論物聯網和GIS技術融合在自來水管線設計中的應用

楊嘯

摘? 要：隨著城鎮化進程的不斷加快及城市生活的日益繁榮，城市自來水管網更加錯綜復雜。然而目前大多數管網管理仍采用傳統辦法，無法準確獲取管線位置，在維修和管理時帶來極大不便。文章結合當前自來水管線管理的實際情況，將物聯網與GIS技術融合應用，進行自來水管線的系統設計和實現，以期為自來水管線設計與管理提供一定的思路和借鑒。

關鍵詞：物聯網;GIS;技術融合;自來水;管線設計

中圖分類號：TU991.3? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0165-02

Abstract： With the continuous acceleration of urbanization and the increasing prosperity of urban life， urban tap water pipe network is more complex. However， at present， most pipe network management still adopts the traditional method， which can not accurately obtain the pipeline location， which brings great inconvenience in maintenance and management. In this paper， based on the actual situation of water pipeline management， the integration of Internet of things and GIS technology， the system of water pipeline is designed and implemented， in order to provide some ideas and reference for the design and management of water pipeline.

Keywords： Internet of things; GIS; technology fusion; tap water; pipeline design

隨著城鎮化進程的不斷加快以及城市生活的日益繁榮，城市自來水管網更加錯綜復雜。然而目前大多數自來水管網管理仍采用傳統管理辦法，無法準確獲取自來水管線的位置，存在與其他管線交叉并存或是壓住其他管線的情況，給自來水管網以及其他管線的管理、維護以及遠期工程建設都帶來了極大困難，甚至因為管線壓力，導致其他有毒物質如油庫管線等受壓泄露，發生起火、爆炸等嚴重事故，造成社會財產損失以及人員傷亡等。此外，自來水管網一旦出現問題，既浪費了水資源，且問題具體位置的排查也較為復雜，維修好后，還需要將之前挖開的地面進行還原，需要大量人力、物力的投入，管理成本較高。

因此，傳統的自來水管網管理模式已經不能適應現代城市供水現代化的管理需求，新興科技，如物聯網和GIS技術在自來水管線設計中的融合應用是我們亟待研究的重要課題。

1 物聯網和GIS技術融合

近年來，“物物相連”的物聯網技術已經在人們的日常生活中逐步應用實現。物聯網是世界信息產業的第三次革命，是指基于互聯網、局域網等現代電子通信技術，將傳感設備、控制設備、網絡設備、人員和其他物等通過一定的規程聯系起來，進而讓物品說話，實現物品智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理控制的網絡系統，其一般可分為三個網絡結構層次，即感知層、網絡層和應用層。地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）是以計算機系統為基礎發展的對地理分布數據進行采集、儲存、處理、運算、描述、分析的技術系統，被用來探索現實空間中物體的空間位置、分布以及其關聯屬性。

物聯網和GIS技術的融合應用，是自來水管網智慧發展的助推器，其通過在自來水管網中設置監控點，布置大量無線射頻（RFID）智能水表、水位采集器、壓力采集器、視頻圖像在線傳感設備等，實時采集管網、閘門、泵站等相關信息，并傳輸到數據中心進行管線信息智能化識別、定位、監控和管理。單純的人工方式設計、繪制、保存管線圖紙和圖表，無法適應管線管理及應急事故的發生，而所有監控點都利用GIS技術獲得其空間位置信息，以及其空間的基本特征后，同樣一張圖同時提供了高精度、高可靠性的空間信息可視化，全面、直觀、動態管理，極大方便了自來水管網系統的管理和維修，為自來水管網的遠期設計流程化、管線查詢一體化、管線管理數字化等提供了數據支持和決策依據。

2 系統設計

2.1 系統總體架構

物聯網和GIS技術融合設計的自來水管線系統共包括五層，分別是感知層、網絡層、數據層、應用層和交互層。其中，感知層是信息的感知，負責物聯網內來源于管道壓力流量傳感器、GPS和攝像頭等終端傳感器的信息采集和物體識別;網絡層是信息的傳輸，是物聯網內互聯網、局域網以及有線和無線通信網之間信息數據的傳遞通道，常見LAN、無線、移動互聯網等;交互層的作用是通過人機交互接口與操作者交互信息，以數據支撐層以及系統應用層為基礎，實現數據處理、分析和決策過程中的多信息需求和分析，進而實現自來水管線設計的智能化。

2.2 數據庫設計

系統數據庫選用Oracle進行數據存儲，選用AreSDE 空間數據引擎管理，主要包括三大數據庫，分別是基礎地理數據庫、管網數據庫以及業務數據庫。

具體的數據內容包括：

（1）基礎地理數據庫，內容主要是影像數據和矢量數據。其中影像數據指的主要是區域范圍內20cm分辨率的高清航拍圖像，矢量數據指的是地名地址數據（包括企事業單位名稱以及地標名稱）和1：500的電子地圖數據。

（2）管網數據庫，內容主要是管道、管點數據庫以及實時監控信息數據庫。

（3）業務數據庫，內容主要是人員數據、書簽數據以及維修數據。

3 系統主要功能模塊

3.1 管網數據管理模塊

管網數據庫管理模塊承擔管網數據更新職能，具體包括管道、閥門、三通、節點、泄水閥等材質、型號、管徑、長度以及掩埋深度等信息。系統通過建立管線屬性檔案庫，監管監控管網數據與CAD設計圖以及MDB數據信息的一致性，實現管線信息查詢一體化以及管線管理的數字化，具體作用表現為查詢爆管閥門信息;預警超過年限和警戒的管點和管線;提供消防搶險、消防設施查找;選定管線設施，設定緩沖半徑和級別，為道路改建、房屋拆遷涉及的管線設計提供數據依據。

3.2 爆管分析和停水分析模塊

當發生管點或是管線問題，造成自來水泄露或是管線某處發生爆管時，該模塊利用GIS技術快速定位，顯示爆管就近區域的關聯閥門及受影響范圍，同時根據管網數據和信息制定最優關閥方案，實施多級關閥，進行維修和應急處理;根據供水管件埋設以及服務年限制，預警超過服務年限的管線和管點，自行生成斷水通知單，定期進行管理維修。

3.3 壓力和流量數據管理模塊

壓力和流量數據管理模塊包括現場管網運行工況、各區域定點流量和壓力采集傳輸設備、無線通信設備、監控中心服務器以及GIS數據處理中心幾個部分。其承擔定期傳遞壓力和流量數據信息的作用，將現場終端數據傳送回數據處理中心，當監測到壓力值低于預警時，系統會發布警告，并將壓力過低的管點定位以及特征信息等快速呈現反饋，為自來水管線搶修提供數據支持并節省時間。

4 關鍵技術

4.1 GPRS數據傳送技術

通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service， GPRS）屬于移動數據業務中的第二代數據傳輸。隨著城鎮化進程的日益加快，城市自來水管網的覆蓋面積也越來越大。如果采用傳統的有線方式進行數據傳輸，無疑需要較大的成本費用用于建設基站和有線網絡。無線電臺進行傳輸，則需要建立較多的監控網點，網點選擇復雜、組網麻煩，電源能耗大，成本高。而GPRS的數據傳輸方式是基于封包進行的，費用相對較低，且通過手機短信的形式，不需要再架構和組間網絡，通訊可靠穩定，維護成本低。

4.2 智能GIS空間分析技術

智能GIS空間分析技術，是在傳統GIS空間技術基礎上，結合新型電子通訊、人工智能等技術，構建適用于某一領域的智慧體系，開發智慧管理和智慧決策的分析技術。而在自來水管線設計中，管道壓力監控點定位分布規律（包括閥門、水表、檢修點等管點以及管線材質、型號、管徑、長度以及掩埋深度等信息），問題管點、管線的定位和到達現場路徑，故障影響范圍，以及斷水通知單的自動生成等，都是智能GIS空間分析技術的應用。

4.3 多元數據融合技術

物聯網是利用傳感器將事物與互聯網相連接，將事物的現實特性轉換成互聯網相關數據信息置換與傳遞，進而實現數據信息識別、定位、監控、處置功能的智能化表達。物聯網中數據，具有信息多元、動態變化、海量、分散、異構等特點，要想將物聯網與GIS技術進行融合，首先是將兩種不同技術涉及的傳感器感應信息、GPRS通信信息、手機報警系統信息等多元數據進行融合，用統一標準進行數據聚合描述和冗余過濾，最后增強信息的可靠度，提升自來水管線數據的利用率。

5 技術融合實現難點

目前在我國大范圍推廣物聯網與GIS技術在自來水管線設計中的應用也存在一些難題。首先，我國各城市地下管網錯綜復雜，同時鋪設有自來水管網、油氣管網、電纜、地下排水、光纜等等，這些管網分屬不同部門，物聯網和GIS技術標準難以統一，其相關資源難以共享。且即使花費較大資金將物聯網和GIS應用于自來水管線設計，但一旦發現爆管等應急事故，在維修時也難免牽扯到其他相關部門，延誤了寶貴的維修時機。因此，將檢測設備同期布置、安裝，采用統一的數據采集標準是未來自來水管線發展物聯網及GIS設備需要考慮的重要問題。

6 結束語

物聯網與GIS技術在自來水管線設計中的融合應用，GIS技術承擔數據的分析管理，物聯網技術提供相關數據來源，二者相輔相成，即通過管網中的無線傳感器將收集到的壓力和流速信息，傳遞到數據處理中心分析處理，快速進行故障定位和原因分析，以最短的時間制定最優解決方案，加快爆管搶修時間，節約寶貴的水資源，為自來水管線設計及智慧水務系統建設開拓了新思路。

參考文獻：

[1]呂華新，周學龍，周文，等.基于物聯網和GIS技術的自來水管線系統的設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2014，37（10）：143-145.

[2]劉雯娜.物聯網讓城市地下管網維護更智能[J].中國公共安全，2015（05）：93-95.

[3]毛旭陽.基于BIM和物聯網技術的供水管網智慧運維研究[D].河北建筑工程學院，2019.