天津市供水管網地理信息系統

馬杰

（天津市華淼給排水研究設計院有限公司，天津300190）

1 供水管網地理信息系統（GIS）簡介

GIS（Geographic Information System，地理信息系統）是基于地理空間數據庫的一種地理信息系統，在計算機軟件的代碼組成以及測繪設備硬件的測繪支持下，對地理空間中有關數據進行采集以及分析，集成一個包含很多屬性和緯度的巨型地理空間數據庫。在用戶想要分析具體某一種或多種地理空間數據的時候，GIS 將采用地理模型分析的方法，適時提供給用戶或開發者多種動態的空間地理信息。

總而言之，GIS 作為一種為地理研究和空間地理決策服務而建立起來的計算機技術系統，集成了計算機科學、地理學、環境科學、信息科學等諸多新興科學，最大程度的滿足用戶或開發者的需求[1]。用戶可以提取供水管網地理信息系統中的空間地理數據和管網節點數據，通過其他數據分析軟件如matlab 對數據進行分析，從而得到想要的數據圖，進行實際問題的分析。

2 供水管網GIS 系統需求分析

供水管網地理信息系統作為一個通用的基礎信息平臺，能夠為城市供水管網提供有力的規劃、設計、調度、維修和資料檔案管理等科學依據。具體的需求分析如下：

2.1 管網編輯需求

當前信息化背景下的現代城市供水管網要求對供水管線、閥門、水表位置等具體管網信息和城區地形、街道、居民小區等地理位置信息進行統一管理，并提供管網編輯工具，使供水企業人員能夠快速對本市供水管網中的各類閥門、消火栓、管線等管網設施進行線上增加、刪除、修改等屬性編輯工作，將管網屬性數據庫與管網圖形數據庫通過某種特定的規則結合起來，使得融合之后的數據信息直觀的顯示為圖形信息，解決以往傳統手工繪制管網圖中工序繁瑣、復雜的問題。

2.2 查詢統計需求

查詢：供水管網設計者和管理者需要通過計算機的GIS 系統清楚看到任何比例下地下供水管網在空間上的分布情況，不僅限于1:500 或1:2000 的比例圖紙上，做到全局規劃；此外，還需要通過區域查詢、條件查詢，查看管網屬性信息，如管線的材質、地表的注冊號、水閘閘號等，具有鷹眼、索引圖等功能。

統計：供水管網設計者和管理者需要方便的統計出特定區域內所有管線、供水設施的數據量以及詳細的工程信息，按供水管網口徑、管網使用年限、管道材質類別等具體數據信息進行統計，以便全面了解全市管網運行情況。

2.3 輔助設計需求

供水管網設計者需要GIS 系統提供測量工具進行多種測量，如直線段、曲線段、面積等；模擬管網水壓分布狀態；尋求多水源管網內供水分界線的變化規律，尤其針對現階段城區管網更新改造設計方案提供管網水力分析及優化設計依據。

3 供水管網GIS 系統數據來源

數據來自由探測部門提供的天津市全部的地下供水管網的地理空間數據和 1∶500、1∶2000 地形圖數據，由工作人員操作現有的矢量化外部設備錄入全市供水管網位置圖數據以及由地下管線探測部門提供的詳實供水管網屬性數據。

3.1 主要數據要素

①地理數據：城市地形、街道、河流、各區界限、鐵路、公路、街道、水體邊界線、建筑物名標號、商業區、居民區、學校、醫院、門牌號、圍墻、圖根點、天文點、消火栓等。

②管網數據：管段、管段材質、管段建設年限、閥門井、閥門井號、消火栓、地表、地表注冊號、堵頭封板、排氣閥、排水閥、水廠及加壓泵站、測壓點。

③其他數據：接水點及其位置、用水點及位置、搶修、報修及維修信息、管網參照物等詳細屬性信息。

圖1 N 層結構體系

3.2 數據組織與整合

目前，天津市城市供水工作相關組織使用的管網資料主要以管網現狀圖、設計圖、竣工圖、工程檔案（工程歸檔資料）為主，這些具體、詳細的管網資料共同組成了天津市地下供水管網的唯一依據，因此，這些管網資料也是天津市供水管網地理信息系統（GIS）重要的數據來源。

①地形背景數據庫：用城市1∶500 的電子地圖作為供水區域街區的背景圖，圖中的地形分布、道路、建筑、城市設施等最新地理數據清晰顯示，按類別把各圖層提取為單獨文件，以便根據詳略需要進行選擇性顯示，并且要對CAD 圖修飾整合后，轉換成為GIS 的標準數據形式以便做好存儲和更新。

②管網圖形數據庫：管網圖形數據庫的關鍵是準確定位，通過探測部門取得的最新實測數據保證管線定位的清晰精確，將圖形數據進行分層與合并，在數據庫中形成完整的供水管線拓撲關系，設置不同供水管線的顏色區分，能夠實現管線布局的精準定位，能夠對不同位置和材質的管線和閥門進行準確區分，為供水管網的設計、施工和檢修提供便利。

③附屬設施數據庫：消防栓、水表、測流閥等附屬設施也是城市供水設計施工需要考慮的重要因素，GIS 系統通過存儲附屬設施的位置、規格等數據信息，對供水管網的設計施工提供重要參考。

④營銷數據庫：營銷數據庫主要面向城市供水行業的服務對象，包括天津市市內六區各營銷分公司管網維護過程中收集形成的巡查反饋故障及可靠性數據、用戶安裝水表等用水設備申請數據、設備故障事故上報數據等。

4 供水管網GIS 系統的技術路線

本節主要是天津市自來水集團基于本市供水管網實際所做的分析，供水管網地理信息系統的技術路線可以歸納為：采用需求導向型設計方法來規劃系統的應用，以建立數據庫為基礎，系統結構采用優化性能、成本低效益高的三層/N 層結構體系，圖1 所示。

4.1 邏輯結構

供水管網地理信息系統的應用結構分為三層，分別為：數據層、應用層、服務層。

數據層：儲存天津市自來水公司供水管網基礎數據（含地形背景數據、管網圖形數據、附屬設施數據）、營銷系統數據、SCADA 采集的其他數據等。

應用層：地理信息系統的核心應用，在移動設備或固定設備上顯示的圖形化界面，包含數據入庫與查詢、圖形顯示與編輯、數據庫管理、安全管理和對外服務等功能。

服務層：設計人員及管理人員訪問系統時的應用入口，進行技術管理、遠程監控、決策分析等。

4.2 應用模塊設計

①系統管理模塊：設計用戶登錄界面，天津市自來水公司負責該系統管理及維護的人員由統一界面登錄，經用戶名和密碼驗證，進入系統功能主界面，選擇功能按鈕調用其他界面，其主界面設置的功能包括數據備份與程序回復、管網線路數據字典與元件數據字典查詢、網絡日志管理、數據源組間管理等。②客戶服務模塊：模塊的主要組成部分分為線下營業廳服務和網上信息查詢服務。通過網頁設計，經瀏覽器在客戶端顯示的HTML 頁面，用戶可以在營業廳服務功能項下進行故障申報與維修業務；自來水各營銷分公司通過網絡查詢供水管網的管段信息、節點以及管網運行狀況、供水附屬信息等，實現日常管網巡查和維修業務的精準化。③管網數據分析模塊：在管網數據分析模塊中管網基礎數據模塊將前文整合的空間地理數據庫和管網零件數據庫轉換成GIS 標準格式。先將地形數據（如城市地形、各區界限、鐵路、街道、水體邊界線等）導入；再對供水管網中不同位置、不同材質的管線、閥門井、消火栓、水表、測流閥等需要存檔的管網附屬設施信息進行輸入、修改和移動等操作；最后對非業務屬性、地圖元素、用戶反饋等輔助性數據進行輸入。查詢統計部分可分為圖文雙向查詢、分級分類查詢、自定義查詢、業務系統相關區域查詢，設置相應的輸入—輸出程序，便于按照查詢條件精確提取并顯示出相應數據。同時建立讀取營銷抄表信息的接口；實時監測管網終端人為或自動修改的信息并及時發送管網運行狀況的SCADA 遠程數據采集接口。數據分析部分的操作建立在供水管網地理信息系統完備的前提下，由操作人員在線上的自來水管線分布圖上提取供水管段信息，并將其所在節點處打斷，特別是要在不同管徑或不同材質管道連接點打斷，方便對系統中的管線數據進行分層管理；再從圖幅中提取出各打斷節點，相應錄入各節點的管線屬性數據；最后利用網絡拓撲方式對節點以及管線屬性數據進行二次處理，建立管網模型。④管網安裝與維護模塊：根據市內現有的管網配套設施以及管網改造計劃，有序、準確地錄入管網竣工資料，更新管網地理信息系統中的管網現狀；營銷公司建立管網探漏、巡漏、維修結果存儲查詢等模塊。

5 結語

當前的供水管網地理信息系統具備了有效管理全市供水管網系統的功能，可為用戶和開發者提供一個實時更新、準確覆蓋、易分析的管網監控系統，企業、個人和政府共享系統中的各方面信息。還應利用GIS 分析、模擬等強大的功能，與matlab 等數據分析軟件結合應用，實現供水管網的大數據分析，為超大城市級別供水管網的運行和維護提供有力的數據支撐。