浅谈地理信息系统在供水行业中的应用和发展
发布时间：2020-12-25
伴随着我国社会主义经济快速发展,自来水地下供水管网情况日趋复杂,在大量供水管网设施的软、硬件的基础建设不断更新完善的背景同时,供水管网信息化数据管理的地位也越来越重要。自来水地下供水管网工程GIS管理系统软件，作为地下供水管网工程管理中重要的供水信息化数据管理工具,能有效率地解决各类地下供水管网工程信息的海量存储、管理、分析和综合应用等复杂问题,也为地下供水管网工程改造、爆管工程抢修、管网工程规划设计等各项业务工作提供更为科学的信息数据分析支持。
关键词:地下供水管网;GIS;管理
1、前言
在新兴的工业信息服务产业中,GIS(geographicinformationsystem,地理学和信息服务系统)学科作为集应用计算机信息科学、地理学、测绘学和遥感学、环境科学、城市管理科学、空间科学和企业管理经济科学及其他相关基础学科等领域为多位一体的新兴产业边缘学科,近30年来迅速发展兴起。GIS将利用计算机信息技术和企业空间科学地理模型分布分析数据相交叉结合,通过地理系统基础建立、空间科学操作与地理模型综合分析,为从事地球物理科学、环境科学和建筑工程设计、乃至现代企业经营管理等诸多方面的企业规划、管理和战略决策工作提供重要的数据信息。目前应用GIS在国内外应用领域已相当广泛,不但成功地广泛应用于城市测绘、制图、资源和生态环境等多个领域,而且已发展成为国家城市规划、公共设施运营管理、工程建设等的重要技术工具,此外应用GIS还广泛进入了国家军事战略形势分析与军事决策、商务活动策划、文教卫生乃至其他人们日常文化活动的各种应用领域中。据专家估计,人类信息活动80%的地球信息量与全球地理上的信息系统密切息息相关,因此对于GIS的开发和推广应用的对于前途和信息容量来说是完全不可能被限量的。
目前GIS产业被国际认为已经是21世纪各个国家支柱性新兴产业,是全球各国家信息技术产业的重要结构组成的一部分。
而我国的GIS产业发展历程较欧美先进发达国家平均起步时间晚约15年左右,但实际发展起步速度并不是很慢。GIS在工业城市管理方面的专业应用就不仅有诸如城市公共自来水、城市公共煤气、城市规划、城市地下给排水管线、城市生态环境、城市道路、城市公用土地等不胜枚举,至于其他各领域方面的专业应用还有诸如城市环境监测、水土资源流失、矿产资源、投资效益评价等更是屡见不鲜。所有这些都已经标志着GIS产业系统在我国各个领域已经蓬勃成长与快速发展。
由于现代城市经济发展进步十分迅速,供水管网城市基础设施的资料变更、更换速度不断提高加快,大量的供水管网管理资料急需处理,传统的依靠人工进行统计、分析和使用纸质等介质的数据存储管理方式已远远不能完全满足现代城市各区供水供电管网的各种现代化管理需要,因此,GIS已经发展成为了城市供水管网行业必不可少的重要的管理工具和管理手段。
2、主要功能简介
2.1图形基本操作功能
如：具有鹰眼式地图、区域自动定位、放大、缩小、漫游、全国地图自动显示、地图自动刷新等;还可以让使用者轻松实现平滑地图的缩小、放大查看地图,锁定区域漫游,提供使用鹰眼图后可随时随地查看，并以图形显示所在区的地图地理位置等，或着图形跳转漫游到所有人指定的漫游区域等，较为灵活便捷的实时地图功能。
2.2数据采集
采用自动地图矢量化后的管网地图数据库对地图进行管理,将原有CAD地图中的标注有地下供水管网地图数据的地图自动重新进行导入，并将其进一步转换成为新的符合GIS数据库通常要求的“点”，并附带实时地理信息坐标值且与实地相对应。
数据信息的分层信息管理:GIS的分层数据管理分为三维栅格数据和三维矢量图形数据两个大类。采用了一种分层绘图技术,即根据三维地图的某些基本特征及根据用户的实际需求,把它们划分成若干层,即使得整张三维地图就像是所有标线层互相叠加的一个结果(例如:绘图地形标线层、地名标线层、建筑物标线层、测量层及标志标线层、道路标线层、管网层及设施维护层等)。在与地图用户的交互处理过程中只需要处理一个涉及并达到用户需要的地图层,而不是处理整幅面的地图,因此我们能够对地图操作者对所要求的层作出快速的准确反应。
数据信息的分析操作:系统采用一种矢量图形数据综合管理模式,将矢量图形场景数据和各类属性数据紧密的直接结合在一起,形成对场景地物的抽象描述,对其中的一类属性数据的分析操作势必直接影响其得到与之密切相关的另一类属性数据,提高了这种操作模式带来的矢量数据分析一致性和数据操作分析效率。同时各个分析数据相互间又都具有必然的相互联系,能够准确无误的直接完成流量爆管数据分析、缓冲区数据分析、网络分析、统计数据分析。
2.3数据信息输出
(1)图形数据输出。按照管网管理部门日常工作的运行模式,根据用户选择的形状或方式输出打印或转换成其他的文件格式输出。
(2)数据查询器在统计、分析时将处理的数据结果进行打印输出。
2.4管网设施编辑
对地下供水管网设施(包括管线、阀门、消防栓、水表、堵头、大小头、水厂、测压点、测流点、GPS定位点、水质检测点、屋顶水箱、排气阀、排水阀等)的图形数据编辑和属性数据编辑。
2.5图层管理
实现当前系统中所有功能图层的信息动态功能分层显示管理,将当前系统中需要管理的所有功能图层用相应功能模块化的方式进行表示,具有管理相应功能权限的系统用户端即可根据实际需要对当前窗体当中显示的所有图层信息进行功能动态分层管理。也可根据使用者需求手动添加或者手动移去其他图层。把自己需要的几个图层打开进行自动显示,其它的几个图层可以设为不需要显示,当没有需要时再重新打开,这样虽然已经完全进入了各个图层的数据显示传输范围,但在图层同一时间内并不从地图服务器端直接传输这些层的地图数据,所以也这样可以有效减少在图层同一时间上的大量网络地图数据显示传输量,提高网络地图的数据显示传输速度。
2.6数据分析
(1)查询,多种类别、多种条件、多种范围的管网设施查询;
(2)统计,多种类别、多种条件、多种范围的管网设施统计。
2.7事务处理
(1)爆管分析、二次爆管分析
事故处理:爆管发生后可迅速指定关阀及扩大关阀方案,查找关阀和受影响的区域,查询相关阀门并打印关阀方案及用户报表、抢修单、阀门卡片及停水通知单等。
在管线图形上通过点击需要破裂的防爆管线或者根据地图输入的破裂管线的开关属性在管线地图上自动找到该破裂管线,系统内就能自动给出完全自动封闭的防爆管破裂区域的最小化开关阀解决方案，在管线地图中突出处会显示一个阀门。可实时显示和列出需要开关抢修阀门的所在位置和功能属性表以及其他的阀门关闭卡片和抢修阀门详细框图,列出所有需要阀门关闭的抢修阀门功能列表以及各需关阀门的当前工作状态表,并打印显示出上述两项功能列表和阀门相应的需要抢修阀门区域曲线图形。如果现场检查发现某个扩大阀门自动损坏或者自动失灵而不能继续关闭,系统必须具有自动判断扩大阀门关闸解决方案的选择能力,进一步检查找出还没有需要继续关闭的那个阀门
(2)关闸缓冲区功能分析
在管线维修时,对某条特定管线做一定半径范围内的缓冲面,可以查看周围影响区域,从而及时采取措施做好维修补救和防范工作。
2.8区域管理
(1)区域定位:在指定区域内定位显示所需管线或设施
(2)区域编辑:在指定区域内编辑具体的某根管线或某些设施
(3)区域查询:在指定区域内查找符合条件的管线设施
2.9量算
(1)利用管线间的长度、距离的常用测量公式计算
(2)面积计算
2.10管网设施MIS
可同时外接使用管网基础设施维护管理信息系统,如管道消防栓维护管理、阀门维护管理、水表维护管理等等通过MIS管理系统,实现了对管网基础设施管理资料完备的实时动态管理编辑和实时查询。
2.11系统管理
(1)权限管理
(2)管网设施参数管理
3、GIS技术在供水行业的应用
3.1 GIS在国外供水行业中的应用
面向企业级的软件GIS，在二十世纪八至九十年代时，美国、德国、英国等发达国家已经开始得到普遍广泛应用。开始时,GIS只是企业用来用于做基本的数据统计和资料查询的一个基本功能,经过逐渐应用发展,目前,国外工业供水系统行业实际应用中的GIS统计技术应用己经从日常的统计资料收集管理逐步向更深入多层次的实际应用方向发展,主要特点呈现出了如下三个主要特点:
3.1.1实时有效的供水动态情况的监测与数据分析,为企业的供水工程管理与开展提供必要的数据支持
美国圣地亚哥的供水管网每年可以服务大约120万人,供水系统覆盖范围包括3100英里的供水干管管线、3个基础水厂、51个加压泵站与31个的供水蓄水池。圣地亚哥供水与灾害管理局曾对圣地亚哥供水管线经过供水区域地表震动时的位移、速度和震动加速度等数据进行实时的监测,监测数据通过基于GIS二次开发软件包的数据进行分析和计算,确定了供水系统的安全性和风险,有效组织和指导了管理相关部门及时进行了灾害的预防。
3.1.2嵌入专业模型,实现深层分析
一些发达国家的大型公共资源企业以及供水供电地下管网管理产业、系统制造商例如GIS、MIS类管理公司，已经能够在进行实时工程数据分析监测的基础上,对其中的GIS管理系统软件进行了数据二次开发,实现了大型供水管网企业对地下供水管网的工程实时数据优化管理调度、事故发生应急风险处理、资产使用风险管理评估等的数据分析以及监测管理功能。这些供水分析仪的功能与性能大大提高了各个企业的供水信息化业务管理水平,提高了各企业的供水管理效率与质量保障企业供水安全。
3.1.3 GIS与其他系统广泛集成
GIS业务管理系统的功能扩展性一直都是对GIS系统应用的关键和重要指标之一。在位于英国和利物浦的对供水管网的实时监控和优化系统调度中,GIS与AIS(assetsimprovementsystem,资产更新管理帐户系统)和GIS与CAS(customeraccountsystem,用户管理帐户系统)完美的相互集成在一起,使得GIS系统功能的扩展性变得更强大,应用更便利。
3.2 GIS在国内供水行业中的应用
GIS在国内对于供水管网的地理信息应用主要是集中在日常的管理。重点城市如北京、上海、天津、深圳、沈阳、西安、成都、绍兴等全国各地,都已先后建成了供水管网的地理信息查询系统。主要实现了对图形和属性数据的录入与管理;对供水管线和设备进行信息查询、统计等地理信息功能;对各类管网进行图形的统计分析等;并将专业的地理深度分析功能主要集中在供水管网事故时关阀和属性分析的实现等内容。
城市建设和供水工程管网建设是一个纵横交错的巨大地理信息网络,管网建设和管理过程中所涉及的各属性信息大多由于具有空间和地理数据库的特性,难以用这种传统的手工数据库管理方式进行采集和管理。在这种传统的手工数据库的管理下,这些各属性信息一般用各种图纸、图表进行描述(其他资料例如管网设计、施工和竣工相关资料),各种地图档中的资料不甚齐全。在进行设施管理、利用如此庞大供水管网的进行拓扑计算或者采集空间地理属性数据时产生困难。例如自来水系统输配管网的调度过程缺乏了依据;管网遇到了紧急情况时管理人员无法及时地得到与管网有关的信息并及时采取了相应措施;因大规模的市政建设而日益发生变化的管网参照资料和建筑,有些对管网的资料已经失去了原有的价值;对设施的管理相当困难,管网的设计也很难进行优化。
为有效的管理一个城市的供水设施及管网的资料,各大城市供水管网管理企业纷纷采用了地理空间信息系统(GIS)的技术。GIS信息系统是用数据采集、模拟、处理、检索、分析和方式表达各种地理空间数据的综合型计算机信息系统。它将所有的管线、设施(包括阀门、水表、消防栓等)与所有构筑物(泵站)录入信息系统,记录了构筑物的埋深、材质、年代、口径、连接、用途等各种静态的信息,提供了图形信息显示与查询系统的定位,为城市供水管网的建模与城市供水调度、设施供水供水管理、维修设备维护、爆管处理等工作提供了基础信息数据。城市供水地理空间信息系统配备了GPS信息系统接口后,可以有效的实现城市供水管网管理区域内所有的管线与其他供水设施的快速信息测量与查询定位。通过GIS信息系统技术可将与地理空间信息系统相关的地理空间位置、属性及其特性等地理空间信息对企业进行了统一的管理,同时企业也能有效的利用数据进行地理空间的分析。将GIS信息系统技术广泛应用于对城市供水管网的管理,能够有效起到了如下的作用:
(1)应急抢险指挥调度
GIS的信息空间分析、网络分析还技术可广泛应用在对管网突发性事故的抢修应急决策处理方面。如在对管网突发性事故紧急的抢修时,可以有效地采用GIS与对GPS相结合,通过对GPS的分析系统准确地获取管网事故抢修的阀门坐标和位置,并将相关的数据信息实时地传送反馈给了GIS,可以快速地确定发生故障的区域,协助管网事故抢险工作人员准确地分析了发生事故的可能影响区域范围和受到影响的程度,生成了抢修事故处理方案,有效地实施了抢修事故处理作业。与市场上传统的网络信息事故处理技术相比,上述事故处理技术解决方案充分地显示和突出了现代网络信息事故处理技术高效率的事故处理优势。
(2)管网腐蚀控制信息管理
在地埋工程管网腐蚀管理信息系统的基础平台上建立地埋工程管网腐蚀的控制与管理的信息案例库系统,完善于地埋工程管网控制与腐蚀的案例库,积累大量的地埋工程自动化信息和对相关工作环境的基础数据分析信息,实现地埋工程的信息分析,标准规范实用性的选择,腐蚀控制解决方案的评价选择,阴极保护工程管理系统设计的分析,设计试验结果的输出和系统的运行管理结果的预测等一系列的内容。
(3)固定资产数据管理
传统的固定资产数字化管理的方式主要是以固定资产管理事业单位为管理单元,按照固定资产管理的区域分门别类的将各种固定资产管线和基础设施的固定资产详细信息完整的保存在固定资产数据库表中,实现了固定资产的信息数字化管理,并能自动生成各种固定资产统计和数据查询的表格,通过与固定资产管网的管理方法以及信息系统技术相结合,实现了固定资产的图形化信息管理。
(4)地下管网运行管理
地下管网运行管理信息系统最早的出现和应用就是在闸井和管网的运行上,可以为闸井和管网的运行人员提供最基本的闸井和管网运行路线分布基本的信息,帮助管网运行巡检工作人员及时了解自己在所管辖区域范围内的闸井和管线的分布详细情况,可以根据闸井和管网运行管理信息系统的要求利用动态栓点定位功能进行精确定位特定的管线、闸井等。随着我国管网管理技术和信息系统的不断发展,其在我国管网建设和运行中的地位和作用也越来越重要,将闸井和管网运行管理的信息系统与闸井和巡检管理信息系统的应用相结合,可以实时跟踪定位管网巡检工作人员每天进行巡检的路线,确保了管网的运行更加安全可靠。[1]
4、GIS在供水行业的"四化"建设
随着我国城市经济快速发展供水管网建设规模的扩大、人们对管网水量、水质的要求不断逐步提高,供水管网企业进一步采用供水管网GIS信息化技术提高城市供水管网行业的信息化管理水平与信息化效率已是大势所趋。周恩来总理在第三届全国人大第一次会议全体大会上所作的《政府工作报告》中第一次明确提出四化。邓小平80年代第一次提出"开发信息资源,服务四化建设"。江泽民也在报告中指出:"四个现代化,哪一个也离不开信息化"。因此,为了进一步加强供水管网GIS在城市供水管网的科学管理体系建设中的作用,推进供水管网GIS的技术扩展和应用,GIS的"四化"的建设技术推动势在必行,而供水管网GIS"四化"的建设技术主要指的是供水企业GIS管网管理系统的web化,专业化,集成化,移动化。
web化是一种泛指在原有c/s单机版(或简称单机版)的GIS与GIS(以下简称GIS)发布软件的基础上,通过网络数据共享的方式在中国企业内部网站上发布原有web单机版的GIS(或简称为单机版webGIS),GIS与单机版的webGIS两者可以在功能上作合理的分配,GIS主要是专注于供水管网基础业务资料的录入、更新等的维护管理工作,而GIS与webGIS则是实现了查询数据统计、各种管网供水信息以及管网基础业务的综合处理。而两者相辅相成共同完成供水管网的管理工作。
专业化管理是指子系统作为整个供水管网的GIS,除了管理必要的供水地理位置信息和资料,其实更重要的应该是突出在供水管网的专业化管理方面的技术应用,通过二次开发的技术手段,围绕着必要的供水管网专业化开发多种的专业化管理子系统。如:
(1)固定资产的管理:对管网及其基础设施进行安装、维护时所发生的各种成本费用的资产管理。
(2)实施竣工工程图档档案管理:对工程设计、竣工工程图纸的图档管理。
(3)施工管理:资料、施工进度的管理。
(4)日常维修设施的管理:所有设施的抢修、日常维修的管理。
(5)管网爆管工程管理:爆管工程作为特殊的工程抢修管理,为今后的爆管预警系统设施建设工作积累了大量资料。
(6)动态阀门的管理:对阀门静态的资料与阀门动态的资料(开、关)的综合管理。
集成化信息系统是指不同的信息管理系统之间通过各种数据共享、信息的组合,功能相互扩展的一种方式,产生一个新的企业信息系统的一种应用集成。一体化例如:
(1)营业收费系统与GIS系统的集成。
(2)SCADA系统与GIS系统的集成。
(3)检漏系统与GIS系统的集成。
(4)水力模型与GIS系统的集成:。
(5)大用户(或远传水表)系统与GIS系统的集成。
(6)客户热线系统与GIS系统的集成。
(7)多个系统的综合集成。
(8)手机终端综合系统集成。
现有的办公室GIS移动化系统主要是适合于在移动化的办公室现场使用,而大量的办公室管网远程管理工作往往是在现场发生的。因此实现办公室GIS移动化系统的办公室移动化管网管理是进一步提高办公室的管网效率和科学管理的必然要求和途径。GIS的移动化系统包括基于GPS系统的定位导航管理系统及远程工作管理流程移动化管理系统两个组成部分,其中移动化实现的主要功能分别为:
(1)实时导航金属管网的GPS等导航系统产品可以同时实现对排水管线、阀门等金属管网重要基础配套设施的实时定位、导航。
(2)对爆管进行自动定位,及时将数据上传到GIS和水力模型自动处理系统中,提高了系统自动采集和处理的效率和能力。
(3)远程监控公司工作流程管理系统操作人员可以将远程阀门开关及其他各种现场的操作及时上传到远程公司的工作流程管理系统中,各个部门人员可以据此及时做出决定和相应的现场反应。
5、GIS与其他系统集成产生的效益
(1)信息化供水管网建设是现代城市信息化建设的重要信息基础和配套设施,是每一个城市的生命血液与经济命脉。它几乎遍布于城市每一个角落,形成纵横交错的地下交通网络。现代城市供水管网的信息化建设一般属于地下交通基础工程,具有隐蔽性的特点,利用一些常规的测量技术可以修测供水管网的线路和供水阀门连接点的点位。由于测量误差积累等客观因素的直接影响,结果只是治标不治本,日积月累,将经济社会贻害无穷。因此,根据现代城市的发展、供水管网的管理与信息化建设的实际要求,有必要充分运用3s信息管理技术,将供水管网GIS(全球地理信息定位系统)、RS(管网遥感)、GPS(管网全球地理定位系统)等技术简称"3s"。该技术结合供水管网数据库、手持移动信息化设备、专业信息计算软件等技术进行信息系统的集成,快速的获取了有关供水管网的资料,加强了对供水管网的信息化和科学管理,能够有效的快速实现管网供水调度和管网供水抢修的实时信息化和快速的信息化,创造了社会效益和巨大的经济效益,大大降低了供水漏失。
(2)基于GIS及GIS和SCADA远程管理技术集成的城市供水管网实时调度系统,通过从GIS及SCADA中实时导入的调度数据,在每一条连接城市供水管网的线路上都可以采集和显示实时的水压、水流、水质量等信息,既能有效提高城市供水信息的实时使用效率和质量,也同时能为企业提供有效的辅助企业决策的依据和方案。可以纵观整个城市供水系统,切实的提高城市供水管网企业的整体经济和社会利益,具有良好的技术和应用的发展前景。它的应用使得城市供水系统的管理工作向更加科学化、现代化的方向迈进了一大步,增加了城市供水管网建设和运行的效率和安全性,并有效的使城市供水管网企业的日常生产管理费用大幅下降。[2]前两者再与视频远程监控管理系统技术相结合,对各供水泵站的数据采集进行集中管理,能够有效的帮助企业实现多个城市供水泵房无人机的实时值守,远程监控调度,解放了其生产力,充分的节省了资金投入大大提高了其工作效率并大大提高了生产力调度的水平。
6、结束语
随着我国智慧城市化的快速推进和发展,其他各地的水司都已得到广泛应用或开始积极着手研究建设一套GIS管网管理系统。为确保水司能够更好地充分发挥水司GIS系统的管网管理作用,除了在进行水司GIS管网管理系统开发建设的过程中对管网管理平台的选择、系统设计以及开发应用的过程进行严格控制外,更要求水司应多角度地注意水司GIS管网管理系统的日常维护、管理及相关应用推广工作,同时水司应积极建立一个完善的管网管理数据采集和更新的机制,及时将第一手原始的数据资料及时录入并传送到水司GIS管网管理系统中,为供水管网的运行、维护管理提供实实在在的网络信息技术支撑,从而基本实现了供水管网的标准化、规范化的运行和动态管理,实现了智慧城市水务的建设总体目标。——论文作者：张鑫
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