供水管網地理信息系統的設計

安理

（南充水務投資（集團）有限責任公司，四川 南充 637000）

0 引 言

隨著城市建設的發展，供水管網分布范圍廣、連接關系復雜，面對分散的管網和用戶，要求供水公司的管理手段、工作效率能跟上城市的發展，因而管網GIS 系統是供水事業發展、行業管理與服務的重要支撐和保障，也是保民生的技術支撐手段，關系到城市運行優化資源配置、政府職能提升、公共服務完善等各項任務能否順利完成。另一方面，隨著物聯網、人工智能、大數據等新一代技術的飛速發展所帶來的第三次信息技術產業革命以及城市不斷地發展擴容，將信息技術有效地與城市基礎設施融合、與城市的管理運行系統相融合已經成為未來城市發展的必然趨勢。新一代信息技術的發展為供水管網地理信息信息系統的建設提供了可能性。

1 系統需求分析

供水管網GIS 系統主要是以城市地形圖為基礎，細化的管網輔助數據為核心，以供水企業管理需要為根本，最終實現對供水管網所有數據的管理、更新、分析的有效信息化管理工具。方便各部門使用人員簡單快捷地瀏覽、查詢、統計、分析供水管網資產。并實現以GIS 平臺為基礎，管網數據為核心，集成營業、SCADA數據，實現管網運行狀態智能監控與營業用戶基本查詢。

2 建設框架

2.1 系統架構設計

所有業務系統遵循SOA 架構進行總體設計，主要包括基礎設施、業務系統、數據資源、數據管理工具、業務服務、標準規范與安全保障體系七部分，架構如圖1所示。

圖1 系統架構

2.2 網絡架構設計

供水管線信息紛繁復雜，不僅包含管線、閥門、消防、排氣等靜態數據信息，更包含壓力、流量等一些動態數據信息，想要實現對所有數據的處理分析以及對生產、運營、服務和管理，切實滿足供水企業的需求，進一步提升經濟效益和社會效益，就必須充分運用大數據地理信息、互聯網+、GPS 等先進的技術手段。基于GIS 數據中心核心技術，采用面向服務的體系架構（Service Oriented Architecture,SOA）進行建設，如圖2所示。SOA 的雖然不是什么新東西，但是有一點，它可以在最新的和現有的應用上創建應用，提供給企業更好的靈活性來構建應用程序和業務流程。

圖2 網絡框架

3 技術方案

3.1 數據建設

數據是基礎，也是信息化的根本。數據主要包括管網數據、業務數據、感知數據、地形數據等。地形數據包括水系、植被、居民地、道路等；管網數據包括管段、閥門、消防栓、泵房、水表等；業務數據包括巡檢、維修、工程、營業、報裝等業務流程數據；感知數據主要為實時監測的流量、水質、水壓數據。

3.1.1 地形數據

結合現有數據情況，以原有地形數據為參考，接入百度、google 商業地圖或對接國家天地圖、省級天地圖、各市共享政務地圖等，實現地形數據的獲取與展示，保障地形數據的現勢性。

3.1.2 已有管網數據入庫

將現有管網資料（CAD 數據、MAPinfo 數據、竣工圖紙等）進行原始數據收集、分析、確認處理方案，進行數據處理和檢查，完成數據建庫，最終將CAD、MAPinfo、其他竣工數據入庫到GIS 系統中。

在新數據錄入過程中制定數據規范，整合不同供水管網數據和附屬設施數據，形成具備統一格式、統一分類等標準的供水管網據和附屬設施數庫。采用“空間與屬性數據有機結合”的技術路線，對供水企業服務范圍內的所有供水管網數據進行檢查、修改、入庫等處理。根據供水企業的數據類別需求進行數據處理，以方便、快捷實現數據的查詢、錄入、導出等，最終建成空間數據和非空間數據為一體的數據庫。

數據建庫入庫流程如圖3所示。

圖3 數據建庫入庫流程

3.1.3 管網數據探測

將公司不具備電子數據的、口徑300 mm 及以上的管網約300 km 進行探測，然后進行數據處理和檢查，并建庫、入庫到GIS 系統中。

管網數據探測是在已有的管網數據整理與入庫工作的基礎上，對未上圖且無相應參考資料的管網數據進行普查探測，并將普查完成的數據及時導入到數據管理平臺中，對其進行檢查與校核，以提高供水管網的準確性與完整性，為巡檢養護、工程建設、水力建模、管網分區及計量傳遞體系的構建提供準確可靠的數據基礎。

3.2 GIS 平臺建設

3.2.1 平臺特性

MapGIS 平臺采用面向服務的SOA 架構，它可以在最新的和現有的應用上創建應用，提供給企業更好的靈活性來構建應用程序和業務流程，以服務的方式實現信息在各供水部門的共享利用，可有效避免重復建設；同時，MapGIS 平臺具備分布式跨平臺可拆卸多層結構體系，克服了傳統分布式數據庫的缺點，支持分布式空間信息發布與共享，支持多用戶編輯，不僅大大縮減了供水企業業務流程，而且節約人力物力，是供水企業的最佳平臺選擇，也為未來供水行業的信息化發展提供了建議。

GIS 系統可以通過服務的方式提供GIS 的全部功能，支持OGC 標準服務，不僅包含最基本的地圖查看服務、數據查詢服務、數據編輯服務等，外還擴展提供三維分析服務和面向供水行業專題應用服務。

SOA 架構是具有跨區域、跨專業、跨平臺等技術特點，真正做到數據、功能全共享。基于SOA 架構的供水綜合信息服務具備服務聚合能力，能夠滿足多種供水地理信息和專題業務信息整合，具有數據整合、信息整合、服務整合能力。

同時，系統提供完整有效的二次開發包，支持開發語言：C/S 系統：C++、VB、C#等，B/S 系統：Flex、silverlight、JAVA、javascript、net 等，并進行二次開發培訓，方便客戶將來自行或委托第三方對系統進行再次深度開發。

3.2.2 功能模塊

（1）GDB 企業管理器。主要負責數據的存儲與管理，GDB 企業管理器的優勢在于不止一種方式連接管理本地和遠程數據庫，除了最基本的本地連接，還包含ODBC 連接、Web 服務連接等。

（2）地圖編輯器。MapGIS 可以根據供水企業的需要，提供多種方便快捷、高效輸入方式來選擇，如掃描矢量化輸入、其他數據源的數據接口、圖形輸出等。MapGIS 編輯器的主要功能為：

1）影像校正：根據供水企業提供的若干控制點數據，即可對影像進行校正處理，使導入的影像信息與現有的影像信息在幾何精度和坐標位置保持一致，以防出現因坐標系不同等原因造成的位置偏移。

2）圖形輸入：包含了手工、半自動和自動三種矢量化圖形輸入方法。不同的部門根據自己的需要選擇適合圖形輸入方法。通過圖形輸入，將柵格數據轉換成矢量數據，再進行編輯、輸出。

3）圖形編輯：點、線、面、地物標注要素等數據編輯與處理等。把空間地物主要分為點狀地物、線狀地物、面狀地物和地物標注，然后再進行細化，如圖4所示為空間地物分類。

圖4 空間地物分類

4）圖形輸出：編輯器對需要輸出的圖形數據進行版面編輯處理、排版、進整飾，最終輸出多種符合行業標準的圖形文件，包括格柵圖形文件格式的TIF、矢量文件圖形的PDF 等。

（3）數據分析與處理。該模塊可以對多種類型的數據進行分析與處理，包括矢量數據、屬性數據等GIS 系統的數據分析與處理不同于計算機輔助繪圖系統，其優勢在于可以通過對數據空間疊加、統計分析等功能的操作后得到新信息，如爆管分析，通過找到爆管點的詳細位置，對該點周圍管線的連通性和供水方向的分析，自動找到最近的需要關閉的閥門。

（4）供水管網的編輯與分析。供水管網是由現實世界中所有地下供水管線和附屬設施的抽象顯示，管到的交叉點為節點。

1）供水管網的編輯與分析包括：對管線的編輯與分析、對節點的編輯與分析、對附屬設施的編輯與分析。

2）供水管網的編輯包括：輸入節點、輸入管線、管線的屬性編輯，附屬設施的屬性編輯等。

3）供水管網的分析包括：連通性分析、供水流向分析、附屬設施使用年限更換等。

4）供水管網的分析與應用包括：查詢最佳接入路徑、查詢閥門控制范圍、查詢停水范圍等。

（5）柵格分析。通過有效地組織起研究區域內相關的柵格數據，并根據其地理分布建立統一的空間索引，快速調度數據庫中任意范圍的數據，進而達到對整個柵格數據庫的無縫漫游和分析處理。

1）數據編輯：支持對高程點的查詢，高程點坐標的查詢、方位的變換與平移、等。

2）數據分析：支持橫斷面分析、區域漏損分析、管線長度計算、縱剖面分析等。

（6）數據中心。MapGIS 從1991年發展至今，已走過30 多年，隨著架構技術和開發模式的不斷提高，它的數據中心從開始僅僅作為資源管理器，到現在同時作為系統開發器，實現了將資源管理器中的數據資源和功能資源分屬各自倉庫進行管理的同事，系統開發器采用柔性設計理念，使系統的搭建速度大大提高，能夠根據不同用戶的不同需求的迅速做出調整，真正實現了“零編程、巧組合、易搭建”。

數據中心的技術目標是實現多源異構數據的統一、層次化管理；能夠在統一的框架下實現多地理信息系統的協調工作；支持應用方案的集成搭建，為開發地理信息應用系統提供基礎支撐。包含產品示例，數據中心功能示例，工作流編輯器，數據中心功能倉庫，數據中心設計器，數據中心數據倉庫等內容。

3.3 系統建設

3.3.1 供水管網GIS 系統

（1）供水管網GIS 系統（C/S）。C/S 端主要是以城市地形圖為基礎，細化的管網輔助數據為核心，以供水企業管理需要為根本，最終實現對供水管網所有數據的管理、更新、分析的有效信息化管理工具，系統功能表如圖5所示。

圖5 系統功能表

系統功能主要包括：

數據入庫與管理。數據入庫與管網管理，主要用于地形圖數據和供水管網數據的日常管理與更新維護。包括地形圖與管網數據的入庫及管理，平臺可支持管網外業探測數據自動建網入庫、對竣工圖紙進行矢量化處理入庫及其他電子數據（AutoCAD、Arc/Info、MapInfo 等）轉換入庫等多種數據入庫方式。同時可對管網附屬數據、多媒體數據、輔助數據（定位線、地名庫、道路中心線等）等進行管理。

常用工具。主要包括視圖瀏覽、地圖定位、地圖標記、管線長度測量、截屏等。

查詢統計。提供圖屬互聯的雙向查詢功能，輔助供水企業用戶通過多方式了解供水管網以及輔助設備信息以及用戶自定義統計條件，對所屬范圍內的管網進行統計，如屬性統計、管徑統計、條件統計、閥門數量統計等，并可將統計結果生成不同的統計結果圖，如柱狀圖、餅狀圖等。對已經生成統計結果進行保存記錄，方便下次快速查詢。

打印輸出。系統可以對數據和圖形進行輸出打印。用戶根據需要，可選擇矩形線框、菱形線框或者任意范圍的圖形進行輸出打印。同時支持圖形（柵格化圖像（*.bmp、*.gif、*.png）、MapGIS 地理數據庫、CAD、ESRI ShapeFile 和MapInfo MIF 等格式）、數據（外業點表線表等）、卡片輸出（自定的卡片模版等多種格式數據輸出。

管網編輯。系統根據用戶的需求，提供針對不同空間數據編輯的工具，對來完成輸入、刪除、移動、剪斷、連接等操作；支持撤銷和回退功能。

（2）供水管網GIS 系統（B/S）。功能概述：該模塊主要是方便各部門使用人員簡單快捷地瀏覽、查詢、統計、分析供水管網資產。主要包括：

地圖瀏覽。提供豐富、流暢的地圖瀏覽功能，用戶可利用放大、縮小、移動、復位、更新、全屏等工具對數據進行全方位瀏覽，便于了解供水企業的全景地形地貌和供水管網分布情況。同時，還支持矢量、瓦片、谷歌地圖、百度地圖的疊加顯示與瀏覽，支持百度街景的查看顯示等。

地圖定位。系統提供多種定位方法，支持供水企業用戶通過多種渠道實現快速、準確的地圖定位，包括百度定位、地名定位、坐標定位、定位線定位等。

管網查詢。可以通過瀏覽器進行圖形和屬性信息的互動查詢，支持點擊查詢、快速查詢、按位置查詢、條件查詢、沿線查詢、緩沖區查詢等查詢方式，支持用戶通過多種方式實現查詢管網屬性信息的目標，如圖6所示。

圖6 管網查詢

資產統計。系統根據供水企業用戶的日常統計工作，提供了按道路、材質等屬性統計設備數目，或按管材、管徑等屬性統計管線長度等常規統計功能。針對所有類型設備，可以進行通用統計。系統可靈活配置一鍵式菜單，對于經常用到的統計方案，便于今后一鍵式完成統計任務，有效減少紛雜的條件設置環節。統計結果可以以圖表、列表的方式進行可視化展示，并可以導出為Excel、png 等格式。

糾錯。用戶在瀏覽地圖時，當發現管網數據的屬性信息存在錯誤，可以通過管網糾錯功能將錯誤信息進行上報，由審核員審核上報的糾錯信息，審核通過后，修改的屬性信息可以直接進入數據庫。

3.3.2 內外業一體化采集系統

管網采集系統由監控端和手持端兩部分組成，當有新的探測任務時，可以由管理員在PC 端新建一個管網探測工程并派發給探測人員，派發的任務直接發到手持終端。如果是臨時性的探測任務，也支持探測人員在手持端直接新建探測工程并派發給自己。

3.3.3 管網維修工單系統

維修工單系統由維修人員手機和GIS（B/S）端構成，內業系統直接派單和任務完成后的回單形成了對維修業務流程的精簡，統一管理與協調，智能化的管理不僅為維修任務工單流程的一體化解決提供了有效方案，更實現維修模式創新。

4 結 論

供水管網地理信息系統的設計基本滿足了企業對供水管網的管理需求，不僅可以為企業節約人力和財力成本，而且為企業的長遠發展提供了技術保證。該給水管網GIS 系統的建設，也為企業信息一體化打好基礎，未來可以與企業的SCADA 系統（數據采集與監視控制系統）、水費計算和收繳系統、企業辦公系統等相結合，在系統內實現企業所有部門的辦公需求，為企業員工帶來最大的便利，為企業領導者的決策提供最有力地支持。