基于GIS的智慧水務平臺軟件設計與實現

孫國慶

摘 要：文中介紹了基于GIS的智慧水務平臺軟件設計與實現的方法途徑。采用云GIS快速便捷地構建水務應用系統，實現水務智能調度、智能管網監測及城市供水信息服務，該成果對城市智慧水務系統建設具有一定的參考價值和指導意義。

關鍵詞：智慧水務；云地理信息系統；物聯網；智能管網；智能調度

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-03

0 引 言

水務行業是城市最重要的服務行業之一，咸陽市水務集團于2001年建成的生產調度系統存在設備老化、監測信息采集傳輸中斷等諸多問題，隨著供水范圍及供水量的不斷擴大，管網連接結構日趨復雜，為確保供水質量及供水安全，建設智慧水務勢在必行。水務設備分布廣，地理位置分散，監測系統數據量大，實時性要求高，構建基于GIS的智慧水務平臺是水務集團管理運營的必然選擇。

智慧水務軟件以GIS平臺為基礎，針對分布全市的管網系統、壓力監測系統、水質監測系統、自來水廠生產管理系統、污水廠生產管理系統構建統一的運行管理平臺，實時采集、分析各種生產運行數據，實現智能的生產運行調度與管理。

1 平臺設計與實現

1.1 平臺功能設計

咸陽智慧水務信息化系統建立在數據中心的基礎上，借助GIS、物聯網、云計算等信息技術，實現調度系統智能化、企業管理精細化和供水服務標準化，輔助企業決策者及相關人員采取相應的措施，是咸陽水務集團有限公司核心資產管理和企業信息化的戰略平臺，也是公眾涉水信息服務的窗口。

通過傳感器、有線或無線網絡、水質水壓等在線監測設備實時感知凈水制水過程、水質水情、供水排水系統的運行狀態，采用基于GIS的可視化展示方式，有機整合咸陽水務集團各管理部門職能與供水、污水設施，并將海量水務信息進行及時分析處理以輔助管理決策，以更加精細和動態的方式管理水務系統的生產、管理和服務流程，使其達到“智慧”狀態。

1.1.1 智能調度子系統

通過對各下屬生產運行單位（凈配水廠、污水處理廠、增壓泵站及輸水管網等）的各類生產過程數據進行實時監測與分析，并對生產情況進行統計分析與統一決策調度，實現生產運行智能調度和安全可靠運行，可有效降低產銷差，確保供水水質達標，提高系統應急響應能力和生產管理效率。

1.1.2 智慧管網管理子系統

在水務管網部署監測節點，結合咸陽智慧城市云GIS平臺，通過水力計算得出城市供水系統中任意位置管道內部的壓力、流量、濁度、余氯等情況，分析不同事件如開停泵、開關閥、漏損、爆管、管網改造等對管網的影響，從而為管網規劃設計、管網改造、日常運行、優化調度、管網控漏、預案制定等方面提供依據。

1.1.3 水務數據中心子系統

水務數據中心子系統包括安全、運營、調度、用戶、權限、生產過程、資源管理配套的一系列基礎信息。構建管網地理信息庫，設備資產管理數據庫，生產運行數據庫等，歷史數據可長期存儲，作為生產決策的分析依據與咸陽智慧城市實現數據融合。

1.1.4 水務信息服務

搭建水務智慧應用系統，用戶可在多種客戶端如瀏覽器、智能手機及傳統桌面系統等查詢瀏覽水務信息，系統也可為用戶推送用水信息、停水公告等，為企業管理、用水用戶、設備廠家、供電局、市政及其它政府部門提供及時、全面的信息服務。

1.2 GIS云服務平臺

咸陽市作為國家首批智慧城市建設的試點城市，已經建成地理信息公共服務平臺，實現云GIS。云GIS通過互聯網以Web服務的形式提供空間數據存取與交換服務、空間信息查詢服務以及分析服務應用接口服務，可實現分布式跨平臺的空間數據集成，為用戶提供分布式協同信息處理和按需服務。該平臺以ArcGIS為基礎，為各種用戶瀏覽地理信息、搭建業務運行系統提供了便捷的途徑，使地理信息服務可無縫嵌入到各部門、各行業的現有業務系統中。因此咸陽水務集團無需再建設GIS系統，只需進行業務系統開發應用即可。GIS平臺統一建設維護，地圖數據統一更新，既縮短了項目開發周期，又大幅降低了建設及運維成本。

ArcGIS是目前供水行業使用最多的GIS平臺之一。ArcGIS產品線為用戶提供一個可伸縮的、全面的GIS平臺，功能強大，技術先進成熟，具有良好的延續性和可持續發展性。Web API作為Esri開發API的重要組成部分，其作為ArcGIS for Server的前端API，可以讓用戶在互聯網上調用ArcGIS for Server發布的服務，具有Web GIS功能，也可通過Internet實現空間數據的顯示與查詢。使用Esri的Web APIs可創建各種應用，本項目主要采用ArcGIS API for Javascript、ArcGIS API for Flex等。

1.3 系統網絡結構

1.3.1 市政公網

水務集團數據中心與咸陽智慧城市之間通過政務專網實現數據交換。為保證互聯網上傳輸數據的安全，采用VPN技術在互聯網上建立加密的傳輸通路，通過加密的VPN隧道傳輸所有數據。同時為了更好的對VPN組成的網絡進行管理，在數據中心新建VPN管理平臺，對VPN設備和VPN隧道進行監控和管理。

水務集團在使用智慧城市GIS平臺的同時，也將水務生產數據傳送至智慧城市數據中心，實現信息的發布和共享，政府各職能部門根據權限可查詢、瀏覽水務信息。

1.3.2 GPRS專網

管網信息監測點位置分布分散，多數不具備有線通訊的條件。智慧水務系統通過GPRS通訊網絡采集管網壓力、水質（濁度、余氯等）、主要供水管道流量等信息，為科學調度、適壓供水、管網壓力平衡提供依據與支持。水務數據中心開通至中國移動的2 M數據APN專線，數據采集服務器也可作為GPRS服務器。系統網絡圖如圖1所示。

1.4 平臺架構及實現

系統將采用面向服務的體系架構進行建設，總體架構圖如圖2所示，主要包括數據采集層（感知層）、網絡層、應用層、服務層、數據層。

1.4.1 數據采集層

數據采集層（感知層）是物聯網技術構架的基礎，也是實時生產數據的來源。主要以咸陽水務下屬各生產企業的工業自動化儀表與控制系統及城市供水管網監測系統為基礎，通過平臺數據采集服務與現場智能控制設備、智能測量儀表、在線分析儀表、無線傳感器網絡設備及其它網絡設施等軟硬件系統對廠級、站點級設備進行實時數據采集。

1.4.2 網絡層

網絡層采用4G網絡與互聯網融合，建立網絡層，將感知層的數據整理匯總，搭建數據倉庫、功能倉庫、工作流管理平臺，提供應用業務搭建協同機制，實現數據發布與信息共享。

1.4.3 應用層

應用層通過對各類數據的整理、加工和展示，實現生產企業的廠站分布情況與各廠生產運行工藝畫面的展示，實現對各廠實時運行數據的超限告警；其次通過對生產運行數據的分析，繪制日常運行管理的各類圖表，方便管理人員進行日常運行情況的總結與分析；通過對日常運行管理中涉及的化驗管理、設備資產管理、項目管理、辦公審核等功能進行信息化管理，獲取更全面的運營管理數據；最后通過生產運行數據的深入分析挖掘實現指導生產，可提供各類異常預警、運行工藝模擬、優化調度分析、綜合運營決策等，指導水務集團公司綜合運營決策的工藝分析、設備分析、成本分析、風險分析等智能業務應用。

1.4.4 服務層

服務層基于水務用戶的共性需求設計并實現系列標準服務接口，以及在此基礎上建立的門戶網站系統、移動App等，用戶可以訪問門戶網站獲得各類水務信息服務，查詢用水情況，同時系統也可向用戶推送停水公告，搶修信息等。

1.4.5 數據層

數據層實現軟件數據中心功能，設計空間屬性數據庫、生產運行數據庫、水務基礎數據庫、供水設施數據庫、政務信息資源庫等。基礎數據庫采用Microsoft SQL Server 2008 R2。數據層實現水廠及管網信息的集中處理、存儲、傳輸、交換與管理，將生產過程數據、生產管理數據、安全監測數據、空間地理地測數據進行統一存儲，實現對數據的備災管理。通過建立數據倉庫、功能倉庫、工作流等，構建完善的信息資源管理、整合、共享和開發利用的標準規范體系及運行管理體系，構建齊全的信息數據體系和技術支撐體系，解決了多源異構數據集成的難題。

2 結 語

本文提出了一種智慧水務平臺軟件設計開發的思路和方法，借助云GIS平臺設計實現，具有成本低，開發周期短，用戶體驗好等優點，該平臺在咸陽水務集團已成功投入運行。該項目的成功實施經驗在同類項目的建設中具有推廣價值，同時也對其它智慧城市地理信息平臺的統一規劃、建設具有一定的參考價值。

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