基于GIS的净水厂地下管线精细化管理实践

李 柱 陈 敏 徐 浩

（1.上海城投水务（集团）有限公司，上海 200086；2.上海积成慧集信息技术有限公司，上海 200233）

地理信息系统（GIS）可以实现对底层感知数据的采集、加工、传输和存储，通过系统平台实现分析、查询和检索功能，是一款一体式的地理信息计算机系统。

GIS利用现代计算机图形和数据库技术可以实现高级分析，在城市地下供水管线、燃气管线等方面被广泛应用，实现了城市地下管线资料管理的动态性、规范性、便捷性和高效性等。但在工厂内开展综合管线GIS系统建设的成熟案例较少[1]。水厂是城市供水体系的重要组成部分，由于水厂地下管线种类繁多、综合复杂，是水厂安全稳定运行的薄弱环节。因此，在水厂内运用GIS系统管理地下综合管线具有重要作用[2]。

1 GIS系统的建设

1.1 GIS系统开发思路

基于现有的供水示范区供水管网GIS系统进行数据及功能的扩展。通过新增功能模块实现对水厂内部管线及设施的管理，结合现有供水管网GIS系统的功能和水厂的实际情况实现数据精细化管理。

建立水厂GIS基础数据库，进行基础数据整理。收集水厂相关的设计图纸、竣工图纸，对水厂构筑物、管线、设备等属性信息进行整理，并对数据库结构进行设计和管网数据数字化，将基础数据批量导入数据库。

建立物探数据导入标准，形成长效数据机制。结合水厂管线及设备的管理要求，针对性设计、制订地下管线探测方案，采用实地调查与物探的方法，探测现有水厂地下管线具体位置，绘制地下管线图，全面、清楚掌握管线的分布状况，为水厂的地下管线探测工作提供信息资料方面的技术保障。采用模块化的建设方式开发软件。建立通用的数据库结构，标准的数据入库规范，灵活的模板定制功能，便于后续对数据的批量录入和数据维护。打通GIS系统与数字孪生平台的数据交互通道。在孪生平台中实现GIS系统的数据和定位支撑功能，提高数字孪生系统的精细化场景运用能力，开发App版的应用模块便于管理人员现场查询、定位和分析。

1.2 GIS系统的功能设计

GIS系统主要包括图形展示、图形浏览、查询检索、统计分析、管网拓扑分析、遥感影像应用、图形测量功能、图形打印等功能，针对供水厂的精细化管理需求建设多种专题应用模块[3]。水厂GIS图层具体划分为管线层、设备层、节点层、构筑物层。管线层包括原水管、生活水管、排泥管、加药管、电缆、信号线等；设备层包括阀门、消防栓、机泵等；节点层包括弯头、三通、管点等；构筑物层包括清水池、沉淀池、滤池等。图层的属性信息均将按照水厂属性配置标准进行数据结构化设计。

在App模块中，水厂专业技术人员可以在智能手持端GIS系统中直接进行电子地图的浏览和操作，实现不同图层的切换、地图的缩小或放大、地图漫游和窗口移动功能，便于管理人员的巡检作业和维修[4]。

1.3 GIS系统的架构设计

GIS系统架构如图1所示。

图1 GIS系统架构

整个系统架构包括数据采集层、数据管理层、运营管理层、决策支持层4个层面。数据采集层主要采集厂内各类地下管线或电缆的物探数据、管线/设备标牌资产台账数据、各类附件数据等，各类数据按照完备的数据校核规则进行校验，将符合要求的数据导入GIS数据中心；数据管理层主要依据数据校核规则，包括网络拓扑分析、管网属性信息逻辑错误校核、管线管径数据校核、冗余数据校核、重复数据校核等，通过数据的管理提高数据质量；运营管理层主要围绕管线的管理业务展开，包括空间查询、剖断面查询等常规功能，同时开发了App应用场景；决策支持层包括系统分析和专题应用，实现突发应急事件的辅助决策、新员工培训教学等功能。

1.4 GIS系统技术指标控制

考虑到水厂地下管线的管理精度，要求明显管线点探查精度如管道或电缆的埋深误差为±5 cm，地下隐蔽管线点如电缆、通信管线等的探查精度为水平位置限差0.10h，埋深限制在0.15h以内（h为各类管线的中心埋深）。水厂地下管线非常重要，测量精度要求平面位置中误差（对比邻近平面控制点）不大于±5 cm，重要管线的高程测量中误差（相对邻近高程控制点）不大于±3 cm。水厂地下管线测绘的精度要求在重要的区域内要与邻近的建筑物、构筑物、相邻管线以及规划道路中心线的间距误差不大于±0.5 mm。

1.5 数字化管理平台技术指标

桌面软件支持32位和64位Windows 10操作系统。浏览器应用采用B/S架构，支持主流浏览器。采用最新的HTML5技术，实现跨平台的多终端应用，系统可以同时在智能手机和平板电脑运行[5]。手机App支持操作系统IOS 14.5和Android 11。

2 GIS系统的建设成果

GIS系统实现了测量平面控制GPS点11个，水准测量长度达20.00 km，地下管线探测范围11.9 万m2，管线测量总长度24.42 km，通过对数据进行汇总、审核，实现了数据库功能，建立了水厂综合管线精细化应用平台。水厂综合管线应用平台如图2所示。

图2 水厂综合管线应用平台

水厂在研究应用平台功能时应充分考虑基本功能的实现，如浏览地图、图层的分区管理、空间查询和属性展示，支持各类图标和报表的自动生产等[6]。同时也开发了多种专题版块的图层制作，通过渐变色、饼图或点密度图等方式可以直观地进行数据预览、查看和比较，有利于管理人员通过GIS系统实现业务管控精细化、便利化。

应用平台可以实现书签功能，创建、管理书签，将水厂的各类探明的管道管线属性做成书签导入导出和排序等，提供元素选择、要素识别、查找、坐标定位、弹出框等地图浏览工具，有助于提高管理效能。

空间数据精细化分析如图3所示。

图3 空间数据精细化分析

应用平台可以实现拓扑关系，维护数据库中空间数据的一致性和完整性，确保数据的稳定性。自定义拓扑规则的应用范围，提供功能丰富的空间分析工具集以及集成的空间处理（空间分析）框架，通过桌面应用、浏览器应用以及手机App等多平台快速并以三维形式显示厂内构筑物、管线、相关设备以及管线、相关设备的属性和资料。

三维管线及设备精细化展示如图4所示。

图4 三维管线及设备精细化展示

GIS系统结合厂内管线及设施的分类，建立数字化管线专题应用，将相关的业务数据汇总后通过专题图的方式在地图上展示，专题应用包括动力电缆管线专题、加药管线专题、生产管线专题等。开发电子标签现场综合识别功能，通过智能手机实现对象的快速扫描、识别、信息录入等，运用无线通信技术，在智能手机上实现快速浏览电子地图、查看及查询管网/阀门等设施的分布情况及属性信息，通过电子标签（二维码、RFID）快速识别对应管网或设备数据等功能。

将GIS系统的数据纳入数字孪生平台，利用人员定位技术实现应急处置场景开发的快速响应、精准引导和地下管线位置确认等功能，通过GIS系统的应用专题可以在数字孪生平台发挥预测和仿真能力。同时该系统引入了实景照片技术，利用360°全视角实景照片，与GIS平面资料相互补充，在实现可视化的基础上更加具备分析和研判能力。

全视角实景照片结合数字孪生应用如图5所示。

图5 全视角实景照片结合数字孪生应用

3 结语

随着城市供水安全保障能力的不断提升，供水厂的地下综合管线的精细管理显得尤为重要，通过基于GIS系统的开发应用打造水厂综合管线的精细化管理平台，结合数字孪生与仿真平台中交互使用，实现了更高水平和更深层次的管线管理能力，为设备设施安全运行和应急事件的快速响应提供了技术支撑和功能保障。