馬杰

（天津市華淼給排水研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津300190）

1 供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）簡(jiǎn)介

GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）是基于地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的一種地理信息系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)軟件的代碼組成以及測(cè)繪設(shè)備硬件的測(cè)繪支持下，對(duì)地理空間中有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及分析，集成一個(gè)包含很多屬性和緯度的巨型地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)。在用戶想要分析具體某一種或多種地理空間數(shù)據(jù)的時(shí)候，GIS 將采用地理模型分析的方法，適時(shí)提供給用戶或開發(fā)者多種動(dòng)態(tài)的空間地理信息。

總而言之，GIS 作為一種為地理研究和空間地理決策服務(wù)而建立起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，集成了計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)等諸多新興科學(xué)，最大程度的滿足用戶或開發(fā)者的需求[1]。用戶可以提取供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)中的空間地理數(shù)據(jù)和管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過其他數(shù)據(jù)分析軟件如matlab 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得到想要的數(shù)據(jù)圖，進(jìn)行實(shí)際問題的分析。

2 供水管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)需求分析

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)作為一個(gè)通用的基礎(chǔ)信息平臺(tái)，能夠?yàn)槌鞘泄┧芫W(wǎng)提供有力的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度、維修和資料檔案管理等科學(xué)依據(jù)。具體的需求分析如下：

2.1 管網(wǎng)編輯需求

當(dāng)前信息化背景下的現(xiàn)代城市供水管網(wǎng)要求對(duì)供水管線、閥門、水表位置等具體管網(wǎng)信息和城區(qū)地形、街道、居民小區(qū)等地理位置信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，并提供管網(wǎng)編輯工具，使供水企業(yè)人員能夠快速對(duì)本市供水管網(wǎng)中的各類閥門、消火栓、管線等管網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行線上增加、刪除、修改等屬性編輯工作，將管網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)與管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)通過某種特定的規(guī)則結(jié)合起來，使得融合之后的數(shù)據(jù)信息直觀的顯示為圖形信息，解決以往傳統(tǒng)手工繪制管網(wǎng)圖中工序繁瑣、復(fù)雜的問題。

2.2 查詢統(tǒng)計(jì)需求

查詢：供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)者和管理者需要通過計(jì)算機(jī)的GIS 系統(tǒng)清楚看到任何比例下地下供水管網(wǎng)在空間上的分布情況，不僅限于1:500 或1:2000 的比例圖紙上，做到全局規(guī)劃；此外，還需要通過區(qū)域查詢、條件查詢，查看管網(wǎng)屬性信息，如管線的材質(zhì)、地表的注冊(cè)號(hào)、水閘閘號(hào)等，具有鷹眼、索引圖等功能。

統(tǒng)計(jì)：供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)者和管理者需要方便的統(tǒng)計(jì)出特定區(qū)域內(nèi)所有管線、供水設(shè)施的數(shù)據(jù)量以及詳細(xì)的工程信息，按供水管網(wǎng)口徑、管網(wǎng)使用年限、管道材質(zhì)類別等具體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便全面了解全市管網(wǎng)運(yùn)行情況。

2.3 輔助設(shè)計(jì)需求

供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)者需要GIS 系統(tǒng)提供測(cè)量工具進(jìn)行多種測(cè)量，如直線段、曲線段、面積等；模擬管網(wǎng)水壓分布狀態(tài)；尋求多水源管網(wǎng)內(nèi)供水分界線的變化規(guī)律，尤其針對(duì)現(xiàn)階段城區(qū)管網(wǎng)更新改造設(shè)計(jì)方案提供管網(wǎng)水力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 供水管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自由探測(cè)部門提供的天津市全部的地下供水管網(wǎng)的地理空間數(shù)據(jù)和 1∶500、1∶2000 地形圖數(shù)據(jù)，由工作人員操作現(xiàn)有的矢量化外部設(shè)備錄入全市供水管網(wǎng)位置圖數(shù)據(jù)以及由地下管線探測(cè)部門提供的詳實(shí)供水管網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)。

3.1 主要數(shù)據(jù)要素

①地理數(shù)據(jù)：城市地形、街道、河流、各區(qū)界限、鐵路、公路、街道、水體邊界線、建筑物名標(biāo)號(hào)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、門牌號(hào)、圍墻、圖根點(diǎn)、天文點(diǎn)、消火栓等。

②管網(wǎng)數(shù)據(jù)：管段、管段材質(zhì)、管段建設(shè)年限、閥門井、閥門井號(hào)、消火栓、地表、地表注冊(cè)號(hào)、堵頭封板、排氣閥、排水閥、水廠及加壓泵站、測(cè)壓點(diǎn)。

③其他數(shù)據(jù)：接水點(diǎn)及其位置、用水點(diǎn)及位置、搶修、報(bào)修及維修信息、管網(wǎng)參照物等詳細(xì)屬性信息。

圖1 N 層結(jié)構(gòu)體系

3.2 數(shù)據(jù)組織與整合

目前，天津市城市供水工作相關(guān)組織使用的管網(wǎng)資料主要以管網(wǎng)現(xiàn)狀圖、設(shè)計(jì)圖、竣工圖、工程檔案（工程歸檔資料）為主，這些具體、詳細(xì)的管網(wǎng)資料共同組成了天津市地下供水管網(wǎng)的唯一依據(jù)，因此，這些管網(wǎng)資料也是天津市供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）重要的數(shù)據(jù)來源。

①地形背景數(shù)據(jù)庫(kù)：用城市1∶500 的電子地圖作為供水區(qū)域街區(qū)的背景圖，圖中的地形分布、道路、建筑、城市設(shè)施等最新地理數(shù)據(jù)清晰顯示，按類別把各圖層提取為單獨(dú)文件，以便根據(jù)詳略需要進(jìn)行選擇性顯示，并且要對(duì)CAD 圖修飾整合后，轉(zhuǎn)換成為GIS 的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)形式以便做好存儲(chǔ)和更新。

②管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)：管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確定位，通過探測(cè)部門取得的最新實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)保證管線定位的清晰精確，將圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行分層與合并，在數(shù)據(jù)庫(kù)中形成完整的供水管線拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)置不同供水管線的顏色區(qū)分，能夠?qū)崿F(xiàn)管線布局的精準(zhǔn)定位，能夠?qū)Σ煌恢煤筒馁|(zhì)的管線和閥門進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，為供水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工和檢修提供便利。

③附屬設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)：消防栓、水表、測(cè)流閥等附屬設(shè)施也是城市供水設(shè)計(jì)施工需要考慮的重要因素，GIS 系統(tǒng)通過存儲(chǔ)附屬設(shè)施的位置、規(guī)格等數(shù)據(jù)信息，對(duì)供水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)施工提供重要參考。

④營(yíng)銷數(shù)據(jù)庫(kù)：營(yíng)銷數(shù)據(jù)庫(kù)主要面向城市供水行業(yè)的服務(wù)對(duì)象，包括天津市市內(nèi)六區(qū)各營(yíng)銷分公司管網(wǎng)維護(hù)過程中收集形成的巡查反饋故障及可靠性數(shù)據(jù)、用戶安裝水表等用水設(shè)備申請(qǐng)數(shù)據(jù)、設(shè)備故障事故上報(bào)數(shù)據(jù)等。

4 供水管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)的技術(shù)路線

本節(jié)主要是天津市自來水集團(tuán)基于本市供水管網(wǎng)實(shí)際所做的分析，供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的技術(shù)路線可以歸納為：采用需求導(dǎo)向型設(shè)計(jì)方法來規(guī)劃系統(tǒng)的應(yīng)用，以建立數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用優(yōu)化性能、成本低效益高的三層/N 層結(jié)構(gòu)體系，圖1 所示。

4.1 邏輯結(jié)構(gòu)

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)分為三層，分別為：數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、服務(wù)層。

數(shù)據(jù)層：儲(chǔ)存天津市自來水公司供水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（含地形背景數(shù)據(jù)、管網(wǎng)圖形數(shù)據(jù)、附屬設(shè)施數(shù)據(jù)）、營(yíng)銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)、SCADA 采集的其他數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用層：地理信息系統(tǒng)的核心應(yīng)用，在移動(dòng)設(shè)備或固定設(shè)備上顯示的圖形化界面，包含數(shù)據(jù)入庫(kù)與查詢、圖形顯示與編輯、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、安全管理和對(duì)外服務(wù)等功能。

服務(wù)層：設(shè)計(jì)人員及管理人員訪問系統(tǒng)時(shí)的應(yīng)用入口，進(jìn)行技術(shù)管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、決策分析等。

4.2 應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

①系統(tǒng)管理模塊：設(shè)計(jì)用戶登錄界面，天津市自來水公司負(fù)責(zé)該系統(tǒng)管理及維護(hù)的人員由統(tǒng)一界面登錄，經(jīng)用戶名和密碼驗(yàn)證，進(jìn)入系統(tǒng)功能主界面，選擇功能按鈕調(diào)用其他界面，其主界面設(shè)置的功能包括數(shù)據(jù)備份與程序回復(fù)、管網(wǎng)線路數(shù)據(jù)字典與元件數(shù)據(jù)字典查詢、網(wǎng)絡(luò)日志管理、數(shù)據(jù)源組間管理等。②客戶服務(wù)模塊：模塊的主要組成部分分為線下營(yíng)業(yè)廳服務(wù)和網(wǎng)上信息查詢服務(wù)。通過網(wǎng)頁設(shè)計(jì)，經(jīng)瀏覽器在客戶端顯示的HTML 頁面，用戶可以在營(yíng)業(yè)廳服務(wù)功能項(xiàng)下進(jìn)行故障申報(bào)與維修業(yè)務(wù)；自來水各營(yíng)銷分公司通過網(wǎng)絡(luò)查詢供水管網(wǎng)的管段信息、節(jié)點(diǎn)以及管網(wǎng)運(yùn)行狀況、供水附屬信息等，實(shí)現(xiàn)日常管網(wǎng)巡查和維修業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)化。③管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析模塊：在管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析模塊中管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊將前文整合的空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)和管網(wǎng)零件數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換成GIS 標(biāo)準(zhǔn)格式。先將地形數(shù)據(jù)（如城市地形、各區(qū)界限、鐵路、街道、水體邊界線等）導(dǎo)入；再對(duì)供水管網(wǎng)中不同位置、不同材質(zhì)的管線、閥門井、消火栓、水表、測(cè)流閥等需要存檔的管網(wǎng)附屬設(shè)施信息進(jìn)行輸入、修改和移動(dòng)等操作；最后對(duì)非業(yè)務(wù)屬性、地圖元素、用戶反饋等輔助性數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入。查詢統(tǒng)計(jì)部分可分為圖文雙向查詢、分級(jí)分類查詢、自定義查詢、業(yè)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)區(qū)域查詢，設(shè)置相應(yīng)的輸入—輸出程序，便于按照查詢條件精確提取并顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)。同時(shí)建立讀取營(yíng)銷抄表信息的接口；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)終端人為或自動(dòng)修改的信息并及時(shí)發(fā)送管網(wǎng)運(yùn)行狀況的SCADA 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集接口。數(shù)據(jù)分析部分的操作建立在供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)完備的前提下，由操作人員在線上的自來水管線分布圖上提取供水管段信息，并將其所在節(jié)點(diǎn)處打斷，特別是要在不同管徑或不同材質(zhì)管道連接點(diǎn)打斷，方便對(duì)系統(tǒng)中的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行分層管理；再?gòu)膱D幅中提取出各打斷節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)錄入各節(jié)點(diǎn)的管線屬性數(shù)據(jù)；最后利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞綄?duì)節(jié)點(diǎn)以及管線屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，建立管網(wǎng)模型。④管網(wǎng)安裝與維護(hù)模塊：根據(jù)市內(nèi)現(xiàn)有的管網(wǎng)配套設(shè)施以及管網(wǎng)改造計(jì)劃，有序、準(zhǔn)確地錄入管網(wǎng)竣工資料，更新管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)中的管網(wǎng)現(xiàn)狀；營(yíng)銷公司建立管網(wǎng)探漏、巡漏、維修結(jié)果存儲(chǔ)查詢等模塊。

5 結(jié)語

當(dāng)前的供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)具備了有效管理全市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的功能，可為用戶和開發(fā)者提供一個(gè)實(shí)時(shí)更新、準(zhǔn)確覆蓋、易分析的管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，企業(yè)、個(gè)人和政府共享系統(tǒng)中的各方面信息。還應(yīng)利用GIS 分析、模擬等強(qiáng)大的功能，與matlab 等數(shù)據(jù)分析軟件結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析，為超大城市級(jí)別供水管網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。