GIS在城市管網信息管理系統中的應用

雷 凱 張 震

（安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

城市管網是城市公共基礎設施不可或缺的組成部分，與城市居民的日常生活密切相關。城市管網承擔著城市物質輸送和分配、信息傳遞、廢棄物排放等任務。城市管網被稱為城市的“生命線”。城市管網種類繁多，布局密集，按用途分類，可分為排水、供水、電力、電信、熱力、工業、油氣和綜合管廊等。

隨著我國經濟的高速發展，城市管網規模不斷擴大。然而在現實中，各個管道權屬單位相互獨立，缺乏協調配合，管理混亂。這種局面嚴重制約了城市安全運營和居民生活質量。因此，如何對城市管網進行科學化管理，以保持城市有序、健康發展，成為當前該領域的研究重點。

傳統的圖紙、圖表管理模式因極低的管理效率和高昂的人力成本而逐漸過時。在一些管線權屬單位的管網信息系統中，存在著數據更新不及時、管線現狀不明確、缺乏管線資源共享等問題，導致城市管網規劃、建設和管理滯后于城市發展，已無法滿足大規模城市管網信息管理需求。因此，針對城市管網管理混亂問題，基于地理信息系統（GIS）技術開發的管網信息管理系統應運而生。近年來，GIS 技術逐漸成熟，且因其具有強大的空間數據處理與集成能力、信息輸出效果好、可用性強等優勢，從而得到廣泛應用。將GIS 技術應用于城市管網信息管理中，有助于精準、科學地描述城市管網的分布情況，支撐對城市管網信息的高效管理，并實現對城市管網數據的空間化和數字化管理。

1 GIS概念及應用現狀

1.1 GIS概念

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）是一種利用計算機來存儲、處理、分析和展示地理空間數據和相關屬性信息的技術。GIS處理與分析的數據為地理空間數據，其將地理空間數據輸入系統，使實體模型數據化，從而研究各地理實體間的空間關系。

在GIS 開發過程中，要綜合考慮用戶需求、專業技能和開發資源等因素，并進行相應的分析和評估，選擇出最佳方式來實現對應用程序的開發和部署，從而實現開發目標最優化的目的。GIS 開發可分為獨立二次開發、單純二次開發、集成二次開發。其中，集成二次開發的組件式GIS 是一種利用模塊化原理，將GIS 各個模塊拆解為獨立構建模塊，每個模塊用以實現不同功能。組件式GIS 因具有代碼可重用、擴展性強、可封裝性、開發成本低等優點［1］，從而使GIS二次開發周期短、難度小。

1.2 應用現狀

GIS 與計算機、環境、工程、測繪等學科聯系緊密，被廣泛運用在城市規劃、地理空間數據管理、遙感圖像處理、環境保護等領域，并取得顯著的社會和經濟效益。

1.2.1 城市規劃應用。通過GIS 技術可實現對城市數據的空間化管理、分析和可視化展示，為城市規劃提供科學依據和決策支持。GIS在城市規劃中主要體現在以下三個方面：一是空間分析能力與多源數據整合能力，如對城市地表覆蓋變化等災害事件進行模擬和預測；二是可視化呈現功能，如3D 建模技術可輔助城市規劃人員更直觀地了解城市布局情況及其變化趨勢；三是可控性和實時性強，如基于網絡傳輸和數據共享的計算機輔助城市規劃系統，可快速處理大量數據，并及時跟蹤城市化進程中所需的信息。

1.2.2 地理空間數據管理應用。通過GPS、遙感等方式獲取地理空間數據，并在此基礎上進行數據庫的檢索、更新與維護等工作。GIS 具備多種形式輸出地理空間數據的能力，可滿足應用需求。

1.2.3 遙感圖像處理應用。在對遙感圖像處理過程中，GIS提供強大的數據處理、模型分析和空間關系計算能力，輔助用戶研究地表覆蓋情況的分類劃分、環境質量監管等目標。例如，GIS技術結合土壤與農作物遙感圖像進行分析，對土壤類型、酸堿度、有機質含量等關鍵指標進行計算和評估，從而為精準施肥和改善土壤質量提供科學依據。

1.2.4 環境保護應用。GIS 通過地形分析、地貌分析等手段來研究生物多樣性指數及其變化趨勢。基于云計算、WebGIS 技術等的信息共享，使環境監測數據能在不同部門間高效傳遞與分享，從而全面了解環境狀態和危害源分布。

2 城市管網信息管理系統發展現狀

城市管網信息管理系統是一個采用通信、GIS等先進技術，集成城市各類管網信息，并進行分析、處理、展示和共享的計算機系統。該系統利用GIS等技術手段，將管網的空間數據與屬性數據相結合，實現對管網的精準定位與安全管理，具有較高的準確性、實時性和可靠性。利用該系統能幫助城市規劃、管網運營等相關部門更好地掌握城市管網情況，為城市建設和管理提供科學依據。因此，將現代化信息管理方法應用到城市管網中至關重要。本研究在對國內外大量文獻分析的基礎上，將城市管網信息管理系統國內外研究現狀進行歸納總結。

2.1 國外發展現狀

自20 世紀70 年代初起，美國、加拿大及歐洲等積極對城市管網信息管理進行研究，建立相應的管理系統，并獲得良好的經濟和社會效益。美國率先將管網信息管理系統應用于各大城市的給水管網中，較好地解決了城市供水問題。此外，美國Intergraph 公司還研發出一套功能強大的制圖與設備管理系統，為許多管網管理部門提供優質的服務。從20 世紀90 年代開始，GIS 技術被應用于城市管網規劃與管理領域中，許多國外大城市相繼建立了基于GIS 的管網信息管理系統，如巴黎，從而使整個城區供水系統管理水平得到提高［2］。21 世紀以來，GIS 技術快速發展并得到廣泛應用，歐美發達國家的管網信息管理系統已進入產品化研發階段。美國Reliant Energy 公司建立了電力與煤氣的綜合管理信息系統，并解決了模型與管網數據存儲統一的需要，為不同權屬管理部門提供一體化解決方案。

2.2 國內發展現狀

我國對城市管網信息管理系統的研究起步相對較晚，但通過多年探索和發展，取得了可觀的成果，該系統發展經歷了三個重要階段。第一階段在20 世紀80 年代末，中國開始探索城市管網信息管理系統。廣州市最早建立了城市管網管理信息系統（GUPIS），將全國管網普查、規劃、審批和管線信息結合在一起進行管理［3］。該階段主要存在管網信息管理困難、信息更新不及時的問題。第二階段在20 世紀90 年代，隨著GIS 技術與城市管網信息管理系統的融合，北京、上海、武漢等大城市相繼研發出城市管網信息管理系統，為后續研究開發奠定基礎。第三階段為21 世紀至今，由于各級政府與企業對城市管網管理的重視及信息技術的飛速發展，大量沿海城市建立了針對不同管理部門的城市管網信息管理系統。

綜合國內外城市管網信息管理系統發展歷程，該系統的發展經歷了多個階段，從最初的管網信息管理系統建設，到管網信息管理系統與圖形處理相結合，以應對管網數據量大，統計和查詢困難的問題，再到圖形數據和屬性數據相互關聯，實現基于空間與屬性數據的統一管理，再到結合GIS 技術，使得管網空間數據與屬性數據能實現高度一體化管理，GIS強大的空間分析能力為系統提供統計、查詢、分析、預警等服務。

3 GIS在城市管網管理中的應用

GIS 技術在城市管網管理中發揮著重要作用，縮小了先進需求和落后管理方式間的差距，大幅提高城市管網資源管理水平，加快城市區域間的聯系，并深化協作。

3.1 管網數據管理

城市化進程的不斷加快，使得城市管網愈發密集，且呈現出多中心、高維度、網絡化復雜等特點，也帶來了管網數據量巨大、信息來源多樣且分散、協調難度大、計算量大等問題。為有效解決這些問題，并提高管網性能，要充分利用現代信息技術手段對管網信息進行管理。

GIS技術在城市管網數據管理中發揮著重要作用。使用GIS 技術對采集的管網數據進行規整、統一和編碼等操作，實現對整個管網系統的空間及屬性信息統一管理的目的。GIS 技術能快速地編輯、更新和刪除管網信息，并確保這些操作不會影響到現有數據的完整性和精度。此外，GIS 技術還可對數據、設備狀態及故障信息進行日常管理，以便在出現問題時，能快速調取最近的數據進行分析，從而找出最佳解決方案，提高管網運營效率。通過建立數字化管網數據庫，并對其進行日常更新和維護，可快速記錄并展示管網系統的各種物理特性和運行參數。其中，管網數據管理的重點是為城市相關管理部門提供準確、可靠的管網信息，因此需要掌握好各種物理特性和運行參數，并保持數據的同步性和準確性。只有如此，才能確保管網的正常運行。

3.2 管網日常維護管理

管網日常維護是指根據城市管網的實際情況，采取定期巡檢、監測、清淤、防腐、漏損檢測等措施，完成對管網的維護。GIS技術用來協助管理人員全面了解管網運行情況，提高管理人員的決策效率和工作質量，可保障管網設施的安全、穩定運行。

GIS技術能將管網空間位置信息與各種屬性信息相結合，形成一張完整的管網數字地圖。通過空間檢索與查詢操作，可快速查找特定坐標下的管道、設施或配件等信息，并進行實時更新和顯示。同時，還可根據輸入的查詢條件，結合多種統計分析算法，對管網元素進行空間分布密度、長度、覆蓋率等的分析，幫助管理員及時了解供水管網的狀態和性能，并快速發現潛在問題，從而優化管網運營管理，提高管網服務水平和效率。例如，利用數學建模等方法對管道中的水流進行模擬，計算和分析出各種參數（如水壓、流速、液位變化和阻力系數等）并將結果進行可視化顯示，幫助管理員了解和分析管道中水流的運動狀態和特點。通過管道流動模擬，管理員可根據實際情況及時發現管網中可能存在的問題，如管道堵塞等，并通知相關技術人員對管道進行疏通或維修處理。

3.3 管網調度管理

管網調度是指對各類管網進行實時監測和數據采集，并對采集到的數據進行分析與對比，從而完成對管網運行狀態進行有效控制和優化管理的過程。其主要目的是確保城市管網的安全性、可靠性和穩定性，滿足各種情況下不同區域供需平衡關系。例如，在城市供水管網調度管理中，傳統的經驗調度法已無法滿足目前管網信息化管理需求。采用GIS 技術，結合城市供水管網實時監測數據，建立數學和物理模型，能有效計算和預測出水流動情況和水壓。基于歷史數據的分析結果，對城市供水調度過程進行優化，從而實現實時交互并提高管網調度水平。針對可能出現的問題進行快速反應，并做出相應的出水方式調整和泄洪控制。運用GIS、云計算和大數據等先進技術，廣州市建立了龐大的供水管網調度系統中心，實現了從源頭到出水口的全過程自動化監測、預警和管理。該系統可自動記錄管道布局、用水量、水壓、水質等數據，并通過實時在線分析和處理來及時發現異常情況，并采取適當措施，保障了廣州市供水服務質量穩定、可靠、安全。

3.4 管網應急響應管理

管網應急響應管理是指在城市管網發生緊急情況時的處置和應對措施。當城市管網出現泄漏、破裂、爆炸等現象時，采用傳統的紙質記錄方式來處理搶修工作，存在著應急反應遲緩、費時費力、維修難度加大等問題。GIS技術能對城市管網中突發事件或故障進行快速、精準定位，并及時處置。通過對各類管道和附屬設施數據在地圖上的精確呈現，并進行分析，在事故發生后，能快速發現事故的具體位置，提高現場處理效率。

GIS爆管分析可用于評估管網事故發生后產生的影響和危險程度及探測可能導致爆管的因素。該方法主要對管道泄漏、破裂等進行定量評估，計算出在不同條件下形成的壓力波，及其擴散影響范圍和損害程度。在爆管分析中，需要輸入多種參數，包括管道材料、直徑、長度、壓力等信息，從而模擬出真實情況下管道爆裂或噴灑溢出狀態，以便運維人員及時予以預警和維修。通過全面數字化方式來展示和管理管網設施信息，并建立聯動、預警和智能應急響應機制，為城市管網設施安全運行提供科技支撐和必要保障。例如，上海市水務部門在對城市供水系統進行詳細檢測后，結合GIS 技術，建立全區域的智能水管系統，利用實時監測數據進行爆管分析和控制，同時對管道進行定期檢修和維護，保障供水系統能長時間穩定運行。

4 結語

GIS空間數據分析與管理技術在管網系統中發揮著重要作用，是實現管網管理信息化、數字化、智能化的核心技術，也是業內當前研究重點。本研究通過介紹GIS 原理及其應用現狀，探討城市管網信息管理系統的國內外發展階段，深入分析了GIS技術在城市管網信息管理系統中的具體應用，為了解城市管網信息管理系統的現狀和發展提供參考。當前，城市管網信息管理系統處于快速發展階段，雖然融合了GIS、三維可視化、云計算等先進技術，但仍面臨以下三個問題。①系統開發缺乏統一的行業標準，且開發周期長、資金投入大，使得系統推廣受到限制。②各地區通常會獨立開發管網信息管理系統，導致信息難以共享，易出現“信息孤島”［4］。③系統的開發主要集中在桌面端和Web端，移動端應用尚未得到廣泛應用。

綜上所述，城市管網信息管理系統研發應從以下三個方面出發：①系統開發平臺與數據庫應向標準化方向發展，有利于提高系統的開發、管理與維護效率，同時可降低城市管網管理成本；②隨著城市間協作的不斷加強，未來各區域間管網信息共享的趨勢勢不可擋；③移動互聯網的廣泛應用，將驅動城市管網信息管理系統向移動端發展。結合GPS 與GIS 技術的移動APP 可在現場實時辦公，并通過5G 網絡進行數據傳輸，將現場采集的數據直接導入后端參與監理檢查入庫、管線分析、管線應急管理等，能更好地提供管理服務［5］。