張延波，張琳，解兆延，徐文青，周廣旭

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所 ，山東濟(jì)南250014)

城市窨井及其地下管網(wǎng)設(shè)備是城市生存與發(fā)展的生命線［1］，目前，窨井及其管網(wǎng)設(shè)備的管理大多停留在紙質(zhì)人工管理上，工作量大、效率低下。同時(shí)，窨井井蓋的丟失一直是令市政部門和相關(guān)企業(yè)非常頭疼的問題，不僅給人員車輛帶來安全隱患，而且井下的線纜和設(shè)備的丟失極易導(dǎo)致通訊、電力、供水、供氣中斷，給企業(yè)和居民生活造成巨大損失。

為適應(yīng)城市規(guī)劃、管理的要求以及數(shù)字化城市建設(shè)，本文設(shè)計(jì)了基于MapX控件的城市窨井監(jiān)控系統(tǒng)，使用戶可以方便地對(duì)整個(gè)城市的窨井及井下管網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、管理，替代了原先較為落后的人工管理模式，能夠?yàn)槭姓芾聿块T和相關(guān)企業(yè)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的輔助分析與決策。

1 MapX控件

1.1 GIS開發(fā)方式

隨著計(jì)算機(jī)和測(cè)繪技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)得到了廣泛應(yīng)用［2］。GIS按照內(nèi)容可分為兩類:應(yīng)用型和工具型。應(yīng)用型GIS是以某一專業(yè)、領(lǐng)域?yàn)橹饕獌?nèi)容，支持二次開發(fā);而工具型GIS是基礎(chǔ)軟件，支持空間數(shù)據(jù)處理、圖形分析等基本功能。目前應(yīng)用型GIS二次開發(fā)主要有以下3種實(shí)現(xiàn)方式:(1)獨(dú)立開發(fā)，不依賴于任何GIS工具，選用某種程序設(shè)計(jì)語言，在一定的操作系統(tǒng)下編程實(shí)現(xiàn);(2)借助二次開發(fā)工具單純二次開發(fā)，例如利用MapInfo的MapBasic開發(fā)系統(tǒng);(3)集成二次開發(fā)，利用專業(yè)的GIS工具軟件及其組件，實(shí)現(xiàn)GIS的基本功能。其中，利用組件技術(shù)進(jìn)行開發(fā)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和分布式計(jì)算在軟件工程中應(yīng)用的深化和融合，是目前GIS軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)既沿用了專業(yè)GIS產(chǎn)品的強(qiáng)大制圖功能，又能根據(jù)需要靈活實(shí)現(xiàn)各種管理功能。其開發(fā)周期短、成本低、高效快速，可以脫離大型商業(yè)GIS軟件平臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，并且對(duì)開發(fā)者的GIS專業(yè)背景要求不高。

1.2 MapX 控件

MapX是MapInfo公司向用戶提供的具有強(qiáng)大地圖分析功能的ActiveX控件產(chǎn)品［4］，可以很方便地集成到可視化的開發(fā)環(huán)境中，支持將地圖功能添加到任何應(yīng)用中，提供了一種高度可視化的方法，來顯示和分析基于位置的數(shù)據(jù)信息，并且支持使用Visual C++、Visual Basic、Delphi等編程語言，開發(fā)者可方便地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地圖功能和特性。

MapX基于ActiveX技術(shù)，由一系列Object(對(duì)象)和Collection(對(duì)象集合)組成，而集合中包括對(duì)象，是多個(gè)對(duì)象的組合，每種對(duì)象和集合負(fù)責(zé)處理地圖某一方面的功能。Map是最基本的對(duì)象，每個(gè)Map由Layer(層)、Dataset(數(shù)據(jù)集)和Annotation(標(biāo)注)這3個(gè)對(duì)象及對(duì)象集合來定義，其中Layer用于操作地圖圖層，Dataset用于訪問空間對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)，Annotation用于在地圖上添加文本、符號(hào)等標(biāo)注，如圖1所示。

圖1 MapX模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure of MapX

2 窨井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的獲取與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)是GIS系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)起到了至關(guān)重要的作用?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS的基石，GIS通過這些地理空間結(jié)構(gòu)建立地理圖形的空間數(shù)據(jù)模型并定義各空間數(shù)據(jù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合［3］。

2.1 圖形數(shù)據(jù)獲取

獲得空間圖形數(shù)據(jù)的方式主要有2種:(1)利用數(shù)字化儀器對(duì)地圖進(jìn)行數(shù)字化，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)屬性描述信息。目前，大部分GIS軟件都提供了數(shù)字化儀的操作功能。(2)用掃描儀將地圖掃描成圖像文件，再進(jìn)行數(shù)字化［4］。本文采用第二種方式來獲取圖形數(shù)據(jù)，以濟(jì)南市為例，把1:15 000的濟(jì)南市地圖進(jìn)行掃描，保存成JPG格式圖片，在Mapinfo軟件中，進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。首先選取6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，輸入其經(jīng)緯度坐標(biāo)，完成圖像配準(zhǔn)工作;其次矢量化該地圖，在Mapinfo中，輸入表的各個(gè)字段名稱、類型、寬度，然后將該表作為裝飾圖層加入到地圖之中。矢量化之后的各個(gè)圖層的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為GIS能夠支持的數(shù)據(jù)格式，作為監(jiān)控系統(tǒng)中工作底圖數(shù)據(jù)來源。

2.2 屬性數(shù)據(jù)采集

設(shè)計(jì)開發(fā)窨井監(jiān)控系統(tǒng)，首先要對(duì)窨井的屬性信息進(jìn)行采集、過濾。窨井分布在城市的各個(gè)街道，井下環(huán)境不一，數(shù)量、種類繁多，測(cè)試手段也大不相同。目前，窨井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集方法大概有如下2種途徑:(1)井下有線信號(hào)傳輸方式，該方式工程量大、施工復(fù)雜，若線路故障則導(dǎo)致通信中斷，穩(wěn)定性差;(2)信號(hào)無線傳輸模式，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)都安裝GSM模塊，利用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該方式自動(dòng)化程度高，但是施工成本較高，普及推廣難度大。本文在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，充分利用無線自組網(wǎng)技術(shù)［5］、GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立過程，設(shè)置自己的網(wǎng)絡(luò)地址以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等參數(shù)，在無線網(wǎng)絡(luò)搭建成功之后，路由器或終端節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器加入到網(wǎng)絡(luò)中，并分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間可通過路由器相互通信，若干個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)通過自組網(wǎng)形成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控窨井一一對(duì)應(yīng)，負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)信息并將信息匯集到離其最近的路由器，在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊進(jìn)行連接，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)通過GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)向監(jiān)控中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)接收、處理上傳數(shù)據(jù)，將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在大屏幕上。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of the monitoring system

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是依據(jù)數(shù)據(jù)模型完成空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及圖形與屬性信息之間的關(guān)聯(lián)［6］。監(jiān)控系統(tǒng)中，每個(gè)被監(jiān)控的窨井井蓋擁有一個(gè)唯一識(shí)別的ID號(hào)，檢測(cè)終端通過這個(gè)ID號(hào)與之動(dòng)態(tài)綁定，而電子地圖中會(huì)有一個(gè)圖元和這個(gè)ID號(hào)配對(duì)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯連接。

(1)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。MapX開發(fā)系統(tǒng)中的地圖是分層存放的，各層中的空間數(shù)據(jù)主要存放在數(shù)據(jù)文件*.map中，圖形中的每一個(gè)地物均有其對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)作為索引建立該地物的圖形文件。圖層分為背景圖層和專題圖層兩大部分，其中，背景圖層主要有道路層、建筑物層、水系層、公共設(shè)施層;專題圖層包含有通訊層、電力層、熱力層、污水層、消防層、路燈層、自來水等窨井圖層。

(2)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)SQLSERVER2005來管理，以窨井的唯一識(shí)別碼為關(guān)鍵字作為圖形文件中該實(shí)物的標(biāo)識(shí)碼ID號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖形與屬性數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的要求，對(duì)每一層的監(jiān)控對(duì)象所對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，然后統(tǒng)一匯總、編碼，建立對(duì)應(yīng)的變量字段。窨井的屬性定義見表1。

表1 窨井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 1 Data structure of the manhole

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

城市窨井監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由圖形的結(jié)構(gòu)與層次關(guān)系確定各個(gè)模塊的功能。以MapX控件為基礎(chǔ)，集成到可視化的編程環(huán)境Visual C++中，實(shí)現(xiàn)了圖層、圖元控制，數(shù)據(jù)綁定等功能。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，主界面截圖如圖3所示，主要功能有:

(1)GIS圖形操作管理功能。實(shí)現(xiàn)地圖放大、縮小、全圖、漫游等視圖顯示功能，提供全區(qū)域范圍內(nèi)導(dǎo)航的鷹眼功能，用戶可以根據(jù)操作權(quán)限按照需要對(duì)一些圖層進(jìn)行顯示、隱藏及關(guān)閉操作。

(2)綜合查詢與定位功能。實(shí)現(xiàn)雙向查詢功能，既可通過點(diǎn)擊對(duì)象(道路、建筑、窨井等)獲取屬性信息，亦可輸入屬性查詢條件定位對(duì)象。用戶查看對(duì)象(窨井或城市地物)時(shí)，可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊捕捉后瀏覽其相關(guān)屬性，用戶查詢屬性信息時(shí)亦可立刻定位至該對(duì)象。

(3)量算功能。近似量算窨井與窨井之間、窨井和監(jiān)控中心之間距離。

(4)監(jiān)控對(duì)象圖元自由組態(tài)功能。用戶在監(jiān)控背景圖層上自由選擇圖元符號(hào)，可增加、刪除、修改、移動(dòng)窨井圖元，同時(shí)能靈活修改圖元的屬性配置信息、無線網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)中的通道號(hào)、端口號(hào)。

(5)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與報(bào)警處理功能。用戶可設(shè)定采樣間隔時(shí)間，實(shí)時(shí)采集窨井井口狀態(tài)及井下環(huán)境信息并以列表、曲線的形式顯示。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到井蓋異常開啟或者氣體濃度超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)在報(bào)警信息欄中顯示警情，系統(tǒng)迅速定位報(bào)警點(diǎn)至地圖中央，并以聲、光報(bào)警形式提醒值班人員，同時(shí)發(fā)送報(bào)警短信。

圖3 系統(tǒng)界面Fig.3 System interface

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 圖元定位與閃爍

在監(jiān)控系統(tǒng)中，圖元的定位與閃爍是十分重要的技術(shù)。通過Visual C++創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目后，將位于MapX的安裝路徑下的MapX.h和MapX.cpp兩個(gè)文件拷貝到應(yīng)用項(xiàng)目所在的文件夾下，從Project菜單中選擇Add to Project-＞Files命令，打開Insert Files into Project對(duì)話框選項(xiàng)，選中開發(fā)項(xiàng)目程序文件夾下的MapX.cpp和MapX.h兩個(gè)文件加載到工程中［7］。通過Mapx對(duì)象GetFind()屬性函數(shù)可實(shí)現(xiàn)地圖當(dāng)中的任何圖元對(duì)象的查詢定位。實(shí)現(xiàn)圖元閃爍的方法是利用Selection對(duì)象，結(jié)合Windows的定時(shí)器就能控制圖元閃爍，主要代碼如下:

4.2 通信流程

監(jiān)控中心初始化配置無線節(jié)點(diǎn)信息，為所有無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配地址并設(shè)置配置數(shù)據(jù)包，監(jiān)控主機(jī)根據(jù)制定的通信協(xié)議，讀取無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、識(shí)別。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

5 結(jié)語

本文開發(fā)設(shè)計(jì)的城市窨井監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用了無線自組網(wǎng)技術(shù)，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，以組件式GIS控件MapX為技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了城市窨井的網(wǎng)絡(luò)化、圖形可視化監(jiān)控。監(jiān)測(cè)人員能結(jié)合電子地圖實(shí)時(shí)監(jiān)控窨井位置信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)，快速及時(shí)了解警情，避免了由于窨井井蓋被盜或損壞而出現(xiàn)的人員車輛安全隱患問題以及井下線纜和設(shè)備丟失的問題。目前，該系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行階段，如要將系統(tǒng)推廣應(yīng)用，窨井檢測(cè)終端天線的材質(zhì)選擇、具體的安裝方式是亟待解決的問題，也是我們下一步研發(fā)的重點(diǎn)。

圖4 通信流程Fig.4 Communication flow

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