广州市自来水公司 杨熙

摘要: 建立了供水管网模型，介绍了系统的开发目标、总体架构设计、功能设计和数据库设计，提出了GIS在供水系统应用中的发展方向。此系统在实际应用中运行稳定，性能优良，取得了良好的经济效益。

关键词：地理信息系统；供水管网；ArcGIS

　　广州市自来水公司是集自来水的生产、销售、服务和多种经营为一体的国家特大型供水企业，创建于1905年10月。公司下设20个部室、8间水厂、20个加压站库、8个供水管理所和8个附属单位。公司供水面积483.8平方公里（包括南海、顺德部分区域），管线长度5084公里（其中DN100及以上3910公里），消火栓10000多个，阀门72954个。公司、区所各有一套管网现况图，现有1：500、1：2000、1：5000、1：10000等管网现况图35000多幅，大多数是1：500管网现况图，7937多个图幅（1：500）有供水管线。公司、区所各有一套管网案卷，目前区所现有案卷17800多卷，每个案卷内大约有50至150份文件材料。

　　要实现对上述海量管网数据的有效管理，我们在ArcGIS平台上开发了供水管网地理信息决策系统。供水管网地理信息决策系统是一个充分利用计算机技术、GIS技术和通信技术，具有综合、海量信息（供水企业、供水设施、管网图纸资料、水用户、管网资产情况等）处理能力，为自来水公司的领导提供科学的决策依据，为供水企业业务人员提供详尽的地图和管线资料，实现供水调度、管网抢修、营业抄收、管网资产管理等业务工作；将是一个能满足平时各种业务工作、又能够逐步提供支持决策分析能力的多种用途的信息系统。通过系统的建设和应用，可以提高现有管网养护管理水平和能力，现场事故处理速度，使供水企业获得运营最佳经济效益，并实现整个行业管理的科学化、规范化和现代化。

　　1、建立公司核心的管网地理信息数据库，把管网的图形信息、属性资料，乃至管网日常维护数据、用户信息等都整合到数据库中，实现公司统一的属性数据和空间数据平台，充分发挥图文一体化系统的强大管理功能。

　　2、供水管网管理涉及规划、设计、施工、维护、管理等部门，通过网络实现供水管网信息资源共享、统一管理，在保证数据完整性、一致性的前提下，通过浏览系统，使公司相关人员无论是在办公地点、施工、抢修现场还是在异地查询，均能通过局域网或远程网络快速查到所需的管网系统的实时图形、属性资料，完成相应的维护、管理工作。预留与互联网、无线网络、GPS等的接口，以适应的进一步发展。

　　3、实现管网运行情况、防腐情况、使用年限等方面的管理，能够对突发事件做出快速响应，快速找到故障点，确定影响范围等。

　　4、随着饮用净水工程推进，广州市将在较长时间内使用两套管网进行供水，供水管网地理信息系统要为置换工作提供详尽的管线、管网设施、用户的信息和各项功能，为水质保障提供准确的管网资料，管理饮用净水管网现况图、竣工图、水表、表箱、阀门、加压泵站等到用户计费表的所有管网、设施。

　　5、将SCADA遥测系统与管网地理信息系统结合，及时对管网输配系统进行分析计算，使调度指挥中心能直观地在管线图上看到整个管网的压力分布及各点的属性，为安全供水提供调度依据。

　　6、将管网的规划设计纳入供水管网地理信息系统中，使设计部门在进行供水工程设计时能够直接利用管网地理信息系统的最新数据，方便地进行各种管网数据的查询比对，完成设计图。数据维护部门根据施工结束后的竣工图对设计图直接进行修改后可直接存入中心数据库中，避免多次制图可能带来的数据失真。

　　７、在完成GIS基本功能和基础数据管理的基础上，进一步完善分析功能，实现辅助决策功能，形成一个集供水管网设计、运行、管理、维护、管网资源分析以及辅助决策为一体的综合管理信息系统。

　　供水管网是一类大规模且复杂多变的网络系统，按图论的解释就是一个“连通图”，然而，诸如图1(ａ)所示的供水管网结构要用图论进行分析还比较困难，必须对其进行变形简化，以建立便于图论分析的数学模型和管网水力模型。其基本思想是将封闭区收缩为一个点，将阀门拉长成一条线，并将调压站信息隐藏到封闭区，如图1(ｂ)所示。

图1 基于图论的供水管网数学模型^[1]

 

　　将供水管网简化为管网模型，把工程实际转化为数学问题，最终结果还要应用到实际的系统中去。要保证最终应用具有科学性和准确性，简化必须满足下列原则：

　　1、宏观等效原则：即对供水管网某些局部简化以后，要保持其功能，各元素之间的关系不变。宏观等效原则也是相对的，要根据应用的要求与目的不同来灵活掌握。

　　2、小误差原则：简化必然带来模型与实际系统的误差，但是只要将误差控制在一定范围，就是允许的。简化的允许误差也应灵活掌握，一般应满足工程上的要求。

　　将供水管网简化为管网模型，可以采用下列方法：

　　1、删除次要管段：比如管径较小的支管、配水管、出户管等；保留主干管段和干管段。次要管段、干管段和主干管段的确定也是相对的，当系统规模小或计算精度要求高时，可以将较小管径的管段定位干管段。干管段定的越多，则计算量越大，计算结果越精确。

　　2、当管段交叉点很近时，可以将其合并为同一交叉点。

　　3、道路两侧的平行管段应不予合并。

　　4、如管段包含不同的管材和规格，应采用水力等效原则将其等效为单一管材和规格。

　　5、并联的管段可以简化为单一管段，其直径采用水力等效原则计算。

经过简化后的供水管网需要进一步抽象，使之成为只能由管段和节点两类元素组成的管网模型。在管网模型中，管段和节点相互关联，即管段的两段为节点，节点之间通过管段连通。

　　系统设计充分考虑业务与功能的紧密结合。采用ESRI公司的ArcSDE for Oracle10R2以及商用数据库Oracle 10gR2为图文后台支撑系统，前端利用ArcEngine9.1平台进行二次功能开发。通过空间数据与属性数据的相互关联，以网络技术、客户机/服务技术（C/S）、浏览器/服务器技术（B/S）为基础，进行系统集成。采用C/S模式和B/S模式相结合的开发模式。应用Internet/Intranet技术，设计和开发公众查询系统，扩大信息的应用范围，提高系统信息价值。系统基于当前流行的组件技术，并采用三层的体系结构，将软件系统中的表示逻辑、业务逻辑、后台数据库分离为三个不同的层次，各司其职。表示逻辑负责用户界面及信息的输入、输出，业务逻辑负责事务处理，后台数据库负责业务逻辑中的数据持久保存。三个层次通过网络分布环境下的标准协议TCP/IP连接。

　　数据层是是业务的数据视图，是业务处理的基础；业务逻辑层是业务本身的逻辑表达，业务逻辑通常是不断变化的；表现层是业务逻辑图形化的表达，是用户参与系统的界面。它们的关系如下图所示：

系统软件体系结构如下图：

 

 

图4  系统网络拓扑图

 

图5  系统部署拓扑图

 

4．2功能设计

　　系统基本功能由十大模块组成，包括管网管理、辅助设计、三维图形处理、供水调度与决策支持、事故处理、抄表到户管理、图档管理、资产管理、系统管理、系统帮助及网络信息发布。其功能结构如下图：

 

图6  系统软件模块结构

 

　　1、管网管理：提供丰富的管网及附属设施管理功能。主要功能有：地形数据管理、管网数据维护、属性数据维护、图形基本操作、基本辅助功能、查询、统计、显示设置、管网附属设施管理、输出。

　　2、辅助设计：实现了供水管网在GIS系统中的规划设计，并提供相关的空间分析功能。主要功能有：Buffer分析、设计管线冲突分析、断面分析、最短路径分析。

　　3、三维图形处理：实现了供水管网数据的三维图形显示。主要功能有：三维管线图生成、视角和视点的设置、三维渲染效果设置。

　　4、供水调度与决策支持：具体包括：运营台帐管理、泵站维修管理、巡查预警分析、管网扩展功能分析、管道遥测点实时监控、区域用水分析、管网平差分析、供水优化调度。

　　5、事故处理：具体包括：爆管分析、爆管频率分析、火警分析、水质异常分析、停水分析、移动PDA。

　　6、抄表到户管理：包括用户数据输入、查询统计、计费管理、漏损分析。

　　7、图档管理：包括规划设计资料存档、施工资料存档、竣工资料存档。

　　8、管网资产管理：包括管网资产管理、管网工程成本管理。

　　9、网络信息发布：包括信息发布管理、营业抄收信息网上查询。

　　10、系统管理：包括用户管理（添加、删除用户、用户权限设置等)，数据备份、资料利用管理等。系统管理严密，数据访问、操作有严格的权限管理。对业务处理的经办人、时间、审批人、审批意见等工作重要环节、重要相关信息能自动记录，建立完整的系统运行日志。

 

　　系统需要管理供水管网的海量数据，主要有七套数据：广州市基础地形图电子数据；所属公司的供水管网现况栅格影像图和矢量化后的电子图；所属区管所的供水管网现况栅格影像图和矢量化后的电子图；综合公司和区所的供水管网现况图、部分管线经过实地探测后得出的一套实势性强、属性全的管网电子数据；从广州市规划勘测设计研究院购买的广州市市域范围10区2市Arc/Info格式综合管线数据库。

　　数据库设计的目的是将供水信息管理中纷繁复杂的信息进行高度概括，为系统的详细设计提供规范和总控依据。经过深入的分析，建立一个中心数据库。将上述数据分别作为一个图层。本项目系统的数据包括空间数据和非空间数据，因此空间数据和非空间数据的一体化集成管理是数据库设计时应考虑的问题。当前GIS空间数据管理技术和大型通用关系数据库系统分别对空间数据和非空间数据的集成管理提出了多种解决方案。本方案采用ESRI公司的ArcSDE作为空间数据管理引擎，采用Oracle 10g作为关系数据库的管理系统，ArcSDE与Oracle的结合紧密，Oracle自身也提供了空间数据管理的功能，因此可以解决空间数据和非空间数据的集成设计需要。

　　数据库的物理存储方式采用C/S（客户/服务器）体系，所有的数据存储在服务器中，用户通过网络在客户端查询，修改服务器中的数据。

　　该系统的建成，不仅实现了对供水管网设施数据的先进的计算机化管理，极大地提高了企业的管理水平；而且应用了GIS强大的空间分析、模型分析功能，能够对自然过程或决策方案进行模拟和趋势预测，以便从中选择最优方案，避免管理和决策的失误；提出了“报建审批——竣工测量——现状信息”的数据维护操作机制，解决了数据动态更新这个瓶颈问题。达到了GIS在供水系统应用中国内先进水平。

　　实际上，GIS应用于供水系统所产生的功效还远不止于此，还应该充分利用GIS分析、模拟与预测的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度开发，为管网规划设计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供动态决策支持^[2]。这将是GIS在供水系统应用中的发展方向。只有这样才能不断拓宽GIS在本专业的应用范围，提高应用水平，使其由一个偏重于信息采集、管理、统计分析与处理的技术系统，逐渐发展成为功能强大的决策支持系统或专家系统，在未来的信息时代发挥更大的作用。

 

[1] 郑苏娟，徐筱麟，丁莲珍.基于图论的城市供水管网抢修决策信息系统[J].河海大学学报，2001，29（5）：92－95.

[2] 田一梅，赵新华，黎　荣.GIS技术在供水系统中的应用与发展[J].中国给水排水，2000，16（9）：21－23.