天津市供水管网地理信息系统

马杰

（天津市华淼给排水研究设计院有限公司，天津300190）

1 供水管网地理信息系统（GIS）简介

GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是基于地理空间数据库的一种地理信息系统，在计算机软件的代码组成以及测绘设备硬件的测绘支持下，对地理空间中有关数据进行采集以及分析，集成一个包含很多属性和纬度的巨型地理空间数据库。在用户想要分析具体某一种或多种地理空间数据的时候，GIS 将采用地理模型分析的方法，适时提供给用户或开发者多种动态的空间地理信息。

总而言之，GIS 作为一种为地理研究和空间地理决策服务而建立起来的计算机技术系统，集成了计算机科学、地理学、环境科学、信息科学等诸多新兴科学，最大程度的满足用户或开发者的需求[1]。用户可以提取供水管网地理信息系统中的空间地理数据和管网节点数据，通过其他数据分析软件如matlab 对数据进行分析，从而得到想要的数据图，进行实际问题的分析。

2 供水管网GIS 系统需求分析

供水管网地理信息系统作为一个通用的基础信息平台，能够为城市供水管网提供有力的规划、设计、调度、维修和资料档案管理等科学依据。具体的需求分析如下：

2.1 管网编辑需求

当前信息化背景下的现代城市供水管网要求对供水管线、阀门、水表位置等具体管网信息和城区地形、街道、居民小区等地理位置信息进行统一管理，并提供管网编辑工具，使供水企业人员能够快速对本市供水管网中的各类阀门、消火栓、管线等管网设施进行线上增加、删除、修改等属性编辑工作，将管网属性数据库与管网图形数据库通过某种特定的规则结合起来，使得融合之后的数据信息直观的显示为图形信息，解决以往传统手工绘制管网图中工序繁琐、复杂的问题。

2.2 查询统计需求

查询：供水管网设计者和管理者需要通过计算机的GIS 系统清楚看到任何比例下地下供水管网在空间上的分布情况，不仅限于1:500 或1:2000 的比例图纸上，做到全局规划；此外，还需要通过区域查询、条件查询，查看管网属性信息，如管线的材质、地表的注册号、水闸闸号等，具有鹰眼、索引图等功能。

统计：供水管网设计者和管理者需要方便的统计出特定区域内所有管线、供水设施的数据量以及详细的工程信息，按供水管网口径、管网使用年限、管道材质类别等具体数据信息进行统计，以便全面了解全市管网运行情况。

2.3 辅助设计需求

供水管网设计者需要GIS 系统提供测量工具进行多种测量，如直线段、曲线段、面积等；模拟管网水压分布状态；寻求多水源管网内供水分界线的变化规律，尤其针对现阶段城区管网更新改造设计方案提供管网水力分析及优化设计依据。

3 供水管网GIS 系统数据来源

数据来自由探测部门提供的天津市全部的地下供水管网的地理空间数据和 1∶500、1∶2000 地形图数据，由工作人员操作现有的矢量化外部设备录入全市供水管网位置图数据以及由地下管线探测部门提供的详实供水管网属性数据。

3.1 主要数据要素

①地理数据：城市地形、街道、河流、各区界限、铁路、公路、街道、水体边界线、建筑物名标号、商业区、居民区、学校、医院、门牌号、围墙、图根点、天文点、消火栓等。

②管网数据：管段、管段材质、管段建设年限、阀门井、阀门井号、消火栓、地表、地表注册号、堵头封板、排气阀、排水阀、水厂及加压泵站、测压点。

③其他数据：接水点及其位置、用水点及位置、抢修、报修及维修信息、管网参照物等详细属性信息。

图1 N 层结构体系

3.2 数据组织与整合

目前，天津市城市供水工作相关组织使用的管网资料主要以管网现状图、设计图、竣工图、工程档案（工程归档资料）为主，这些具体、详细的管网资料共同组成了天津市地下供水管网的唯一依据，因此，这些管网资料也是天津市供水管网地理信息系统（GIS）重要的数据来源。

①地形背景数据库：用城市1∶500 的电子地图作为供水区域街区的背景图，图中的地形分布、道路、建筑、城市设施等最新地理数据清晰显示，按类别把各图层提取为单独文件，以便根据详略需要进行选择性显示，并且要对CAD 图修饰整合后，转换成为GIS 的标准数据形式以便做好存储和更新。

②管网图形数据库：管网图形数据库的关键是准确定位，通过探测部门取得的最新实测数据保证管线定位的清晰精确，将图形数据进行分层与合并，在数据库中形成完整的供水管线拓扑关系，设置不同供水管线的颜色区分，能够实现管线布局的精准定位，能够对不同位置和材质的管线和阀门进行准确区分，为供水管网的设计、施工和检修提供便利。

③附属设施数据库：消防栓、水表、测流阀等附属设施也是城市供水设计施工需要考虑的重要因素，GIS 系统通过存储附属设施的位置、规格等数据信息，对供水管网的设计施工提供重要参考。

④营销数据库：营销数据库主要面向城市供水行业的服务对象，包括天津市市内六区各营销分公司管网维护过程中收集形成的巡查反馈故障及可靠性数据、用户安装水表等用水设备申请数据、设备故障事故上报数据等。

4 供水管网GIS 系统的技术路线

本节主要是天津市自来水集团基于本市供水管网实际所做的分析，供水管网地理信息系统的技术路线可以归纳为：采用需求导向型设计方法来规划系统的应用，以建立数据库为基础，系统结构采用优化性能、成本低效益高的三层/N 层结构体系，图1 所示。

4.1 逻辑结构

供水管网地理信息系统的应用结构分为三层，分别为：数据层、应用层、服务层。

数据层：储存天津市自来水公司供水管网基础数据（含地形背景数据、管网图形数据、附属设施数据）、营销系统数据、SCADA 采集的其他数据等。

应用层：地理信息系统的核心应用，在移动设备或固定设备上显示的图形化界面，包含数据入库与查询、图形显示与编辑、数据库管理、安全管理和对外服务等功能。

服务层：设计人员及管理人员访问系统时的应用入口，进行技术管理、远程监控、决策分析等。

4.2 应用模块设计

①系统管理模块：设计用户登录界面，天津市自来水公司负责该系统管理及维护的人员由统一界面登录，经用户名和密码验证，进入系统功能主界面，选择功能按钮调用其他界面，其主界面设置的功能包括数据备份与程序回复、管网线路数据字典与元件数据字典查询、网络日志管理、数据源组间管理等。②客户服务模块：模块的主要组成部分分为线下营业厅服务和网上信息查询服务。通过网页设计，经浏览器在客户端显示的HTML 页面，用户可以在营业厅服务功能项下进行故障申报与维修业务；自来水各营销分公司通过网络查询供水管网的管段信息、节点以及管网运行状况、供水附属信息等，实现日常管网巡查和维修业务的精准化。③管网数据分析模块：在管网数据分析模块中管网基础数据模块将前文整合的空间地理数据库和管网零件数据库转换成GIS 标准格式。先将地形数据（如城市地形、各区界限、铁路、街道、水体边界线等）导入；再对供水管网中不同位置、不同材质的管线、阀门井、消火栓、水表、测流阀等需要存档的管网附属设施信息进行输入、修改和移动等操作；最后对非业务属性、地图元素、用户反馈等辅助性数据进行输入。查询统计部分可分为图文双向查询、分级分类查询、自定义查询、业务系统相关区域查询，设置相应的输入—输出程序，便于按照查询条件精确提取并显示出相应数据。同时建立读取营销抄表信息的接口；实时监测管网终端人为或自动修改的信息并及时发送管网运行状况的SCADA 远程数据采集接口。数据分析部分的操作建立在供水管网地理信息系统完备的前提下，由操作人员在线上的自来水管线分布图上提取供水管段信息，并将其所在节点处打断，特别是要在不同管径或不同材质管道连接点打断，方便对系统中的管线数据进行分层管理；再从图幅中提取出各打断节点，相应录入各节点的管线属性数据；最后利用网络拓扑方式对节点以及管线属性数据进行二次处理，建立管网模型。④管网安装与维护模块：根据市内现有的管网配套设施以及管网改造计划，有序、准确地录入管网竣工资料，更新管网地理信息系统中的管网现状；营销公司建立管网探漏、巡漏、维修结果存储查询等模块。

5 结语

当前的供水管网地理信息系统具备了有效管理全市供水管网系统的功能，可为用户和开发者提供一个实时更新、准确覆盖、易分析的管网监控系统，企业、个人和政府共享系统中的各方面信息。还应利用GIS 分析、模拟等强大的功能，与matlab 等数据分析软件结合应用，实现供水管网的大数据分析，为超大城市级别供水管网的运行和维护提供有力的数据支撑。