基于GIS的城市供水管網信息系統設計與應用

牟鳳云，王云飛，羅 丹，官冬杰

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2. 西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224)

0 引 言

供水管網是“城市的生命線”，特別是對于大型城市，供水輸配管網具有多水源、多水廠、多節點、大管網、大水量、長距離等特點，針對城市供水管網管理的專題應用系統的研發是現代城市發展的要求。地理信息系統(Geographical Information System, GIS)是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術，其特有的可視化表達和空間分析功能符合供水管網信息所具有的與地理位置相關、區域性強、動態和數據量大等特點。

作為城市管網的重要組成部分，供水管網的GIS是建立在計算機上以實時動態的供水管網圖為基準的，要求系統能夠存儲全部管網圖形和屬性信息，并可以隨時更新，能方便的對管網進行各種查詢，實現供水管網信息系統的可視化管理，進而可以對各種供水相關信息進行快速查詢、檢索、統計、及時修改更新、空間分析等，從而為企業的供水規劃、設計、調度、搶修和圖籍資料的檔案管理提供強有力的科學決策依據。

目前國外有許多優秀的供水管網信息系統平臺和軟件，如美國的Intergraph公司的AM/FM軟件實現了在管網信息系統中的應用；德國Siemens公司的設施管理平臺SICAD-UT廣泛的用于電力、煤氣、自來水等市政實施的管理、規劃以及分析[1]。我國的地下管網信息系統應用相對起步較晚，隨著城市規模的不斷擴大，許多城市如上海、沈陽等已經運用GIS進行地下管網的信息化管理。

筆者結合當前地理信息系統技術與軟件發展趨勢，以及城市供水管網的應用需求，設計了基于GIS的供水管網信息系統。系統詳細設計模塊包括數據組織、系統模塊功能、系統模塊接口和模塊控制邏輯。其中系統用到的數據庫主要包括基礎地形數據庫、綜合管網數據庫、供水管網數據庫、圖檔數據庫；系統模塊功能分為17個子系統功能模塊；系統模塊接口有4部分關鍵接口。

1 系統模塊數據組織

模塊數據組織對數據庫進行設計，確定各類數據庫中需要管理的數據并與模塊進行關聯，使模塊有針對性的調用數據庫數據，減少不必要的檢索時間。系統用到的數據庫主要包括基礎地形數據庫、綜合管網數據庫、供水管網數據庫、圖檔數據庫。

1.1 基礎地形數據庫

基礎地形圖是系統的基礎數據，是整個系統數據的空間位置參照。包括：區界線、區名標號、鐵路、道路、道路中線、道路名標號、街巷名標號、水體門牌號、房屋結構標號、籬笆、圍墻、圖根點、天文點、水準點、三角點、導線點等[2]。主要支持數據更新維護模塊、視圖調用模塊、空間分析模塊、用水調度管理模塊、用戶管理模塊以及事故處理子系統中各模塊的調用[3]。

1.2 綜合管網數據庫

綜合管網數據為建立綜合性管網隧道提供各類管網系統的要求，并將管網中包括的各類管線的屬性提供給供水管網的管理系統，在事件處理中起到參考作用。主要包括煤氣管網數據、排水管網數據、污水管網數據、電力管網數據、電信管網數據等。支持數據更新維護模塊、數據分類統計模塊、視圖邊界線、水體名標號、建筑物外廊、建筑物名標號、操作子系統中各模塊、空間分析模塊、拓撲分析模塊以及事故處理子系統中各模塊的調用。

1.3 供水管網數據庫

供水管網數據是整個管網信息系統的核心數據。不僅要體現各種管網要素的空間位置信息，而且要可以查詢到某一個空間對象的對應屬性信息。供水管網包括普通給水管線、中水給水管線等管線設施和消防栓、閥門、排水閥、排氣閥等管線附屬設施。所有要素只分為點和線兩種類型，以P和L表示，并按照一定的規律進行命名，結合用戶需求以及系統應用要求設計要素屬性表[2]。主要支持數據更新維護模塊、數據分類統計模塊、視圖操作子系統中各模塊、規劃設計子系統中各模塊、管網監管子系統中各模塊以及事故處理子系統中各模塊。

1.4 圖檔數據庫

圖檔數據庫用于存儲和管理各類圖檔文件，數據庫為各個圖檔建立了標識索引，賦予地名、區域、圖號等屬性，方便調圖使用。主要支持圖檔日志管理模塊、視圖調用模塊、規劃設計子系統中各模塊、用水調度管理模塊、管網監管子系統中各模塊、事故處理子系統中各模塊。

2 系統模塊功能設計

系統共有7個子系統：數據管理系統、視圖操作系統、規劃設計系統、業務管理系統、官網監管系統、事故處理系統和信息發布系統。根據系統的需要將系統設置為19個下屬各子系統功能模塊：數據更新維護模塊、數據分類統計模塊、圖檔日志管理模塊、視圖調用模塊、圖層設置模塊、要素量算模塊、空間分析模塊、拓撲分析模塊、用水調度管理模塊、用戶管理模塊、日常臺賬管理模塊、設備查詢檢索模塊、水力狀態描述模塊、泄漏事故處理模塊、水污染事故處理模塊、火災應對模塊、臨時關閥模塊、網絡發布模塊、打印輸出模塊(如圖1)。

圖1 供水管網信息系統功能模塊設置Fig.1 Layout of function modules of water supply pipeline network information system

2.1 數據管理系統

該子系統的操作對象是數據，在對數據進行維護和更新的基礎上實現對屬性數據的分類統計，并對使用過程中產生的各類成圖及日志文件進行分類存儲、制定索引規則等。

2.1.1 數據更新維護模塊

在基礎數據庫的基礎上，滿足數據實時變化的需要，在管網數據因不同事件而改變時，對數據做出及時相應的修改。能方便的調用數據庫，精確定位數據，對數據庫中的數據進行添加和修改，并建立相關數據關系和操作日志文件。

2.1.2 數據分類統計模塊

真實準確的統計數據是對地下管網區域分布狀態、規模、供水能力最有說服力的描述。包括屬性統計、按管線口徑統計長度、按設備口徑統計、按設備安裝年代統計等功能。用戶可選擇統計參數，系統使用對應的SQL查詢語句從數據庫中查詢到用戶所需要的數據，并返回給用戶。或在圖層中用鼠標指定一塊區域，系統可統計出該區域內管線、設施的數據量，并可以轉換成二維、三維柱狀圖形[2,4]。

2.1.3 圖檔日志管理模塊

對各類事件分析處理時生成的圖檔和日志提供歸類、管理、輸出、瀏覽等功能并對其建立地名、區域、圖號等索引方式以方便調用，是一種使用數據庫建立索引列表來管理文件數據的方式。

2.2 視圖操作系統

對視圖的操作從加載圖層開始。系統加載圖層后，可通過調圖操作來定位操作區域。系統設計調圖方法包括按地名調圖、按區域調圖及按圖號調圖[2]。定位操作區后，能夠進行圖層設置和要素量算。

2.2.1 視圖調用模塊

一種視圖查詢手段，通過按地名調圖、按區域調圖及按圖號調圖等方式將視圖定位于加載圖層的某一需要操作的區域上，類似于視圖標簽的使用方式，但是標簽的建立方式是在編輯圖檔管理索引時建立起的，可以直接調用。

2.2.2 圖層設置模塊

圖層設置包括地圖圖層設置、標注設置及符號設置。設置的內容是為圖層對象添加特征屬性，增加各圖層間的區分程度，同時使圖層信息更加直觀明確。

2.2.3 要素量算模塊

要素量算包括距離交匯定位、距離量算、面積量算、綁點量算等，用于閥門的綁點距離、管線長度和服務區的計算，也可以應用在設施查找定位、規劃設計方面。

2.3 規劃設計系統

利用城市土地利用數據、地質數據制成用于分析的城市狀況矢量圖。根據各類管線的鋪設要求進行空間分析和拓撲分析操作生成管網系統位置圖。對位置圖進行拓撲查錯、標注，最終決定管網系統的建設方式與位置，并估算工程量與預算及制定施工步驟與進度。

2.3.1 空間分析模塊

空間分析模塊主要服務于規劃設計子系統，其中的某些功能也被事故處理子系統調用。主要按照需要進行緩沖區分析、疊加分析、三維圖形處理、橫斷面分析、縱斷面分析等分析操作，用以管網的建設規劃。另外可以分析事故影響范圍和變化趨勢。

2.3.2 拓撲分析模塊

拓撲分析是就管線建立拓撲關系并根據各類管線行業習慣制定拓撲規則，對現有的管網設計進行拓撲查錯以滿足各類需要。

2.4 業務管理系統

業務管理系統用于用水調度管理、用戶管理和日常臺賬管理[5]。

2.4.1 用水調度管理模塊

用水調度管理是應用于處理各類不同的用水需求，如施工需求、工業需求等，可根據管線的容忍程度改變供水量、水壓和供水范圍。

2.4.2 用戶管理模塊

針對用戶信息，可提供各種用戶、水表屬性查詢，實時讀取水表用水量。

2.4.3 日常臺賬管理模塊

包括日常維修管理、定期維修管理、接水工程管理3個相對獨立的臺帳，分別提供相應的編輯、查詢、統計工具。

2.5 管網監管系統

管網監管系統提供多種查詢檢索功能和水利狀態描述等功能。

2.5.1 設備查詢檢索模塊

包括點選查詢、區域查詢、條件查詢、屬性查詢、圖號檢索、查詢報表等查詢檢索功能，用于隨時了解管道的材質、閥門的屬性及閥門種類、口徑、設備中心坐標、井口坐標、管頂深度、匙頭樣式、裝設方式、安裝時間、普查時間、安裝單位、更換時問、開關狀態(開、關)、開啟方向、開啟圈數、運行狀態等信息[1]。

2.5.2 水力狀態描述模塊

以制圖功能為主，具有繪制管網等水壓線、水流方向動態模擬、生成管網供水區域圖、繪制供水區域圖、繪制用水分布圖、供水路徑查詢、壓力滿足區范圍查詢、其他平差計算結果的查詢等功能，用于對供水管網中的水力狀態進行監管[5]。

2.6 事故處理系統

該子系統提供與管網監管系統的聯動機制，主要具有4部分功能：泄漏事故處理、水污染事故處理、火災應對和臨時關閥。

2.6.1 泄漏事故處理模塊

系統監測到爆管等漏水事故并確定漏水位置后，立即計算需要關閉的閥門、受影響的用戶，打印各種通知單等。當關閥搜索中有的閥門已經失靈(比如銹死)，根本無法關閉時，系統提供多級關閥搜索，通過關閉上一級閥門來達到同關閉此閥門一樣的效果[6]。

2.6.2 水污染事故處理模塊

基于污染檢測點返回的信息，通過關閉閥門來將污染限制在最小的區域內，并對該污染范圍內的用戶提出警告。通過監測點確定污染擴散趨勢盡可能找出污染源，并找出最有利的凈化劑投放處。

2.6.3 火災應對模塊

突發火災時，通過用戶指定失火處，并給定搜索條件，系統將能夠根據搜索條件，找出可用的消防栓，提供給消防部門[5]。

2.6.4 臨時關閥模塊

用于不確定因素下的關閥事件，按照需求提供關閥定位，并提供停水通知。

2.7 信息發布系統

對系統做出的各種分析和制圖成果進行有針對性的發布，實現即時通訊，使成果在第一時間進入需要的人手中。

2.7.1 網絡發布模塊

實現實時信息網絡發布的功能，讓瀏覽網頁的用戶能及時獲取信息，并能將系統生成的通知報表等以網頁的形式呈現出來，主要通過制作網頁和系統聯動網頁更新來實現。

2.7.2 打印輸出模塊

打印輸出各類圖檔和報表通知。

3 系統模塊接口

為實現各模塊的功能并達到預期的效果，要求系統內部的相互協作，也要求系統與其他相關技術方式的合作。系統中主要需要實現的4部分關鍵接口是：系統功能模塊與管道自感應系統間的接口，系統功能模塊與數據庫間的接口，系統內部模塊間的接口，系統功能模塊與網絡發布系統間的接口。

3.1 系統功能模塊與管道自感應系統接口

為實現管道泄漏的隨時偵測，可采用管道自感應系統，諸如，感應型管道——有兩條平行螺旋的導線纏繞于管道的覆蓋層，用來辨別泄漏時的電線狀態。每根線的間隔距離對線路沒有影響。為了實現大范圍探測，通常間隔5～10 cm[4]。當有泄漏發生時會通過電線介電常數的改變和TDR測量電線長度時輸出的電脈沖來計算距離并確定位置，為求位置的精確，要求電線的長度測量很精確。

當前，在地下供水管線復雜的條件下，該項技術尚沒有大范圍應用。可以改用其他信息接口進行設計，如國內水司常用的SCADA系統。

3.2 系統功能模塊與數據庫接口

能夠順利調用數據庫中的數據是實現各類功能的基礎。系統可使用GIS軟件本身內置的ODBC應用程序，通過它自己的遠程ODBC訪問遠程數據。

3.3 系統內部模塊接口

系統內部模塊接口采用過程語句調用的方式，編程實現各模塊后通過模塊的名字調用整個模塊，一個模塊只有一個入口，所有數據來往都以參數形式出現[7]。

3.4 系統功能模塊與網絡發布系統接口

系統提供給網絡發布的信息多數為文檔類，即使系統能夠直接進行網頁的編輯。

4 系統模塊控制邏輯

4.1 數據管理系統

數據采集人員通過登錄系統對系統數據庫中添加新的數據；數據管理人員通過登錄系統獲取對數據操作的權限，對數據進行維護、更改；數據操作人員對數據進行分類、統計，對圖檔、日志進行分類存儲、制定索引規則。

4.2 視圖操作系統

視圖操作人員使用視圖操作系統時先加載圖層，經調圖操作定位操作區，其后可根據需要進行圖層設置和要素量算的操作(如圖2)。

圖2 視圖操作系統Fig.2 View operation system

4.3 規劃設計系統

管網設計人員利用城市土地利用數據、地質數據制成用于分析的城市狀況矢量圖。經空間分析，結合各類管網布設需求，建立管網體系的設計圖。對設計圖進行拓撲查錯、標注，決定管網系統的建設方式與位置，并估算工程量與預算及制定施工步驟與進度。最終輸出施工圖和預算報表(如圖3)。

圖3 規劃設計系統Fig.3 Planning and design system

4.4 業務管理系統

調度員獲取用水調度任務后，調用基礎地形數據庫和供水管網數據庫中的數據，進行調圖操作后對管網中的閥門水泵等做出管理；用戶管理人員通過調用用戶信息數據查詢各種用戶、水表屬性，實時讀取水表用水量并將信息遞交給網絡發布系統；臺賬管理人員進行日常維修管理、定期維修管理、接水工程管理(如圖4)。

圖4 業務管理系統Fig.4 Operation concrol system

4.5 管網監管系統

設備狀態監管人員登錄系統后調用供水管網數據庫中的數據，進行各類查詢操作，及時發現管網中的各種異常情況并遞交給事故處理系統；水力狀態監管人員通過收集管網中水力信息繪制管網等水壓線、水流方向動態模擬、生成管網供水區域圖、繪制供水區域圖、繪制用水分布圖，通過調用基礎地形數據庫和供水管網數據庫的數據進行供水路徑查詢、壓力滿足區范圍查詢、其他平差計算結果的查詢等(如圖5)。

圖5 管網監管系統Fig.5 Supervision system of pipe network

4.6 事故處理系統

事故處理人員在獲取管網監管系統遞交的事故信息后，判斷事故類型。針對泄漏事故，調用基礎地形數據庫和供水管網數據庫的數據，進行關閥方案分析并采取措施，然后分析影響區域并向信息發布系統遞交信息同時提供搶修工作安排；對于水污染事故同樣調用基礎地形數據庫和供水管網數據庫的數據，對污染的擴散影響進行模擬預測，制定應對方案，發布預警信息；在獲得火災警報后調用基礎地形數據庫和供水管網數據庫的數據，查找消防設備，提供水壓信息；另外，可根據具體要求制定關閥的方案。

4.7 信息發布系統

信息發布人員對系統做出的各種分析和制圖成果進行分選，然后將成果有針對性的發布給需要該類信息的人。對于用戶信息和通知等公共信息進行網絡發布[8]。

5 結 語

城市供水管網地理信息系統，以電子地圖為基礎，利用計算機、GIS和空間數據庫技術，能快速提供真實準確的地理信息便于查詢及決策分析。管理人員可在計算機中存儲、顯示、查詢、編輯、分析、輸出城市供水管網地理數據和相關設施的空間位置、連接關系以及工程屬性等管理與分析決策，實現供水管理系統的網絡化、信息化和智能化，可很好地彌補傳統供水信息管理系統的不足，極大地提高未來城市供水行業信息化建設水平。

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