給水設施地理信息系統的應用與研究

摘 要：供水行業是涉及國計民生的城市基礎性行業，城市的供水設施及其運行是一個縱橫交錯的巨大網絡，具有十分復雜的空間和非空間屬性，如何利用地理信息系統技術來解決供水行業在生產設施管理、維護、運行等方面存在的問題，從而提高行業的生產效率和社會服務水平，實現了社會效益及經濟效益的雙贏，是信息化技術在供水行業應用中的目的。文章重點介紹了以SuperMap為平臺，地理信息技術在供水企業中的開發、應用、及其效益。

關鍵詞：給水設施；地理信息系統；應用

1 地理信息技術及其行業應用

地理信息系統（Georgraphical Information Sysytem，簡稱GIS）經歷了五十年的發展，其理論與技術日趨成熟，應用領域不斷擴大，已成為科學研究、資源與環境管理、城市與區域規劃、市場分析、公共事業管理、工礦企業選址、交通運輸規劃等領域中分析問題，解決問題和輔助決策的重要工具。

利用GIS技術和給水工程技術相結合，解決供水行業管網生產、運營、維修、管理中的問題；利用這種綜合技術提升提升供水行業的服務水平、管理水平、運營水平以及企業的綜合經濟效益的方法；研究行業中各個相關系統間數據的無縫連接；研究如何解決工程技術的資料存儲和提高利用效率的問題。

2 地理信息技術在供水行業的目標

提高水資源利用效率，降低管網漏水以及管網緊急事故的搶修方案，為給水管網數學模型提供管網拓撲結構，實現與管網水力模型的無縫隙連接，為各類給水設施的日常管理、檢修提供高效的技術手段。為供水行業的工程技術資料管理，給水管網規劃設計、優化及改建擴建的提供技術方案。為供水行業中的各類供水設施提供準確定位。

總之，系統的三大總體目標是：一要能科學、高效地對供水設施所有數據進行科學有效的管理，完成各類相關業務的查詢、統計功能；二要能通過各種空間分析手段，對管網進行設計、施工、安裝、改造、搶修等工作提供高效、科學的輔助決策，提高社會經濟效益；三要能成為水力模型的數據倉庫。

3 給水設施地理信息系統的設計及其功能

3.1 給水設施地理信息系統的建設目標

給水設施的信息化管理，全面實現給水設施檔案的數字化管理，形成科學、高效、豐富、翔實的給水設施檔案管理體系，建立分級、分布式的給水設施中央數據庫。

3.1.1 科學高效地進行爆管搶修等事故處理，能夠快速準確地提供爆管信息及搶修施工方案。

3.1.2 在微觀上實現對供水企業資產的動態管理方式。為供水企業的地下、地上的固定資產管理提供幫助，使地下不可見的管線變成“可見”。

3.1.3 高效、生動直觀地定位管道、閥門、水表、水廠、泵房等給水設施，為實際生產運行提供可靠的依據。

3.1.4 實現給水設施信息能為供水企業各工作場所的實時使用，其系統動態更新、可維護性很重要。

3.1.5 為管網施工提供圖紙依據。準確定位管道的埋設位置、埋設深度、管道井。閥門井的位置、供水管道與其他地下管線的布置和相對位置等，以減少開挖位置不正確造成的施工浪費和開挖時對通訊、電力、煤氣等地下管道的損壞帶來的經濟損失甚至嚴重后果。

3.1.6 統計和發布供水企業各類供水設施的管理及經營信息。

3.1.7 為動態水力數學模型系統及水質模型系統的建立提供基礎的管網拓撲結構圖。

3.1.8 建立給水設施數據與系統維護管理中心，建立公共數據交換服務平臺。為供水企業各種給水設施進行規劃、改建、擴建提供圖紙及數據依據，對管網的改擴建的規劃、改擴建后的運行進行計算機模擬，輔助管網規劃方案的優選。

3.1.9 利用現代網絡通訊技術，實現供水企業各個管理部門的遠程使用，實現給水設施數據的共享，真正達到管理信息化工具的最佳利用效果。

3.2 給水設施地理信息系統的設計思想

系統的設計與實現基于三層體系結構（Three Tiers），將充分利用C/S結構和B/S結構。對于以數據（含空間與非空間數據）的查詢和瀏覽為主的應用（包括Internet信息發布應用），將完全采用純Internet的形式，利用Web GIS技術實現空間數據查詢、瀏覽與簡單空間分析的應用，充分利用B/S結構有利于系統的集成。

對于需要修改、編輯、處理和分析大量復雜空間數據的后臺應用，為了提高運行效率，將充分應用比較成熟的Client/Server結構，如數據建庫與更新、查詢分析和統計功能。大部分功能模塊采用組件（Component Based Development）開發技術，將底層模塊封裝為應用組件，通過應用組件的組合搭建系統，以實現軟件模塊的重用和軟件的共享。GIS應用的開發也基于組件技術，采用組件式GIS軟件進行開發，這樣可以方便地實現各功能子系統的一體化集成。

對于系統C/S部分客戶端和服務器端軟件的開發，將采用全組件式GIS軟件-SuperMap Objects進行開發。SuperMap Objects采用全組件的思路，將GIS的功能全部封裝成組件，功能涵蓋了數據管理、地圖可視化、專題圖制作、拓撲錯誤處理、拓撲關系建立、影像壓縮與配準、 數據轉換、三維建模、三維可視化、各種柵格與矢量空間分析、空間查詢、屬性統計、布局、打印輸出等，可以根據用戶需要，靈活選用自由定制。與某些國外同類大型組件式產品不同，SuperMap Objects可以脫離其桌面軟件單獨發布和部署。提高了靈活性和系統運行效率、同時也有利于降低部署成本，適合于開發各種行業GIS應用軟件產品，有利于行業推廣。

對于系統B/S部分信息的發布，采用高效的WebGIS軟件--SuperMap IS，它是唯一連續多年獲得科技部測評推薦的大型WebGIS開發平臺，以其效率高、開發方式方便、靈活而深受國內外用戶歡迎。SuperMap IS支持地圖引擎（功能）的開發，也支持客戶端頁面（表現）的開發，同時提供了模板式的開發方式。基于SuperMap IS，用戶可以快速創建各種有關空間位置信息分析的Internet/Intranet應用系統和網絡服務。SueprMap IS具有強大的GIS功能和網絡并發能力，具有多級緩存、服務器群集、數據壓縮等特色技術，開放的系統框架具有高度可伸縮性、擴充性和安全性。

3.3 地理信息系統的軟件體系構架

軟件設計與實現將采用面向對象的方法，以軟件對象（類）和邏輯相關的軟件對象構成的應用組件（Component）為基礎進行開發，利用系統分析與設計過程構造的UML類圖和類圖基礎上構造的UML部件視圖（Component View）進行編程和組織。在具體實現上，將按業務職能和機構組成劃分應用子系統，子系統實際上是應用類與部件的邏輯組合，各子系統通過共享類與部件實現數據的共享。

系統組織結構采用C/S和B/S兩種體系結構相結合的模式。C/S結構主要用于實現圖形與屬性數據的輸入、修改、編輯更新、查詢、檢索、處理、分析、制圖、統計和報表生成等功能。B/S結構主要用于實現圖形與屬性數據查詢、檢索功能，構成信息查詢與檢索子系統。這種體系結構的優點是降低了GIS平臺的成本和系統使用難度。

3.4 地理信息系統的數據庫設計

系統采用關系數據庫管理統一空間數據和非空間數據，確保空間和非空間數據的一體化集成。在綜合考慮各種可選的方案的基礎上，選用SQL Server 2000作為數據庫管理系統，國產GIS軟件SuperMap SDX+作為GIS空間數據引擎，通過SuperMap Desktop處理圖形數據，形成空間數據，并與非空間數據結合在一起，進行圖形屬性擴展，統一管理空間與非空間數據。這種存儲管理方式徹底結束空間數據的圖形和屬性分離的落后管理模式，所以系統中不存在純粹的圖形數據庫和屬性數據庫。

3.5 地理信息系統的網絡體系構架

3.6 給水設施地理信息系統的功能

給水設施地理信息系統是解決供水企業給水設施的空間位置、邏輯拓撲結構和爆管的解決方案（當然也涉及到供水的最終用戶）等問題。在現實生活中，給水設施不但分布范圍較廣，供水管線更是在暗處，看不見摸不著，供水企業管理部門對管線的走向、相互間距、埋設深度、管線敷設的時間、管材等信息無法直接了解，對給水設施的管理和管網的科學運行造成許多不便。給水設施地理信息系統（GIS），它包含了輸配水管網所有給水設施，能夠對供水規劃、設計、調度、搶修和給水設施資料檔案管理提供強有力的科學決策依據，是一個綜合信息系統。從主要功能上分為以下7個子系統：

3.6.1 數據管理子系統

可以提供基礎地形數據和給水設施數據的輸入、轉換、輸出和更新功能。本系統的數據除給水設施數據外，還有城市基礎地理信息數據作為背景數據，如道路、建筑物、水體、綠地等城市大比例尺地形圖包含的與供水相關的圖形數據。對于給水設施數據建立給水設施數據庫，對于地形圖建立地形圖數據庫，并進行了矢量化處理。

（1）數據輸入功能

在所有的給水設施數據進行輸入前，必須先完成數據字典的輸入工作。

①井室設施的輸入；②管線設施的輸入；③其他給水設施的輸入④快速查詢輔助點的輸入。

（2）數據輸出功能

①圖形（地形圖與給水設施數據組合）文件形式輸出；②圖形（地形圖與給水設施數據組合）打印輸出；③查詢統計后的給水設施數據文件及打印輸出；④具體給水設施數據信息輸出；⑤給水設施整體拓撲結構圖的輸出。

輸出給水設施拓撲結構圖是為了使GIS系統中的給水設施數據信息進行資源共享，實現供水企業信息化多系統集成，為水力數學模型系統及其他信息系統提供基礎設施數據。

3.6.2 查詢統計子系統

系統可以直觀地表示給水設施的空間分布狀況，并能將給水設施各種圖形與設施屬性有機結合起來，由設施圖形分布狀況查詢和檢索有關的給水設施的屬性資料，也可以由屬性資料查詢給水設施的的分布狀況。（支持模糊查詢方式）

為了使系統的查詢功能更加強大，將地形圖數據中的建筑物名稱和給水設施名稱有機的結合起來形成一套實用性很強的快速查詢體系，用戶只需要輸入大概的地理位置名稱就可以查詢到相應的給水設施所在的地理位置。

3.6.3 給水設施管理子系統

該系統是給水設施管理的工具。比如：管理者可以進行給水設施的資產評估管理、設施節點之間的距離測量、各管理區域供水面積的量算、供水管段的類型、鋪設時間、大用戶等方面的信息處理，并能進行圖形化界面展示。給水設施在地理位置上分布的不同，造成對管理要求的不同，在道路主干線上的分布和進入居民小區的分布就有很大的區別，市政道路上的管網分布較分散、而且主管線較多、分支節點少，雖然是地位上比較重要但卻相對較好管理；而進入居民小區后，管線分布具有密集、分支節點多等特點，而且直接面對居民用戶，這就對管理上就提出了更高的要求。

3.6.4 用戶管理子系統

對于供水企業不同類型的繳費用戶，本系統可以使每類用戶的分布情況有非常直觀的展現，對科學化用戶管理，將產生極其深遠的影響。

3.6.5 管網事故分析子系統，如圖4

實際操作過程是：當給水設施事故舉報人說明事故地點后，用快速查詢的方式找到給水設施的具體位置，同時管網及其他的設施分布也在已在系統上顯示出來，針對于是管線設施事故還是井室設施事故的不同，利用系統的空間分析功能，得出事故中所涉及的井室及管線信息，并在搶修工作之前就可以得到第一手的資料，并得到停水所要涉及的范圍和具體用戶，確定一套關閥方案和應急備用方案。

本篇論文提供了部分給水管網地理信息系統爆管分析代碼段（見附件）

3.6.6 系統維護子系統

包括系統數據的備份、數據字典的管理、系統的安全。

（1）數據的備份：①地形圖數據的備份；②給水設施數據的備份③系統數據的備份。

（2）數據字典的管理

（3）系統的安全

①系統級。要求系統用戶需注冊登記，并配有口令，每次使用系統時，都需要進行登錄，然后輸入用戶口令，方能進入系統，同時系統產生該用戶的使用日志。

②用戶級。系統對用戶分類并限定各類用戶的給水設施訪問權限。

3.6.7 網上發布子系統

網上發布子系統是利用網絡技術，實現信息在Intranet上的發布，該部分功能根據用戶要求作為一項擴展功能。

4 給水設施地理信息系統的技術性能指標、經濟性能指標

當發生突發性事故時，可根據其發生的節點或管段進行計算機操作，得出關閥方案以及事故影響供水范圍和具體用戶。

支持大量用戶的并發訪問；海量的空間及屬性數據的管理；系統數據包含了給水設施數據、地形圖數據、參照圖數據三部分內容。這三部分數據量很大，尤其是地形圖數據，雖然更新率較低、相對穩定，對這部分數據的處理重點放在了調用速度的優化處理上；全要素作業圖紙的輸入、輸出；

（1）給水設施地理信息系統應達到的時間性技術指標

BS結構下平均調圖顯示時間：5秒；

BS結構下平均查詢處理時間：5秒；

CS結構下平均調圖顯示時間：3秒；

CS結構下平均查詢處理時間：3秒。

（2）給水設施地理信息系統的經濟性指標

對于供水企業來說，本系統的使用使其在科學管理上提升一大步，在減少人工成本、節能增效、降低管網漏損率、提高搶修速度和資產管理上都有明顯的經濟效益。現就其具體產生經濟效益的部分進行經濟指標的計算：（1）通過提高供水企業的管理效率，減少了人工成本產生，創造經濟效益。（2）降低了因地下管線的不明造成施工事故的機率所產生的經濟效益。（3）系統中對于事故處理分析的功能使管網維修部門提高了工作效率，降低勞動強度、減少維修時間所產生的經濟效益。

5 地理信息系統的風險

一個項目的實施無論做了多么詳細的論證，其潛在的風險也是存在的，正因為意識到了這點，我們才要對其作出正確的分析，并采取相應的措施，將項目建設的風險降到最低，達到項目建設的目標要求。

市場風險：由于項目服務對象屬于國家特許經營行業，國家定義這類企業為城市公用企業，所以企業沒有太多的資金投入到這類項目中（幾乎所有水司的水價都是倒掛的，企業利潤極低）。

技術風險：風險主要來自于數據格式的轉換以及相關系統的無縫連接。

管理風險：主要是給水設施資料的更新以及如何及時的反映到該系統中。