基于GIS的凈水廠地下管線精細化管理實踐

李 柱 陳 敏 徐 浩

（1.上海城投水務（集團）有限公司，上海 200086；2.上海積成慧集信息技術有限公司，上海 200233）

地理信息系統（GIS）可以實現對底層感知數據的采集、加工、傳輸和存儲，通過系統平臺實現分析、查詢和檢索功能，是一款一體式的地理信息計算機系統。

GIS利用現代計算機圖形和數據庫技術可以實現高級分析，在城市地下供水管線、燃氣管線等方面被廣泛應用，實現了城市地下管線資料管理的動態性、規范性、便捷性和高效性等。但在工廠內開展綜合管線GIS系統建設的成熟案例較少[1]。水廠是城市供水體系的重要組成部分，由于水廠地下管線種類繁多、綜合復雜，是水廠安全穩定運行的薄弱環節。因此，在水廠內運用GIS系統管理地下綜合管線具有重要作用[2]。

1 GIS系統的建設

1.1 GIS系統開發思路

基于現有的供水示范區供水管網GIS系統進行數據及功能的擴展。通過新增功能模塊實現對水廠內部管線及設施的管理，結合現有供水管網GIS系統的功能和水廠的實際情況實現數據精細化管理。

建立水廠GIS基礎數據庫，進行基礎數據整理。收集水廠相關的設計圖紙、竣工圖紙，對水廠構筑物、管線、設備等屬性信息進行整理，并對數據庫結構進行設計和管網數據數字化，將基礎數據批量導入數據庫。

建立物探數據導入標準，形成長效數據機制。結合水廠管線及設備的管理要求，針對性設計、制訂地下管線探測方案，采用實地調查與物探的方法，探測現有水廠地下管線具體位置，繪制地下管線圖，全面、清楚掌握管線的分布狀況，為水廠的地下管線探測工作提供信息資料方面的技術保障。采用模塊化的建設方式開發軟件。建立通用的數據庫結構，標準的數據入庫規范，靈活的模板定制功能，便于后續對數據的批量錄入和數據維護。打通GIS系統與數字孿生平臺的數據交互通道。在孿生平臺中實現GIS系統的數據和定位支撐功能，提高數字孿生系統的精細化場景運用能力，開發App版的應用模塊便于管理人員現場查詢、定位和分析。

1.2 GIS系統的功能設計

GIS系統主要包括圖形展示、圖形瀏覽、查詢檢索、統計分析、管網拓撲分析、遙感影像應用、圖形測量功能、圖形打印等功能，針對供水廠的精細化管理需求建設多種專題應用模塊[3]。水廠GIS圖層具體劃分為管線層、設備層、節點層、構筑物層。管線層包括原水管、生活水管、排泥管、加藥管、電纜、信號線等；設備層包括閥門、消防栓、機泵等；節點層包括彎頭、三通、管點等；構筑物層包括清水池、沉淀池、濾池等。圖層的屬性信息均將按照水廠屬性配置標準進行數據結構化設計。

在App模塊中，水廠專業技術人員可以在智能手持端GIS系統中直接進行電子地圖的瀏覽和操作，實現不同圖層的切換、地圖的縮小或放大、地圖漫游和窗口移動功能，便于管理人員的巡檢作業和維修[4]。

1.3 GIS系統的架構設計

GIS系統架構如圖1所示。

圖1 GIS系統架構

整個系統架構包括數據采集層、數據管理層、運營管理層、決策支持層4個層面。數據采集層主要采集廠內各類地下管線或電纜的物探數據、管線/設備標牌資產臺賬數據、各類附件數據等，各類數據按照完備的數據校核規則進行校驗，將符合要求的數據導入GIS數據中心；數據管理層主要依據數據校核規則，包括網絡拓撲分析、管網屬性信息邏輯錯誤校核、管線管徑數據校核、冗余數據校核、重復數據校核等，通過數據的管理提高數據質量；運營管理層主要圍繞管線的管理業務展開，包括空間查詢、剖斷面查詢等常規功能，同時開發了App應用場景；決策支持層包括系統分析和專題應用，實現突發應急事件的輔助決策、新員工培訓教學等功能。

1.4 GIS系統技術指標控制

考慮到水廠地下管線的管理精度，要求明顯管線點探查精度如管道或電纜的埋深誤差為±5 cm，地下隱蔽管線點如電纜、通信管線等的探查精度為水平位置限差0.10h，埋深限制在0.15h以內（h為各類管線的中心埋深）。水廠地下管線非常重要，測量精度要求平面位置中誤差（對比鄰近平面控制點）不大于±5 cm，重要管線的高程測量中誤差（相對鄰近高程控制點）不大于±3 cm。水廠地下管線測繪的精度要求在重要的區域內要與鄰近的建筑物、構筑物、相鄰管線以及規劃道路中心線的間距誤差不大于±0.5 mm。

1.5 數字化管理平臺技術指標

桌面軟件支持32位和64位Windows 10操作系統。瀏覽器應用采用B/S架構，支持主流瀏覽器。采用最新的HTML5技術，實現跨平臺的多終端應用，系統可以同時在智能手機和平板電腦運行[5]。手機App支持操作系統IOS 14.5和Android 11。

2 GIS系統的建設成果

GIS系統實現了測量平面控制GPS點11個，水準測量長度達20.00 km，地下管線探測范圍11.9 萬m2，管線測量總長度24.42 km，通過對數據進行匯總、審核，實現了數據庫功能，建立了水廠綜合管線精細化應用平臺。水廠綜合管線應用平臺如圖2所示。

圖2 水廠綜合管線應用平臺

水廠在研究應用平臺功能時應充分考慮基本功能的實現，如瀏覽地圖、圖層的分區管理、空間查詢和屬性展示，支持各類圖標和報表的自動生產等[6]。同時也開發了多種專題版塊的圖層制作，通過漸變色、餅圖或點密度圖等方式可以直觀地進行數據預覽、查看和比較，有利于管理人員通過GIS系統實現業務管控精細化、便利化。

應用平臺可以實現書簽功能，創建、管理書簽，將水廠的各類探明的管道管線屬性做成書簽導入導出和排序等，提供元素選擇、要素識別、查找、坐標定位、彈出框等地圖瀏覽工具，有助于提高管理效能。

空間數據精細化分析如圖3所示。

圖3 空間數據精細化分析

應用平臺可以實現拓撲關系，維護數據庫中空間數據的一致性和完整性，確保數據的穩定性。自定義拓撲規則的應用范圍，提供功能豐富的空間分析工具集以及集成的空間處理（空間分析）框架，通過桌面應用、瀏覽器應用以及手機App等多平臺快速并以三維形式顯示廠內構筑物、管線、相關設備以及管線、相關設備的屬性和資料。

三維管線及設備精細化展示如圖4所示。

圖4 三維管線及設備精細化展示

GIS系統結合廠內管線及設施的分類，建立數字化管線專題應用，將相關的業務數據匯總后通過專題圖的方式在地圖上展示，專題應用包括動力電纜管線專題、加藥管線專題、生產管線專題等。開發電子標簽現場綜合識別功能，通過智能手機實現對象的快速掃描、識別、信息錄入等，運用無線通信技術，在智能手機上實現快速瀏覽電子地圖、查看及查詢管網/閥門等設施的分布情況及屬性信息，通過電子標簽（二維碼、RFID）快速識別對應管網或設備數據等功能。

將GIS系統的數據納入數字孿生平臺，利用人員定位技術實現應急處置場景開發的快速響應、精準引導和地下管線位置確認等功能，通過GIS系統的應用專題可以在數字孿生平臺發揮預測和仿真能力。同時該系統引入了實景照片技術，利用360°全視角實景照片，與GIS平面資料相互補充，在實現可視化的基礎上更加具備分析和研判能力。

全視角實景照片結合數字孿生應用如圖5所示。

圖5 全視角實景照片結合數字孿生應用

3 結語

隨著城市供水安全保障能力的不斷提升，供水廠的地下綜合管線的精細管理顯得尤為重要，通過基于GIS系統的開發應用打造水廠綜合管線的精細化管理平臺，結合數字孿生與仿真平臺中交互使用，實現了更高水平和更深層次的管線管理能力，為設備設施安全運行和應急事件的快速響應提供了技術支撐和功能保障。