基于GIS的城市供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

來源: 參考文獻(xiàn)：[1] 郭遠(yuǎn)剛,許克良.GIS在供氣管網(wǎng)管理中的應(yīng)用[J].城市燃?xì)?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(tǒng)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999(03).[3] 馬力輝.城市供水企業(yè)管理調(diào)度系統(tǒng)開發(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(tǒng)在自來水管網(wǎng)信息管理中的應(yīng)用[J].城市公用事業(yè),1996,(01).[5] 粟小榮.城市自來水供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市供水管線數(shù)量急劇增加，形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的巨大網(wǎng)絡(luò)，供水管網(wǎng)管理的難度越來越大，要求越來越高，涉及面越來越廣。采用傳統(tǒng)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。過去，大量的設(shè)計(jì)、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；隨著管網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，這種人工管理完全不能適應(yīng)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，無法實(shí)現(xiàn)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提供管線的綜合信息服務(wù)。

1 建立城鎮(zhèn)供水GIS的現(xiàn)狀
傳統(tǒng)工作方式中，城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)信息一般是通過圖紙圖表描述(例如，設(shè)計(jì)、施工和竣工資料圖表)，采用人工管理，長(zhǎng)期以來，自來水公司在管網(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。自來水輸配調(diào)度缺乏依據(jù)，遇到緊急情況無法及時(shí)得知有關(guān)信息采取相應(yīng)措施。為了徹底改變這一現(xiàn)狀，必須采用最新的信息技術(shù)來管理自來水公司的管網(wǎng)資料，以及與SCADA等系統(tǒng)一起完成自來水的生產(chǎn)、輸配與銷售。GIS 正是將水源、用戶、管線的地理位置信息與屬性信息相結(jié)合，根據(jù)閥門的開關(guān)狀態(tài)，水壓監(jiān)測(cè)情況，利用GIS網(wǎng)絡(luò)分析模型實(shí)現(xiàn)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。近幾年來供水管網(wǎng)信息化管理已越來越被各水司的領(lǐng)導(dǎo)所重視。

管網(wǎng)數(shù)據(jù)資料是供水企業(yè)寶貴的基礎(chǔ)資源，應(yīng)該在企業(yè)內(nèi)部共享，在企業(yè)的信息化建設(shè)過程中，需要開發(fā)比較多的信息系統(tǒng)，其實(shí)這些系統(tǒng)實(shí)際上需要GIS作為基礎(chǔ)圖形平臺(tái)或提供基本數(shù)據(jù)。另一方面，隨著市政公共設(shè)施的建設(shè)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(shè)施、通信管線、熱力管線，自來水管線、燃?xì)夤芫€等等，組成了城市復(fù)雜的地下管網(wǎng)系統(tǒng)。所以，地下供水管線的建設(shè)還應(yīng)與市政、交通、電力、通信等其他部門協(xié)作，建立整個(gè)地下管網(wǎng)的綜合數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，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)來整合這些資源。

2 供水GIS的發(fā)展歷史　　

國(guó)內(nèi)供水GIS的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從無到有，從工作站到互聯(lián)網(wǎng)、從圖形數(shù)據(jù)管理到集成的管理模式的變化過程。　

在過去，供水公司供水管網(wǎng)對(duì)大量的設(shè)計(jì)、施工與竣工資料和圖表一直采用人工管理方式，這對(duì)于當(dāng)時(shí)管網(wǎng)覆蓋范圍比較小，管線運(yùn)行壓力和等級(jí)較低的情況下，能夠滿足當(dāng)時(shí)使用的要求。隨著城市管網(wǎng)建設(shè)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(tǒng)，雖然當(dāng)時(shí)建立的系統(tǒng)是基于工作站平臺(tái)，不利于實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用，但為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集和保存，為以后的系統(tǒng)建設(shè)提供了第一手的寶貴資料和經(jīng)驗(yàn)，并為自己培養(yǎng)了一批既懂專業(yè)知識(shí)又熟悉信息技術(shù)的人才，為地理信息系統(tǒng)將來的健康發(fā)展提供了技術(shù)保障?！　?/span>

20世紀(jì)90年代，隨著信息技術(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(jī)版的管網(wǎng)圖檔查詢系統(tǒng)，完成了向AutoDesk Map平臺(tái)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)在企業(yè)內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用。此時(shí)的管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、地圖定位、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析和處理等功能。　　

21世紀(jì)，供水公司大力發(fā)展信息化建設(shè)，GIS被完全引入到自來水行業(yè)，以GIS和SCADA為核心的綜合管理信息系統(tǒng)在自來水公司信息化建設(shè)中很受歡迎，在公司內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互查，實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)的完全統(tǒng)一的數(shù)字化、電子化管理，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)圖與城市地形圖相一致的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)已經(jīng)不再是專業(yè)技術(shù)人員和企業(yè)決策者的專用平臺(tái)，GIS與其他系統(tǒng)的綜合應(yīng)用以及面向更廣泛的普通用戶群體開始體現(xiàn)GIS的價(jià)值。自來水公司采用C/S和B/S等結(jié)構(gòu)，以GIS為基礎(chǔ)，整合SCADA、OA、GPS、CIS、CRM、收費(fèi)管理系統(tǒng)、工程管理信息系統(tǒng)和一些信息子系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的公共信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)供水公司管網(wǎng)和業(yè)務(wù)管理規(guī)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(guó)內(nèi)供水公司信息化建設(shè)過程中，都是采用系統(tǒng)的思想、整個(gè)的方法和資源平衡的原則；以GIS為基礎(chǔ)，按照信息化項(xiàng)目的要求和規(guī)律來建設(shè)。供水管網(wǎng)GIS的建設(shè)的要求和做法如下：

3．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則　　

供水管網(wǎng)GIS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，遵循軟件行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)，充分考慮先進(jìn)性、實(shí)用性、安全性、可擴(kuò)展性幾方面，系統(tǒng)采用先進(jìn)的主流軟件技術(shù)，在數(shù)據(jù)安全性的設(shè)計(jì)上，采取限定數(shù)據(jù)使用權(quán)限、定義用戶級(jí)別等措施保證數(shù)據(jù)的安全性；在系統(tǒng)可擴(kuò)展能力上，采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及靈活的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使各功能模塊在相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上盡可能獨(dú)立操作運(yùn)行。保證系統(tǒng)能隨著軟件的升級(jí)而不斷更新版本或擴(kuò)充功能。3．2 系統(tǒng)主要特點(diǎn)　　

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

實(shí)現(xiàn)與SCADA監(jiān)控系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)的連接，可實(shí)時(shí)查看當(dāng)前數(shù)據(jù)和查閱歷史數(shù)據(jù)。　

實(shí)現(xiàn)與仿真系統(tǒng)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(wèi)星信號(hào)，定位或跟蹤指揮車、檢測(cè)車等的運(yùn)行?！　?/span>

支持協(xié)同作業(yè)、C／S、B/S、Internet四種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)?！　?/span>

具有海量數(shù)據(jù)處理能力，支持國(guó)際上流行的海量數(shù)據(jù)處理方式；工程圖形方式及空間數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)方式均能滿足數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)要求；同時(shí)將GIS圖形、屬性、影像等數(shù)據(jù)統(tǒng)一存貯在大型空間型數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)高效處理海量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)共享的目的?！　?/span>

綜合查詢功能包括很多內(nèi)容，其中對(duì)管網(wǎng)管理非常有用的包括：按照管線類型(超高壓、高壓、中壓和低壓)、按照設(shè)備類型(變徑、轉(zhuǎn)換、套管、遙控閥門、閘井、合槽井、凝水器，調(diào)壓站、絕緣接頭、陰極保護(hù))、按照管理區(qū)域、按照供水狀態(tài)、按照時(shí)間設(shè)置進(jìn)行多種組合的數(shù)據(jù)查詢，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(qiáng)大的數(shù)據(jù)維護(hù)和通訊系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，系統(tǒng)數(shù)據(jù)更加安全可靠。　　

多種數(shù)據(jù)輸出和導(dǎo)入格式及強(qiáng)大的打印輸出模式，可滿足不同用戶的要求。

3．3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)以B/S和C/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為中心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)異地備份和實(shí)時(shí)備份，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性的目的，又滿足了服務(wù)器負(fù)載平衡的要求，最大限度的確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能，保證系統(tǒng)的可用性和開放性?！　?/span>

按照信息系統(tǒng)使用要求和功能，在GIS部分，將系統(tǒng)在物理上分成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、單機(jī)數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)、WEB數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)主要完成地理信息系統(tǒng)的地形數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)等新增數(shù)據(jù)的錄入及對(duì)已有數(shù)據(jù)的維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和單機(jī)數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)區(qū)域內(nèi)用戶對(duì)局域網(wǎng)中心數(shù)據(jù)庫地理信息數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析操作，單機(jī)用戶對(duì)本機(jī)內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析操作。 Web數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)通過瀏覽器方式查詢用戶關(guān)心的地理信息數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的一般查詢和統(tǒng)計(jì)、分析功能，由于客戶端除瀏覽器外不需要額外的插件，降低了系統(tǒng)投資?！　?/span>

在物理上，錄入系統(tǒng)和查詢系統(tǒng)是分開的，可以設(shè)立多個(gè)數(shù)據(jù)中心，同時(shí)支持單機(jī)版的數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)抽取更新和數(shù)據(jù)同步等方式，保證各數(shù)據(jù)中心、單機(jī)終端間數(shù)據(jù)的一致性、完整性和實(shí)時(shí)性，將錄入系統(tǒng)和查詢系統(tǒng)分開為多中心的建立創(chuàng)造了條件，同時(shí)可以確?；A(chǔ)數(shù)據(jù)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(yīng)急搶險(xiǎn)指揮　　

GIS的空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析還可應(yīng)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(jié)合，通過GPS系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取搶修的地面位置，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給GIS，可以快速確定故障區(qū)域，協(xié)助搶險(xiǎn)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(tǒng)的事故處理相比，上述技術(shù)方案充分顯示出現(xiàn)代信息技術(shù)高效率的優(yōu)勢(shì)。

4．2 管網(wǎng)腐蝕控制信息管理　　

在管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的平臺(tái)上建立管網(wǎng)腐蝕控制管理信息系統(tǒng)，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(chǔ)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)工程信息分析，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用性選擇，腐蝕控制方案評(píng)價(jià)選擇，陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)結(jié)果輸出和系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果預(yù)測(cè)等一系列內(nèi)容。

4．3 綜合調(diào)度　　

供水調(diào)度指揮系統(tǒng)也是建立在GIS平臺(tái)之上，例如：當(dāng)需要進(jìn)行調(diào)壓站壓力調(diào)整時(shí)，需要根據(jù)地理信息系統(tǒng)察看調(diào)壓可能影響到的區(qū)域范圍和用戶量；當(dāng)出現(xiàn)保管或漏水事故時(shí)，可以利用管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)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(kuò)展需要關(guān)閉的閥門和采取的措施：在進(jìn)行管網(wǎng)仿真時(shí)，需要管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)提供最基本的管網(wǎng)拓?fù)湫畔⒑蛯傩孕畔?，仿真管段和?jié)點(diǎn)的壓力和流量情況，還可從GIS的屬性數(shù)據(jù)庫中提取有關(guān)高峰系數(shù)、用水量歷史記錄等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過編制計(jì)算程序，進(jìn)行管網(wǎng)工況參數(shù)及用水負(fù)荷分析等。

4．4 固定資產(chǎn)數(shù)據(jù)管理　　

傳統(tǒng)的固定資產(chǎn)管理方式是以管理單位為單元，按照管理區(qū)域分門別類的將各種管線和設(shè)備的詳細(xì)信息保存在數(shù)據(jù)庫表中，實(shí)現(xiàn)了固定資產(chǎn)的數(shù)字化管理，并能生成各種統(tǒng)計(jì)和查詢表格，以及報(bào)警、調(diào)撥和報(bào)廢信息等。通過與管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了固定資產(chǎn)的圖形化管理，具體增強(qiáng)的功能包括：　　

通過在圖形中指定某個(gè)調(diào)壓站或管線，可以查詢到該管線或調(diào)壓站的詳細(xì)信息，井能確定其所屬的單位等。　　

通過在圖形中直觀畫出區(qū)域范圍，可以綜合顯示該區(qū)域的固定資產(chǎn)狀況，并形成固定資產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告?！?/span>

在按照預(yù)定規(guī)則自動(dòng)整理出需要進(jìn)行狀況報(bào)警的固定資產(chǎn)設(shè)備時(shí)，可以在圖上高亮顯示出現(xiàn)報(bào)警的管線設(shè)備，并同時(shí)察看周圍的管線情況?？梢园磪^(qū)域方便的進(jìn)行固定資產(chǎn)劃撥等。

4．5 管網(wǎng)運(yùn)行　　

管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)最早的應(yīng)用就是在管網(wǎng)運(yùn)行上，可以為管網(wǎng)運(yùn)行提供最基本的管網(wǎng)分布基本信息，幫助運(yùn)行人員了解自己管轄范圍內(nèi)的管線的詳細(xì)情況，可以根據(jù)管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)栓點(diǎn)功能精確定位特定的管線、閘井和調(diào)壓站設(shè)備等。隨著管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其在管網(wǎng)運(yùn)行中的作用也越來越重要，將管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)與巡檢系統(tǒng)相結(jié)合，可以跟蹤巡檢人員每天巡檢路線，確保管網(wǎng)運(yùn)行更加安全可靠。

5　當(dāng)前供水管網(wǎng)GIS存在的問題及展望　　

目前，國(guó)內(nèi)部分自來水公司供水管網(wǎng)GIS無論在功能上還是結(jié)構(gòu)上都達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的水平，在將來的使用過程當(dāng)中，要在以下兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐步的完善和擴(kuò)展。

5．1 完善系統(tǒng)管線設(shè)備的基本屬性信息數(shù)據(jù)，最大限度延伸系統(tǒng)應(yīng)用范圍　　

由于一些自來水公司的歷史原因，當(dāng)前的供水GIS的數(shù)據(jù)還存在缺陷，不準(zhǔn)確的問題。有很多以前的老舊管線沒有基礎(chǔ)資料，而且當(dāng)時(shí)由于管線測(cè)量單位較多，測(cè)量格式不統(tǒng)一造成的錯(cuò)誤多，以及由于信息不暢、管理流程不清等原因造成的管線壓力不符、設(shè)施名稱不統(tǒng)一等實(shí)際問題，還需要經(jīng)過大量的補(bǔ)測(cè)及更新工作來逐步完善。另一方面，供水GIS只停留在對(duì)管線基本運(yùn)行信息和幾何信息的管理上，而在理論上，系統(tǒng)可以管理與管線設(shè)備相關(guān)的所有信息，并且，系統(tǒng)已經(jīng)為這部分信息的擴(kuò)充預(yù)留了接口，因此，需要公司與其他分公司或業(yè)務(wù)部門配合，完成基礎(chǔ)信息的搜集與整理工作，最大限度的保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和可用性，擴(kuò)大系統(tǒng)的可用性。

5．2 更新現(xiàn)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(yán)重缺乏，現(xiàn)有的地形圖已不能滿足現(xiàn)代化城市的飛速發(fā)展，造成新測(cè)管線缺乏地形依據(jù)。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(zhǎng)，紙張有伸縮，掃描數(shù)據(jù)化后造成地形與實(shí)際位置不一致。下一步準(zhǔn)備組織人員進(jìn)行彌補(bǔ)，對(duì)還沒有參照物的供水管線，組織測(cè)量人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)，包括公路、樓房等永久性建筑物；加強(qiáng)圖檔系統(tǒng)管理，理順信息反饋流程，著力解決壓力級(jí)別及切、接線等環(huán)節(jié)的信息反饋不暢等問題；建立工程的全程控制系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)、施工到最后竣工的資料歸檔，都有嚴(yán)格的信息反饋制度；圖檔管理部門還應(yīng)和管網(wǎng)所密切配合，逐步解決系統(tǒng)中存在各種問題。

6 結(jié)語　　

供水管網(wǎng)系統(tǒng)是GIS的一個(gè)較新的應(yīng)用領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)采集的廣度和深度方面，在數(shù)學(xué)分析模型的建立與開發(fā)方面，在系統(tǒng)功能的擴(kuò)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(biāo)也在不斷的提高，不斷的更新進(jìn)步，讓管網(wǎng)系統(tǒng)更好的在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理上應(yīng)用的更好。