GIS在城市管网信息管理系统中的应用

雷 凯 张 震

（安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

城市管网是城市公共基础设施不可或缺的组成部分，与城市居民的日常生活密切相关。城市管网承担着城市物质输送和分配、信息传递、废弃物排放等任务。城市管网被称为城市的“生命线”。城市管网种类繁多，布局密集，按用途分类，可分为排水、供水、电力、电信、热力、工业、油气和综合管廊等。

随着我国经济的高速发展，城市管网规模不断扩大。然而在现实中，各个管道权属单位相互独立，缺乏协调配合，管理混乱。这种局面严重制约了城市安全运营和居民生活质量。因此，如何对城市管网进行科学化管理，以保持城市有序、健康发展，成为当前该领域的研究重点。

传统的图纸、图表管理模式因极低的管理效率和高昂的人力成本而逐渐过时。在一些管线权属单位的管网信息系统中，存在着数据更新不及时、管线现状不明确、缺乏管线资源共享等问题，导致城市管网规划、建设和管理滞后于城市发展，已无法满足大规模城市管网信息管理需求。因此，针对城市管网管理混乱问题，基于地理信息系统（GIS）技术开发的管网信息管理系统应运而生。近年来，GIS 技术逐渐成熟，且因其具有强大的空间数据处理与集成能力、信息输出效果好、可用性强等优势，从而得到广泛应用。将GIS 技术应用于城市管网信息管理中，有助于精准、科学地描述城市管网的分布情况，支撑对城市管网信息的高效管理，并实现对城市管网数据的空间化和数字化管理。

1 GIS概念及应用现状

1.1 GIS概念

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种利用计算机来存储、处理、分析和展示地理空间数据和相关属性信息的技术。GIS处理与分析的数据为地理空间数据，其将地理空间数据输入系统，使实体模型数据化，从而研究各地理实体间的空间关系。

在GIS 开发过程中，要综合考虑用户需求、专业技能和开发资源等因素，并进行相应的分析和评估，选择出最佳方式来实现对应用程序的开发和部署，从而实现开发目标最优化的目的。GIS 开发可分为独立二次开发、单纯二次开发、集成二次开发。其中，集成二次开发的组件式GIS 是一种利用模块化原理，将GIS 各个模块拆解为独立构建模块，每个模块用以实现不同功能。组件式GIS 因具有代码可重用、扩展性强、可封装性、开发成本低等优点［1］，从而使GIS二次开发周期短、难度小。

1.2 应用现状

GIS 与计算机、环境、工程、测绘等学科联系紧密，被广泛运用在城市规划、地理空间数据管理、遥感图像处理、环境保护等领域，并取得显著的社会和经济效益。

1.2.1 城市规划应用。通过GIS 技术可实现对城市数据的空间化管理、分析和可视化展示，为城市规划提供科学依据和决策支持。GIS在城市规划中主要体现在以下三个方面：一是空间分析能力与多源数据整合能力，如对城市地表覆盖变化等灾害事件进行模拟和预测；二是可视化呈现功能，如3D 建模技术可辅助城市规划人员更直观地了解城市布局情况及其变化趋势；三是可控性和实时性强，如基于网络传输和数据共享的计算机辅助城市规划系统，可快速处理大量数据，并及时跟踪城市化进程中所需的信息。

1.2.2 地理空间数据管理应用。通过GPS、遥感等方式获取地理空间数据，并在此基础上进行数据库的检索、更新与维护等工作。GIS 具备多种形式输出地理空间数据的能力，可满足应用需求。

1.2.3 遥感图像处理应用。在对遥感图像处理过程中，GIS提供强大的数据处理、模型分析和空间关系计算能力，辅助用户研究地表覆盖情况的分类划分、环境质量监管等目标。例如，GIS技术结合土壤与农作物遥感图像进行分析，对土壤类型、酸碱度、有机质含量等关键指标进行计算和评估，从而为精准施肥和改善土壤质量提供科学依据。

1.2.4 环境保护应用。GIS 通过地形分析、地貌分析等手段来研究生物多样性指数及其变化趋势。基于云计算、WebGIS 技术等的信息共享，使环境监测数据能在不同部门间高效传递与分享，从而全面了解环境状态和危害源分布。

2 城市管网信息管理系统发展现状

城市管网信息管理系统是一个采用通信、GIS等先进技术，集成城市各类管网信息，并进行分析、处理、展示和共享的计算机系统。该系统利用GIS等技术手段，将管网的空间数据与属性数据相结合，实现对管网的精准定位与安全管理，具有较高的准确性、实时性和可靠性。利用该系统能帮助城市规划、管网运营等相关部门更好地掌握城市管网情况，为城市建设和管理提供科学依据。因此，将现代化信息管理方法应用到城市管网中至关重要。本研究在对国内外大量文献分析的基础上，将城市管网信息管理系统国内外研究现状进行归纳总结。

2.1 国外发展现状

自20 世纪70 年代初起，美国、加拿大及欧洲等积极对城市管网信息管理进行研究，建立相应的管理系统，并获得良好的经济和社会效益。美国率先将管网信息管理系统应用于各大城市的给水管网中，较好地解决了城市供水问题。此外，美国Intergraph 公司还研发出一套功能强大的制图与设备管理系统，为许多管网管理部门提供优质的服务。从20 世纪90 年代开始，GIS 技术被应用于城市管网规划与管理领域中，许多国外大城市相继建立了基于GIS 的管网信息管理系统，如巴黎，从而使整个城区供水系统管理水平得到提高［2］。21 世纪以来，GIS 技术快速发展并得到广泛应用，欧美发达国家的管网信息管理系统已进入产品化研发阶段。美国Reliant Energy 公司建立了电力与煤气的综合管理信息系统，并解决了模型与管网数据存储统一的需要，为不同权属管理部门提供一体化解决方案。

2.2 国内发展现状

我国对城市管网信息管理系统的研究起步相对较晚，但通过多年探索和发展，取得了可观的成果，该系统发展经历了三个重要阶段。第一阶段在20 世纪80 年代末，中国开始探索城市管网信息管理系统。广州市最早建立了城市管网管理信息系统（GUPIS），将全国管网普查、规划、审批和管线信息结合在一起进行管理［3］。该阶段主要存在管网信息管理困难、信息更新不及时的问题。第二阶段在20 世纪90 年代，随着GIS 技术与城市管网信息管理系统的融合，北京、上海、武汉等大城市相继研发出城市管网信息管理系统，为后续研究开发奠定基础。第三阶段为21 世纪至今，由于各级政府与企业对城市管网管理的重视及信息技术的飞速发展，大量沿海城市建立了针对不同管理部门的城市管网信息管理系统。

综合国内外城市管网信息管理系统发展历程，该系统的发展经历了多个阶段，从最初的管网信息管理系统建设，到管网信息管理系统与图形处理相结合，以应对管网数据量大，统计和查询困难的问题，再到图形数据和属性数据相互关联，实现基于空间与属性数据的统一管理，再到结合GIS 技术，使得管网空间数据与属性数据能实现高度一体化管理，GIS强大的空间分析能力为系统提供统计、查询、分析、预警等服务。

3 GIS在城市管网管理中的应用

GIS 技术在城市管网管理中发挥着重要作用，缩小了先进需求和落后管理方式间的差距，大幅提高城市管网资源管理水平，加快城市区域间的联系，并深化协作。

3.1 管网数据管理

城市化进程的不断加快，使得城市管网愈发密集，且呈现出多中心、高维度、网络化复杂等特点，也带来了管网数据量巨大、信息来源多样且分散、协调难度大、计算量大等问题。为有效解决这些问题，并提高管网性能，要充分利用现代信息技术手段对管网信息进行管理。

GIS技术在城市管网数据管理中发挥着重要作用。使用GIS 技术对采集的管网数据进行规整、统一和编码等操作，实现对整个管网系统的空间及属性信息统一管理的目的。GIS 技术能快速地编辑、更新和删除管网信息，并确保这些操作不会影响到现有数据的完整性和精度。此外，GIS 技术还可对数据、设备状态及故障信息进行日常管理，以便在出现问题时，能快速调取最近的数据进行分析，从而找出最佳解决方案，提高管网运营效率。通过建立数字化管网数据库，并对其进行日常更新和维护，可快速记录并展示管网系统的各种物理特性和运行参数。其中，管网数据管理的重点是为城市相关管理部门提供准确、可靠的管网信息，因此需要掌握好各种物理特性和运行参数，并保持数据的同步性和准确性。只有如此，才能确保管网的正常运行。

3.2 管网日常维护管理

管网日常维护是指根据城市管网的实际情况，采取定期巡检、监测、清淤、防腐、漏损检测等措施，完成对管网的维护。GIS技术用来协助管理人员全面了解管网运行情况，提高管理人员的决策效率和工作质量，可保障管网设施的安全、稳定运行。

GIS技术能将管网空间位置信息与各种属性信息相结合，形成一张完整的管网数字地图。通过空间检索与查询操作，可快速查找特定坐标下的管道、设施或配件等信息，并进行实时更新和显示。同时，还可根据输入的查询条件，结合多种统计分析算法，对管网元素进行空间分布密度、长度、覆盖率等的分析，帮助管理员及时了解供水管网的状态和性能，并快速发现潜在问题，从而优化管网运营管理，提高管网服务水平和效率。例如，利用数学建模等方法对管道中的水流进行模拟，计算和分析出各种参数（如水压、流速、液位变化和阻力系数等）并将结果进行可视化显示，帮助管理员了解和分析管道中水流的运动状态和特点。通过管道流动模拟，管理员可根据实际情况及时发现管网中可能存在的问题，如管道堵塞等，并通知相关技术人员对管道进行疏通或维修处理。

3.3 管网调度管理

管网调度是指对各类管网进行实时监测和数据采集，并对采集到的数据进行分析与对比，从而完成对管网运行状态进行有效控制和优化管理的过程。其主要目的是确保城市管网的安全性、可靠性和稳定性，满足各种情况下不同区域供需平衡关系。例如，在城市供水管网调度管理中，传统的经验调度法已无法满足目前管网信息化管理需求。采用GIS 技术，结合城市供水管网实时监测数据，建立数学和物理模型，能有效计算和预测出水流动情况和水压。基于历史数据的分析结果，对城市供水调度过程进行优化，从而实现实时交互并提高管网调度水平。针对可能出现的问题进行快速反应，并做出相应的出水方式调整和泄洪控制。运用GIS、云计算和大数据等先进技术，广州市建立了庞大的供水管网调度系统中心，实现了从源头到出水口的全过程自动化监测、预警和管理。该系统可自动记录管道布局、用水量、水压、水质等数据，并通过实时在线分析和处理来及时发现异常情况，并采取适当措施，保障了广州市供水服务质量稳定、可靠、安全。

3.4 管网应急响应管理

管网应急响应管理是指在城市管网发生紧急情况时的处置和应对措施。当城市管网出现泄漏、破裂、爆炸等现象时，采用传统的纸质记录方式来处理抢修工作，存在着应急反应迟缓、费时费力、维修难度加大等问题。GIS技术能对城市管网中突发事件或故障进行快速、精准定位，并及时处置。通过对各类管道和附属设施数据在地图上的精确呈现，并进行分析，在事故发生后，能快速发现事故的具体位置，提高现场处理效率。

GIS爆管分析可用于评估管网事故发生后产生的影响和危险程度及探测可能导致爆管的因素。该方法主要对管道泄漏、破裂等进行定量评估，计算出在不同条件下形成的压力波，及其扩散影响范围和损害程度。在爆管分析中，需要输入多种参数，包括管道材料、直径、长度、压力等信息，从而模拟出真实情况下管道爆裂或喷洒溢出状态，以便运维人员及时予以预警和维修。通过全面数字化方式来展示和管理管网设施信息，并建立联动、预警和智能应急响应机制，为城市管网设施安全运行提供科技支撑和必要保障。例如，上海市水务部门在对城市供水系统进行详细检测后，结合GIS 技术，建立全区域的智能水管系统，利用实时监测数据进行爆管分析和控制，同时对管道进行定期检修和维护，保障供水系统能长时间稳定运行。

4 结语

GIS空间数据分析与管理技术在管网系统中发挥着重要作用，是实现管网管理信息化、数字化、智能化的核心技术，也是业内当前研究重点。本研究通过介绍GIS 原理及其应用现状，探讨城市管网信息管理系统的国内外发展阶段，深入分析了GIS技术在城市管网信息管理系统中的具体应用，为了解城市管网信息管理系统的现状和发展提供参考。当前，城市管网信息管理系统处于快速发展阶段，虽然融合了GIS、三维可视化、云计算等先进技术，但仍面临以下三个问题。①系统开发缺乏统一的行业标准，且开发周期长、资金投入大，使得系统推广受到限制。②各地区通常会独立开发管网信息管理系统，导致信息难以共享，易出现“信息孤岛”［4］。③系统的开发主要集中在桌面端和Web端，移动端应用尚未得到广泛应用。

综上所述，城市管网信息管理系统研发应从以下三个方面出发：①系统开发平台与数据库应向标准化方向发展，有利于提高系统的开发、管理与维护效率，同时可降低城市管网管理成本；②随着城市间协作的不断加强，未来各区域间管网信息共享的趋势势不可挡；③移动互联网的广泛应用，将驱动城市管网信息管理系统向移动端发展。结合GPS 与GIS 技术的移动APP 可在现场实时办公，并通过5G 网络进行数据传输，将现场采集的数据直接导入后端参与监理检查入库、管线分析、管线应急管理等，能更好地提供管理服务［5］。