戴彥群

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007)

0 引 言

城市市政地下管線是其“神經(jīng)網(wǎng)”和“血管網(wǎng)”,保證著其運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展，同時(shí)，也是整個(gè)城市的“生命線”。城市的持續(xù)擴(kuò)大，也加快了對(duì)其地下管網(wǎng)的建設(shè)。由于新舊管線的結(jié)構(gòu)交錯(cuò)，復(fù)雜多變，地下管線信息管理也處于動(dòng)態(tài)變化中，多部門化的管理模式勢(shì)必導(dǎo)致管線信息的丟失。對(duì)于城市的建設(shè)、施工、數(shù)據(jù)管理，若沒有一套正確的城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，將會(huì)導(dǎo)致各種事故的頻發(fā)，難以有效地進(jìn)行城市建設(shè)。

針對(duì)地下管線當(dāng)前形勢(shì)、發(fā)展方向以及城市地下管網(wǎng)的背景和面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)地下管網(wǎng)[1-3]的智能化管理采用了GIS思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究了技術(shù)解決路線。對(duì)當(dāng)前城市地下管線現(xiàn)狀，采用ArcEngine進(jìn)行桌面系統(tǒng)開發(fā)，應(yīng)用WebGIS平臺(tái)拓展系統(tǒng)服務(wù)[4]，結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)對(duì)管線進(jìn)行巡檢監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了智慧管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了智能查詢、智能管理[5]、智能巡檢[6-7]、三維管網(wǎng)分析[8]等功能以及管網(wǎng)業(yè)務(wù)管理功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為三個(gè)大的平臺(tái)：桌面端、Web端、移動(dòng)端。桌面端主要用于后臺(tái)管理人員的數(shù)據(jù)編輯、流量監(jiān)測(cè)、管網(wǎng)規(guī)劃等；Web端用于水費(fèi)管網(wǎng)人員信息的查詢操作等；移動(dòng)端用于外業(yè)巡檢人員的外出巡檢工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

桌面端系統(tǒng)管理平臺(tái)，通過ArcGIS Engine的桌面端二次開發(fā)，系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市地下管網(wǎng)的數(shù)據(jù)查詢、編輯、管理、事故處理入庫等數(shù)據(jù)操作，在三維方面，充分發(fā)揮ArcSence和ArcGlobe的三維渲染效果[9]，對(duì)管線進(jìn)行三維數(shù)據(jù)渲染，可用于可視化巡檢，同時(shí)支持二三維聯(lián)動(dòng)操作。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)登錄用戶的管理權(quán)限，制定不同的操作權(quán)限，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和管理的規(guī)范化。

Web端系統(tǒng)平臺(tái)[10]主要面向政務(wù)管理者，用于數(shù)據(jù)查詢、表單統(tǒng)計(jì)、人員安排調(diào)度等相關(guān)操作，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)登錄權(quán)限給予相應(yīng)的操作權(quán)限，以最大程度地保證整個(gè)管理平臺(tái)有序合理的運(yùn)行。Web端平臺(tái)不開放管網(wǎng)數(shù)據(jù)操作權(quán)限，確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的安全性，同時(shí)由于分工安排的不同，能夠有效利用現(xiàn)有資源，提高效率。

在移動(dòng)端系統(tǒng)平臺(tái)，移動(dòng)端管網(wǎng)巡檢APP主要針對(duì)巡檢員，并可根據(jù)實(shí)時(shí)分享上傳的GPS位置數(shù)據(jù)[11-12]，使得管理員可在系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)度外業(yè)人員安排，同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)事故位置的不確定性，移動(dòng)端平臺(tái)可上報(bào)事件情況并拍照，確保第一時(shí)間了解事發(fā)地真實(shí)情況，以便做下一步的工作。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的架構(gòu)主要分為四個(gè)層面，使系統(tǒng)在處理龐大數(shù)據(jù)和進(jìn)行復(fù)雜算法分析時(shí)能夠進(jìn)行快速響應(yīng)和避免假死狀態(tài)。獨(dú)立地將數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)功能服務(wù)分開，在操作空間地理數(shù)據(jù)的同時(shí)不影響對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的干擾，實(shí)現(xiàn)了分層設(shè)計(jì)的需求；在AO接口開發(fā)和JS API接口服務(wù)開發(fā)的同時(shí)[13]，將SDE空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)進(jìn)行版本化的處理，使不同的管理人員可以通過不同的平臺(tái)對(duì)同一數(shù)據(jù)源進(jìn)行操作分析，有效地實(shí)現(xiàn)一張圖操作模式；系統(tǒng)將后臺(tái)管理代碼托管到云服務(wù)平臺(tái)中，并通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問操作，大大提高應(yīng)用范圍，并支持移動(dòng)端對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的查詢等操作。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

(1)應(yīng)用層。

應(yīng)用層主要以企業(yè)用戶或政府用戶為主，普通用戶通過資源服務(wù)中心訪問發(fā)布的各種數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行相應(yīng)操作，管理員或者開發(fā)者可通過應(yīng)用開發(fā)中心進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和修改，通過調(diào)用API實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)平臺(tái)的開發(fā)。

(2)服務(wù)平臺(tái)。

服務(wù)平臺(tái)分為服務(wù)接口和服務(wù)發(fā)布，其中服務(wù)接口包含Web應(yīng)用開發(fā)接口和服務(wù)接口OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，應(yīng)用開發(fā)人員可以根據(jù)此接口開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用服務(wù)，滿足用戶的各個(gè)需求；服務(wù)發(fā)布包含數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)主要有：專題地圖服務(wù)、文檔服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，功能服務(wù)主要有：地理編碼服務(wù)、空間分析服務(wù)、空間處理服務(wù)。普通用戶通過訪問各個(gè)服務(wù)，進(jìn)行相應(yīng)的信息交互處理，通過分布式的架構(gòu)，使得服務(wù)平臺(tái)更高效地響應(yīng)用戶操作。

(3)數(shù)據(jù)資源。

數(shù)據(jù)資源為服務(wù)平臺(tái)提供各種數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)資源分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其中基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包含地理實(shí)體數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)，專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包含國(guó)土方面、規(guī)劃方面、管線方面。數(shù)據(jù)是系統(tǒng)平臺(tái)的核心，所以在數(shù)據(jù)資源的管理上，采用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的劃分存儲(chǔ)管理，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全，通過分別部署操作，方便后期管理和維護(hù)。

(4)支持層。

支持層為云管理平臺(tái)，分為存儲(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)器、GIS服務(wù)器[14]。通過云管理平臺(tái)對(duì)各個(gè)服務(wù)體系進(jìn)行部署管理，協(xié)調(diào)各部分工作，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

3 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)無疑是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其所有的操作服務(wù)都是圍繞數(shù)據(jù)進(jìn)行的，因此，地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性從很大程度上影響了系統(tǒng)的好壞。

(1)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集整理。

對(duì)于埋深于地下的管網(wǎng)來說，需要進(jìn)行專業(yè)的探查工作，主要查明管網(wǎng)的二維坐標(biāo)、管徑、流向、埋深、材質(zhì)、權(quán)屬單位、安裝日期、維護(hù)周期、壁厚等相關(guān)信息，并通過探明的信息繪出地下管網(wǎng)綜合圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)矢量化入庫，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

對(duì)于地下管網(wǎng)的測(cè)量調(diào)查工作，一般采用人工外業(yè)調(diào)查，布控制點(diǎn)，對(duì)井蓋進(jìn)行測(cè)量定位，并下井探明管線走向和分布情況，做好記錄，確保外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(2)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的架構(gòu)

一個(gè)城市的地下管網(wǎng)往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，同時(shí)，在組成架構(gòu)上也是如此，可分為管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和管網(wǎng)輔助數(shù)據(jù)。管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括各個(gè)管線的線數(shù)據(jù)，閥門、預(yù)留口、調(diào)壓閥等點(diǎn)數(shù)據(jù)；管網(wǎng)輔助數(shù)據(jù)主要包括城市道路數(shù)據(jù)、居民或商業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)、各個(gè)工廠區(qū)域數(shù)據(jù)、水域數(shù)據(jù)、地面高程數(shù)據(jù)等。結(jié)合管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖和實(shí)際管網(wǎng)信息，規(guī)劃設(shè)計(jì)現(xiàn)代城市的地下管網(wǎng)分布圖，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)入庫，有效地管理管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，避免了傳統(tǒng)方式的雜亂無章，同時(shí)在應(yīng)對(duì)突發(fā)情況時(shí)，也更能夠妥善快速地進(jìn)行處理，減少事故損失。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為地理數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫兩個(gè)大塊。地理數(shù)據(jù)庫主要為ArcSDE數(shù)據(jù)庫，配合SQLServer的數(shù)據(jù)庫服務(wù)和安全體系，最大程度上使管網(wǎng)數(shù)據(jù)處于一個(gè)相對(duì)安全規(guī)范的范圍內(nèi)；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫主要是系統(tǒng)人員信息、各個(gè)表單信息、監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)信息等。

針對(duì)系統(tǒng)的地理信息和業(yè)務(wù)的復(fù)雜性，將所有信息數(shù)據(jù)架構(gòu)成應(yīng)用于SQL數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。具體包括管線數(shù)據(jù)顏色表(不同等級(jí)的數(shù)據(jù)用不同的顏色表示)、管線信息表、水廠信息表、閥門表、水塔/高位水池表、管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息表等。其中管線信息表為系統(tǒng)核心，具體設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 管線信息表

4 實(shí)驗(yàn)分析

該系統(tǒng)采用SQL 2008 R2來存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并通過ArcSDE 10.2來管理地理信息數(shù)據(jù)，開發(fā)平臺(tái)應(yīng)用Visual Studio 2013，通過C#語言來調(diào)用ArcEngine 10.2服務(wù)接口進(jìn)行客戶端桌面開發(fā)。系統(tǒng)采用DevExpress 15.2控件進(jìn)行頁面布置；Web端平臺(tái)開發(fā)采用的是WebStorm 9.0.3,Web服務(wù)采用發(fā)布本地服務(wù)部署，通過ArcGIS Server發(fā)布地圖服務(wù)，通過部署在IIS上的服務(wù)接口訪問地圖服務(wù)，利用Web Server和Ajax調(diào)用服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作；移動(dòng)端開發(fā)平臺(tái)采用Android Studio進(jìn)行開發(fā)部署，利用打包的tpk地圖包，調(diào)用服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和同步上傳數(shù)據(jù)。采用四川省樂山市市中區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

桌面端實(shí)現(xiàn)了空間查詢、空間分析、數(shù)據(jù)管理、二三維聯(lián)動(dòng)操作、查詢統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)編輯、橫縱斷面工具、事故處理、管網(wǎng)分析、綜合分析、三維模擬等功能。

數(shù)據(jù)管理主要是進(jìn)行各個(gè)數(shù)據(jù)的編輯管理操作，主要分為用戶管理、添加地圖數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理、事故管理。用戶管理主要是管理登錄用戶，可以添加、修改、刪除用戶和分配其權(quán)限；添加地圖數(shù)據(jù)主要是添加地圖文檔數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)，添加文本數(shù)據(jù)主要是txt文檔數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理主要是針對(duì)矢量地理數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯操作；事故管理主要是管理各個(gè)事故點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和入庫備份。

空間分析主要分為路徑分析、清除和導(dǎo)出圖片功能。路徑分析主要是通過添加站點(diǎn)和障礙點(diǎn)來進(jìn)行路徑分析，點(diǎn)擊開始分析，激活功能按鈕，在地圖上點(diǎn)擊添加站點(diǎn)和障礙點(diǎn)，點(diǎn)擊生成路徑，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出最短路徑，點(diǎn)擊導(dǎo)出圖片，系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)出當(dāng)前地圖數(shù)據(jù)。

橫縱斷面主要是橫斷面、縱斷面、道路斷面；事故處理主要是設(shè)備預(yù)警、關(guān)閥搜索、消防栓搜索；管網(wǎng)分析主要是緩沖區(qū)分析、連通性分析、追蹤分析；綜合分析主要是覆土深度檢測(cè)、水平碰撞檢測(cè)、交叉垂直檢測(cè)。

查詢統(tǒng)計(jì)主要分為查詢工具和統(tǒng)計(jì)工具。查詢工具主要是沿線查詢、空間查詢、附屬數(shù)據(jù)、多媒體工具；統(tǒng)計(jì)工具主要是管網(wǎng)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備統(tǒng)計(jì)、材質(zhì)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備匯總。沿線查詢主要通過緩沖區(qū)對(duì)要素進(jìn)行緩沖疊加分析。選擇搜索管線，輸入緩沖范圍，然后在要素欄選擇需要查詢的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊開始搜索，數(shù)據(jù)欄會(huì)顯示數(shù)據(jù)，單擊自動(dòng)定位到該要素。在地圖上框選擇需要查詢的要素，系統(tǒng)自動(dòng)彈出要素名稱屬性。

三維模擬主要分為globe窗口、三維模型生成、三維場(chǎng)景導(dǎo)出、globe場(chǎng)景展示和視域監(jiān)控區(qū)域分析。globe窗口主要是加載globe文件、打開globe圖層、打開globe工具條；三維模型生成主要是基于規(guī)則生成、導(dǎo)入模型；三維場(chǎng)景導(dǎo)出主要是導(dǎo)出web場(chǎng)景；globe場(chǎng)景展示主要是實(shí)景模擬、動(dòng)態(tài)展示、關(guān)閉動(dòng)態(tài)、三維動(dòng)畫；視域監(jiān)控區(qū)域分析主要是流量時(shí)空分布、盲區(qū)分析、視域監(jiān)控。二三維聯(lián)動(dòng)操作如圖3所示。

圖3 二三維聯(lián)動(dòng)

Web端平臺(tái)主要是數(shù)據(jù)查詢方面的操作，不針對(duì)編輯矢量數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的安全。Web端主要分為業(yè)務(wù)操作、查詢統(tǒng)計(jì)、管線服務(wù)、事故處理、消息管理。業(yè)務(wù)操作主要是水費(fèi)臺(tái)賬、管材臺(tái)賬、消防臺(tái)賬、事故臺(tái)賬、設(shè)備管理、人事管理、出工日志，總體用于管理臺(tái)賬基本數(shù)據(jù)和安排人員數(shù)據(jù)等。查詢統(tǒng)計(jì)主要是條件查詢、幾何查詢、設(shè)施統(tǒng)計(jì)、材質(zhì)統(tǒng)計(jì)、管長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、流量分布，總體用于管網(wǎng)的查詢統(tǒng)計(jì)等操作。管線服務(wù)主要是水質(zhì)監(jiān)測(cè)、埋深分析、管網(wǎng)規(guī)劃、管網(wǎng)沖洗方案、巡檢管理、測(cè)壓站分布、事故管理，總體用于管線服務(wù)的分析操作。具體如圖4所示。

圖4 Web端業(yè)務(wù)操作功能

移動(dòng)端系統(tǒng)主要面向外業(yè)端人員，外業(yè)人員除上傳報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)信息外，還可應(yīng)用移動(dòng)端設(shè)備進(jìn)行管網(wǎng)的日常巡檢工作。移動(dòng)端平臺(tái)主要分為計(jì)劃任務(wù)、即時(shí)信息、臨時(shí)事件、地圖瀏覽、歷史事件、GPS狀態(tài)、系統(tǒng)設(shè)置。計(jì)劃任務(wù)主要是制定每日計(jì)劃并進(jìn)行日常巡邏檢查。臨時(shí)事件主要是當(dāng)發(fā)生突發(fā)事故的時(shí)候，巡檢人員到達(dá)事故地點(diǎn)，應(yīng)用移動(dòng)端設(shè)備上傳事故點(diǎn)詳細(xì)信息，以便總部管理人員進(jìn)行事故處理操作。臨時(shí)事件功能如圖5所示。

圖5 臨時(shí)事件處理

5 結(jié)束語

文中采用多平臺(tái)管理模式對(duì)智慧管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，結(jié)合GIS軟件平臺(tái)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web服務(wù)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，整合城市地下綜合管線數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)地下管線的存儲(chǔ)、查詢、爆管分析、故障定位、管網(wǎng)規(guī)劃、三維可視化管理等功能，形成了一套完善的城市地下綜合管線數(shù)據(jù)資源管理智能化、可視化的智能管網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了管線地理空間信息平臺(tái)的建設(shè)，逐步通過數(shù)據(jù)資源的“集中管理、分布應(yīng)用”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理部門和應(yīng)用部門之間的共建共享。最后采用樂山市的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，證明了該設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性，為智慧管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。