二三維一體化智慧排水運行管理平臺建設研究

徐雨鋒 尚曉偉

摘要：基于SuperMap GIS新一代三維技術體系設計開發智慧排水運行管理系平臺，本文提出一張排水設施分布圖、兩套應用模式（B/S、M/S），提供政府、企業、公眾三方服務，開展積水監測、管道檢測、泵閘監控、污水排放等四類智能感知，全過程支撐排水業務五大應用的建設思路。重點論述了系統架構設計、關鍵技術、系統功能以及BIM、V1L在排水行業領域的實踐應用。

關鍵詞：二三維一體化;排水設施;運行管理

引言

近年來智慧化理念的信息系統建設發展迅速，結合我國智慧城市發展需要，市政排水、污水處理等排水行業的智慧化管理需求也應運而生。城市排水在城市現代化進程中發揮重要的作用，尤其近年來中國城市內澇之殤和雨污混接、污水亂排導致的水體環境污染問題日益突出，成為社會關注的焦點。目前國內很多大中城市都在開展排水信息化工作，從排水數據資料的普查采集建立城鎮基礎空間地理信息數據庫及數字化平臺，到建立基于模型的管理系統，希望實現城鎮水務管理綜合調度的目標。但排水行業信息化建設發展里程經歷了MIS系統、二維GIS和三維GIS。雖然二維地理信息系統也能滿足日常管理需要，但隨著大數據、云計算、人工智能、BIM、VR/AR、5G等新技術的不斷應用，簡單的線化圖形表達形式已無法滿足更直觀、更精細化、更智慧的管理要求。本文基于二三維一體化平臺構建智慧排水運行管理系統，實現二維三維聯動協同，三維可視化逼真場景再現，真實表達管線立體空間關系，助力智慧城市排水管理業務的水平的提升，全過程支撐排水信息化業務升級。

1系統設計

基于二三維一體化平臺的智慧排水運行管理系統實現一張排水設施分布圖、兩套應用模式（B/S、M/S），服務政府、企業、公眾三方客戶，開展積水監測、管道檢測、泵閘監控、污水排放等四類監視監控，全過程支撐排水業務五大應用。系統總體架構如圖1所示。

基礎設施層主要涉及排水管理對象廠、站、網基礎信息，建立統一數據標準和分類，實現排水設施數據的收集整理和建檔，包括人工繪制、實地測繪、人機檢測、制作整理和共享交換相關單位的數據為排水設施二維一張圖和三維建模提供支持。

采集接口層應用物聯網和智能感知技術把排水相關設施、設備的運行工況、水情水質、災害險情等信息，通過無線傳輸網絡進行采集、傳輸和存儲。

數據處理層負責對排水規劃、工程、設施、運行、維護、許可、監管、防汛等行業數據進行統一的存儲和管理，以滿足不同層次的數據需求和系統需求。

業務展示層主要由數據、應用、服務等中間件組成，負責構建系統功能實現的各類支撐，主要包括基礎設施、數據、平臺和軟件服務等，為系統正常運行提供單一或組合形式的中間服務，實現B/s模式的在線業務應用和M/S模式的移動互聯交互應用。

應用服務層主要通過的統一平臺，實現統一用戶管理、信息檢索、模塊化業務應用、個性化定制等功能，為政府、企業、公眾提供三方服務。

2技術路線

平臺的技術體系全面融合運用了新一代Super Map二三維一體GIS、大數據、微服務、分布式集群架構等技術，支持跨平臺，包括Linux、Windows等操作系統。技術架構如圖2所示。

2.1二三維一體化GIS技術

SuperMap的二三維一體化GIS融合了跨平臺、云端一體化、新一代三維、空間大數據四大GIS技術體系，提供功能強大的云GIS應用服務器、云GIS門戶服務器、云GIS分發服務器與云GIS管理服務器，以及支持桌面端、手機平板移動端、Web端的多種地理信息開發平臺。同時支持傾斜攝影、BIM、激光點云、VR實景等三維數據的集成應用。

2.2大數據技術體系

應用SuperMap iServer獨立的數據存儲應用程序，快速創建PostgreSQL、Elasticsearch數據庫，可以支持集成MongoDB數據庫，實現空間大數據的存儲、分析、流數據處理、可視化，采用分布式集群架構實現大體量空間數據集的高性能分布式動態渲染和分布式空間分析和數據處理。

2.3微服務架構

微服務架構（Microservice Architecture）是一項在云中部署應用和服務的新技術。采用微服務架構的SuperMap iServer，一個服務可自動擴展出多個完全相同的實例，每個實例分別占用一個進程，可有效提升服務的并發訪問性能與可用性。

2.4其他技術棧

基于H5、WebGL、WebSocket、ES6、Vue、npm等現代Web技術棧，構建平臺。應用Vue Mint技術，實現同時支持Android和IOS移動應用。應用程序搭建采用Dockef容器技術實現平臺的快速部署。

3數據建立維護

3.1二維基礎數據管理

排水管網設施數據的收集、錄入、編輯、修改、上報、審核、維護，長期以來是行業管理中最為復雜、煩瑣，組織實施工作量和難度最大的一項基礎性工作。利用物探、測繪、計算機制圖、地理信息系統、網絡傳輸、數據庫等技術，把排水管網及廠站設施等信息以數字的形式制作、存儲、查詢、維護和共享發布，但一次性的普查不能解決數據的長久常新、長效管理。以長效管理和應用推廣為目標，結合各地市排水主管部門制定的數據維護管理機制，采用離線編輯維護、在線上傳審核模式，實現廠、站、網等所有排水設施數據的繪圖、編輯、修改、糾錯維護，以及在線上報、審核、入庫流程，全面解決排水管網設施數據、資料、檔案的收集、處理、上報、審核、維護工作。提倡長效維護管理機制，做到新、改、擴建設施數據資料的及時收集、快速處理、定期上報，實現排水行業數據庫的長久常新。

3.2三維模型數據建立

由于二維基礎數據的收集、錄入、編輯維護已形成較為完善的流程機制，數據內容完整準確，對于三維管網模型的建立就奠定了很好的基礎。采用Spatial 3D Model（S3M）三維空間數據規范，基于三維管線、管點符號及自適應符號，由二維點、線屬性數據快速批量構建三維管網。單體廠站等復雜設施，根據建筑圖紙CAD、現場照片、遙感影像等資料，采用3DMAX建模，利用超圖3DMax插件BIM生成數據集功能，并采用非關系型數據庫MongoDB分布式存儲及管理模型數據，實現三維建模BIM數據集的三維GIS整合應用。三維建模數據如圖2所示。

4系統功能應用

4.1大數據信息展示發布

數據大屏展示發布已經越來越多的在各種行業普遍使用，大數據智能分析展示平臺通過圖形化的界面實現業務的輔助決策。各種管理業務場景需要大數據系統持續聚合和分析時序數據，建立專業水準的可視化應用，集多源、海量、異構數據，采用多維度、多樣式、動靜結合的表現形式，展示發布排水業務核心、重點和熱點關注類數據的統計分析信息，使得復雜多變的大數據變得易看、易讀、易懂。

4.2二維管線設施查詢與分析

設施管理涉及各種管網設施，如排水管線、管線附屬物、泵站以及污水處理廠等，而每項設施又包含多種管理內容。以GIS技術為支撐，通過對排水設施的基礎空間和屬性信息，以及運行養護建設信息的關聯查詢和綜合管理，可以有效地提高設施的管理效率，為設施的規劃、建設、養護、運行、應急處置等業務的全流程閉環管理提供支撐。基于二維地理信息系統實現排水管網數據的圖一數查詢統計、斷面分析、聯通性分析和上下游追溯，支持在線專題制圖輸出打印。

4.3三維建模的設施運行監管

二三維一體化的GIS應用系統的核心關鍵就是要實現二維到三維的無縫切換，根據地圖比例尺、中心位置、視圖范圍、視角視距等參數實現二三維聯動切換。如圖5所示，三維可視化支持地上建筑地下管網、廠站室內外數據的一體化管理，大范圍海量三維模式的地理數據實現了快速漫游、屬性查詢、信息統計和空間位置關系分析等功能。集成基于BIM建模的單體建筑模型數據信息，以BIM數據管理模式，結合GIS實現排水設施設備的工況、運行、養護、監測、監管信息的采集、接入和整合，進行運行狀態更直觀、逼真的動態顯示觀看，做到運行養護全過程信息的跟蹤管控。

4.4廠站河一體化實景集成

采用VR虛擬現實技術，通過現場VR專業設備的圖像采集，實現污水廠、泵站、河道及沿河排水設施的真實場景720。全方位立體展示，解決長期以來“盲人摸象”的信息化平臺使用體驗。相比于三維建模，vR攝影采集廠站河影像數據集成難度低、周期短，可與排水業務系統快速整合應用。

4.5規劃設計工程建設管理

隨著近年來GIS技術應用日趨普及，采用GIS技術對規劃資料進行動態管理和更新，可以解決傳統紙質圖紙或CAD制圖設計方案的存儲查詢、共享發布、及時更新、調檔查閱等問題。二三維一體化GIS系統對規劃文本、圖檔、建模等數字資料進行有效組織與管理，方便行業內外相關部門單位對規劃數據進行動態管理、更新和查閱，并通過入庫上圖的規劃管網設施數據與現狀設施進行對比，分析評價管網系統建設達標情況，指導輔助工程建設和現狀改造維護。

排水工程建設管理包括對排水工程建設中前中后期各階段的資料和數據實行可視化管理和跟蹤。對相關業務部門已建、在建、改建和規劃的工程項目進行上圖，實現從規劃、立項、審批、預算、招投標、實施、合同支付款、驗收、后評估等全過程以及全部檔案管理，對項目投資、質量、進度等情況進行有效的監督和統計分析。

6結束語

隨著城市化進程范圍的快速擴張，城市雨污排水管理難度越來越大，一些城市相繼發生暴雨積水、污水冒溢、路面塌陷、河道污染等事件，嚴重影響人們日常生產生活和城市安全有序運行。圍繞國家關于城鎮污水處理提質增效三年行動計劃，實現補短板、強監管的目標，二三維一體化智慧排水運行管理平臺基于物聯網、云計算、大數據、BIM、VR/AR等新型主流技術，實現地下排水管道、地上廠站設施和相關地物水系等實物的二三維一體化的展現，并集成廠站網運行工況和實時監測檢測信息，輔助支撐排水業務規劃、建設、運行、養護、防汛應急全流程閉環管理應用模式。未來可繼續借助現有完整數據鏈和業務流程，構建城市排水系統水力模型，并通過模擬來獲得相應的決策調度方案，完成從數字排水向智慧排水的升級轉型，改變傳統的管理工作模式，從更宏觀更全面的角度制定和實施排水行業管理措施，為推進智慧城市建設奠定基礎。