基于GIS的城市供水管网信息系统设计与应用

牟凤云，王云飞，罗 丹，官冬杰

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2. 西南林业大学 林学院，云南 昆明 650224)

0 引 言

供水管网是“城市的生命线”，特别是对于大型城市，供水输配管网具有多水源、多水厂、多节点、大管网、大水量、长距离等特点，针对城市供水管网管理的专题应用系统的研发是现代城市发展的要求。地理信息系统(Geographical Information System, GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术，其特有的可视化表达和空间分析功能符合供水管网信息所具有的与地理位置相关、区域性强、动态和数据量大等特点。

作为城市管网的重要组成部分，供水管网的GIS是建立在计算机上以实时动态的供水管网图为基准的，要求系统能够存储全部管网图形和属性信息，并可以随时更新，能方便的对管网进行各种查询，实现供水管网信息系统的可视化管理，进而可以对各种供水相关信息进行快速查询、检索、统计、及时修改更新、空间分析等，从而为企业的供水规划、设计、调度、抢修和图籍资料的档案管理提供强有力的科学决策依据。

目前国外有许多优秀的供水管网信息系统平台和软件，如美国的Intergraph公司的AM/FM软件实现了在管网信息系统中的应用；德国Siemens公司的设施管理平台SICAD-UT广泛的用于电力、煤气、自来水等市政实施的管理、规划以及分析[1]。我国的地下管网信息系统应用相对起步较晚，随着城市规模的不断扩大，许多城市如上海、沈阳等已经运用GIS进行地下管网的信息化管理。

笔者结合当前地理信息系统技术与软件发展趋势，以及城市供水管网的应用需求，设计了基于GIS的供水管网信息系统。系统详细设计模块包括数据组织、系统模块功能、系统模块接口和模块控制逻辑。其中系统用到的数据库主要包括基础地形数据库、综合管网数据库、供水管网数据库、图档数据库；系统模块功能分为17个子系统功能模块；系统模块接口有4部分关键接口。

1 系统模块数据组织

模块数据组织对数据库进行设计，确定各类数据库中需要管理的数据并与模块进行关联，使模块有针对性的调用数据库数据，减少不必要的检索时间。系统用到的数据库主要包括基础地形数据库、综合管网数据库、供水管网数据库、图档数据库。

1.1 基础地形数据库

基础地形图是系统的基础数据，是整个系统数据的空间位置参照。包括：区界线、区名标号、铁路、道路、道路中线、道路名标号、街巷名标号、水体门牌号、房屋结构标号、篱笆、围墙、图根点、天文点、水准点、三角点、导线点等[2]。主要支持数据更新维护模块、视图调用模块、空间分析模块、用水调度管理模块、用户管理模块以及事故处理子系统中各模块的调用[3]。

1.2 综合管网数据库

综合管网数据为建立综合性管网隧道提供各类管网系统的要求，并将管网中包括的各类管线的属性提供给供水管网的管理系统，在事件处理中起到参考作用。主要包括煤气管网数据、排水管网数据、污水管网数据、电力管网数据、电信管网数据等。支持数据更新维护模块、数据分类统计模块、视图边界线、水体名标号、建筑物外廊、建筑物名标号、操作子系统中各模块、空间分析模块、拓扑分析模块以及事故处理子系统中各模块的调用。

1.3 供水管网数据库

供水管网数据是整个管网信息系统的核心数据。不仅要体现各种管网要素的空间位置信息，而且要可以查询到某一个空间对象的对应属性信息。供水管网包括普通给水管线、中水给水管线等管线设施和消防栓、阀门、排水阀、排气阀等管线附属设施。所有要素只分为点和线两种类型，以P和L表示，并按照一定的规律进行命名，结合用户需求以及系统应用要求设计要素属性表[2]。主要支持数据更新维护模块、数据分类统计模块、视图操作子系统中各模块、规划设计子系统中各模块、管网监管子系统中各模块以及事故处理子系统中各模块。

1.4 图档数据库

图档数据库用于存储和管理各类图档文件，数据库为各个图档建立了标识索引，赋予地名、区域、图号等属性，方便调图使用。主要支持图档日志管理模块、视图调用模块、规划设计子系统中各模块、用水调度管理模块、管网监管子系统中各模块、事故处理子系统中各模块。

2 系统模块功能设计

系统共有7个子系统：数据管理系统、视图操作系统、规划设计系统、业务管理系统、官网监管系统、事故处理系统和信息发布系统。根据系统的需要将系统设置为19个下属各子系统功能模块：数据更新维护模块、数据分类统计模块、图档日志管理模块、视图调用模块、图层设置模块、要素量算模块、空间分析模块、拓扑分析模块、用水调度管理模块、用户管理模块、日常台账管理模块、设备查询检索模块、水力状态描述模块、泄漏事故处理模块、水污染事故处理模块、火灾应对模块、临时关阀模块、网络发布模块、打印输出模块(如图1)。

图1 供水管网信息系统功能模块设置Fig.1 Layout of function modules of water supply pipeline network information system

2.1 数据管理系统

该子系统的操作对象是数据，在对数据进行维护和更新的基础上实现对属性数据的分类统计，并对使用过程中产生的各类成图及日志文件进行分类存储、制定索引规则等。

2.1.1 数据更新维护模块

在基础数据库的基础上，满足数据实时变化的需要，在管网数据因不同事件而改变时，对数据做出及时相应的修改。能方便的调用数据库，精确定位数据，对数据库中的数据进行添加和修改，并建立相关数据关系和操作日志文件。

2.1.2 数据分类统计模块

真实准确的统计数据是对地下管网区域分布状态、规模、供水能力最有说服力的描述。包括属性统计、按管线口径统计长度、按设备口径统计、按设备安装年代统计等功能。用户可选择统计参数，系统使用对应的SQL查询语句从数据库中查询到用户所需要的数据，并返回给用户。或在图层中用鼠标指定一块区域，系统可统计出该区域内管线、设施的数据量，并可以转换成二维、三维柱状图形[2,4]。

2.1.3 图档日志管理模块

对各类事件分析处理时生成的图档和日志提供归类、管理、输出、浏览等功能并对其建立地名、区域、图号等索引方式以方便调用，是一种使用数据库建立索引列表来管理文件数据的方式。

2.2 视图操作系统

对视图的操作从加载图层开始。系统加载图层后，可通过调图操作来定位操作区域。系统设计调图方法包括按地名调图、按区域调图及按图号调图[2]。定位操作区后，能够进行图层设置和要素量算。

2.2.1 视图调用模块

一种视图查询手段，通过按地名调图、按区域调图及按图号调图等方式将视图定位于加载图层的某一需要操作的区域上，类似于视图标签的使用方式，但是标签的建立方式是在编辑图档管理索引时建立起的，可以直接调用。

2.2.2 图层设置模块

图层设置包括地图图层设置、标注设置及符号设置。设置的内容是为图层对象添加特征属性，增加各图层间的区分程度，同时使图层信息更加直观明确。

2.2.3 要素量算模块

要素量算包括距离交汇定位、距离量算、面积量算、绑点量算等，用于阀门的绑点距离、管线长度和服务区的计算，也可以应用在设施查找定位、规划设计方面。

2.3 规划设计系统

利用城市土地利用数据、地质数据制成用于分析的城市状况矢量图。根据各类管线的铺设要求进行空间分析和拓扑分析操作生成管网系统位置图。对位置图进行拓扑查错、标注，最终决定管网系统的建设方式与位置，并估算工程量与预算及制定施工步骤与进度。

2.3.1 空间分析模块

空间分析模块主要服务于规划设计子系统，其中的某些功能也被事故处理子系统调用。主要按照需要进行缓冲区分析、叠加分析、三维图形处理、横断面分析、纵断面分析等分析操作，用以管网的建设规划。另外可以分析事故影响范围和变化趋势。

2.3.2 拓扑分析模块

拓扑分析是就管线建立拓扑关系并根据各类管线行业习惯制定拓扑规则，对现有的管网设计进行拓扑查错以满足各类需要。

2.4 业务管理系统

业务管理系统用于用水调度管理、用户管理和日常台账管理[5]。

2.4.1 用水调度管理模块

用水调度管理是应用于处理各类不同的用水需求，如施工需求、工业需求等，可根据管线的容忍程度改变供水量、水压和供水范围。

2.4.2 用户管理模块

针对用户信息，可提供各种用户、水表属性查询，实时读取水表用水量。

2.4.3 日常台账管理模块

包括日常维修管理、定期维修管理、接水工程管理3个相对独立的台帐，分别提供相应的编辑、查询、统计工具。

2.5 管网监管系统

管网监管系统提供多种查询检索功能和水利状态描述等功能。

2.5.1 设备查询检索模块

包括点选查询、区域查询、条件查询、属性查询、图号检索、查询报表等查询检索功能，用于随时了解管道的材质、阀门的属性及阀门种类、口径、设备中心坐标、井口坐标、管顶深度、匙头样式、装设方式、安装时间、普查时间、安装单位、更换时问、开关状态(开、关)、开启方向、开启圈数、运行状态等信息[1]。

2.5.2 水力状态描述模块

以制图功能为主，具有绘制管网等水压线、水流方向动态模拟、生成管网供水区域图、绘制供水区域图、绘制用水分布图、供水路径查询、压力满足区范围查询、其他平差计算结果的查询等功能，用于对供水管网中的水力状态进行监管[5]。

2.6 事故处理系统

该子系统提供与管网监管系统的联动机制，主要具有4部分功能：泄漏事故处理、水污染事故处理、火灾应对和临时关阀。

2.6.1 泄漏事故处理模块

系统监测到爆管等漏水事故并确定漏水位置后，立即计算需要关闭的阀门、受影响的用户，打印各种通知单等。当关阀搜索中有的阀门已经失灵(比如锈死)，根本无法关闭时，系统提供多级关阀搜索，通过关闭上一级阀门来达到同关闭此阀门一样的效果[6]。

2.6.2 水污染事故处理模块

基于污染检测点返回的信息，通过关闭阀门来将污染限制在最小的区域内，并对该污染范围内的用户提出警告。通过监测点确定污染扩散趋势尽可能找出污染源，并找出最有利的净化剂投放处。

2.6.3 火灾应对模块

突发火灾时，通过用户指定失火处，并给定搜索条件，系统将能够根据搜索条件，找出可用的消防栓，提供给消防部门[5]。

2.6.4 临时关阀模块

用于不确定因素下的关阀事件，按照需求提供关阀定位，并提供停水通知。

2.7 信息发布系统

对系统做出的各种分析和制图成果进行有针对性的发布，实现即时通讯，使成果在第一时间进入需要的人手中。

2.7.1 网络发布模块

实现实时信息网络发布的功能，让浏览网页的用户能及时获取信息，并能将系统生成的通知报表等以网页的形式呈现出来，主要通过制作网页和系统联动网页更新来实现。

2.7.2 打印输出模块

打印输出各类图档和报表通知。

3 系统模块接口

为实现各模块的功能并达到预期的效果，要求系统内部的相互协作，也要求系统与其他相关技术方式的合作。系统中主要需要实现的4部分关键接口是：系统功能模块与管道自感应系统间的接口，系统功能模块与数据库间的接口，系统内部模块间的接口，系统功能模块与网络发布系统间的接口。

3.1 系统功能模块与管道自感应系统接口

为实现管道泄漏的随时侦测，可采用管道自感应系统，诸如，感应型管道——有两条平行螺旋的导线缠绕于管道的覆盖层，用来辨别泄漏时的电线状态。每根线的间隔距离对线路没有影响。为了实现大范围探测，通常间隔5～10 cm[4]。当有泄漏发生时会通过电线介电常数的改变和TDR测量电线长度时输出的电脉冲来计算距离并确定位置，为求位置的精确，要求电线的长度测量很精确。

当前，在地下供水管线复杂的条件下，该项技术尚没有大范围应用。可以改用其他信息接口进行设计，如国内水司常用的SCADA系统。

3.2 系统功能模块与数据库接口

能够顺利调用数据库中的数据是实现各类功能的基础。系统可使用GIS软件本身内置的ODBC应用程序，通过它自己的远程ODBC访问远程数据。

3.3 系统内部模块接口

系统内部模块接口采用过程语句调用的方式，编程实现各模块后通过模块的名字调用整个模块，一个模块只有一个入口，所有数据来往都以参数形式出现[7]。

3.4 系统功能模块与网络发布系统接口

系统提供给网络发布的信息多数为文档类，即使系统能够直接进行网页的编辑。

4 系统模块控制逻辑

4.1 数据管理系统

数据采集人员通过登录系统对系统数据库中添加新的数据；数据管理人员通过登录系统获取对数据操作的权限，对数据进行维护、更改；数据操作人员对数据进行分类、统计，对图档、日志进行分类存储、制定索引规则。

4.2 视图操作系统

视图操作人员使用视图操作系统时先加载图层，经调图操作定位操作区，其后可根据需要进行图层设置和要素量算的操作(如图2)。

图2 视图操作系统Fig.2 View operation system

4.3 规划设计系统

管网设计人员利用城市土地利用数据、地质数据制成用于分析的城市状况矢量图。经空间分析，结合各类管网布设需求，建立管网体系的设计图。对设计图进行拓扑查错、标注，决定管网系统的建设方式与位置，并估算工程量与预算及制定施工步骤与进度。最终输出施工图和预算报表(如图3)。

图3 规划设计系统Fig.3 Planning and design system

4.4 业务管理系统

调度员获取用水调度任务后，调用基础地形数据库和供水管网数据库中的数据，进行调图操作后对管网中的阀门水泵等做出管理；用户管理人员通过调用用户信息数据查询各种用户、水表属性，实时读取水表用水量并将信息递交给网络发布系统；台账管理人员进行日常维修管理、定期维修管理、接水工程管理(如图4)。

图4 业务管理系统Fig.4 Operation concrol system

4.5 管网监管系统

设备状态监管人员登录系统后调用供水管网数据库中的数据，进行各类查询操作，及时发现管网中的各种异常情况并递交给事故处理系统；水力状态监管人员通过收集管网中水力信息绘制管网等水压线、水流方向动态模拟、生成管网供水区域图、绘制供水区域图、绘制用水分布图，通过调用基础地形数据库和供水管网数据库的数据进行供水路径查询、压力满足区范围查询、其他平差计算结果的查询等(如图5)。

图5 管网监管系统Fig.5 Supervision system of pipe network

4.6 事故处理系统

事故处理人员在获取管网监管系统递交的事故信息后，判断事故类型。针对泄漏事故，调用基础地形数据库和供水管网数据库的数据，进行关阀方案分析并采取措施，然后分析影响区域并向信息发布系统递交信息同时提供抢修工作安排；对于水污染事故同样调用基础地形数据库和供水管网数据库的数据，对污染的扩散影响进行模拟预测，制定应对方案，发布预警信息；在获得火灾警报后调用基础地形数据库和供水管网数据库的数据，查找消防设备，提供水压信息；另外，可根据具体要求制定关阀的方案。

4.7 信息发布系统

信息发布人员对系统做出的各种分析和制图成果进行分选，然后将成果有针对性的发布给需要该类信息的人。对于用户信息和通知等公共信息进行网络发布[8]。

5 结 语

城市供水管网地理信息系统，以电子地图为基础，利用计算机、GIS和空间数据库技术，能快速提供真实准确的地理信息便于查询及决策分析。管理人员可在计算机中存储、显示、查询、编辑、分析、输出城市供水管网地理数据和相关设施的空间位置、连接关系以及工程属性等管理与分析决策，实现供水管理系统的网络化、信息化和智能化，可很好地弥补传统供水信息管理系统的不足，极大地提高未来城市供水行业信息化建设水平。

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