(fā)展歷史　　

國內供水GIS的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從無(wú)到有，從工作站到互聯(lián)網(wǎng)、從圖形數據管理到集成的管理模式的變化過(guò)程?！?/span>

在過(guò)去，供水公司供水管網(wǎng)對大量的設計、施工與竣工資料和圖表一直采用人工管理方式，這對于當時(shí)管網(wǎng)覆蓋范圍比較小，管線(xiàn)運行壓力和等級較低的情況下，能夠滿(mǎn)足當時(shí)使用的要求。隨著(zhù)城市管網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，以及信息技術(shù)的發(fā)展，一些供水公司率先建立了供水管網(wǎng)地理信息系統，雖然當時(shí)建立的系統是基于工作站平臺，不利于實(shí)現大范圍的應用，但為基礎數據的采集和保存，為以后的系統建設提供了第一手的寶貴資料和經(jīng)驗，并為自己培養了一批既懂專(zhuān)業(yè)知識又熟悉信息技術(shù)的人才，為地理信息系統將來(lái)的健康發(fā)展提供了技術(shù)保障?！　?/span>

20世紀90年代，隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，硬件和軟件水平的提高，供水公司又建立了單機版的管網(wǎng)圖檔查詢(xún)系統，完成了向AutoDesk Map平臺的轉換，實(shí)現了管網(wǎng)管理信息系統在企業(yè)內的大規模應用。此時(shí)的管網(wǎng)管理信息系統已經(jīng)實(shí)現了數據管理、地圖定位、信息查詢(xún)、統計分析和處理等功能?！　?/span>

21世紀，供水公司大力發(fā)展信息化建設，GIS被完全引入到自來(lái)水行業(yè)，以GIS和SCADA為核心的綜合管理信息系統在自來(lái)水公司信息化建設中很受歡迎，在公司內部能夠實(shí)現數據共享和互查，實(shí)現了供水管網(wǎng)的完全統一的數字化、電子化管理，實(shí)現了管網(wǎng)圖與城市地形圖相一致的數據整合?！　?/span>

特別是最近幾年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展催生了WEB GIS和組件GIS的產(chǎn)生及普及，GIS數據已經(jīng)不再是專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和企業(yè)決策者的專(zhuān)用平臺，GIS與其他系統的綜合應用以及面向更廣泛的普通用戶(hù)群體開(kāi)始體現GIS的價(jià)值。自來(lái)水公司采用C/S和B/S等結構，以GIS為基礎，整合SCADA、OA、GPS、CIS、CRM、收費管理系統、工程管理信息系統和一些信息子系統，形成統一的公共信息管理平臺，實(shí)現供水公司管網(wǎng)和業(yè)務(wù)管理規范化、自動(dòng)化、科學(xué)化。3 目前供水管網(wǎng)GIS的特點(diǎn)　　

目前，在國內供水公司信息化建設過(guò)程中，都是采用系統的思想、整個(gè)的方法和資源平衡的原則；以GIS為基礎，按照信息化項目的要求和規律來(lái)建設。供水管網(wǎng)GIS的建設的要求和做法如下：

3．1 系統設計原則　　

供水管網(wǎng)GIS的系統設計原則，遵循軟件行業(yè)規范設計，充分考慮先進(jìn)性、實(shí)用性、安全性、可擴展性幾方面，系統采用先進(jìn)的主流軟件技術(shù)，在數據安全性的設計上，采取限定數據使用權限、定義用戶(hù)級別等措施保證數據的安全性；在系統可擴展能力上，采用系統結構的優(yōu)化設計以及靈活的數據庫系統，使各功能模塊在相互關(guān)聯(lián)的基礎上盡可能獨立操作運行。保證系統能隨著(zhù)軟件的升級而不斷更新版本或擴充功能。3．2 系統主要特點(diǎn)　　

實(shí)現供水管網(wǎng)信息在供水集團共享，保證信息一致性、唯一性和及時(shí)性：使有關(guān)部門(mén)在信息端口即可查詢(xún)有關(guān)信息?！　?/span>

實(shí)現與SCADA監控系統等相關(guān)系統的連接，可實(shí)時(shí)查看當前數據和查閱歷史數據?！?/span>

實(shí)現與仿真系統的連接，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生仿真需要的圖形及屬性信息?！　?/span>

接受GPS衛星信號，定位或跟蹤指揮車(chē)、檢測車(chē)等的運行?！　?/span>

支持協(xié)同作業(yè)、C／S、B/S、Internet四種國際標準運行體系結構?！　?/span>

具有海量數據處理能力，支持國際上流行的海量數據處理方式；工程圖形方式及空間數據庫存儲方式均能滿(mǎn)足數據海量存儲要求；同時(shí)將GIS圖形、屬性、影像等數據統一存貯在大型空間型數據庫中，實(shí)現高效處理海量數據和數據共享的目的?！　?/span>

綜合查詢(xún)功能包括很多內容，其中對管網(wǎng)管理非常有用的包括：按照管線(xiàn)類(lèi)型(超高壓、高壓、中壓和低壓)、按照設備類(lèi)型(變徑、轉換、套管、遙控閥門(mén)、閘井、合槽井、凝水器，調壓站、絕緣接頭、陰極保護)、按照管理區域、按照供水狀態(tài)、按照時(shí)間設置進(jìn)行多種組合的數據查詢(xún)，靈活方便?！　?/span>

支持三維模型查看技術(shù)，可動(dòng)態(tài)生成管網(wǎng)三維效果圖?！　?/span>

強大的數據維護和通訊系統，保證數據的實(shí)時(shí)性，使系統運行更加穩定，系統數據更加安全可靠?！　?/span>

多種數據輸出和導入格式及強大的打印輸出模式，可滿(mǎn)足不同用戶(hù)的要求。

3．3 系統體系結構

整個(gè)系統以B/S和C/S結構相結合，以數據庫服務(wù)器為中心，系統結構能夠實(shí)現數據異地備份和實(shí)時(shí)備份，保證系統數據安全性的目的，又滿(mǎn)足了服務(wù)器負載平衡的要求，最大限度的確保系統運行的穩定性和系統性能，保證系統的可用性和開(kāi)放性?！　?/span>

按照信息系統使用要求和功能，在GIS部分，將系統在物理上分成幾個(gè)相對獨立的子系統，即數據錄入系統、網(wǎng)絡(luò )系統、單機數據查詢(xún)子系統、WEB數據查詢(xún)系統、數據維護系統和數據通訊系統。數據錄入系統主要完成地理信息系統的地形數據、管網(wǎng)數據及屬性數據等新增數據的錄入及對已有數據的維護。網(wǎng)絡(luò )系統和單機數據查詢(xún)系統實(shí)現局域網(wǎng)區域內用戶(hù)對局域網(wǎng)中心數據庫地理信息數據的查詢(xún)、統計和分析操作，單機用戶(hù)對本機內地理信息數據的查詢(xún)、統計和分析操作。 Web數據查詢(xún)系統通過(guò)瀏覽器方式查詢(xún)用戶(hù)關(guān)心的地理信息數據，能實(shí)現管網(wǎng)數據的一般查詢(xún)和統計、分析功能，由于客戶(hù)端除瀏覽器外不需要額外的插件，降低了系統投資?！　?/span>

在物理上，錄入系統和查詢(xún)系統是分開(kāi)的，可以設立多個(gè)數據中心，同時(shí)支持單機版的數據查詢(xún)系統，通訊系統通過(guò)數據抽取更新和數據同步等方式，保證各數據中心、單機終端間數據的一致性、完整性和實(shí)時(shí)性，將錄入系統和查詢(xún)系統分開(kāi)為多中心的建立創(chuàng )造了條件，同時(shí)可以確?；A數據的一致性和唯一性。

4 供水管網(wǎng)GIS在供水公司發(fā)揮的作用

4．1 應急搶險指揮　　

GIS的空間分析、網(wǎng)絡(luò )分析還可應用在管網(wǎng)事故搶修決策方面。如在管網(wǎng)事故緊急搶修時(shí)，可以采用GIS與GPS相結合，通過(guò)GPS系統準確獲取搶修的地面位置，并將數據實(shí)時(shí)傳送給GIS，可以快速確定故障區域，協(xié)助搶險人員分析事故的影響范圍和影響程度，生成搶修方案，有效實(shí)施搶修作業(yè)。與傳統的事故處理相比，上述技術(shù)方案充分顯示出現代信息技術(shù)高效率的優(yōu)勢。

4．2 管網(wǎng)腐蝕控制信息管理　　

在管網(wǎng)管理信息系統的平臺上建立管網(wǎng)腐蝕控制管理信息系統，完善于埋地管網(wǎng)腐蝕案例庫，積累大量的工程信息和相關(guān)環(huán)境基礎數據信息，實(shí)現工程信息分析，標準規范實(shí)用性選擇，腐蝕控制方案評價(jià)選擇，陰極保護系統設計分析，設計結果輸出和系統運行結果預測等一系列內容。

4．3 綜合調度　　

供水調度指揮系統也是建立在GIS平臺之上，例如：當需要進(jìn)行調壓站壓力調整時(shí)，需要根據地理信息系統察看調壓可能影響到的區域范圍和用戶(hù)量；當出現保管或漏水事故時(shí)，可以利用管網(wǎng)管理信息系統的事故分析功能，分析事故可能的影響范圍，以及為了控制事故的擴展需要關(guān)閉的閥門(mén)和采取的措施：在進(jìn)行管網(wǎng)仿真時(shí)，需要管網(wǎng)管理信息系統提供最基本的管網(wǎng)拓撲信息和屬性信息，仿真管段和節點(diǎn)的壓力和流量情況，還可從GIS的屬性數據庫中提取有關(guān)高峰系數、用水量歷史記錄等基礎數據，通過(guò)編制計算程序，進(jìn)行管網(wǎng)工況參數及用水負荷分析等。

4．4 固定資產(chǎn)數據管理　　

傳統的固定資產(chǎn)管理方式是以管理單位為單元，按照管理區域分門(mén)別類(lèi)的將各種管線(xiàn)和設備的詳細信息保存在數據庫表中，實(shí)現了固定資產(chǎn)的數字化管理，并能生成各種統計和查詢(xún)表格，以及報警、調撥和報廢信息等。通過(guò)與管網(wǎng)管理信息系統相結合，實(shí)現了固定資產(chǎn)的圖形化管理，具體增強的功能包括：　　

通過(guò)在圖形中指定某個(gè)調壓站或管線(xiàn)，可以查詢(xún)到該管線(xiàn)或調壓站的詳細信息，井能確定其所屬的單位等?！　?/span>

通過(guò)在圖形中直觀(guān)畫(huà)出區域范圍，可以綜合顯示該區域的固定資產(chǎn)狀況，并形成固定資產(chǎn)統計報告?！?/span>

在按照預定規則自動(dòng)整理出需要進(jìn)行狀況報警的固定資產(chǎn)設備時(shí)，可以在圖上高亮顯示出現報警的管線(xiàn)設備，并同時(shí)察看周?chē)墓芫€(xiàn)情況?？梢园磪^域方便的進(jìn)行固定資產(chǎn)劃撥等。

4．5 管網(wǎng)運行　　

管網(wǎng)管理信息系統最早的應用就是在管網(wǎng)運行上，可以為管網(wǎng)運行提供最基本的管網(wǎng)分布基本信息，幫助運行人員了解自己管轄范圍內的管線(xiàn)的詳細情況，可以根據管網(wǎng)管理信息系統的動(dòng)態(tài)栓點(diǎn)功能精確定位特定的管線(xiàn)、閘井和調壓站設備等。隨著(zhù)管網(wǎng)管理信息系統的不斷發(fā)展，其在管網(wǎng)運行中的作用也越來(lái)越重要，將管網(wǎng)管理信息系統與巡檢系統相結合，可以跟蹤巡檢人員每天巡檢路線(xiàn)，確保管網(wǎng)運行更加安全可靠。

5　當前供水管網(wǎng)GIS存在的問(wèn)題及展望　　

目前，國內部分自來(lái)水公司供水管網(wǎng)GIS無(wú)論在功能上還是結構上都達到了國際領(lǐng)先的水平，在將來(lái)的使用過(guò)程當中，要在以下兩個(gè)方面對系統進(jìn)行逐步的完善和擴展。

5．1 完善系統管線(xiàn)設備的基本屬性信息數據，最大限度延伸系統應用范圍　　

由于一些自來(lái)水公司的歷史原因，當前的供水GIS的數據還存在缺陷，不準確的問(wèn)題。有很多以前的老舊管線(xiàn)沒(méi)有基礎資料，而且當時(shí)由于管線(xiàn)測量單位較多，測量格式不統一造成的錯誤多，以及由于信息不暢、管理流程不清等原因造成的管線(xiàn)壓力不符、設施名稱(chēng)不統一等實(shí)際問(wèn)題，還需要經(jīng)過(guò)大量的補測及更新工作來(lái)逐步完善。另一方面，供水GIS只停留在對管線(xiàn)基本運行信息和幾何信息的管理上，而在理論上，系統可以管理與管線(xiàn)設備相關(guān)的所有信息，并且，系統已經(jīng)為這部分信息的擴充預留了接口，因此，需要公司與其他分公司或業(yè)務(wù)部門(mén)配合，完成基礎信息的搜集與整理工作，最大限度的保證系統數據的完整性和可用性，擴大系統的可用性。

5．2 更新現有的地形圖，完善信息管理的各種業(yè)務(wù)流程　　

圖庫中新地形嚴重缺乏，現有的地形圖已不能滿(mǎn)足現代化城市的飛速發(fā)展，造成新測管線(xiàn)缺乏地形依據。另外，圖庫中舊地形大部分是掃描錄入的，由于紙質(zhì)圖紙存放時(shí)間長(cháng)，紙張有伸縮，掃描數據化后造成地形與實(shí)際位置不一致。下一步準備組織人員進(jìn)行彌補，對還沒(méi)有參照物的供水管線(xiàn)，組織測量人員進(jìn)行現場(chǎng)補測，包括公路、樓房等永久性建筑物；加強圖檔系統管理，理順信息反饋流程，著(zhù)力解決壓力級別及切、接線(xiàn)等環(huán)節的信息反饋不暢等問(wèn)題；建立工程的全程控制系統，從設計、施工到最后竣工的資料歸檔，都有嚴格的信息反饋制度；圖檔管理部門(mén)還應和管網(wǎng)所密切配合，逐步解決系統中存在各種問(wèn)題。

6 結語(yǔ)　　

供水管網(wǎng)系統是GIS的一個(gè)較新的應用領(lǐng)域，在數據采集的廣度和深度方面，在數學(xué)分析模型的建立與開(kāi)發(fā)方面，在系統功能的擴充方面等，都有很大的可塑性。供水公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標也在不斷的提高，不斷的更新進(jìn)步，讓管網(wǎng)系統更好的在生產(chǎn)運營(yíng)管理上應用的更好。