故宮地下綜合管線信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐勇

（故宮博物院，北京 100000）

故宮地下綜合管線信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐勇

（故宮博物院，北京 100000）

故宮為明、清兩朝皇宮，已有500余年的歷史，是世界上現(xiàn)存最大最完整的古代建筑群，也是人類珍貴的文化遺產(chǎn)。故宮院內(nèi)現(xiàn)有的管網(wǎng)種類較多、分布較密，以地下敷設(shè)為主。地下管線在一些主要道路等區(qū)域鋪設(shè)密集，地上管線很多也為隱蔽鋪設(shè)。院內(nèi)共有六類19種地下管線，它們分別是給水、污水、雨水、古雨水、熱力、電力、電話、廣播、電視、計算機、安防、防雷等地下管線。本文以故宮博物院地下綜合管線探測項目為依托，為增強故宮博物院地線管線管理能力，基于GIS平臺設(shè)計并實現(xiàn)了故宮地下綜合管線信息系統(tǒng)的建設(shè)。

GIS 故宮博物院地下管線 B/S和C/S混合架構(gòu)

1　前言

故宮博物院占地72萬平方米（長961米，寬754米），建筑面積15.5萬平方米，是明朝皇帝朱棣始建，于明成祖永樂四年（1406年）開始建設(shè)，以南京故宮為藍本營建，到永樂十八年（1420年）建成。1949年中華人民共和國成立以后，對故宮建筑進行了大規(guī)模的修繕，1987年故宮被聯(lián)合國教科文組織列為“世界文化遺產(chǎn)”，辟為“故宮博物院”。

故宮作為世界上最大規(guī)模的古代建筑群，具有一套完整的給排水系統(tǒng)，特別是古雨水溝的建設(shè)，保證了整個故宮建筑群落在大雨甚至暴雨中的安全。隨著時代的發(fā)展變更，如電力、通訊、熱力的現(xiàn)代化設(shè)施不斷進入故宮。故宮博物院內(nèi)管線系統(tǒng)與小型城市管線系統(tǒng)幾乎相差無幾，地下管線包括給水、排水（雨水、污水）、電信、電力、熱力、其他管道等幾大類，他們都是故宮博物院日常運行的“生命線”。隨著故宮地線管線建設(shè)程度的不斷深化，為保障每日數(shù)萬游客的正常參觀，地下管線的密集程度復(fù)雜程度不斷提升，如何科學(xué)有效的管理這些紛繁復(fù)雜的地下管線，讓不同層級管理人員對各自管轄的地下管線有清晰明確的認識，提高專業(yè)管理人員管理水平，使他們更好的發(fā)揮各自專業(yè)管理技能。同時降低一般管理員的管理專業(yè)門檻，通過基于GIS平臺地下管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，使一般管理員可以應(yīng)對簡單的管線管理、事件處置、預(yù)警報警燈工作。

2　基于B/S和C/S混合架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計

針對故宮博物院地下管線管理的需求，本信息系統(tǒng)框架設(shè)計采用B/S、C/S相結(jié)合的設(shè)計思路。其中C/S框架需要以AutoCAD作為支撐平臺，在該平臺上，地理資源管理信息系統(tǒng)軟件結(jié)合AutoCAD自身的功能，針對各專業(yè)的特點，提供專業(yè)化的軟件功能，并且通過授權(quán)，具有修改、維護、更新、備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)、安全權(quán)限管理設(shè)置的功能，這種方式適合專業(yè)人員使用。B/S框架不需要AutoCAD平臺作為支撐，通過瀏覽器就能實現(xiàn)瀏覽查詢、統(tǒng)計分析、圖面量算等功能，適合眾多的一般管理人員使用。

CS是客房端服務(wù)器模式；BS是瀏覽器服務(wù)器模式。它們最主要的區(qū)別是CS架構(gòu)的應(yīng)用程序需要在用戶的計算機上進行安裝。而BS架構(gòu)的應(yīng)用程序不需要在用戶的計算機上進行安裝，只需要有一個瀏覽器就可以運行BS架構(gòu)的應(yīng)用程序。C/S版與B/S版均設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)。C/S版基于Autodesk AutoCAD支撐環(huán)境，B/S版服務(wù)器端采用Autodesk的MapGuide作為圖形支撐環(huán)境。由于采用同一公司產(chǎn)品架構(gòu)下的支撐環(huán)境來開發(fā)，使得B/S版本與C/S版本銜接平滑，組成一種B/S和C/S的混合架構(gòu)。數(shù)據(jù)庫使用Oracle作為支撐，B/S和C/S端的GIS應(yīng)用程序通過各自服務(wù)器上的應(yīng)用程序讀取GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。B/S、C/S系統(tǒng)采用統(tǒng)一的用戶權(quán)限管理系統(tǒng)，支持多角色的安全策略，密碼經(jīng)過特殊的加密算法處理。B/ S、C/S混合架構(gòu)圖1所示。

從上圖1可以看出，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫和地圖數(shù)據(jù)是兩種框架系統(tǒng)所工公用的，C/S系統(tǒng)可以對底層的數(shù)據(jù)、地圖等信息進行編輯、保存，而B/S系統(tǒng)只能調(diào)取瀏覽數(shù)據(jù)，不能進行修改和編輯。這樣分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)使用者主動的分離開，讓專業(yè)人員集中管理和處理底層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而一般管理員或高層非專業(yè)管理者，通過B/ S系統(tǒng)快速的訪問、瀏覽和查詢系統(tǒng)信息。

3　地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1C/S系統(tǒng)實現(xiàn)

C/S架構(gòu)的系統(tǒng)則是通過AutoCAD客戶端訪問數(shù)據(jù)庫獲得相關(guān)信息。AutoCAD圖形系統(tǒng)具有自己的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。DWG文件其實就是一個小型數(shù)據(jù)庫文件，每一個AutoCAD圖形文件都對應(yīng)著一個數(shù)據(jù)庫（Database）對象，這個對象包含了AutoCAD中的所有圖形對象和非圖形對象，數(shù)據(jù)庫中的每一個對象都有唯一的句柄（Handle）進行標(biāo)識。Auto CAD數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對象模型圖2所示。

Auto CAD 圖形文件中存放著許多圖形數(shù)據(jù)和非圖形數(shù)據(jù)。有時需要將這些數(shù)據(jù)提取出來，以便能在 Auto CAD 之外使用它們。例如在空間數(shù)據(jù)建庫時，常常要將 DWG 格式的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并存入到空間數(shù)據(jù)庫中，這便需要了解從 DWG 中獲取數(shù)據(jù)的方法。下面介紹三種常用的獲取 Auto CAD 圖形數(shù)據(jù)的方法：直接讀取Auto CAD 數(shù)據(jù)庫；讀取DXF文件；使用DWGdirect 開源庫。

以 Auto CAD 軟件為基礎(chǔ)平臺，搭建了一個完整的地下管網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計遵循軟件工程設(shè)計思想，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)層面，依據(jù)行業(yè)技術(shù)規(guī)范與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，將地下管網(wǎng)的圖形和屬性數(shù)據(jù)以 DWG 圖形進行管理，提供了圖幅管理和文件目錄管理功能；在應(yīng)用層面，結(jié)合多方面的需求，以實際生產(chǎn)應(yīng)用為導(dǎo)向，系統(tǒng)提供了包括數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、輔助分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等多種功能。系統(tǒng)的總體框架如圖3所示。

Auto CAD 為用戶提供了一個可擴展的編程框架，允許用戶使用 API 進行定制開發(fā)。Auto CAD 為開發(fā)者提供了多種應(yīng)用程序接口，其中.NET API 因其開發(fā)簡單以及開發(fā)效率高的優(yōu)勢而被開發(fā)者廣泛使用。

.NET API是從 AutoCAD2006以后新增的開發(fā)工具包，它是把面向C++語言的Object ARX 開發(fā)包提供的類和函數(shù)封裝為托管類（Managed Wrapper Class），開發(fā)人員可在.NET 框架下使用任何.NET 支持的編程語言調(diào)用這些類進行開發(fā)。Auto CAD . NET API 是一種完全面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方式，在擁有C++相匹配的強大功能的同時，還具有方便易用的特點，是 Auto CAD較為理想的二次開發(fā)方式。目前，.NET API 還沒有托管Object ARX 中所有的類，也就是說，.NET API 還不能完全實現(xiàn)Object ARX 中的所有功能，如自定義對象功能。

針對故宮博物院地下管線管理的需求，C/S架構(gòu)的系統(tǒng)需要安裝AutoCAD軟件作為支撐平臺，在該平臺上，地理資源管理信息系統(tǒng)軟件結(jié)合AutoCAD自身的功能，針對各專業(yè)的特點，提供專業(yè)化的軟件功能，并且通過授權(quán)，具有修改、維護、更新、備份系統(tǒng)數(shù)據(jù)、安全權(quán)限管理設(shè)置的功能，這種方式適合專業(yè)人員使用。

3.2B/S系統(tǒng)實現(xiàn)

B/S架構(gòu)的系統(tǒng)在Web瀏覽器上的功能實現(xiàn)必須依賴GIS系統(tǒng)，而 GIS數(shù)據(jù)庫與Oracle數(shù)據(jù)庫通過地圖要素的ID進行相互關(guān)聯(lián)。本次使用MapGuide地理信息系統(tǒng)平臺，Web端通過MapGuide地圖服務(wù)的與Oracle數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。對于不需要GIS平臺傳遞的信息可以直接通過Web瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。因此MapGuide地理信息系統(tǒng)平臺是B/S系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心保障。

Autodesk MapGuide是Autodesk公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)圖形數(shù)據(jù)發(fā)布產(chǎn)品，具有開放性特點的GIS發(fā)布平臺.用戶不需要有專門的GIS瀏覽器，能直接從Internet網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中打開，用戶可以方便的對地圖進行漫游、放大、縮小、查詢等操作。Autodesk MapGuide可以利用其它GIS軟件生成的地圖數(shù)據(jù)進行有效的地圖發(fā)布，并留有多種數(shù)據(jù)庫接口。MapGuide軟件由創(chuàng)作器（MapGuide Author），瀏覽器（MapGuide Viewer），服務(wù)器（MapGuide Sever）三個核心軟件部件組成。

（1）MapGuide Author（地圖創(chuàng)作器）。用于集成GIS和CAD數(shù)據(jù)以及設(shè)計智能地圖。Author對圖形的制作和管理是通過管理MWF（Map Window Flie）來進行的。Author提供面向?qū)ο蟮木幊蹋脩敉ㄟ^設(shè)置對話框中的操作屬性就可以完成所有制作并可使地圖與數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，內(nèi)置SQL查詢。（2）MapGuide View（地圖閱讀器）。駐留在客戶端桌面（Web瀏覽器）上，用于查看智能地圖，并可為MapGuide最終用戶提供高度交互的地圖繪制環(huán)境，完成地圖顯示、放大、縮小、平移、多種選擇查詢及緩沖區(qū)分析、地圖打印、圖層數(shù)據(jù)編輯、修改等功能。可生成動態(tài)緩沖區(qū)，通過明細表、半徑、多邊形、緩沖區(qū)及交叉等方法選擇多個對象，可根據(jù)地址和地理名稱檢索地圖，還可讀、寫、修改圖上的點線面目標(biāo)。引人注目的是，它提供針對主流瀏覽器Microsoft IE，Netscape的開放的API函數(shù)，可供用戶增強其客戶端的操作能力，可以運用這一接口開發(fā)更專業(yè)的Intranet或Internet地圖應(yīng)用。（3）Autodesk MapGuide sever（地圖服務(wù)器）。用于將地圖及其數(shù)據(jù)傳遞到Autodesk MapGuide Author和MapGuide Viewer， MapGuide sever是運行于NT架構(gòu)的Windows系統(tǒng)上的與web服務(wù)器進行交互信息的地圖CGI服務(wù)器軟件.它是32位多線程軟件，可并發(fā)連接、訪問位于站點上的多個地圖文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。由于結(jié)合了Windows NT，可以實現(xiàn)查看事件日志、錯誤日志、訪問日志等功能。用于向MapGuide Author Viewer的用戶提供地圖服務(wù)，支持對多地圖文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的連接。

B/S架構(gòu)的系統(tǒng)不需要在本機安裝應(yīng)用程序，通過IE等瀏覽器就能實現(xiàn)系統(tǒng)信息的瀏覽查詢、統(tǒng)計分析、圖面量算等功能，適合眾多的一般管理人員使用。

3.3系統(tǒng)功能介紹

C/S子系統(tǒng)面向?qū)I(yè)管理與專業(yè)維護人員，用于對圖形和屬性數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、分析和更新。C/S子系統(tǒng)基于AutoCAD平臺，可支持的AutoCAD版本為2002～2006版；軟件的操作方式和AutoCAD一致。在AutoCAD環(huán)境下，使地圖的圖形對象（也就是具體地物）與數(shù)據(jù)庫記錄對應(yīng)，實現(xiàn)對各種信息的管理功能。這種方式繼承AutoCAD本身的固有優(yōu)勢，彌補了AutoCAD在屬性數(shù)據(jù)處理方面的不足。系統(tǒng)的功能如圖4所示。

B/S子系統(tǒng)面向一般管理人員和普通用戶，主要提供工程圖形和數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽功能等，滿足信息共享的需求，不支持地圖數(shù)據(jù)修改，其系統(tǒng)功能圖如5所示。

B/S系統(tǒng)也是采用Autodesk公司的軟件產(chǎn)品MapGuide來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布。客戶端系統(tǒng)在IE瀏覽器上實現(xiàn)軟件功能，軟件使用簡單、方便，無需專門培訓(xùn)。

4　結(jié)語

隨著故宮基礎(chǔ)建設(shè)工作的逐步深化，地下管網(wǎng)也將越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的圖紙答案資料不足以滿足對龐大故宮地下管網(wǎng)信息的管理工作，同時面對故宮發(fā)展、更新、管理的需求，建設(shè)一套科學(xué)合理的地下管線系統(tǒng)勢在必行。本文以故宮地線綜合管線探測項目為基礎(chǔ)，介紹了故宮地下管線系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。詳細的介紹了B/S和C/S兩套系統(tǒng)的具體設(shè)計思路和實現(xiàn)方式。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在故宮博物院內(nèi)正式上線使用，系統(tǒng)目前還有一部分功能需要進一步研究實現(xiàn)，但針對以前的地下管線管理來說，已經(jīng)有了突飛猛進的發(fā)展。目前隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展，如果將二維管線系統(tǒng)逐漸升級為三維可視化系統(tǒng)進行管理，將是日后研究工作的重點方向。

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