論物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)融合在自來(lái)水管線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊嘯

摘? 要：隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快及城市生活的日益繁榮，城市自來(lái)水管網(wǎng)更加錯(cuò)綜復(fù)雜。然而目前大多數(shù)管網(wǎng)管理仍采用傳統(tǒng)辦法，無(wú)法準(zhǔn)確獲取管線位置，在維修和管理時(shí)帶來(lái)極大不便。文章結(jié)合當(dāng)前自來(lái)水管線管理的實(shí)際情況，將物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)融合應(yīng)用，進(jìn)行自來(lái)水管線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以期為自來(lái)水管線設(shè)計(jì)與管理提供一定的思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);GIS;技術(shù)融合;自來(lái)水;管線設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU991.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0165-02

Abstract： With the continuous acceleration of urbanization and the increasing prosperity of urban life， urban tap water pipe network is more complex. However， at present， most pipe network management still adopts the traditional method， which can not accurately obtain the pipeline location， which brings great inconvenience in maintenance and management. In this paper， based on the actual situation of water pipeline management， the integration of Internet of things and GIS technology， the system of water pipeline is designed and implemented， in order to provide some ideas and reference for the design and management of water pipeline.

Keywords： Internet of things; GIS; technology fusion; tap water; pipeline design

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快以及城市生活的日益繁榮，城市自來(lái)水管網(wǎng)更加錯(cuò)綜復(fù)雜。然而目前大多數(shù)自來(lái)水管網(wǎng)管理仍采用傳統(tǒng)管理辦法，無(wú)法準(zhǔn)確獲取自來(lái)水管線的位置，存在與其他管線交叉并存或是壓住其他管線的情況，給自來(lái)水管網(wǎng)以及其他管線的管理、維護(hù)以及遠(yuǎn)期工程建設(shè)都帶來(lái)了極大困難，甚至因?yàn)楣芫€壓力，導(dǎo)致其他有毒物質(zhì)如油庫(kù)管線等受壓泄露，發(fā)生起火、爆炸等嚴(yán)重事故，造成社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡等。此外，自來(lái)水管網(wǎng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，既浪費(fèi)了水資源，且問(wèn)題具體位置的排查也較為復(fù)雜，維修好后，還需要將之前挖開(kāi)的地面進(jìn)行還原，需要大量人力、物力的投入，管理成本較高。

因此，傳統(tǒng)的自來(lái)水管網(wǎng)管理模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代城市供水現(xiàn)代化的管理需求，新興科技，如物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)在自來(lái)水管線設(shè)計(jì)中的融合應(yīng)用是我們亟待研究的重要課題。

1 物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)融合

近年來(lái)，“物物相連”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在人們的日常生活中逐步應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)是世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命，是指基于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等現(xiàn)代電子通信技術(shù)，將傳感設(shè)備、控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人員和其他物等通過(guò)一定的規(guī)程聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而讓物品說(shuō)話，實(shí)現(xiàn)物品智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其一般可分為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展的對(duì)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、處理、運(yùn)算、描述、分析的技術(shù)系統(tǒng)，被用來(lái)探索現(xiàn)實(shí)空間中物體的空間位置、分布以及其關(guān)聯(lián)屬性。

物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)的融合應(yīng)用，是自來(lái)水管網(wǎng)智慧發(fā)展的助推器，其通過(guò)在自來(lái)水管網(wǎng)中設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，布置大量無(wú)線射頻（RFID）智能水表、水位采集器、壓力采集器、視頻圖像在線傳感設(shè)備等，實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)、閘門(mén)、泵站等相關(guān)信息，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行管線信息智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理。單純的人工方式設(shè)計(jì)、繪制、保存管線圖紙和圖表，無(wú)法適應(yīng)管線管理及應(yīng)急事故的發(fā)生，而所有監(jiān)控點(diǎn)都利用GIS技術(shù)獲得其空間位置信息，以及其空間的基本特征后，同樣一張圖同時(shí)提供了高精度、高可靠性的空間信息可視化，全面、直觀、動(dòng)態(tài)管理，極大方便了自來(lái)水管網(wǎng)系統(tǒng)的管理和維修，為自來(lái)水管網(wǎng)的遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)流程化、管線查詢一體化、管線管理數(shù)字化等提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)融合設(shè)計(jì)的自來(lái)水管線系統(tǒng)共包括五層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和交互層。其中，感知層是信息的感知，負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)來(lái)源于管道壓力流量傳感器、GPS和攝像頭等終端傳感器的信息采集和物體識(shí)別;網(wǎng)絡(luò)層是信息的傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)以及有線和無(wú)線通信網(wǎng)之間信息數(shù)據(jù)的傳遞通道，常見(jiàn)LAN、無(wú)線、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等;交互層的作用是通過(guò)人機(jī)交互接口與操作者交互信息，以數(shù)據(jù)支撐層以及系統(tǒng)應(yīng)用層為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析和決策過(guò)程中的多信息需求和分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自來(lái)水管線設(shè)計(jì)的智能化。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)選用Oracle進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，選用AreSDE 空間數(shù)據(jù)引擎管理，主要包括三大數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：

（1）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容主要是影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。其中影像數(shù)據(jù)指的主要是區(qū)域范圍內(nèi)20cm分辨率的高清航拍圖像，矢量數(shù)據(jù)指的是地名地址數(shù)據(jù)（包括企事業(yè)單位名稱以及地標(biāo)名稱）和1：500的電子地圖數(shù)據(jù)。

（2）管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容主要是管道、管點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容主要是人員數(shù)據(jù)、書(shū)簽數(shù)據(jù)以及維修數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)主要功能模塊

3.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理模塊

管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊承擔(dān)管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新職能，具體包括管道、閥門(mén)、三通、節(jié)點(diǎn)、泄水閥等材質(zhì)、型號(hào)、管徑、長(zhǎng)度以及掩埋深度等信息。系統(tǒng)通過(guò)建立管線屬性檔案庫(kù)，監(jiān)管監(jiān)控管網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAD設(shè)計(jì)圖以及MDB數(shù)據(jù)信息的一致性，實(shí)現(xiàn)管線信息查詢一體化以及管線管理的數(shù)字化，具體作用表現(xiàn)為查詢爆管閥門(mén)信息;預(yù)警超過(guò)年限和警戒的管點(diǎn)和管線;提供消防搶險(xiǎn)、消防設(shè)施查找;選定管線設(shè)施，設(shè)定緩沖半徑和級(jí)別，為道路改建、房屋拆遷涉及的管線設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2 爆管分析和停水分析模塊

當(dāng)發(fā)生管點(diǎn)或是管線問(wèn)題，造成自來(lái)水泄露或是管線某處發(fā)生爆管時(shí)，該模塊利用GIS技術(shù)快速定位，顯示爆管就近區(qū)域的關(guān)聯(lián)閥門(mén)及受影響范圍，同時(shí)根據(jù)管網(wǎng)數(shù)據(jù)和信息制定最優(yōu)關(guān)閥方案，實(shí)施多級(jí)關(guān)閥，進(jìn)行維修和應(yīng)急處理;根據(jù)供水管件埋設(shè)以及服務(wù)年限制，預(yù)警超過(guò)服務(wù)年限的管線和管點(diǎn)，自行生成斷水通知單，定期進(jìn)行管理維修。

3.3 壓力和流量數(shù)據(jù)管理模塊

壓力和流量數(shù)據(jù)管理模塊包括現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)運(yùn)行工況、各區(qū)域定點(diǎn)流量和壓力采集傳輸設(shè)備、無(wú)線通信設(shè)備、監(jiān)控中心服務(wù)器以及GIS數(shù)據(jù)處理中心幾個(gè)部分。其承擔(dān)定期傳遞壓力和流量數(shù)據(jù)信息的作用，將現(xiàn)場(chǎng)終端數(shù)據(jù)傳送回?cái)?shù)據(jù)處理中心，當(dāng)監(jiān)測(cè)到壓力值低于預(yù)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)布警告，并將壓力過(guò)低的管點(diǎn)定位以及特征信息等快速呈現(xiàn)反饋，為自來(lái)水管線搶修提供數(shù)據(jù)支持并節(jié)省時(shí)間。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 GPRS數(shù)據(jù)傳送技術(shù)

通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service， GPRS）屬于移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中的第二代數(shù)據(jù)傳輸。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的日益加快，城市自來(lái)水管網(wǎng)的覆蓋面積也越來(lái)越大。如果采用傳統(tǒng)的有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)疑需要較大的成本費(fèi)用用于建設(shè)基站和有線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行傳輸，則需要建立較多的監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)，網(wǎng)點(diǎn)選擇復(fù)雜、組網(wǎng)麻煩，電源能耗大，成本高。而GPRS的數(shù)據(jù)傳輸方式是基于封包進(jìn)行的，費(fèi)用相對(duì)較低，且通過(guò)手機(jī)短信的形式，不需要再架構(gòu)和組間網(wǎng)絡(luò)，通訊可靠穩(wěn)定，維護(hù)成本低。

4.2 智能GIS空間分析技術(shù)

智能GIS空間分析技術(shù)，是在傳統(tǒng)GIS空間技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合新型電子通訊、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建適用于某一領(lǐng)域的智慧體系，開(kāi)發(fā)智慧管理和智慧決策的分析技術(shù)。而在自來(lái)水管線設(shè)計(jì)中，管道壓力監(jiān)控點(diǎn)定位分布規(guī)律（包括閥門(mén)、水表、檢修點(diǎn)等管點(diǎn)以及管線材質(zhì)、型號(hào)、管徑、長(zhǎng)度以及掩埋深度等信息），問(wèn)題管點(diǎn)、管線的定位和到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)路徑，故障影響范圍，以及斷水通知單的自動(dòng)生成等，都是智能GIS空間分析技術(shù)的應(yīng)用。

4.3 多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是利用傳感器將事物與互聯(lián)網(wǎng)相連接，將事物的現(xiàn)實(shí)特性轉(zhuǎn)換成互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息置換與傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息識(shí)別、定位、監(jiān)控、處置功能的智能化表達(dá)。物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)，具有信息多元、動(dòng)態(tài)變化、海量、分散、異構(gòu)等特點(diǎn)，要想將物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)進(jìn)行融合，首先是將兩種不同技術(shù)涉及的傳感器感應(yīng)信息、GPRS通信信息、手機(jī)報(bào)警系統(tǒng)信息等多元數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合描述和冗余過(guò)濾，最后增強(qiáng)信息的可靠度，提升自來(lái)水管線數(shù)據(jù)的利用率。

5 技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

目前在我國(guó)大范圍推廣物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)在自來(lái)水管線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也存在一些難題。首先，我國(guó)各城市地下管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，同時(shí)鋪設(shè)有自來(lái)水管網(wǎng)、油氣管網(wǎng)、電纜、地下排水、光纜等等，這些管網(wǎng)分屬不同部門(mén)，物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，其相關(guān)資源難以共享。且即使花費(fèi)較大資金將物聯(lián)網(wǎng)和GIS應(yīng)用于自來(lái)水管線設(shè)計(jì)，但一旦發(fā)現(xiàn)爆管等應(yīng)急事故，在維修時(shí)也難免牽扯到其他相關(guān)部門(mén)，延誤了寶貴的維修時(shí)機(jī)。因此，將檢測(cè)設(shè)備同期布置、安裝，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)是未來(lái)自來(lái)水管線發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)及GIS設(shè)備需要考慮的重要問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)在自來(lái)水管線設(shè)計(jì)中的融合應(yīng)用，GIS技術(shù)承擔(dān)數(shù)據(jù)的分析管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源，二者相輔相成，即通過(guò)管網(wǎng)中的無(wú)線傳感器將收集到的壓力和流速信息，傳遞到數(shù)據(jù)處理中心分析處理，快速進(jìn)行故障定位和原因分析，以最短的時(shí)間制定最優(yōu)解決方案，加快爆管搶修時(shí)間，節(jié)約寶貴的水資源，為自來(lái)水管線設(shè)計(jì)及智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)開(kāi)拓了新思路。

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