城市地下管网水质可视化预警系统研发及应用

王子成，杨硕文，陈亚军，许后磊，汪国斌

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

城市地下管网水质可视化预警系统研发及应用

王子成，杨硕文，陈亚军，许后磊，汪国斌

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

针对城市地下管网空间复杂性及其部分管道水质监控信息化程度的不足，基于三维GIS软件SuperMap强大的图形数据处理能力，开发了城市地下管网水质可视化预警系统。将三维可视化场景、管道模型和监测成果与SuperMap软件系统有机地融合，建立直观、有效的城市地下管网三维可视化场景，能够动态展示和实时交互式地查询可视化模型信息；同时通过对水质监控指标的阈值进行设置，系统能够自动识别异常监控指标值，并将异常信息推送给监控人员，从而达到监控预警的目的。该系统为城市地下管网水质监控提供了一个直观交互式的信息可视化管理平台及监控预警平台，具有一定的实际意义和应用价值。

城市地下管网；水质监控；SuperMap；可视化；预警

目前我国城市化建设已进入快速发展阶段，城市地下管网水质污染事件越发频繁，严重影响了城市居民的日常生活，水质污染成为城市快速发展过程中亟需解决的问题。解决该问题最好的办法不是事后补救，而是事前监控，避免此类事件发生。随着计算机技术、通信技术和可视化技术的不断进步，其在各个领域的应用也随之增多，利用这些技术对城市地下管网水质变化进行动态实时可视化监控正成为一种解决城市地下管网水质污染问题的新途径。目前，国内外许多学者对城市水质监测预警已经作了一些研究。黄健等[1]基于对水质监测、预警及应急业务的分析，对城市水质监测预警平台进行了研究；罗侃等[2]开发了城市供水水质监测及应急处理系统；美国为加强对水质监控的力度，开发了地下水的预警系统[3]，包括原水和管网水。综合来看，这些水质监测系统的可视化程度不足，大多停留在二维上，且可视化信息交互能力不足，如何构建一个功能强大、实时交互且实用的水质可视化监控预警系统还有待进一步研究。鉴此，本文以我国昆明市经开区部分地下管网为依托，对城市地下管网水质可视化监测预警的控制问题进行研究，以期提高城市地下管网的管理和监控水平。

1 城市地下管网水质可视化预警系统结构

为了直观、实时、准确地获取城市地下管网水质监控信息,掌控城市地下管网部分管道的区域位置信息、管道属性及管道水质监测信息，按照城市地下管网水质监控特点，将城市地下管网水质可视化预警系统体系结构划分为3大方面：三维可视化场景创建、监测信息模型可视化和水质监测预警，具体结构如图1所示。

图1 预警系统结构

2 城市地下管网水质可视化预警实现方法

2.1 三维可视化场景创建

为了真实地展现城市地下管网，必须构造出一个逼真的三维可视化场景，该场景是对城市地下管网所在区域的地理环境的可视化，主要包括地形、地面建筑物、道路、树木和地下管网。

2.1.1 地形场景创建

由于城市地下管网水质可视化预警系统关注的重点是管道水质的监测，对地形模型的精度和质量要求不高，另外，大多城市地势起伏不大，相对平坦，因此选择由美国国家航天局NASA、美国国家图像测绘局NIMA、德国与意大利航天机构共同完成的全球地形数据系统来获取数字高程模型，而创建三维地形场景所需的遥感影像数据可以通过谷歌地球获取；最后在SuperMap软件中分图层(栅格图层、影像图层)分别导入数字高程模型和影像数据，根据两者的坐标文件自动配准，生成地形模型。SuperMap是亚洲最大的、技术国际领先的GIS平台软件，具有功能齐全的软件体系,且在城市市政、道路、水利等领域广泛使用。

2.1.2 地面要素建模

地面要素包括地面建筑物、道路、树木等[4-5]，其建模主要采用人工建模的方式来完成。首先对这些地面要素进行三维建模，然后利用3ds Max对其进行贴图处理，针对不同的地面要素分别赋予不同材质，通过SuperMap Max Plugin插件直接把地面要素模型导入到SuperMap软件中，在导入过程中可以设置模型所在位置的经度、纬度及高程，实现场景中地面要素的构建。同时，也可以将三维模型另存为3DS文件，以此作为其可视化的基础。3DS文件是3ds Max的一种二进制存储格式，里面包含模型的网格信息、网格节点坐标信息和纹理坐标信息，通过SuperMap软件分别读取文件中不同信息，并对不同的要素信息进行编号，建立其与真实场景中要素的映射关系，实现地面要素构建。

2.1.3 地下管网构建

城市地下管网水质可视化预警系统中主要包含城市污水管和城市雨水管两类管道，这些管道直接利用SuperMap软件中的管道创建模块进行构建。具体过程如下：①根据现场测绘的管道位置信息图纸，在场景二维影像平面图相应位置上绘制直线，直线代表管道；②对绘制的直线进行符号化，根据管道实际轮廓或外形选择对应的三维符号，并在三维场景中生成地下管网。

2.2 监测信息模型可视化

2.2.1 仪器模型的构建

在城市地下管网水质可视化预警系统中，要及时准确获取管道水质监控信息及城市地下管网部分管道的水质监测布置情况，必须在可视化场景中建立能真实反映且有效区分不同水质监测仪器形态的三维仪器模型。城市地下管网水质监控指标主要有化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮、磷、pH值等。由于这些监控指标值通过传感器来获取，而传感器外形基本相同，若以传感器三维模型作为监测仪器模型，则在可视化场景中难以有效区分，因此建立一套适合城市地下管网水质可视化预警系统的监测仪器三维模型是非常必要的。为了直观、清晰地区分不同监测仪器，系统根据实际需要建立了相应的监测仪器三维模型，图2从左到右依次为COD、氨氮及磷的监测仪器三维模型。

图2 监测仪器三维模型

2.2.2 仪器模型与监测信息耦合

根据管网实际监测点的位置信息，建立监测仪器三维模型与实际监测点之间的位置映射关系，利用这种映射关系，把监测仪器三维模型加载到三维场景中指定坐标点。利用SuperMap在不同监测仪器模型属性表中加入一个字段(InstrumentID)，作为该仪器的唯一标识符A，同时存储监测信息的数据库表也建立仪器编号的字段，作为该仪器监测信息的唯一标识符B，通过建立两者之间的对应关系，实现地理空间数据库与关系数据库之间的联动，即监测仪器模型与监测信息之间的耦合。

为了在三维场景中交互式拾取水质监测仪器模型，进而获取水质监测数据信息，必须对鼠标点击的屏幕坐标信息进行转换，得到拾取点对应场景中的三维坐标点，该点包含于监测仪器模型所占据的空间中，以此拾取到相应的水质监测仪器模型。常用的三维拾取方法为针刺取点法[6]：①通过鼠标点击，得到屏幕二维坐标系下的点O(Ox,Oy)；②从点O作一条垂直于屏幕向里的射线，射线经过各三维模型表面都会存在一个交点；③计算点O到各交点的距离，距离最短对应的表面交点为转换的三维拾取点；④通过该三维拾取点的坐标位置信息判断所拾取三维模型。在三维场景中利用针刺取点法可迅速获取监测仪器模型，从而得到相应的监测信息。

2.3 水质监测预警

在城市地下管网水质监测预警中，需要利用实时采集的监测数据信息，同时根据监控指标的阈值动态计算，分析管道水质是否存在警情。水质监测预警基本流程如下：①水质监测仪器传感器实时采集数据；②利用用于过程控制的OLE(OLE for process control,OPC)技术建立水质监测传感器与水质可视化预警系统关联，并把监测数据信息分类存储于关系型数据库表中；③根据监测数据和指标阈值[7-8]，可视化预警系统自动识别异常数据并预警；④系统将警情信息以短信和系统提示两种方式推送给相关警情处理人员处置；⑤根据处置结果，判断是否解除报警。流程具体如图3所示。

2.3.1 监测数据库设计

2.3.1.1 概念结构设计

根据水质可视化预警系统的需要，监测数据主要包括COD、氨氮、磷、pH值等安全监测信息。由于水质监测时间间隔较短，数据量会不断增长，为了提高数据的检索速度，缩短系统响应时间，将每种监测指标数据单独存储。监测传感器采集的信号一般需要计算转换，因此每种监测指标包括仪器考证信息、原始测值信息及数据整编信息，可以得出以下数据库表实体：仪器考证信息实体、原始测值信息实体、数据整编信息实体。以仪器考证信息实体的E-R图为例来说明，具体如图4所示。

图3 水质监测预警基本流程

图4 仪器考证信息实体的E-R图

2.3.1.2 逻辑结构设计

对系统所涉及的数据库的概念结构进行转化，使其成为关系型数据库所支持的实际数据模型，用于存储监测数据信息，以仪器考证信息表为例说明数据库中表的设计，见表1。

表1 仪器考证信息表

2.3.2 实时预警

系统根据实际需要，将预警评价集划分为3个等级，即绿色等级、橙色等级和红色等级，绿色代表正常、橙色代表异常、红色代表险情。由于不同类型管道中水质控制标准不一样，以污水管水质各监测指标预警级别划分为例来说明，具体见表2。系统以评价集的指标阈值划分为依据，对实时采集的监测数据进行分析评价，及时动态地将数据分析结果呈现出来，若存在警情，则推送警情信息。

表2 监测指标预警级别划分表[9-10]

警情信息推送系统考虑了3种方式，短信、微信和系统提醒。当监控人员不在线(即没有登录预警系统)时，为了保证警情处置的及时性，系统自动将警情以手机短信和微信的方式推送给监控人员。其中，微信是通过申请微信公共服务号来实现的，利用其发送消息给用户时，如果网络畅通，那么用户可以即时收到，不会出现延迟。系统提示以弹窗和声音的方式来表现，当监控人员在线(即已登录预警系统)时，这种方式能使其迅速地发现水质监控的情况并及时进行事故处理。考虑到水质若出现问题一般会持续一段时间，而这个时间相比系统采集数据间隔要长得多，若不进行设置，系统会持续报警弹窗和发出声音，影响正常工作，因此当系统发现警情后可以在系统设置中对弹窗和声音的显示进行设置，决定其显示与否。

2.3.3 应急对策

当发生警情时，需要采取有效的措施把监控指标控制在合理的范围之内，对事故警情评估损失，并给出相应的总结报告[11]。具体程序如下：①根据水质可视化预警系统推送的警情信息对相应监测点位置的水质进行调查、取样和初步评估；②根据警情的级别、影响范围、危害程度等成立相应级别(区县级、地市级、省级和国家级)的水质污染处置领导组；③根据领导组的统一部署开展水质事故救援、人员疏散和防止污染进一步扩散，同时进行原因调查，并及时披露事故相关信息；④在事故处置过程中要密切监控水质情况，实时分析评价，直到解除警报；⑤做好事故善后工作，对事故进行总结。

3 系统研发及工程实例

根据上述建立城市地下管网三维场景、监测仪器模型及管道水质监测预警的方法及技术路线，结合SuperMap强大的图形数据处理能力，利用SQL Sever数据库和Visual C#.NET编程，以国内昆明市经开区部分地下管网为例，开发了城市地下管网水质可视化预警系统。

3.1 管网区域可视化表达

图5是SuperMap环境下该地区城市地下管网区域三维可视化场景，该区域主要包括地形、影像、房屋、树木、道路、地下雨水管和污水管。

图5 三维可视化场景

3.2 信息交互式查询

通过鼠标在系统可视化三维场景中进行交互式操作，如选择、平移、旋转和缩放等，用户能够直观清晰地查看到整个区域地下管网的布置情况，同时能够快速、准确获取管道的基本信息及监测数据信息。图6显示了监测仪器编号为WS-COD01交互式查询结果。

图6 监测数据信息查询

3.3 警情实时分析

系统利用OPC技术实时获取监测数据信息，并通过警情分析模块对数据进行动态计算分析，主界面上直观展示不同时间点监测指标的预警状态，根据评价集对数据记录进行颜色标注加以区分。图7显示了2015年11月20日昆明市昊恒混凝土公司(出水口)管道污水水质各指标预警分析结果。

图7 预警分析结果

4 结束语

通过对城市地下管网水质监测预警需求进行分析，提出了满足城市地下管网水质监测预警要求的体系结构内容，同时利用三维GIS系统，构建了城市地下管网水质可视化预警系统。应用表明，该系统能快速、准确获取城市地下管网布置情况、监测信息及监测预警信息，为城市地下管网水质监测数据信息的科学管理和可视化监控提供了一条新途径。

[1] 黄健.城市供水水质监测与预警平台构建及关键技术研究[D]. 北京:中国地质大学(北京), 2011.

[2] 罗侃,温馨,诸云强,等.城市供水水质监测及应急处理系统设计与实现[J].地理信息世界, 2013,20(5):69-73.

[3] CLARK R M, ADAM N R, ATLURI V, et al. Developing an Early Warning System for Drinking Water Security and Safety[C]∥ World Water and Environmental Resources Congress. [S.l.]: Resear chgate,2004:2168-2177.

[4] 郑文青,王亚巍. 真三维地下管网信息系统建设的研究[J]. 测绘通报,2013(S1):230-232.

[5] 陶迎春,郑国江,杨伯钢. 三维城市地下管网规划辅助系统研究[J]. 测绘通报,2013(10):95-98.

[6] 王子成,张社荣,谭尧升,等.大型地下洞室群动态安全可视化系统研发及应用[J].水电能源科学, 2015,33(5):97-100,177.

[7] 宋兰合.城镇供水水质监测预警系统建设实践[J].中国给水排水, 2014,30(18):15-17,51.

[8] 廖文景,皇甫凯龙,何易,等.尾矿库实时监控与安全分析及预警耦合系统[J].中国安全科学学报, 2014, 24(8):158-163.

[9] 国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.城镇污水处理厂染物排放标准:GB 18918—2002[S]. 北京: 中国标准出版社, 2002.

[10] 刘岩,周丰,赵志杰.滇池流域TN、TP入湖负荷预报预警系统[J].环境科学学报, 2015, 35(9):2916-2923.

[11] 郭亮.基于GIS的松花江水污染决策支持管理平台研发[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2006.

DevelopmentandApplicationforVisualizationEarlyWarningSystemofUrbanUndergroundPipelinesaboutWaterQuality

WANG Zicheng，YANG Shuowen，CHEN Yajun，XU Houlei，WANG Guobin

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited., Kunming 650051, China)

In view of the complexities of urban underground pipelines and the insufficient level of information about the part of pipelines for water quality monitoring, the visualization early warning system of urban underground pipelines about water quality has been developed with the SuperMap which has the powerful three-dimensional graphics capabilities. In this system, the three-dimensional visualization of the scene, the pipes model, the monitoring results and the SuperMap system were combined together, and the three-dimensional scene of urban underground pipelines was built visually and effectively. The information of visualization model can be displayed dynamically and queried interactively in real time. Meanwhile, the system automatically identifies abnormal index value of monitoring instruments by setting up the thresholds of water quality monitoring indicators, and pushes abnormality information to monitoring persons, so as to achieve the purpose of monitoring and early warning. Therefore the system provides an intuitionistic and interactive visualization management and security control platform for urban underground pipelines, which has some practical meaning and application values.

urban underground pipelines; water quality monitoring; SuperMap; visualization; early warning

P208

A

0494-0911(2017)01-0134-05

王子成，杨硕文，陈亚军，等.城市地下管网水质可视化预警系统研发及应用[J].测绘通报，2017(1)：134-138.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0030.

2016-03-14

国家“十二五”科技支撑计划(2013BAB06B04)

王子成(1990—)，男，硕士，助理工程师，主要从事安全监测预警及GIS应用方面的工作。E-mail: wzctjdx@126.com