基于GIS的城市智慧排水管控平台建设及关键技术

陈永锋+高昭良+黄磊

摘要：为了提高城市排水设施的数字化、信息化管理和社会服务水平、保障设施的安全稳定运行，提出基于 GIS 的城市智慧排水管控平台的建设， 采用积木式结构，组件化设计，整体构架要考虑系统间的无缝连接，为今后系统扩展和集成及愿景目标的实现留有扩充余量，确保系统有一定的先进性、扩充性、容错性、稳健性。该系统综合运用计算机技术、网络技术、GIS技术、GPS技术、移动技术及传感通信等技术，通过网格化、精细化管理手段。实现对城市排水防涝设施的动态管理、城市内涝事件的预警预报、排水设施运行状态的实时监测控制。最终可以达到 “动态管理、预警预报、智慧管网”的总体目标，从而提高排水防涝管理的效率、质量和水平，最终达到排水设施的智慧化管理的目的。

关键词： 地理信息系统（GIS）；排水设施；信息化平台；智能化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）36-0237-04

Construction and Key Technology of Management and Control Platform for Urban Intelligent Drainage Based on GIS

CHEN Yong-feng1，GAO Zhao-liang1，HUANG Lei1，WENG Jun1，WANG Wei2

（1.Fuzhou City Survey Institute， Fuzhou 350014， China；2.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing （LIESMARS）， Wuhan University，Wuhan 430079， China）

Abstract：In order to improve the digitalization， information management and social service level of the urban drainage facilities， ensure the safe and stable operation of the facilities， the construction and key technologies of management and control platform for urban intelligent drainage based on GIS was adopted. Considering the seamless connection between the systems， the system expansion and integration for the future and vision to achieve the goal of leaving margin，the system have a certain degree of advanced， scalability， fault tolerance， robustness. The system integrates computer technology， network technology， GIS ， GPS， mobile technology and sensor communication technology by the grid and refined management tools. It were achieved on urban drainage of storm water drainage facilities dynamic management， urban waterlogging forecasting real-time running state monitoring and control of drainage facilities. It could eventually achieve "dynamic management， early warning and forecasting， wisdom network" ， so as to improve the efficiency， level of drainage and waterlogging management， and finally achieve the intelligent management of drainage facilities.

Key words：GIS； Drainage facilities； Information platform； Intelligent

近年来我国城市内涝灾害时有发生，不仅给人民生活带来极大不便，还严重威胁生命财产安全。如2005年10月2日，“龙王”台风登陆城市，给城带来了有记载以来最强的一次短时强降雨，造成市区大面积内涝、停水停电、交通中断[1]。由于排水设施情况复杂，监测监控、运营管理、规划及社会服务尚无集中高效的现代化手段，目前仍采用人工管理的方法来管理城市排水管网，其弊端显而易见[2]。传统的粗放型管理方式无法使管理部门及时掌握排水管网的相关信息及运行状况。而且，城市相应的雨、污水处理设施也越来越多，排水管网及其附属设施的信息量越来越大。

为了提高城市排水设施的数字化、信息化管理和社会服务水平、保障设施的安全稳定运行，需要建设一个融GIS系统和排水管网管理、规划、监控一体的排水設施综合信息管理系统，该系统合运用计算机技术、网络技术、GIS技术、GPS技术、移动技术及传感通信等技术，通过网格化、精细化管理手段，建立科学有效的排水设施巡查和维护机制，实时客观体现生产情况、质量评比，实现对城市排水防涝设施的动态管理；结合气象数据、历史经验数据，通过内涝模型分析内河水位变化情况以及管网排水情况，实现对城市内涝事件的预警预报；通过水位、水质、流量、位置等不同感知设备的建设，实现对排水设施运行状态的实时监测控制，实现对排水设施的智慧化管理，达到 “动态管理、预警预报、智慧管网”的总体目标，从而提高排水防涝管理的效率、质量和水平，这也是现代城市发展的要求。

1 城市智慧排水管控平台建设的需求和意义

城市排水设施是现代化城市不可缺少的重要基础设施，排水设施管理的好坏，是衡量现代化城市管理水平的重要标志之一，是改善城市投资环境的重要环节[3]。对排入城市排水设施的污水、废水和雨水等进行监测管理，是保障城市排水设施正常維护和安全运行，促进城市水环境改善的必要和有效手段[4]。同时，信息技术在市政管理、管网管理等方面发挥着越来越重要的作用[5]。在智慧排水管控平台的支持下，不仅可以方便地获取、存储、查询、管理、显示排水设施信息，而且可以进行有效的监测、分析、评价、预测等工作，为全市的排水管理和市政管理提供全面、准确、及时和客观的信息服务与技术支持。

智慧排水管控平台的建设具有如下许多重要的意义：

1）智慧排水管控平台变革了地域和部门之间的数据共享交流方式。智慧排水管控平台通过采用统一的标准规范建立全市权威、规范的排水设施数据库，使得城市排水设施管理突破了空间距离的束缚，让信息的实时更新和共享成为了可能，改变了传统以离线拷贝或纸质数据进行交流和共享的模式，避免了排水设施数据重复采集和更新造成的数据不一致性，避免了排水设施数据建设的人力、物力、财力重复投入所造成的资源浪费[5，6]。

2）智慧排水管控平台提高了排水设施管理效率。智慧排水管控平台提供排水设施资产管理和排水设施运维管理服务，通过建立科学有效的排水设施巡查和维护机制，将排水设施巡查、维护等流程进行规范化以实现在线办公，便于排水设施管理相关部门之间的协同办公，提升了排水设施管理的效率和水平。

3）智慧排水管控平台推进了智慧城的建设进程。智慧排水管控平台基于政务信息云平台，利用先进的网络技术，通过传感网实现对排水防涝和污水排放的监控与管理，利用大数据技术将基础地理信息数据、实时监控数据、排水设施数据等进行融合与挖掘，实现对城市内涝灾害的预警与风险评估，提供内涝应急预案，为城市内涝的应急管理提供智能化的决策支持，以便降低或避免城市内涝造成的损失。因而智慧排水管控平台的建设能提升排水设施信息的智慧化服务水平。同时，排水设施作为城市市政的基础组成部分，是城市的地下命脉和生命线，是城市开展智慧城市建设的重点领域之一，因此，基于政务信息云平台建设的智慧排水管控平台是智慧城建设的重要组成元素，在一定程度上推进了智慧城的建设进程。

4）智慧排水管控平台提升了公众管理的参与力度。智慧排水管控平台为公众提供了群防群策服务，公众可以通过微信投诉排水、内涝等问题，水务公司、排水管理中心等相关管理部门在线反馈、发布投诉问题的处理结果等，让公众真正参与到排水防涝的管理中，有利于排水防涝管理部门的公众满意度的提升和市民生活质量与环境的改善。

2 智慧排水管控平台建设的内容

智慧排水管控平台建设的内容可分为排水设施数据库建设、排水设施信息化管理平台建设、基础设施建设三部分，具体内容如下：

1）城市排水设施数据库建设：基础地形数据库；排水设施空间数据库；排水设施业务数据库

2）智慧排水管控平台建设：排水设施资产管理（排水防涝地理信息管理系统、排水接驳及排水设施施工管理系统）；排水设施运维管理（排水管网巡查动态管理系统（B/S）、排水管网巡查数据采集及实时上报系统（M/S）、排水管网动态维护管理系统（B/S）、排水管网维护数据采集及实时上报系统（M/S））；排水防涝应急管理（污水厂、泵站在线动态监控系统、排水管网群防群策动态管理系统（B/S）、排水管网群防群策投诉件确认系统（M/S）、排水管网群防群策公众服务系统（微信）、城市供排水管理中心（筹）网站、排水防涝在线动态监控系统、排水防涝智能分析与预警系统、排水防涝应急管理系统、排水事件动态管理系统、排水防涝信息联动系统、下穿通道防涝预警监控动态管理系统（开盖报警管理平台、开盖报警APP）；污水排放监管及收费管理；平台运维管理；业务综合管理。

4）基础设施建设：软件基础平台建设；基础服务器硬件；网络系统建设；在线监控中心建设；井盖编号、铸铁标识、电子标识建设；涝点液位监控、实时视频设备建设；移动业务办理终端；在线监控中心配套设备；下穿通道防涝预警设备；井盖打开报警设备。

3 智慧排水管控平台总体框架

智慧排水管控平台涉及数据自动采集技术、数据库技术、GIS 技术、中间件技术、Web 技术、视频技术、排水模型技术以及系统集成技术等，是一个分布式的复杂的巨大系统。在智慧排水管控平台的建设过程中，部分专业应用模块需要强大的实时操作和复杂的逻辑分析功能支持，如管网的编辑和数据更新维护，拓扑检查，这比较适合与采用C/S体系；而部分应用功能需要更广泛的人使用和共享，如管网数据的发布和查询，这比较适合采用B/S体系。因此，系统体系根据应用的具体要求选择了C/S和B/S相结合的方式构建，这样既可以满足复杂功能的开发和使用要求，又可以尽可能在网络上共享数据和功能[7]。

为实现动态管理、预警预报、智慧管网的建设目标，平台总体框架设计主要分为感知层、网络层、平台层、数据层、应用层、使用者层，设计框架图如下：

1）感知层。感知层即通过传感网络获取环境信息。要实现智慧化的排水管网管理就必须要建设物联网，而感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分。项目中涉及的感知设备包括巡查终端（排水管网巡查维护终端、群防群策巡查终端）、液位计、泵站监控设备（污水厂泵站、下穿通道泵站）、视频探头（污泥装卸点、易涝点）、北斗定位设备、电子标识。

2）网络层。网络层功能为“传送”，即通过通信网络进行信息传输，作为纽带连接着感知层并与平台连接[8，9]。项目涉及的网络类型包括3G网络， Internet网、政务外网。

3）平台层。平台层即项目建设所需的基础软硬件平台，项目涉及的基础软硬件平台包括操作系统、数据库平台、GIS平台、服务器网络硬件、在线监控中心、业务终端电脑等。

4）数据层。数据层是项目数据存储、交换、处理中心，负责各类数据分类存储，接收感知层和应用层的数据处理请求，进行数据更新处理。本项目数据类型包括矢量地图、影像地图、排水管网、排涝设施、管网巡查维护数据、绩效考评数据、工程信息、内涝模型数据、排水事件、污水检测数据、排水收费数据、用户信息数据等。

5）应用层。应用层是包含具体实现项目建设目标的业务逻辑，为满足现有及未来城市排水设施业务管理需要，实现动态管理、预警预报、智慧管网管理目标，本项目涉及的业务应用主要包括排水接驳及排水设施施工管理、排水管网巡查管理、排水管网维护管理、污水厂泵站在线监控及污泥处置跟踪、排水管网群防群策及投诉处理、排水防涝在线监控预警预报、排水防涝应急处置管理、排水历史事件管理、排水防涝多部门信息联动、下穿通道防涝预警监控、污水排放监测管理、排水收费管理、排水管理中心业务综合管理、排水防涝数据维护管理、平台运维管理、平台与外系统数据接口管理。

6）使用者层。使用者是平台的服务对象，要想理清项目的总体需求，就要充分考虑平台使用者对象，项目建成后平台使用对象主要包括排管中心（领导、工作人员），管网维护公司（领导、工作人员），市级领导部门、信息联动部门、社会公众。

通过网格化、精细化、动态化管理，建立科学有效的排水设施巡查和维护机制，实时客观体现生产情况、质量评比、监测数据，提升排水设施管理的工作效率。建立预警预报分析模型，根据气象雨情预报信息，分析计算内河水位变化情况，并结合排水管网现状，分析对管网排水的影响，预警预报城市内涝发生情况。及时处理城市排水防涝应急抢险工作，包括事前制定应急预案、事中辅助应急抢险、事后统计上报等，实现排水防涝应急抢险事件的完整流程化处理。通过水位、水质、流量、位置等不同感知设备的建设，实现对排水设施运行状态的实时监测控制，达到对排水设施的智慧化管理的目的。

4 智慧排水管控平台关键技术

4.1 地理信息系统（GIS）技术

地理信息系统，简称GIS，是在计算机硬件和软件支持下，科学管理综合分析那些表征地理环境的空间数据，以对规划、管理、决策和研究提供所需信息的系统[10]。简言之，地理信息系统是处理和分析空间数据的系统。一般来说，地理信息系统有以下几部分组成：数据输入、数据库、数据处理与分析、数据输出、用户界面。

4.2 中国北斗卫星导航系统

实时位置定位的设备是巡查维护手持移动终端，其采用北斗和GPS双定位定位模块，可以实现北斗定位。下面介绍下中国北斗卫星导航系统概况。

中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。可全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。其定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒[11]。

4.3 数据库技术

数据库系统承担所有的空间数据和属性数据的存储和管理任务，是整个管理系统的基础，它的数据质量直接影响整个系统管理、分析的准确性，其数据结构是否合理影响到整个运行系统维护和更新工作的成效和费用。本系统采用了大型关系型数据库——Oracle数据库，Oracle是以高级结构化查询语言（SQL）为基础的大型关系数据库，是用方便逻辑管理的语言操纵大量有规律数据的集合。是目前最流行的客户/服务器（CLIENT/SERVER）体系结构的数据库之一。

4.4 ArcSDE空间数据引擎技术

ArcSDE是一个用于访问存储于关系数据库管理系统（RDBMS）中的海量多用户地理数据库的服务器软件。它是esri公司产品ArcGIS 中所集成的一部分，也是任何企业GIS 解决方案中的核心要素。它的基本任务是作為存储在RDBMS中的空间数据的GIS网关。ArcSDE提供了一组服务，用于增强数据管理功能、扩展数据类型以便于存储于RDBMS中、使模型在RDBMS间便于操作并提供灵活的配置。

4.5空间海量空间地理信息的一体化存储与管理技术

分布与集中相结合的空间地理信息数据库又包括空间地理信息基础数据库和交通专题空间地理信息数据库。要管理这些海量的城市空间地理信息，必须利用大型关系数据库例如Oracle存储和管理海量空间数据的能力，实现空间属性数据的高效一体化存储和管理：支持海量空间数据存储；强大的并发控制能力，支持多用户同时操作；高效准确的空间索引机制；分布式多层应用程序体系结构；高度可控的查询能力；强大的空间查询能力；安全高效的管理能力。

4.6 多尺度和无比例尺的空间地理信息库

空间地理信息基础数据库包含多种比例尺的地形图和影像数据。在空间基础数据库设计中，比例尺的概念对用户是透明的。根据当前的窗口视野范围，系统将自动调用和显示相应比例尺的数据。用户也可以选择任意范围按要求输出某一比例尺范围的任意比例尺地图，在数据库中没有地图比例尺的概念，取而代之的是坐标精度、分辨率与可靠性。从而实现无比例尺和多尺度城市空间地理信息数据库。

4.7 城市排水系统的监测检测设施的传感网模型

传感网是一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或者无线网络，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖的代地理区域之感知对象的信息，并发布给观测者。“城市排水系统传感网”，即传感网在给排水方面的应用，利用传感网实时采集处理排水管网的各种水文信息，并将数据交换至软件系统，为各种模型计算提供基本数据参数。

5 应用案例分析

本文以福州市的智慧排水管控平台为例（图2），进行相关实践验证。能够实现城市供排水管理中心的动态监管、预警预报和智慧管理的目标，将平台架构归纳为“一套框架、六类应用”，一套框架即平台建设统一的底层框架，提供一整套专为排水信息交互及数据管理的服务，为各个排水业务信息化管理系统提供底层支撑。六类应用为排水设施资产管理、排水设施运维管理（图3）、排水防涝应急管理（图4）、污水排放监管及收费管理（图5）、平台运维管理、业务综合管理。

智慧排水管控平台设计的24个系统分别为不同的使用对象服务，对象范围包括城市排水管理上级主管部门、城市供排水管理中心、具体实施排水工作的单位、其他与排水监管工作密切联系的委办局和社会公众等。系统提供专业的业务管理和辅助支撑，从排水设施日常维护、动态监控，到整个城市排水防涝事件处理、预警预报，从排水管理专业出发，用先进的智能感知、GIS、时空定位技术，改变了原有排水设施管理工作模式，提升了管理工作水平。并且各个系统摆脱了传统排水管理系统间孤立运行的模式，而是实现了系统间互通合作，数据消息互为应用和支撑，实现重要信息的快速网络传递，进一步提升了排水管理工作效率。

6 结束语

智慧排水管控平台的建设采用积木式结构，组件化设计，整体构架要考虑系统间的无缝连接，为今后系统扩展和集成及愿景目标的实现留有扩充余量，确保系统有一定的先进性、前瞻性、扩充性、容错性、稳健性。各系统之间有机衔接，通过数据库的关联关系实现数据的共享与通存通取。各系统自成模块体系，不会因个别原因导致所有系统的瘫痪[12-16]。智慧排水管控平台台建立在标准化、空间化、可视化的基础之上，充分发挥了GIS的作用，在城市排水系统的监测、检测充分运用了传感网技术。

另外，该平台需要建立完善的法规和管理制度，在相关技术手段的配合下，确保排水设施信息完整性和准确性，保证排水设施数据的安全和数据的动态更新。基于 GIS 的智慧排水管控平台的研究和应用，将丰富完善市理论架构和实践积累，有利于推动城市智慧化。

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