二三維一體化智慧排水運行管理平臺建設(shè)研究

徐雨鋒 尚曉偉

摘要：基于SuperMap GIS新一代三維技術(shù)體系設(shè)計開發(fā)智慧排水運行管理系平臺，本文提出一張排水設(shè)施分布圖、兩套應(yīng)用模式（B/S、M/S），提供政府、企業(yè)、公眾三方服務(wù)，開展積水監(jiān)測、管道檢測、泵閘監(jiān)控、污水排放等四類智能感知，全過程支撐排水業(yè)務(wù)五大應(yīng)用的建設(shè)思路。重點論述了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)功能以及BIM、V1L在排水行業(yè)領(lǐng)域的實踐應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：二三維一體化;排水設(shè)施;運行管理

引言

近年來智慧化理念的信息系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展迅速，結(jié)合我國智慧城市發(fā)展需要，市政排水、污水處理等排水行業(yè)的智慧化管理需求也應(yīng)運而生。城市排水在城市現(xiàn)代化進程中發(fā)揮重要的作用，尤其近年來中國城市內(nèi)澇之殤和雨污混接、污水亂排導(dǎo)致的水體環(huán)境污染問題日益突出，成為社會關(guān)注的焦點。目前國內(nèi)很多大中城市都在開展排水信息化工作，從排水數(shù)據(jù)資料的普查采集建立城鎮(zhèn)基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)庫及數(shù)字化平臺，到建立基于模型的管理系統(tǒng)，希望實現(xiàn)城鎮(zhèn)水務(wù)管理綜合調(diào)度的目標。但排水行業(yè)信息化建設(shè)發(fā)展里程經(jīng)歷了MIS系統(tǒng)、二維GIS和三維GIS。雖然二維地理信息系統(tǒng)也能滿足日常管理需要，但隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、BIM、VR/AR、5G等新技術(shù)的不斷應(yīng)用，簡單的線化圖形表達形式已無法滿足更直觀、更精細化、更智慧的管理要求。本文基于二三維一體化平臺構(gòu)建智慧排水運行管理系統(tǒng)，實現(xiàn)二維三維聯(lián)動協(xié)同，三維可視化逼真場景再現(xiàn)，真實表達管線立體空間關(guān)系，助力智慧城市排水管理業(yè)務(wù)的水平的提升，全過程支撐排水信息化業(yè)務(wù)升級。

1系統(tǒng)設(shè)計

基于二三維一體化平臺的智慧排水運行管理系統(tǒng)實現(xiàn)一張排水設(shè)施分布圖、兩套應(yīng)用模式（B/S、M/S），服務(wù)政府、企業(yè)、公眾三方客戶，開展積水監(jiān)測、管道檢測、泵閘監(jiān)控、污水排放等四類監(jiān)視監(jiān)控，全過程支撐排水業(yè)務(wù)五大應(yīng)用。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施層主要涉及排水管理對象廠、站、網(wǎng)基礎(chǔ)信息，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和分類，實現(xiàn)排水設(shè)施數(shù)據(jù)的收集整理和建檔，包括人工繪制、實地測繪、人機檢測、制作整理和共享交換相關(guān)單位的數(shù)據(jù)為排水設(shè)施二維一張圖和三維建模提供支持。

采集接口層應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和智能感知技術(shù)把排水相關(guān)設(shè)施、設(shè)備的運行工況、水情水質(zhì)、災(zāi)害險情等信息，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進行采集、傳輸和存儲。

數(shù)據(jù)處理層負責對排水規(guī)劃、工程、設(shè)施、運行、維護、許可、監(jiān)管、防汛等行業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲和管理，以滿足不同層次的數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)需求。

業(yè)務(wù)展示層主要由數(shù)據(jù)、應(yīng)用、服務(wù)等中間件組成，負責構(gòu)建系統(tǒng)功能實現(xiàn)的各類支撐，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)、平臺和軟件服務(wù)等，為系統(tǒng)正常運行提供單一或組合形式的中間服務(wù)，實現(xiàn)B/s模式的在線業(yè)務(wù)應(yīng)用和M/S模式的移動互聯(lián)交互應(yīng)用。

應(yīng)用服務(wù)層主要通過的統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)統(tǒng)一用戶管理、信息檢索、模塊化業(yè)務(wù)應(yīng)用、個性化定制等功能，為政府、企業(yè)、公眾提供三方服務(wù)。

2技術(shù)路線

平臺的技術(shù)體系全面融合運用了新一代Super Map二三維一體GIS、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)、分布式集群架構(gòu)等技術(shù)，支持跨平臺，包括Linux、Windows等操作系統(tǒng)。技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

2.1二三維一體化GIS技術(shù)

SuperMap的二三維一體化GIS融合了跨平臺、云端一體化、新一代三維、空間大數(shù)據(jù)四大GIS技術(shù)體系，提供功能強大的云GIS應(yīng)用服務(wù)器、云GIS門戶服務(wù)器、云GIS分發(fā)服務(wù)器與云GIS管理服務(wù)器，以及支持桌面端、手機平板移動端、Web端的多種地理信息開發(fā)平臺。同時支持傾斜攝影、BIM、激光點云、VR實景等三維數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。

2.2大數(shù)據(jù)技術(shù)體系

應(yīng)用SuperMap iServer獨立的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用程序，快速創(chuàng)建PostgreSQL、Elasticsearch數(shù)據(jù)庫，可以支持集成MongoDB數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)空間大數(shù)據(jù)的存儲、分析、流數(shù)據(jù)處理、可視化，采用分布式集群架構(gòu)實現(xiàn)大體量空間數(shù)據(jù)集的高性能分布式動態(tài)渲染和分布式空間分析和數(shù)據(jù)處理。

2.3微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)（Microservice Architecture）是一項在云中部署應(yīng)用和服務(wù)的新技術(shù)。采用微服務(wù)架構(gòu)的SuperMap iServer，一個服務(wù)可自動擴展出多個完全相同的實例，每個實例分別占用一個進程，可有效提升服務(wù)的并發(fā)訪問性能與可用性。

2.4其他技術(shù)棧

基于H5、WebGL、WebSocket、ES6、Vue、npm等現(xiàn)代Web技術(shù)棧，構(gòu)建平臺。應(yīng)用Vue Mint技術(shù)，實現(xiàn)同時支持Android和IOS移動應(yīng)用。應(yīng)用程序搭建采用Dockef容器技術(shù)實現(xiàn)平臺的快速部署。

3數(shù)據(jù)建立維護

3.1二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

排水管網(wǎng)設(shè)施數(shù)據(jù)的收集、錄入、編輯、修改、上報、審核、維護，長期以來是行業(yè)管理中最為復(fù)雜、煩瑣，組織實施工作量和難度最大的一項基礎(chǔ)性工作。利用物探、測繪、計算機制圖、地理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，把排水管網(wǎng)及廠站設(shè)施等信息以數(shù)字的形式制作、存儲、查詢、維護和共享發(fā)布，但一次性的普查不能解決數(shù)據(jù)的長久常新、長效管理。以長效管理和應(yīng)用推廣為目標，結(jié)合各地市排水主管部門制定的數(shù)據(jù)維護管理機制，采用離線編輯維護、在線上傳審核模式，實現(xiàn)廠、站、網(wǎng)等所有排水設(shè)施數(shù)據(jù)的繪圖、編輯、修改、糾錯維護，以及在線上報、審核、入庫流程，全面解決排水管網(wǎng)設(shè)施數(shù)據(jù)、資料、檔案的收集、處理、上報、審核、維護工作。提倡長效維護管理機制，做到新、改、擴建設(shè)施數(shù)據(jù)資料的及時收集、快速處理、定期上報，實現(xiàn)排水行業(yè)數(shù)據(jù)庫的長久常新。

3.2三維模型數(shù)據(jù)建立

由于二維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集、錄入、編輯維護已形成較為完善的流程機制，數(shù)據(jù)內(nèi)容完整準確，對于三維管網(wǎng)模型的建立就奠定了很好的基礎(chǔ)。采用Spatial 3D Model（S3M）三維空間數(shù)據(jù)規(guī)范，基于三維管線、管點符號及自適應(yīng)符號，由二維點、線屬性數(shù)據(jù)快速批量構(gòu)建三維管網(wǎng)。單體廠站等復(fù)雜設(shè)施，根據(jù)建筑圖紙CAD、現(xiàn)場照片、遙感影像等資料，采用3DMAX建模，利用超圖3DMax插件BIM生成數(shù)據(jù)集功能，并采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB分布式存儲及管理模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維建模BIM數(shù)據(jù)集的三維GIS整合應(yīng)用。三維建模數(shù)據(jù)如圖2所示。

4系統(tǒng)功能應(yīng)用

4.1大數(shù)據(jù)信息展示發(fā)布

數(shù)據(jù)大屏展示發(fā)布已經(jīng)越來越多的在各種行業(yè)普遍使用，大數(shù)據(jù)智能分析展示平臺通過圖形化的界面實現(xiàn)業(yè)務(wù)的輔助決策。各種管理業(yè)務(wù)場景需要大數(shù)據(jù)系統(tǒng)持續(xù)聚合和分析時序數(shù)據(jù)，建立專業(yè)水準的可視化應(yīng)用，集多源、海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)，采用多維度、多樣式、動靜結(jié)合的表現(xiàn)形式，展示發(fā)布排水業(yè)務(wù)核心、重點和熱點關(guān)注類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析信息，使得復(fù)雜多變的大數(shù)據(jù)變得易看、易讀、易懂。

4.2二維管線設(shè)施查詢與分析

設(shè)施管理涉及各種管網(wǎng)設(shè)施，如排水管線、管線附屬物、泵站以及污水處理廠等，而每項設(shè)施又包含多種管理內(nèi)容。以GIS技術(shù)為支撐，通過對排水設(shè)施的基礎(chǔ)空間和屬性信息，以及運行養(yǎng)護建設(shè)信息的關(guān)聯(lián)查詢和綜合管理，可以有效地提高設(shè)施的管理效率，為設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)、養(yǎng)護、運行、應(yīng)急處置等業(yè)務(wù)的全流程閉環(huán)管理提供支撐。基于二維地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的圖一數(shù)查詢統(tǒng)計、斷面分析、聯(lián)通性分析和上下游追溯，支持在線專題制圖輸出打印。

4.3三維建模的設(shè)施運行監(jiān)管

二三維一體化的GIS應(yīng)用系統(tǒng)的核心關(guān)鍵就是要實現(xiàn)二維到三維的無縫切換，根據(jù)地圖比例尺、中心位置、視圖范圍、視角視距等參數(shù)實現(xiàn)二三維聯(lián)動切換。如圖5所示，三維可視化支持地上建筑地下管網(wǎng)、廠站室內(nèi)外數(shù)據(jù)的一體化管理，大范圍海量三維模式的地理數(shù)據(jù)實現(xiàn)了快速漫游、屬性查詢、信息統(tǒng)計和空間位置關(guān)系分析等功能。集成基于BIM建模的單體建筑模型數(shù)據(jù)信息，以BIM數(shù)據(jù)管理模式，結(jié)合GIS實現(xiàn)排水設(shè)施設(shè)備的工況、運行、養(yǎng)護、監(jiān)測、監(jiān)管信息的采集、接入和整合，進行運行狀態(tài)更直觀、逼真的動態(tài)顯示觀看，做到運行養(yǎng)護全過程信息的跟蹤管控。

4.4廠站河一體化實景集成

采用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過現(xiàn)場VR專業(yè)設(shè)備的圖像采集，實現(xiàn)污水廠、泵站、河道及沿河排水設(shè)施的真實場景720。全方位立體展示，解決長期以來“盲人摸象”的信息化平臺使用體驗。相比于三維建模，vR攝影采集廠站河影像數(shù)據(jù)集成難度低、周期短，可與排水業(yè)務(wù)系統(tǒng)快速整合應(yīng)用。

4.5規(guī)劃設(shè)計工程建設(shè)管理

隨著近年來GIS技術(shù)應(yīng)用日趨普及，采用GIS技術(shù)對規(guī)劃資料進行動態(tài)管理和更新，可以解決傳統(tǒng)紙質(zhì)圖紙或CAD制圖設(shè)計方案的存儲查詢、共享發(fā)布、及時更新、調(diào)檔查閱等問題。二三維一體化GIS系統(tǒng)對規(guī)劃文本、圖檔、建模等數(shù)字資料進行有效組織與管理，方便行業(yè)內(nèi)外相關(guān)部門單位對規(guī)劃數(shù)據(jù)進行動態(tài)管理、更新和查閱，并通過入庫上圖的規(guī)劃管網(wǎng)設(shè)施數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀設(shè)施進行對比，分析評價管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)達標情況，指導(dǎo)輔助工程建設(shè)和現(xiàn)狀改造維護。

排水工程建設(shè)管理包括對排水工程建設(shè)中前中后期各階段的資料和數(shù)據(jù)實行可視化管理和跟蹤。對相關(guān)業(yè)務(wù)部門已建、在建、改建和規(guī)劃的工程項目進行上圖，實現(xiàn)從規(guī)劃、立項、審批、預(yù)算、招投標、實施、合同支付款、驗收、后評估等全過程以及全部檔案管理，對項目投資、質(zhì)量、進度等情況進行有效的監(jiān)督和統(tǒng)計分析。

6結(jié)束語

隨著城市化進程范圍的快速擴張，城市雨污排水管理難度越來越大，一些城市相繼發(fā)生暴雨積水、污水冒溢、路面塌陷、河道污染等事件，嚴重影響人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活和城市安全有序運行。圍繞國家關(guān)于城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動計劃，實現(xiàn)補短板、強監(jiān)管的目標，二三維一體化智慧排水運行管理平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、BIM、VR/AR等新型主流技術(shù)，實現(xiàn)地下排水管道、地上廠站設(shè)施和相關(guān)地物水系等實物的二三維一體化的展現(xiàn)，并集成廠站網(wǎng)運行工況和實時監(jiān)測檢測信息，輔助支撐排水業(yè)務(wù)規(guī)劃、建設(shè)、運行、養(yǎng)護、防汛應(yīng)急全流程閉環(huán)管理應(yīng)用模式。未來可繼續(xù)借助現(xiàn)有完整數(shù)據(jù)鏈和業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建城市排水系統(tǒng)水力模型，并通過模擬來獲得相應(yīng)的決策調(diào)度方案，完成從數(shù)字排水向智慧排水的升級轉(zhuǎn)型，改變傳統(tǒng)的管理工作模式，從更宏觀更全面的角度制定和實施排水行業(yè)管理措施，為推進智慧城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)。