供水管网地理信息系统的设计
（南充水务投资（集团）有限责任公司，四川 南充 637000）
摘要：本文主要针对某城市供水企业的现状，进行了系统需求分析，总体设计遵循SOA架构，以MapGIS为开发平台，已有地形数据和管网数据为基础，设计了包括地图编缉、网络编辑与分析、栅格分析、数据分析与处理等功能模块，以及C/S系统、B/S系统、内外业一体化采集系统、管网维修工单系统，基本满足该供水企业的日常生产和管理需求。
关键词：供水管网 地理信息系统 MapGIS
To Design The Geographic Information System
An Li
(Nanchong Water Investment（Group）Co., Ltd., Nanchong ,637000, China)
Abstract: This article mainly aims at the present situation of a city water supply enterprise, carries on the system demand analysis, the overall design follows the SOA framework, takes Mapgis as the development platform, has the topographic data and the pipe network data as the foundation, the function modules including map compiling, network editing and analyzing, raster analyzing, data analyzing and processing, as well as C/S system, B/S system, inner and outer work integration collecting system, pipeline network maintenance work list system are designed, the daily production and management needs of the water supply enterprise are basically satisfied.
Keywords: water supply network Geographic Information System MapGIS
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，近年来以物联网、大数据、人工智能、移动互联网、智能技术为代表的新一代信息技术正在带来第三次信息技术革命，信息技术正在与城市基础设施相融合、与城市的管理运行系统相融合、与市民的生活和企业的运行相融合[1]。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，以供水管网数据为核心，紧密结合供水管网管理需要，为供水公司实现对供水管网数据的管理、更新、分析提供了一套科学、有效的信息化管理工具。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等七部分，架构如图1所示。
图1 系统架构
2.2 网络架构设计
智慧供水作为智慧城市的重要组成部分，需充分运用地理空间信息、物联网、互联网、移动互联网、大数据等先进的技术手段，才能实现水务海量实时运行数据、业务过程数据的及时采集、处理和分析，以更加精细和动态的方式管理水务系统的生产、运营、服务和管理，不断提升供水企业的经济效益和社会效益，保障城市供水安全[2]。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，简称SOA架构）进行建设，如图2所示，保证本项目的有效开展与实施。
图2 网络框架
3 技术方案
3.1数据建设
数据是整体信息化工作的基础。数据主要包括地形数据、管网数据、业务数据、感知数据。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、其它竣工数据入库到GIS系统中。
在入库过程中制定数据规范, 对各类供水管网数据进行统一整合，形成统一格式、统一空间参照、样式、图例、统一数据分类和编码标准的供水管网数据库。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、编辑、修改等处理[3]。根据系统数据需求进行数据处理、属性提取、拓扑关系建立等一系列工作，最终建成集管线数据与基础地形数据、空间数据和非空间数据为一体的共享型数据库。
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300mm及以上的管网约300公里进行探测，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
采用面向服务的SOA架构，使系统更牢固可靠、易于扩展，能适应不断变化的业务需求，以服务的方式实现信息在各供水部门的共享利用，避免了数据的重复建设；同时，该系统还将丰富、高效和全面的供水GIS功能以服务的方式对外发布，供各供水部门建立不同的应用系统加以调用和使用，如地理空间数据的管理、可视化和分析等，实现了零编码或少量编码的业务智能应用系统的快速开发为快速进行供水GIS应用信息系统建设提供了的完整、先进、开放的服务平台[4]。
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，除了提供一系列的基本的地图服务、查询统计服务、目录服务、认证服务、分析服务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架构是一个悬浮倒挂式的平台架构，在这种体系架构下开发的系统牢固可靠，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[5]。
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
GDB企业管理器，主要是数据的存储与管理，包括数据库的创建、数据库的附加、各种格式数据的导入和导出以及单个数据的浏览（包括基本信息浏览、图形浏览、属性浏览和图形与属性联动浏览等）。
（2）地图编辑器
编辑器提供强大的图形输入与编辑系统，提供了多种灵活方便、高效、开放的输入方式，如扫描矢量化输入、其它数据源的数据接口、图形输出等。编辑器主要功能如下：
1、影像校正：对校正的影像添加一定数量控制点后，即可利用这些控制点信息对影像进行校正处理。编辑器中影像校正功能可对各种比例尺的地形图经扫描、几何纠正，形成在内容、几何精度上与原图保持一致的栅格数据文件；
2、图形输入：编辑器提供了手工矢量化，半自动矢量化，自动矢量化等方法。用户可以根据自己不同的数据需要选择适合自己的矢量化方法。通过矢量化操作将扫描原图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、注记要素及属性数据编辑与处理等。通过图形编辑能够改善图形精度，更新图形内容，丰富图形表现力，以“所见即所得”的工作方式面向用户，使用方便简单，如图4空间地物分类；
图4空间地物分类
4、图形输出：编辑器图形输出读取的各种输出数据，进行版面编辑处理、排版，进行图形的整饰，最终形成各种格式的图形文件，并驱动各种输出设备，完成数据的输出工作。
（3）数据分析与处理
数据分析与处理是是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。数据分析与处理模块可以通过对数据空间迭加、属性分析、数据检索、统计分析等功能的操作而得出新信息，为用户提供合适的答案得出所希望的结果，此模块应用十分广泛。数据分析与处理模块主要提供了矢量数据、栅格数据、属性数据分析与处理功能。
（4）网络编辑与分析
网络是由若干线性实体互联而成的一个系统，资源由网络来传输，实体间的联络也经由网络来达成。网络数据模型是真实世界中的网络系统（如交通网、通讯网、自来水管网、煤气管网等）的抽象表示。构成网络的基本元素是上述线性实体以及这些实体的连接交汇点，前者称为网络线，后者成为网络点。网络编辑与分析包括对网络线、网络点的编辑和对网的分析。
网络编辑包括网络编辑的设置、输入点、输入折线、删除、移动、参数编辑、属性编辑等。
网络分析包括元素的信息、网标的设置、分析方式的选择、流向分析等。
网络分析与应用包括查最近设施、查服务范围、查最佳新路、定位分配、多车送货等。
（5）栅格分析和数据中心
栅格分析可将研究区域内相关的栅格数据有效地组织起来，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。同时，栅格数据库与矢量数据库可以联合使用，并可以复合显示各种专题信息，进行矢栅转换处理。
1、数据管理：支持金字塔层管理、数据更新、数据提取、数据编辑和和数据质量检查等。
2、数据编辑：支持对高程点的查询，高程点坐标的查询、高程点的编辑、方位的变换与平移、数据集的裁剪、数据集重采样和高程值的替换等。
3、数据分析：支持地形因子分析、高程剖面分析、表面长度计算、表面体积计算、等值线的追踪、立体格网的绘制、洪水淹没分析和地下分析等。
（6）数据中心
“数据中心集成开发平台”简称为“数据中心”，是基于新一代GIS架构技术及新一代开发模式的集成开发平台，是集“基础”与“应用”为一体的综合开发与应用集成平台。数据中心既是一个“资源管理器”又是一个“系统开发器”。“资源管理器”管理“数据资源”和“功能资源”两大资源。数据资源通过数据仓库管理；功能资源通过功能仓库管理。“系统开发器”采用柔性设计理念，使系统能够被快捷地搭建出来，并且能适应需求的变化迅速做出调整，真正实现了“零编程、巧组合、易搭建”的可视化开发。
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
（一）供水管网GIS系统（C/S）
该模块主要是以城市地形图为基础，以供水管网数据为核心，紧密结合供水管网管理需要，为自来水公司实现对供水管网数据的管理、更新、分析提供了一套科学、有效的信息化管理工具，系统功能表如图5所示。主要包括：
1.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它电子数据（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。
2.常用工具。主要包括视图浏览、定位、量算等。
3.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信息以及用户可根据统计条件，对任意范围内的管网进行统计，如属性统计、区域统计、条件统计、管网资料统计、专向统计等，并可将统计结果
生成各种直观的统计结果图。还可将统计结果保存为统计方案，以便下次快速查询统计信息。
4. 打印输出。系统提供方便的图形数据打印功能。用户可以根据自己的需要，选择任意范围或任意形状的图形进行打印出图。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， “Access”、“Excel”、“Oracle”、
“SQL Server”、“Foxpro”和“Txt”等）、卡片输出(自定的卡片模版)等多种格式数据输出。
5管网编辑。根据用户的需求，系统提供多种针对管网空间数据编辑工具，对空间数据进行输入、删除、移动、剪断、连接等操作；支持撤销和回退功能。
图5系统功能表
（二） 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：
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.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
维修工单系统由手持端（M/S）和监控端（B/S）构成，两者有机结合、相辅相成，将外业维修养护工作与内业监管进行统一管理与协调，实现市政管网管理与外业工作人员管理的智能化，建立市政管网维修任务工单流程化处理的一体化解决方案，实现维修模式的整体改革与创新。
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利的支持。
参考文献：
[1] 钟江平.南宁市排水网络地理信息系统设计介绍.给水排水,2003,29(8)：87
[2] 吴信才.地理信息系统原理与方法.电子工业出版社,2002.03：213~239
[3] 朱敬芳.社区GIS数据模型的设计与应用.郑州大学学报(工学报),2010,04:33-35
[4] 廖瑞祥.基于GIS的三峡库区滑坡空间数据库设计[J].灾害与防治工程,2010(01)
[5] 吴超,郭晗.城市给水管网改造研究[J]. 科技与企业, 2014(02)
作者简介：安理（1988年12月20日），男，汉族，四川省南充市，工程师，研究生，软件工程领域。
