萬(wàn) 爍,孫 斌,于 洋,劉雙麗
(1.北京市南水北調(diào)信息中心,北京 100085;
2.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司,北京 100096)
北京市南水北調(diào)工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
萬(wàn) 爍1,孫 斌1,于 洋1,劉雙麗2
(1.北京市南水北調(diào)信息中心,北京 100085;
2.二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司,北京 100096)
針對(duì)北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象持久化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),采用面向?qū)ο蟮乃枷?,提出北京市南水北調(diào)工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)組成及建設(shè)內(nèi)容,重點(diǎn)從北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象的分類、編碼和空間關(guān)系梳理等方面闡述數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵流程,并采用 UML 建模語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)建模,為北京市南水北調(diào)工程管理提供數(shù)據(jù)支撐,為未來(lái)北京市南水北調(diào)工程業(yè)務(wù)應(yīng)用的可擴(kuò)展性提供基礎(chǔ)。
南水北調(diào)工程;基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù);空間關(guān)系;對(duì)象分類;對(duì)象編碼
北京市南水北調(diào)干線工程將于 2014 年底前實(shí)現(xiàn)全線通水,2020 年前全面完成北京市南水北調(diào)配套工程建設(shè)任務(wù),目前正處于北京市南水北調(diào)配套工程建設(shè)的收尾階段,工程的建設(shè)管理已逐步轉(zhuǎn)入運(yùn)行維護(hù)階段。不同階段工程的業(yè)務(wù)管理工作,包括在建工程的工程項(xiàng)目的進(jìn)度、質(zhì)量、安全,已建工程的運(yùn)維管理、工程的應(yīng)急管理及工程的調(diào)水運(yùn)行,均需要建立工程設(shè)施及保護(hù)區(qū)域與工程管理單位的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)及輸水線路與附屬設(shè)施之間的空間關(guān)系,這些關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立和維護(hù)需要基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的支撐,但是工程數(shù)據(jù)的復(fù)雜多樣性(包括圖紙、照片、三維模型、雨量監(jiān)測(cè)等海量異構(gòu)數(shù)據(jù))及各種應(yīng)用要求的提高,導(dǎo)致信息在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上都遠(yuǎn)超傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的承受范圍。
面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型作為新興的數(shù)據(jù)模型,以更接近人的思維方式和對(duì)客觀世界更有效和靈活的表達(dá)被廣泛接受[1-2],它以類為基本單元組成圖結(jié)構(gòu)形式,具有豐富的語(yǔ)義,能表達(dá)客觀世界復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式[3],適合處理各種各樣的數(shù)據(jù)類型、提高開發(fā)效率,可維護(hù)性好,正在被越來(lái)越多的使用。北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象具有持久化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),適合采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè),從而將各業(yè)務(wù)單位所管理的工程對(duì)象進(jìn)行空間化、可視化的管理,全面掌握南水北調(diào)各種資源的現(xiàn)狀及分布情況,達(dá)到高效安全地管理工程建設(shè)數(shù)據(jù)的目的,同時(shí)為北京市南水北調(diào)辦公室內(nèi)各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供規(guī)范化的工程空間資源數(shù)據(jù)庫(kù)支撐。
在系統(tǒng)開發(fā)過程中,數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系到信息系統(tǒng)的成功與否[4]。由于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接,能夠支持非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型,從而特別適用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域[2,5]。北京市南水北調(diào)工程基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)從管理的需要出發(fā),解決各業(yè)務(wù)處室工程管理共享基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的需求,結(jié)合工程管理對(duì)象持久化的特點(diǎn),采用面向工程管理對(duì)象的思路進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。
所謂工程管理對(duì)象即為北京市南水北調(diào)工程所需管理的每一個(gè)對(duì)象(包括實(shí)體和虛對(duì)象,如排氣閥井即為工程管理的實(shí)體對(duì)象、人為劃定的工程保護(hù)區(qū)即為虛對(duì)象)[6-8],利用面向?qū)ο蟮乃悸窐?gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)主要是針對(duì)對(duì)象的屬性、對(duì)象之間的關(guān)系,形成對(duì)象個(gè)體的屬性描述及對(duì)象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)組織形式。
北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象屬性通過空間和非空間屬性進(jìn)行描述[6],空間屬性主要是描述工程管理對(duì)象的標(biāo)識(shí)和位置信息,非空間屬性也即工程管理對(duì)象的基本屬性(靜態(tài)特征)及動(dòng)態(tài)管理信息,基本屬性如排氣閥井的樁號(hào)、井深、閥井簡(jiǎn)介、排氣閥類型、設(shè)計(jì)閥門壓力、面積或長(zhǎng)度等描述信息,動(dòng)態(tài)管理信息主要描述工程或設(shè)施的多媒體信息或動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)應(yīng)用信息,如安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的照片、圖紙、安全監(jiān)測(cè)信息、視頻監(jiān)測(cè)信息等。
在系統(tǒng)建模的過程中,類很少獨(dú)立的存在,絕大多數(shù)類以某種方式與其他類協(xié)作[7]。北京市南水北調(diào)工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建模中,工程管理對(duì)象類之間存在 2 個(gè)很重要的關(guān)系:空間關(guān)系和面向工程管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)關(guān)系。空間關(guān)系主要體現(xiàn)為工程設(shè)施對(duì)象內(nèi)部或?qū)ο笾g的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系[8](關(guān)聯(lián)關(guān)系為直接關(guān)系,而對(duì)于經(jīng)過推理或者間接的關(guān)系不需要構(gòu)建),工程管理對(duì)象內(nèi)部的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系表現(xiàn)為對(duì)象的空間拓?fù)潢P(guān)系,對(duì)象之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系表現(xiàn)為包含、壓蓋、連通等關(guān)系;業(yè)務(wù)關(guān)系主要是根據(jù)工程管理、工程運(yùn)維和調(diào)水運(yùn)行等業(yè)務(wù)需要建立的對(duì)象內(nèi)部或?qū)ο笾g的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如泵站內(nèi)部的調(diào)水流向關(guān)系、管道與輔助設(shè)施之間的業(yè)務(wù)安全關(guān)系等。工程管理對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為未來(lái)業(yè)務(wù)的可擴(kuò)展性提供了基礎(chǔ),而空間關(guān)系的梳理是實(shí)現(xiàn)北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)共享的首要工作。
實(shí)體(要素)類的組織分別對(duì)應(yīng)要素表、屬性表、空間拓?fù)潢P(guān)系表、業(yè)務(wù)關(guān)系表等內(nèi)容。數(shù)據(jù)模型所涵蓋的實(shí)體(要素)對(duì)象和數(shù)據(jù)組織關(guān)系如圖1所示。
圖1 基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象(要素)關(guān)系
北京市南水北調(diào)工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)通過利用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)思路,改變?cè)幸钥v向?yàn)橹鞯慕ㄔO(shè)模式,將工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)與已有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合,建設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)合理的北京市南水北調(diào)工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù),通過對(duì)外提供統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)服務(wù),供業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用,提升工程基礎(chǔ)信息資源的重用率,降低投資,提高信息化績(jī)效。
工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)由基礎(chǔ)地理空間庫(kù)、工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、元數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、管理數(shù)據(jù)庫(kù)[8]等 5 個(gè)子庫(kù)組成,按照面向工程管理對(duì)象的構(gòu)建思路,通過全局唯一編號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)庫(kù)組成及訪問方式如圖2 所示。
圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)
1)工程管理空間數(shù)據(jù)子庫(kù)。主要存儲(chǔ)工程及工程附屬設(shè)施的空間對(duì)象、屬性和空間關(guān)系,如水閘所在的經(jīng)緯度及水閘的空間拓?fù)潢P(guān)聯(lián)關(guān)系等。北京市南水北調(diào)工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)原來(lái)主要以紙質(zhì)圖紙的形式存放,通過規(guī)范化的數(shù)據(jù)加工流程(工程紙圖預(yù)處理、掃描、配準(zhǔn)、矢量化),進(jìn)行工程數(shù)據(jù)的數(shù)字化制作[9],并梳理工程對(duì)象的空間關(guān)系,為對(duì)象設(shè)置全局唯一編號(hào),通過編號(hào)實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的圖屬掛接。
2)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)子庫(kù)。主要存儲(chǔ)工程管理對(duì)象的多媒體及與業(yè)務(wù)應(yīng)用信息。多媒體信息包括工程管理對(duì)象的圖紙、照片、影像、視頻等信息,如管道工程的工程設(shè)計(jì)圖、全景照片等,目前北京市南水北調(diào)辦公室內(nèi)已建有雨量和視頻安保監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過相應(yīng)的技術(shù)方案,可以實(shí)現(xiàn)工程管理對(duì)象與多媒體系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的整合和對(duì)接,充實(shí)和完善工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的多媒體信息;業(yè)務(wù)屬性信息包括與調(diào)水運(yùn)行、工程安全、工程運(yùn)維等相關(guān)的業(yè)務(wù)信息和關(guān)系,如調(diào)蓄工程的工程級(jí)別、性質(zhì)、設(shè)計(jì)調(diào)蓄水量等基本屬性及調(diào)蓄工程所在管理單位等關(guān)聯(lián)關(guān)系。
3)基礎(chǔ)地理空間子庫(kù)?;A(chǔ)地理數(shù)據(jù)經(jīng)過規(guī)范化的數(shù)據(jù)采集和加工進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫(kù),主要為工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供底圖數(shù)據(jù),包括矢量和柵格數(shù)據(jù)。
4)元數(shù)據(jù)子庫(kù)。工程空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)包括矢量、影像、文件、切片等元數(shù)據(jù),主要存儲(chǔ)對(duì)象類、對(duì)象、屬性、關(guān)系的描述信息,包括對(duì)象類定義、屬性的定義域和值域、關(guān)系的種類等多種元數(shù)據(jù)信息,為資源目錄及數(shù)據(jù)共享和服務(wù)提供基礎(chǔ)的元數(shù)據(jù)信息。
面向?qū)ο蟮谋本┦心纤闭{(diào)工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作包括數(shù)據(jù)梳理識(shí)別、建立空間對(duì)象的分類體系,建立空間對(duì)象類之間的空間關(guān)系,抽取空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),創(chuàng)建工程管理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的關(guān)鍵在于前期的數(shù)據(jù)分析及關(guān)系梳理,內(nèi)容包括:空間工程管理對(duì)象分類、編碼、各類工程管理對(duì)象的空間關(guān)系創(chuàng)建。
3.1 工程管理對(duì)象分類
北京市南水北調(diào)工程基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)地理和工程基礎(chǔ)信息類,基礎(chǔ)地理信息類按照《GB/T 13923-2006 基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》進(jìn)行分類,而工程基礎(chǔ)信息類需要根據(jù)北京市南水北調(diào)工程特點(diǎn)和管理需要進(jìn)行對(duì)象梳理和分類,共分為 7 個(gè)對(duì)象大類 40 多種對(duì)象類,如表1 所示。
3.2 工程管理對(duì)象編碼
表1 北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象(部分)分類表
編碼是給每 1 個(gè)管理對(duì)象分配 1 個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符,通過全局唯一的編號(hào)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)工程信息標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)和信息資源共享。編碼時(shí)要遵循完整性和可擴(kuò)充性,編碼碼結(jié)構(gòu)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)充余地,以便在必要時(shí)擴(kuò)充新的類別代碼且不影響已有的分類和代碼[10],宜采用字母和數(shù)據(jù)混合編碼,以字母作為編碼開頭;北京市南水北調(diào)工程附屬設(shè)施編碼應(yīng)體現(xiàn)所屬工程的信息,工程編碼順序按照北京市南水北調(diào)工程建設(shè)的先后順序,如按照總干渠—團(tuán)九干渠—南干渠—東干渠—密云反向輸水工程—東水西調(diào)順序進(jìn)行編碼;在干支渠內(nèi)按南水北調(diào)輸水進(jìn)京方向從上游到下游、先左岸后右岸的順時(shí)針方向進(jìn)行;同類設(shè)施編碼順序應(yīng)參照輸水方向進(jìn)行確定,且該編號(hào)不隨著對(duì)象的消亡而消亡,而是通過對(duì)象的全局唯一編號(hào)記錄對(duì)象的歷史狀態(tài)等信息,供業(yè)務(wù)使用。輸水工程代碼結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
3.3 工程管理對(duì)象空間關(guān)系創(chuàng)建
對(duì)象空間關(guān)系表達(dá)了某一對(duì)象類內(nèi)部 2 個(gè)對(duì)象間或者 2 個(gè)不同對(duì)象類之間的空間拓?fù)潢P(guān)系,為后續(xù)調(diào)水運(yùn)行分析、緩沖分析、防汛應(yīng)急等高級(jí)空間分析提供強(qiáng)有力的支撐。空間關(guān)系創(chuàng)建的核心是分析各類空間對(duì)象間的位置、屬性、變化規(guī)律及與周圍環(huán)境中其他對(duì)象間的相互制約、影響關(guān)系[11],針對(duì)北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象具有持久化的特點(diǎn)對(duì)業(yè)務(wù)對(duì)象進(jìn)行空間關(guān)系[9]梳理,共創(chuàng)建各類對(duì)象間的空間關(guān)系 6 類(包含、銜接、跨越、壓蓋、不相交、無(wú)關(guān)系)。
1)包含關(guān)系:同類對(duì)象之間,在空間上一個(gè)對(duì)象屬于另一個(gè)對(duì)象的一部分,如空間上連通井包含蝶閥井;
2)連通關(guān)系:同層對(duì)象之間,在空間上一個(gè)對(duì)象的一端與另一個(gè)對(duì)象一端相互銜接[11],根據(jù)調(diào)水的模式不同(正常、應(yīng)急調(diào)水),對(duì)象關(guān)系存在方向性。如各段工程在空間上互相銜接,具有連通性,大寧 PCCP 管道工程與惠南莊泵站、大寧調(diào)壓池之間的連通關(guān)系;
3)跨越關(guān)系:一個(gè)對(duì)象從另一個(gè)對(duì)象的上方或地下跨過去,形成立交[10-11],對(duì)象之間存在跨越關(guān)系,如閘站、橡膠壩常建于輸水工程或者河道之上;
4)壓蓋關(guān)系:表現(xiàn)為點(diǎn)對(duì)象落在線對(duì)象上和面對(duì)象的岸線上、不同業(yè)務(wù)維度的線對(duì)象與線對(duì)象重合,如排氣閥井落在輸水管道之上;
5)不相交:線與線不相交,線與面也不相交,如其他市政管線與輸水工程在空間上不相交;
6)沒有關(guān)系:對(duì)象之間在空間上不存在明顯空間關(guān)系。
基于以上梳理的北京市南水北調(diào)工程管理對(duì)象間的空間關(guān)系,建立對(duì)象(包括部分附屬設(shè)施)間空間關(guān)系 UML 模型[12-15]如圖4 所示(圖4 中類屬、流向關(guān)系屬于業(yè)務(wù)關(guān)系)。
圖3 輸水工程代碼結(jié)構(gòu)
北京市南水北調(diào)工程基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)采用面向工程管理對(duì)象的思路進(jìn)行構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)工程對(duì)象的精細(xì)化管理,構(gòu)建對(duì)象數(shù)據(jù)的多屬性描述,形成不同維度的時(shí)間關(guān)聯(lián)、空間關(guān)聯(lián)、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)等數(shù)據(jù)組合模式,并為未來(lái)業(yè)務(wù)的可擴(kuò)展性提供基礎(chǔ)。
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Design of Basic Spitial Database for South-to-North Water Diversion Project Management in Beijing
WAN Shuo1, SUN Bin1, YU Yang1, LIU Shuangli2
(1.Information center of south-to-north water diversion of Beijing, Beijing 100080, China; 2.Twenty First Century Aerospace Technology Co., Ltd, Beijing 100096, China)
According to the characteristics of management object persistence and complex data structure of South-to-North Water Diversion Project in Beijing, the article uses the object-oriented thinking, puts forward the overall design, the composition and contents of the basic spatial database of South-to-North Water Diversion Project management of Beijing, expounds the key process of the database design focus from the management object classification, object code and object spatial relationships etc, and uses UML modeling language for database modeling.It provides data support for the project management, and provides the basis for future businesss application.
South-to-North Water Diversion Project; basic spitial database; spitial relationship; object classification; object coding
圖4 北京市南水北調(diào)工程對(duì)象空間關(guān)系
TV68
A
1674-9405(2014)05-0005-07
2014-07-10
萬(wàn) 爍(1980-),女,北京人,高級(jí)工程師,從事水利信息技術(shù)相關(guān)工作。