供水管网地理信息系统的设计

安理

（南充水务投资（集团）有限责任公司，四川 南充 637000）

0 引 言

随着城市建设的发展，供水管网分布范围广、连接关系复杂，面对分散的管网和用户，要求供水公司的管理手段、工作效率能跟上城市的发展，因而管网GIS 系统是供水事业发展、行业管理与服务的重要支撑和保障，也是保民生的技术支撑手段，关系到城市运行优化资源配置、政府职能提升、公共服务完善等各项任务能否顺利完成。另一方面，随着物联网、人工智能、大数据等新一代技术的飞速发展所带来的第三次信息技术产业革命以及城市不断地发展扩容，将信息技术有效地与城市基础设施融合、与城市的管理运行系统相融合已经成为未来城市发展的必然趋势。新一代信息技术的发展为供水管网地理信息信息系统的建设提供了可能性。

1 系统需求分析

供水管网GIS 系统主要是以城市地形图为基础，细化的管网辅助数据为核心，以供水企业管理需要为根本，最终实现对供水管网所有数据的管理、更新、分析的有效信息化管理工具。方便各部门使用人员简单快捷地浏览、查询、统计、分析供水管网资产。并实现以GIS 平台为基础，管网数据为核心，集成营业、SCADA数据，实现管网运行状态智能监控与营业用户基本查询。

2 建设框架

2.1 系统架构设计

所有业务系统遵循SOA 架构进行总体设计，主要包括基础设施、业务系统、数据资源、数据管理工具、业务服务、标准规范与安全保障体系七部分，架构如图1所示。

图1 系统架构

2.2 网络架构设计

供水管线信息纷繁复杂，不仅包含管线、阀门、消防、排气等静态数据信息，更包含压力、流量等一些动态数据信息，想要实现对所有数据的处理分析以及对生产、运营、服务和管理，切实满足供水企业的需求，进一步提升经济效益和社会效益，就必须充分运用大数据地理信息、互联网+、GPS 等先进的技术手段。基于GIS 数据中心核心技术，采用面向服务的体系架构（Service Oriented Architecture,SOA）进行建设，如图2所示。SOA 的虽然不是什么新东西，但是有一点，它可以在最新的和现有的应用上创建应用，提供给企业更好的灵活性来构建应用程序和业务流程。

图2 网络框架

3 技术方案

3.1 数据建设

数据是基础，也是信息化的根本。数据主要包括管网数据、业务数据、感知数据、地形数据等。地形数据包括水系、植被、居民地、道路等；管网数据包括管段、阀门、消防栓、泵房、水表等；业务数据包括巡检、维修、工程、营业、报装等业务流程数据；感知数据主要为实时监测的流量、水质、水压数据。

3.1.1 地形数据

结合现有数据情况，以原有地形数据为参考，接入百度、google 商业地图或对接国家天地图、省级天地图、各市共享政务地图等，实现地形数据的获取与展示，保障地形数据的现势性。

3.1.2 已有管网数据入库

将现有管网资料（CAD 数据、MAPinfo 数据、竣工图纸等）进行原始数据收集、分析、确认处理方案，进行数据处理和检查，完成数据建库，最终将CAD、MAPinfo、其他竣工数据入库到GIS 系统中。

在新数据录入过程中制定数据规范，整合不同供水管网数据和附属设施数据，形成具备统一格式、统一分类等标准的供水管网据和附属设施数库。采用“空间与属性数据有机结合”的技术路线，对供水企业服务范围内的所有供水管网数据进行检查、修改、入库等处理。根据供水企业的数据类别需求进行数据处理，以方便、快捷实现数据的查询、录入、导出等，最终建成空间数据和非空间数据为一体的数据库。

数据建库入库流程如图3所示。

图3 数据建库入库流程

3.1.3 管网数据探测

将公司不具备电子数据的、口径300 mm 及以上的管网约300 km 进行探测，然后进行数据处理和检查，并建库、入库到GIS 系统中。

管网数据探测是在已有的管网数据整理与入库工作的基础上，对未上图且无相应参考资料的管网数据进行普查探测，并将普查完成的数据及时导入到数据管理平台中，对其进行检查与校核，以提高供水管网的准确性与完整性，为巡检养护、工程建设、水力建模、管网分区及计量传递体系的构建提供准确可靠的数据基础。

3.2 GIS 平台建设

3.2.1 平台特性

MapGIS 平台采用面向服务的SOA 架构，它可以在最新的和现有的应用上创建应用，提供给企业更好的灵活性来构建应用程序和业务流程，以服务的方式实现信息在各供水部门的共享利用，可有效避免重复建设；同时，MapGIS 平台具备分布式跨平台可拆卸多层结构体系，克服了传统分布式数据库的缺点，支持分布式空间信息发布与共享，支持多用户编辑，不仅大大缩减了供水企业业务流程，而且节约人力物力，是供水企业的最佳平台选择，也为未来供水行业的信息化发展提供了建议。

GIS 系统可以通过服务的方式提供GIS 的全部功能，支持OGC 标准服务，不仅包含最基本的地图查看服务、数据查询服务、数据编辑服务等，外还扩展提供三维分析服务和面向供水行业专题应用服务。

SOA 架构是具有跨区域、跨专业、跨平台等技术特点，真正做到数据、功能全共享。基于SOA 架构的供水综合信息服务具备服务聚合能力，能够满足多种供水地理信息和专题业务信息整合，具有数据整合、信息整合、服务整合能力。

同时，系统提供完整有效的二次开发包，支持开发语言：C/S 系统：C++、VB、C#等，B/S 系统：Flex、silverlight、JAVA、javascript、net 等，并进行二次开发培训，方便客户将来自行或委托第三方对系统进行再次深度开发。

3.2.2 功能模块

（1）GDB 企业管理器。主要负责数据的存储与管理，GDB 企业管理器的优势在于不止一种方式连接管理本地和远程数据库，除了最基本的本地连接，还包含ODBC 连接、Web 服务连接等。

（2）地图编辑器。MapGIS 可以根据供水企业的需要，提供多种方便快捷、高效输入方式来选择，如扫描矢量化输入、其他数据源的数据接口、图形输出等。MapGIS 编辑器的主要功能为：

1）影像校正：根据供水企业提供的若干控制点数据，即可对影像进行校正处理，使导入的影像信息与现有的影像信息在几何精度和坐标位置保持一致，以防出现因坐标系不同等原因造成的位置偏移。

2）图形输入：包含了手工、半自动和自动三种矢量化图形输入方法。不同的部门根据自己的需要选择适合图形输入方法。通过图形输入，将栅格数据转换成矢量数据，再进行编辑、输出。

3）图形编辑：点、线、面、地物标注要素等数据编辑与处理等。把空间地物主要分为点状地物、线状地物、面状地物和地物标注，然后再进行细化，如图4所示为空间地物分类。

图4 空间地物分类

4）图形输出：编辑器对需要输出的图形数据进行版面编辑处理、排版、进整饰，最终输出多种符合行业标准的图形文件，包括格栅图形文件格式的TIF、矢量文件图形的PDF 等。

（3）数据分析与处理。该模块可以对多种类型的数据进行分析与处理，包括矢量数据、属性数据等GIS 系统的数据分析与处理不同于计算机辅助绘图系统，其优势在于可以通过对数据空间叠加、统计分析等功能的操作后得到新信息，如爆管分析，通过找到爆管点的详细位置，对该点周围管线的连通性和供水方向的分析，自动找到最近的需要关闭的阀门。

（4）供水管网的编辑与分析。供水管网是由现实世界中所有地下供水管线和附属设施的抽象显示，管到的交叉点为节点。

1）供水管网的编辑与分析包括：对管线的编辑与分析、对节点的编辑与分析、对附属设施的编辑与分析。

2）供水管网的编辑包括：输入节点、输入管线、管线的属性编辑，附属设施的属性编辑等。

3）供水管网的分析包括：连通性分析、供水流向分析、附属设施使用年限更换等。

4）供水管网的分析与应用包括：查询最佳接入路径、查询阀门控制范围、查询停水范围等。

（5）栅格分析。通过有效地组织起研究区域内相关的栅格数据，并根据其地理分布建立统一的空间索引，快速调度数据库中任意范围的数据，进而达到对整个栅格数据库的无缝漫游和分析处理。

1）数据编辑：支持对高程点的查询，高程点坐标的查询、方位的变换与平移、等。

2）数据分析：支持横断面分析、区域漏损分析、管线长度计算、纵剖面分析等。

（6）数据中心。MapGIS 从1991年发展至今，已走过30 多年，随着架构技术和开发模式的不断提高，它的数据中心从开始仅仅作为资源管理器，到现在同时作为系统开发器，实现了将资源管理器中的数据资源和功能资源分属各自仓库进行管理的同事，系统开发器采用柔性设计理念，使系统的搭建速度大大提高，能够根据不同用户的不同需求的迅速做出调整，真正实现了“零编程、巧组合、易搭建”。

数据中心的技术目标是实现多源异构数据的统一、层次化管理；能够在统一的框架下实现多地理信息系统的协调工作；支持应用方案的集成搭建，为开发地理信息应用系统提供基础支撑。包含产品示例，数据中心功能示例，工作流编辑器，数据中心功能仓库，数据中心设计器，数据中心数据仓库等内容。

3.3 系统建设

3.3.1 供水管网GIS 系统

（1）供水管网GIS 系统（C/S）。C/S 端主要是以城市地形图为基础，细化的管网辅助数据为核心，以供水企业管理需要为根本，最终实现对供水管网所有数据的管理、更新、分析的有效信息化管理工具，系统功能表如图5所示。

图5 系统功能表

系统功能主要包括：

数据入库与管理。数据入库与管网管理，主要用于地形图数据和供水管网数据的日常管理与更新维护。包括地形图与管网数据的入库及管理，平台可支持管网外业探测数据自动建网入库、对竣工图纸进行矢量化处理入库及其他电子数据（AutoCAD、Arc/Info、MapInfo 等）转换入库等多种数据入库方式。同时可对管网附属数据、多媒体数据、辅助数据（定位线、地名库、道路中心线等）等进行管理。

常用工具。主要包括视图浏览、地图定位、地图标记、管线长度测量、截屏等。

查询统计。提供图属互联的双向查询功能，辅助供水企业用户通过多方式了解供水管网以及辅助设备信息以及用户自定义统计条件，对所属范围内的管网进行统计，如属性统计、管径统计、条件统计、阀门数量统计等，并可将统计结果生成不同的统计结果图，如柱状图、饼状图等。对已经生成统计结果进行保存记录，方便下次快速查询。

打印输出。系统可以对数据和图形进行输出打印。用户根据需要，可选择矩形线框、菱形线框或者任意范围的图形进行输出打印。同时支持图形（栅格化图像（*.bmp、*.gif、*.png）、MapGIS 地理数据库、CAD、ESRI ShapeFile 和MapInfo MIF 等格式）、数据（外业点表线表等）、卡片输出（自定的卡片模版等多种格式数据输出。

管网编辑。系统根据用户的需求，提供针对不同空间数据编辑的工具，对来完成输入、删除、移动、剪断、连接等操作；支持撤销和回退功能。

（2）供水管网GIS 系统（B/S）。功能概述：该模块主要是方便各部门使用人员简单快捷地浏览、查询、统计、分析供水管网资产。主要包括：

地图浏览。提供丰富、流畅的地图浏览功能，用户可利用放大、缩小、移动、复位、更新、全屏等工具对数据进行全方位浏览，便于了解供水企业的全景地形地貌和供水管网分布情况。同时，还支持矢量、瓦片、谷歌地图、百度地图的叠加显示与浏览，支持百度街景的查看显示等。

地图定位。系统提供多种定位方法，支持供水企业用户通过多种渠道实现快速、准确的地图定位，包括百度定位、地名定位、坐标定位、定位线定位等。

管网查询。可以通过浏览器进行图形和属性信息的互动查询，支持点击查询、快速查询、按位置查询、条件查询、沿线查询、缓冲区查询等查询方式，支持用户通过多种方式实现查询管网属性信息的目标，如图6所示。

图6 管网查询

资产统计。系统根据供水企业用户的日常统计工作，提供了按道路、材质等属性统计设备数目，或按管材、管径等属性统计管线长度等常规统计功能。针对所有类型设备，可以进行通用统计。系统可灵活配置一键式菜单，对于经常用到的统计方案，便于今后一键式完成统计任务，有效减少纷杂的条件设置环节。统计结果可以以图表、列表的方式进行可视化展示，并可以导出为Excel、png 等格式。

纠错。用户在浏览地图时，当发现管网数据的属性信息存在错误，可以通过管网纠错功能将错误信息进行上报，由审核员审核上报的纠错信息，审核通过后，修改的属性信息可以直接进入数据库。

3.3.2 内外业一体化采集系统

管网采集系统由监控端和手持端两部分组成，当有新的探测任务时，可以由管理员在PC 端新建一个管网探测工程并派发给探测人员，派发的任务直接发到手持终端。如果是临时性的探测任务，也支持探测人员在手持端直接新建探测工程并派发给自己。

3.3.3 管网维修工单系统

维修工单系统由维修人员手机和GIS（B/S）端构成，内业系统直接派单和任务完成后的回单形成了对维修业务流程的精简，统一管理与协调，智能化的管理不仅为维修任务工单流程的一体化解决提供了有效方案，更实现维修模式创新。

4 结 论

供水管网地理信息系统的设计基本满足了企业对供水管网的管理需求，不仅可以为企业节约人力和财力成本，而且为企业的长远发展提供了技术保证。该给水管网GIS 系统的建设，也为企业信息一体化打好基础，未来可以与企业的SCADA 系统（数据采集与监视控制系统）、水费计算和收缴系统、企业办公系统等相结合，在系统内实现企业所有部门的办公需求，为企业员工带来最大的便利，为企业领导者的决策提供最有力地支持。