济南市小区院落排水设施普查项目调度指挥平台与移动端采集系统设计与实现

肖现臣，张现军，于忠海

(济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250101)

1 引 言

近年来，我国社会经济和城市化建设飞速发展，城市面貌日新月异，城市基础设施加快建设完善。城市地下管网作为城市建设的一项重要内容，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”[1]，其中，排水管线的建设量随着城市的发展日益增大，为了更好地对排水管线进行管理，促进智慧管网建设并进一步助力智慧城市，对现有排水管线进行详细的普查成为尤其重要的任务。

多年来，城市地下管线数据采集和编辑一直是耗时易错的工作[2]。排水管线普查，主要是获取排水管线的空间位置信息、属性信息及现状照片信息。在以往城市地下管线的普查工作过程中，任务分配、班组调动往往采取项目部会议决定、会后逐级通知的模式，信息化程度低、机动性低，缺乏科学性、灵活性。外业普查采用纸质草图记录各管线点的连接关系、管点及管线的属性信息，内业根据这些外业记录的信息，逐点绘制管线图，并手动将这些数据录入数据库的方式进行作业[3]。以往的这种工作模式，不仅存在环节多、重复作业、质检困难、无法及时汇总工作量、项目进度统计滞后的问题，同时也难以保证数据的时效性、正确性和可靠性，影响了地理空间信息分析与决策结果的正确性和准确性[4]。因此，如何有效整合排水管线普查的各个环节，提升任务分配、班组调度的科学性、灵活性，提高管线外业采集效率和准确度，实现项目实时进度监控和汇总，是开展排水管线普查需要解决的重要问题。

随着移动通信、移动GIS、移动定位等技术的快速发展，移动端设备的呈现能力、计算能力、存储能力不断提升，利用移动设备进行数据采集成为移动GIS技术的一个重要应用方向。近些年智能手机和平板设备得到快速普及并深度改变了人们的生活和工作方式，而且基于手机、平板设备的应用能力和水平不断提升，加之各类平板、智能手机等大多都自带GPS、相机以及丰富的传感设备支持[5]，因此，无须其他专用设备，手机和平板便完全有能力胜任排水管线数据采集的任务。

本文通过对济南市小区院落排水设施普查的任务进行梳理，设计了信息化的工作流程，研发了济南市小区院落排水设施普查项目调度指挥平台与移动端采集系统，通过两者的配合，将普查任务实施中的各个环节进行信息化管理。实现了普查进度监控、数据在线汇交、工作量实时统计等，为项目组提供科学的辅助决策。基于Android设备研发的移动端采集系统实现了管线空间位置信息、属性信息、现场照片信息的一体化快速采集，减少了内业处理环节，提高了采集效率和成果质量。

2 系统设计

2.1 总体架构

本系统分为项目调度指挥平台与移动端采集系统两个部分，并分别进行了架构设计。

项目调度指挥平台，基于B/S模式构建，以网站形式向用户呈现。总体架构设计为基础设施层、数据资源层、服务层、业务应用层四个层次，各层次包括的对象如图1所示。

图1 项目调度指挥平台架构图

移动端采集系统，基于移动GIS、移动定位等技术构建，运行于Android系统的手机、平板设备之上。系统采用移动端/服务端的模式建设，总体架构分为支撑层、数据层、服务层、应用层四个部分，如图2所示。

图2 移动端采集系统架构图

2.2 流程设计

本系统流程涵盖小区院落排水设施普查项目实施的全部环节，包括任务划分、班组调度、外业采集、成果汇交、工作量统计等各个关键结点。如图3所示。

图3 流程设计图

在项目实施准备阶段，将所有班组信息录入指挥调度平台，进行信息化管理和后续任务分配。

项目实施开始时，在指挥调度平台进行任务划分，为每个班组指定工作片区、编号规则。

各个班组依照平台的调度，到指定的工作区进行小区院落排水管线的普查。班组通过手机、平板等手持设备安装移动端采集系统，通过采集系统进行管点、管线属性信息、现场照片信息、坐标信息(为草图坐标，真实坐标采集后在内业进行匹配)。采集过程中，会实时上报班组(手持设备)的位置到指挥平台，形成活动轨迹。采集完成后，一方面，班组通过采集系统的导出、汇交功能，汇交初步成果；另一方面，将导出成果交由内业进行质检、进一步处理等操作。班组在完成当前片区任务并提交成果后，由指挥平台再次进行任务调度。

班组通过采集系统汇交成果后，成果数据进入指挥平台，并通过后台服务自动转化成图、生成专题地图，在指挥平台中的地图视图中进行可视化展示。数据汇交入指挥平台后，一是可基于汇交数据进行工作量、工作时间的统计；二是成图展示后，便于指挥人员直观了解已完成普查的小区空间分布情况；三是基于工作量统计和成果展示情况，便于指挥人员对统计、了解项目的实施进度，并进一步作为任务分配、班组调度的决策参考。

2.3 功能设计

项目调度指挥平台和移动端采集系统两者结合，功能上互相联系，覆盖小区院落排水设施普查的各个环节。

项目调度指挥平台主要划分为系统管理、指挥调度、地图视图、项目监控、统计分析几个模块，各模块下详细功能的设计如图4所示：

图4 项目调度指挥平台功能模块结构

移动端采集系统总体上分为工程管理、地图视图、数据采集、数据管理四大模块，各模块功能划分如图5所示。系统将采集任务细分为多个工程(一般以一个小区作为一个工程)，以工程为单位进行采集、管理，提供了工程创建、导入、删除等操作。地图视图包含基础的地图缩放、移动等导航工具，还设计了矢量与影像底图切换、辅助地图显示、当前位置定位等功能。数据采集模块提供了丰富、实用、便捷的一体化采集工具。数据管理模块包含成果导出、在线汇交功能。

图5 移动端采集系统功能模块结构

3 系统实现

3.1 技术路线

3.1.1 开发路线

整个系统结构划分为一个服务端、两个客户端(即Web端的指挥调度平台和移动端的采集系统)，采用前后端分离的开发模式。

服务端基于Microsoft.NET平台进行研发，开发语言主要是C#语言，以网络服务(WebService)的形式向客户端即Web端指挥调度平台和移动端采集系统提供服务接口。

Web端指挥调度平台，采用HTML5+JavaScript+CSS的语言组合，地图组件采用ArcGIS API for JavaScript开发工具包，兼容主流的浏览器环境。

移动端的采集系统，硬件平台基于Android系统的手机、平板设备，通过分析，在各大移动操作系统中，Android操作系统具有开源性、功能强大和集成定位等特点，同时搭载Android系统的设备在数量上、支持第三方扩展应用方面、导航定位方面、经济性方面都占据较大优势[6]。因此基于Android系统的手机、平板设备开发排水管线数据采集系统将更有利于发挥其价值。地图组件采用ArcGIS Runtime SDK for Android地图框架。开发语言主要为Java。

3.1.2 关键组件选型

地理信息平台软件选择ArcGIS系列软件和开发组件，因其功能丰富、运行稳定。本系统使用了包括ArcMap、ArcGIS Server、ArcGIS API for JavaScript开发工具包、ArcGIS Runtime SDK for Android开发包等。

数据存储方面，系统数据库采用Microsoft SQL Server 2008 R2，该数据库能够很好地与ArcSDE结合进行空间数据的存储。移动端数据存储采用Android系统原生支持的Sqlite数据库，该数据库是一款轻量级、跨平台的关系型数据库，它的核心引擎本身不依赖第三方软件[7]。

空间数据服务方面，底图数据、辅助数据、管点管线数据等通过ArcGIS Server发布为地图服务、要素服务，为系统提供数据支持。

地图底图采用天地图山东、天地图济南提供的矢量、影像地图服务。天地图建设了包含国家、省、市三级节点，具有数据现势性和准确性的优势[8]。

3.2 主要功能

3.2.1 移动端采集系统

(1)管点采集

激活管点采集工具后，在地图视图相应位置点击，即可绘制管点的草图位置，随后在弹出管点属性、现状照片采集界面，进行录入操作即可，管点编号会依据规则自动生成，采集的照片自动根据管点编号进行关联，如图6所示。

图6 管点采集

(2)管线采集

在地图视图中进行触摸拖动，从起点管点拖动到终点管点即可，系统会自动捕捉附近的管点，作为管线的起点、终点。随后在弹出的管线属性采集界面填写内容即可，如图7所示。

图7 管线采集

(3)其他采集工具

除了管点、管线采集工具，系统还开发了线上加点、点线编辑、点线移动、点线删除、位置定位、管点查询等多个实用的工具，用以解决排水管线采集过程中遇到的各种问题。

(4)在线汇交、成果导出

①在线汇交

移动端采集系统提供在线汇交功能，数据采集完成后，一键汇交至项目调度指挥平台，便于及时把控工作进度、进行工作量统计。

②成果导出

以Excel表格形式将采集成果导出，提供给内业进一步处理，或共享给其他外业采集人员，如图8所示。

图8 数据导出

3.2.2 调度指挥平台

(1)普查成果展示

外业班组通过移动端采集系统汇交的普查成果，经后台工具服务实时转化成地理空间数据格式，并在指挥平台进行展示，如图9所示。

图9 普查成果展示

(2)专题地图分析

基于普查成果，生成专题地图进行分析，如雨污混接专题图、井盖丢失专题图、井盖破损专题图。

(3)工作量统计

基于普查成果，可按小区、按行政区划、按班组对已普查管点数量、管线长度等进行统计，可用于日常工作进展汇报和总结，也可用于对班组工作效率进行评估。

4 关键技术

4.1 普查成果自动成图技术

为便于移动端进行数据采集，初始普查成果采用关系型数据库进行存储。为将关系型结构的数据，转化为GIS格式，利用ArcGIS Model Builder制作了专门的地理处理工具，如图10、图11所示，在普查成果汇交到指挥平台后，自动将管点、管线转化成GIS数据存储到地理空间数据库，并发布为地图服务、要素服务。

图10 管点成图工具

图11 管线成图工具

4.2 移动GIS技术

移动端采集系统采用移动GIS技术，通过ArcGIS Runtime SDK for Android组件，为用户在移动端提供可视化地图，能够实时定位、进行辅助地图展示，基于该组件可定制丰富实用的草图绘制工具，方便外业数据采集。

4.3 数据加密技术

实现了专用数据加密、解密算法，应用于采集成果的导出、汇交，保障了在网络传输环节中的数据安全。

4.4 移动端地图缓存技术

系统基于移动端设备研发了按区片缓存瓦片地图数据的功能，可在连接网络的情况下，将矢量底图、影像底图、辅助地图等以切片形式发布的地图服务数据按区片缓存到移动端设备，供采集系统调用显示。该功能赋予了移动端采集系统离线运行能力，扩展了系统适用场景，使得在无网络、网络信号不佳的工作区同样可以使用移动端采集系统。

5 应用效果

本系统在济南市小区院落排水设施普查项目中进行了应用，项目涉及范围约 800 km2，共投入300多个外业班组，任务紧、班组多，传统作业模式难以有效地进行组织调度、进度监控。本系统的应用解决了项目实施中的诸多难题，经项目部和班组反馈，系统在任务分配、班组调度与监控、数据汇交、工作量统计等各个方面表现均很出色，移动端采集系统在手机、平板设备中运行稳定、操作便捷，提高了外业班组在野外采集效率。

6 结 论

本文针对排水管线普查项目传统作业模式的弊端，提出了一种覆盖项目实施各个阶段的全流程信息化解决方案，开发了项目调度指挥平台和移动端采集系统，设计了一种新的项目实施流程，并成功应用于济南市小区院落排水设施普查项目，有效促进了任务分配、班组调度的科学化合理化，提升了工作效率，方便了对小区院落排水设施普查项目的进度掌控和工作量统计，大大节约了时间成本、人力成本，取得了良好的经济效益。