城市水务综合管线GIS软件设计与实现

城镇供水NO.4201749CITYANDTOWNWATERSUPPLY·自动化与信息技术·1.引言城市地下水务综合管线是城市基础设施的重要组成部分，也是城市赖以生存和发展的物质基础之一，被誉为城市的“生命线”[1]。随着城市建设的快速发展，地下管线的种类和规模不断扩大，要求日常管理工作不断深入和细致，因而在城市规划、设计施工、运行维护和日常管理工作中，如果无法知晓管网准确的地理位置和基本信息，就无法科学的管理地下管线，快速正确处置各类突发事件，给日常管理带来诸多不便，甚至造成重大事故发生[2]。大多数事故的根本原因在于管线管理不到位、多头管理主体、不重视地下管线档案资料的收集和保存，导致家底不清、现状不明、应急脆弱的情况相当普遍。地下管线管理难度大的另一个原因是管线单位信息没有共享、管理效率低下，无法满足城市建设的需求。由于地下管线具有极强的隐蔽性、复杂性和完城市水务综合管线GIS软件设计与实现周军（昆山市水务集团有限公司，江苏昆山215300）摘要：随着城市水务一体化建设工作的推进，需要实现供水、雨水、污水管网的一体化、现代化管理。水务综合管线监管是水务部门管理的发展趋势，采用科技手段建立高效实用的水务综合管线GIS管理十分重要。信息系统的建设能更有效地更新、维护和管理水务管线，保障管线安全、高效、可控运行，在此基础上提升综合管网管理的科技水平，切实为综合管网规划、建设、维护各个阶段提供信息服务。通过对各GIS平台的功能稳定性和扩展性等多方面综合调研，决定采用技术较为成熟的ArcGIS作为本次GIS软件的开发平台。关键词：城市水务综合管线信息系统GIS管理整性，管线主体单位迫切需要采用新技术新方法来高效、统筹管理地下管线数据，各单位共享管线数据资源，使地下管线的管理向着科学化、规范化、信息化、协同化发展。2014年6月，国务院办公厅印发了《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》的指导文件，意见中明确提出要“开展城市地下管线普查、建立和完善综合管理信息系统”的目标，在此背景下，建设管网综合管理系统是当前发展趋势且十分迫切。我市自来水集团有限公司自2005年就投资开展供水管网GIS系统的建设，经过10多年的努力，已经逐步将供水管网数据充实完善并进行信息化管理，但排水管网（雨水管网、污水管网、雨污合流管网）的管理一直权责不统一。2015年9月昆山市水务集团成立，水务一体化朝着供排水统一规划、综合管理的方向发展，充分利用计算机和GIS技术建立高效稳定的供排水综合管线信息系统是发展的50城镇供水NO.42017CITYANDTOWNWATERSUPPLY·自动化与信息技术·科技手段和“智慧管网”的管理要求。2.关键技术概述2.1GIS平台技术GIS系统主要由用户、地理空间数据、计算机硬件系统、计算机软件系统组成[3]，如图1所示。其最大的特点是存储和处理的数据对象均为地理空间数据，这既是GIS区别于其他系统的最大特征，也是其技术开发的着重点和难点[4]。因此GIS系统具有采集编辑、存储管理、地理分析和输出表达地理空间数据的能力。通常GIS系统将这些复杂的功能构建成多个互通的子系统，如数据采集子系统、数据存储子系统、数据处理子系统、空间分析子系统、专题图输出子系统等。由于管网信息系统数据量大，分析模型复杂，对数据处理实时性要求高，因此GIS平台的选择在本系统开发中占到及其重要的地位，将关系到开发系统的操作便捷性、处理高效性、运行稳定性和业务的扩展性。目前国内外成熟的GIS平台众多，使用较多的如中地数码公司的MapGIS平台、北京超图公司的SuperMapGIS、武大吉奥公司的GeoStar、美国ESRI公司的ArcGIS平台。鉴于本系统要实现多物理层、多专题层的展示管理，对共享发布、移动互联应用都有较高的要求，通过对各厂商GIS平台的功能稳定性和开发可扩展性等方面综合考虑，决定采用技术较为成熟的ArcGIS平台作为基础GIS平台。2.2WebGIS技术随着互联网技术的不断普及发展，在互联网上建立GIS平台，为用户提供满足生活需要和日常管理功能的服务，已经成为GIS技术新的发展趋势和时代潮流[5]。网络地理信息系统（WebGIS）是指将GIS系统发布在网络上，系统通过TCP/IP网络协议，以Web页面作为展示页面向用户提供GIS服务。WebGIS将Internet技术和GIS技术有机结合在了一起，其既具备GIS强大的空间数据管理、分析、可视化输出等GIS基本功能，也具备Internet技术实时发布、管理、共享和协同交流空间信息的功能。WebGIS技术相较于传统GIS应用，具有数据更新快、跨平台应用、操作便捷、灵活拓展性、容易集成对接等优势。2.3空间数据库由于GIS应用处理的对象是地理空间数据，且数据量非常大，因此需要功能强大的数据库来存储管理海量地理数据，空间数据库为地理信息应用提供了强大的数据访问服务，是GIS应用不可或缺的部分。其对空间数据和关系数据联合处理的能力，是其他数据库不可比拟的，空间数据库注重于空间数据和关系数据的共同管理和查询统计，空间数据库从管理数据结构上可将数据分为矢量数据和栅格数据，其中矢量数据涵盖空间对象数据如矢量图形和空间属性；栅格数据包括影像栅格数据和数值高程。空间数据库相较于一般数据库管理系统，具有图1GIS组成结构城镇供水NO.4201751CITYANDTOWNWATERSUPPLY·自动化与信息技术·数据量更大、类型更多、应用更广的特点。水务综合管线包含供水管线、雨水管线、污水管线、合流管线、废除管线等不仅包含丰富的管网属性信息，还包含管线地下地理位置和空间相对位置等一系列复杂的空间信息，是一套庞大的数据集合体，数据组织在一起后存储量可达到TB级别。系统在处理查询、统计请求时需要访问大量的数据，因而系统必须具备强大的信息检索和分析能力，空间数据库技术则为管线空间数据的管理提供了有利支撑，其利用关系数据库管理系统（RelationalDatabaseManagementSystem，RDBMS）的数据组织方式，实现了地理要素的空间数据和属性数据的相互连接，提高了数据应用效率，为GIS应用的功能实现提供了有力保障。2.4空间分析空间分析的对象是地理空间数据，支持技术是空间数据库，表现形式是地理现象的分布展示，其最终目的是从分析结果中解决用户所关心的问题[6]。根据分析的数据类型不同，空间分析可分为对空间栅格数据分析、对空间矢量数据分析、对空间数据和非空间数据的叠加分析。常用的空间分析方法包括邻域分析、空间运算、网络分析、分类统计等[7]。在水务综合管线信息系统中，很多实用的功能需要依靠空间关系分析实现，如管线、管点的连通性分析、断面分析、碰撞分析、爆管分析等。管网数据连通性分析和爆管分析是应用分析是工作中最有用处两大关键技术点。连通性分析能及时发现不连通的管线并进行处理，是管网各项计算的前提保证，对于维护管网的正常运行具有重要的意义。2.5数据接口技术GIS系统的应用不能只局限于管网的管理，而应该利用其技术优势特点成为水司的综合信息集中管控平台，成为一种综合服务工具。应和其他信息化业务系统，如供水生产调度系统、二次增压泵房监控系统、水表远程抄收系统、市政雨污水窨井液位等数据互通互联、共享数据，能提供跨业务的数据分析、计算服务、地图发布等服务，满足水务管理智慧化需求，因此，统一、标准、冗余的数据接口显得非常重要。3.系统需求3.1功能需求建设昆山市自来水、污水、雨水的综合管网信息系统，实现水务管线入库、编辑、查询、统计分析、空间分析、打印输出、信息集成等功能，满足与规划、建设管理部门的空间基础信息的信息共享，实现综合管网空间信息资源动态更新与综合应用分析。系统包含综合管网数据管理系统、综合管网信息发布系统，综合管网巡检系统、电子地图共享服务四大子系统，主要包括：地图功能、查询与统计功能、管线编辑功能、空间分析功能、在线监测功能、制图与输出打印、系统维护等。系统开发完成后，应对系统进行功能测试和负载测试，结合测试用例图对测试结果进行分析，评判能否满足水务用户管理和业务需求。3.2性能需求系统中存储着大量的管网数据和地形数据，应该具有快速响应能力以及海量信息的存储、检索能力。支持通用的开放体系框架和元数据标准，复杂的计算过程和统计分析功能及结果展示要求采用多线程实现，均衡利用服务器的计算能力，结果的展现与交互操作要求能够及时响应。系统要求运行安全稳定以及可维护性高，系统52城镇供水NO.42017CITYANDTOWNWATERSUPPLY·自动化与信息技术·平均无故障运行时间至少要高于5000小时，稳定性包括运行正确性和健壮性，正确性表示系统能正确完成用户期望的功能，健壮性表示在不合理的操作下，系统仍然运行且给出响应错误提示。可维护性高指系统能够进行完善性的更新维护，而不对其它功能产生影响。系统性能要求指标为100用户并发操作时，服务器CPU的平均负荷A≤60%；客户端主机CPU的平均负荷A≤60%；各项数据查询响应时间T≤5秒；全网刷新时间T≤10秒。支持20000公里及以上管线数据量，大比例尺显示的情况下界面刷新显示时间不得超过10秒。4.系统实现架构4.1设计任务从城市水务综合管线地理信息系统建设目标出发，按照系统需求、功能设计、功能实现、测试分析、交付使用的流程开展细致的工作。主要步骤如下：（1）基于我市水务实际业务和管理需求，对系统的总体任务、系统功能、使用用户等方面进行分析，并对部分功能需求建模表达，明确系统功能设计和开发方向。（2）结合水务管线数据的特点设计管网数据库，选择合适的ArcGIS平台和空间关系数据库进行系统开发，为管网统计分析和管理提供良好的系统支撑，并为后续互联互通服务奠定数据基础。（3）对系统的各功能进行详细的研究和设计，针对每个功能模块设计用例图及活动图来表示其中包含功能点和处理逻辑。（4）雨污水管网突出污水厂污水收集范围，划分区域管理，注重雨污水管网的流向、液位、管材、管龄、排入河道位置等信息的管理，矢量图上能方便的挂接管线检测动态视频图像资料。（5）突出体现系统集中化、应用移动化、数据标准化、操作简单化的实现思想和实现逻辑。4.2系统架构水务综合管网GIS各子系统间通过SOA（ServiceOrientedArchitecture，SOA）服务架构进行功能的开发，系统中各子系统的结构和功能调整只是定义和组装的过程，因此系统具有很高的灵活度。系统采用三层架构设计，分为数据资源层、应用服务层、系统应用层。总体框架图如下页图2所示。数据资源层包括水务各类信息化资源，大体分为地理数据资源、管网数据资源和业务数据资源。其中地理数据资源包括基础地形图数据、遥感影像图、规划局地形图、地名地址、专题点位等地形资源，各地形图图层之间可切换显示或叠加显示；管网数据包括供水管网、污水管网、雨水管网、雨污合流管网的空间数据和属性数据；业务数据包括水务调度数据、供水营业收费数据、服务热线数据、管网在线监测数据等。不同类型数据资源提供不同方式的更新，保证数据的准确性和时效性。应用服务层实现对各类信息资源的集成、管理、分发和运维，保障各类数据资源的充分应用，信息资源的高效分发以及资源服务的平稳运维。服务层作为各类服务提供的载体，通过服务连接各类信息数据和集成支撑各类业务应用。提供包括数据服务、分析服务、统计服务、管网模型等功能，预留二次开发接口，支撑各类应用服务；同时具备服务运维能力，对服务进行发布、验证和运维等。系统应用层包括水务日常业务信息化应用，重点实现综合管网信息发布子系统、综合管网数据管理子系统和系统管理子系统的建设。城镇供水NO.4201753CITYANDTOWNWATERSUPPLY·自动化与信息技术·图2系统总体框架图4.3软硬件配置根据系统业务需求，系统开发与应用软件配置如表1所示。根据水务业务当前数据存储量、服务器处理能力、网络使用情况和用户数进行估算，同时考虑未来业务的发展，本系统安装部署硬件配置如表2所示。5.系统测试及分析系统测试模拟真实运行环境，本系统