校園能源監(jiān)管WebGIS的設計與實現(xiàn)

劉天堯，劉善偉，萬劍華

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580)

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校園能源監(jiān)管WebGIS的設計與實現(xiàn)

劉天堯，劉善偉，萬劍華

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580)

摘要：“校園能源監(jiān)管平臺”作為校園能源管理的有效手段，建設形式多以信息管理系統(tǒng)為主，缺乏地理信息直觀表達和分析能力。本文將WebGIS引入能源監(jiān)管平臺建設，結合Flex、ASP.NET技術，構建B/S模式的“校園能源監(jiān)管WebGIS系統(tǒng)”。利用服務接口技術進行系統(tǒng)構架設計，保證對現(xiàn)有能源監(jiān)管平臺改動的最小化，通過二維三維相結合的方式對能源信息進行展示，提高能源信息地理位置的直觀性，通過構管線管理和路燈控制等功能模塊，有效增強能源地理信息管理和分析能力，為能源監(jiān)管平臺建設提供了一種新思路。

關鍵詞：能源監(jiān)管；WebGIS；路燈；管線；斷面分析；三維

隨著國家對高校建設力度的加大，高校逐漸成為國家重要的耗能大戶，為有效管理和節(jié)約能源，各大高校相繼開展“校園能源監(jiān)管平臺”(CEMP，Campus Energy Monitoring Platform)建設工作[1-2]。雖然CEMP具有強大的能源信息統(tǒng)計管理、分析和預測能力，一定程度上滿足了能源監(jiān)管的需要，但卻忽視了能源信息的地理維度，隨著時間的推移與用戶使用的深入，地理直觀性不強、管網(wǎng)和路燈等與地理位置強相關的能源監(jiān)管對象無法有效表達等問題被相繼提出。

為了解決上述問題，本文依托“中國石油大學(華東)能源監(jiān)管平臺”建設項目[3]，將WebGIS技術引入與CEMP的建設中，結合Flex、ASP.NET技術，設計和實現(xiàn)了基于B/S模式的“校園能源監(jiān)管WebGIS系統(tǒng)”(CEMGIS，Campus Energy Monitoring WebGIS)，并通過服務接口技術與現(xiàn)有CEMP相整合，在充分利用CEMP強大的分析能力的基礎上，通過三維建模技術將三維校園地圖與能源信息展示相結合，增強用戶交互性，提升展示效果，通過加入高精度大比例尺二維校園地圖，整合校園管網(wǎng)圖紙信息和路燈位置信息，并利用WebGIS本身強大的空間分析和管理能力，擴展了管線管理、斷面分析和路燈管理等地理分析功能，為管理工作者提供更好的服務。

1系統(tǒng)設計

1.1數(shù)據(jù)基礎

CEMGIS的數(shù)據(jù)建立在現(xiàn)有的CEMP數(shù)據(jù)庫和校園基礎地理圖件兩個基礎之上：

1)CEMP擁有已建成的能源監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，含有水、電、氣、暖等能源節(jié)點的實時采集數(shù)據(jù)以及相關分析結果，為CEMGIS提供必要的能源信息數(shù)據(jù)。

2)校園基礎地理圖件主要包括1∶500大比例尺地形圖、路燈點位實測數(shù)據(jù)、管線以及相關附屬設施CAD圖紙及補測數(shù)據(jù)、建筑設計與施工CAD圖紙等。上述數(shù)據(jù)經過加工和處理后，為CEMGIS提供空間基礎數(shù)據(jù)，處理方式如表1所示。

表1　校園基礎地理圖件

1.2功能模塊

依據(jù)地理底圖類型的不同，為CEMGIS設計“二維界面”和“三維界面”兩種操作界面，各自擁有一部分獨立的功能模塊，同時也共同擁有一部分相同的功能模塊，兩種界面之間可以相互切換。出于對CEMP頁面集成的需要，針對電力專題、供水專題、熱力專題等三個專題，分別整合相關模塊，形成三個專題子系統(tǒng)。功能模塊劃分如圖1所示。

圖1　功能模塊組織圖

由于瀏覽器對三維展示的局限性，目前并沒有簡單有效的三維WebGIS開發(fā)方式。為了滿足用戶對三維直觀性的需要，本文利用二維WebGIS技術和斜45度校園3D渲染圖構建三維界面。雖然這種方式本身是“偽三維”，存在柵格圖像圖層不好劃分、地理精度不高、建筑物相互遮擋等固有缺點，不能進行復雜的GIS分析，但視覺沖擊力強，地理信息清晰直觀，特別是樓體建筑識別性強，可以很好地滿足普通用戶對建筑信息管理直觀性的需要。

為了彌補三維界面的不足，二維界面中采用1∶500大比例尺實測地形圖作為校園地理底圖，地理精度高，平面精度可達厘米級，底圖為矢量圖，不存在遮擋問題，圖層分層方便，可疊加管線、路燈等矢量數(shù)據(jù)，還可直接疊加校正后的遙感影像。在此基礎之上開發(fā)管線管理、路燈管理、換熱站范圍查詢等功能模塊，以滿足高級用戶對復雜GIS分析功能的需要，極大提升系統(tǒng)對能源數(shù)據(jù)的空間分析能力。

為了與CEMP相應的專題子系統(tǒng)相對接，將CEMGIS中一部分子模塊重新整合，形成電力專題、供水專題和熱力專題等三個專題子系統(tǒng)。例如在電力專題中，電力管線以閥門、儀表、路燈、變電室等電力相關圖層會處于直接展開的狀態(tài)，進行樓體查詢時也僅僅顯示電力的數(shù)據(jù)，供水、熱力等其他類型能源全部隱藏，滿足用戶對某一專題重點關注的需要。

2系統(tǒng)架構與技術方法

CEMGIS以ArcGIS Server為基礎，利用Flex、ASP.NET等技術以B/S模式進行構建，并對現(xiàn)有CEMP進行了接口擴展和系統(tǒng)整合，系統(tǒng)架構如圖2所示。下面分別詳細介紹CEMP和CEMGIS的具體組成部分及構建方式：

圖2　系統(tǒng)架構

1)CEMP由三部分組成：第一部分是智能電表等智能硬件設備，用于校園能源信息的采集與控制；第二部分是能源監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，用于存儲通過IP網(wǎng)絡與智能抄表技術采集的各個監(jiān)控儀表的原始記錄信息；第三部分則是面向用戶的.NET MVC開發(fā)的基于B/S構架的信息管理系統(tǒng)，主要用于對采集到的能源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析，如通過統(tǒng)計某棟樓中的所有入戶電表的數(shù)據(jù)，得出該樓的某時段用電量等，并通過網(wǎng)頁的形式進行展示。為了滿足CEMGIS的調用需求，最大限度的減少對CEMP的修改帶來的系統(tǒng)整合問題，對現(xiàn)有.NET MVC程序進行了符合松散耦合思想的服務接口擴展，定義一套標準的XML數(shù)據(jù)規(guī)范，通過XML Schema進行約束，避免對接過程中的人為編碼錯誤。最后將能源信息數(shù)據(jù)以URL的形式對外進行暴露，不僅可以為CEMGIS提供數(shù)據(jù)服務，也能為以后其他數(shù)字校園業(yè)務系統(tǒng)整合提供良好的接口[4]。

2)CEMGIS主要由四部分組成：第一部分是空間數(shù)據(jù)庫，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫和ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，存儲和管理各類空間數(shù)據(jù)[5-8]；第二部分是地圖服務發(fā)布系統(tǒng)，利用ArcGIS Server通過ArcSDE連接空間數(shù)據(jù)庫，將其中的空間數(shù)據(jù)以REST服務的形式向外發(fā)布[9]；第三部分為網(wǎng)站后臺系統(tǒng)，利用ASP.NET加載第三方模板FluorineFx進行三層架構開發(fā)，通過ADO.NET連接能源監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，為前臺系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫交互相關服務接口；第四部分為前臺系統(tǒng)，通過自定義標準的XML接口獲取CEMP統(tǒng)計分析后的能源監(jiān)管數(shù)據(jù)，通過Flash Remoting連接ASP.NET后臺系統(tǒng)獲取和操作能源監(jiān)管數(shù)據(jù)，通過REST接口加載地圖服務發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布的校園地圖服務，利用Flex技術結合ArcGIS API for Flex開發(fā)包進行開發(fā)，實現(xiàn)能源監(jiān)管中需要的全部GIS功能，最后通過權限繼承和頁面集成的方式與CEMP進行整合，是整個CEMGIS最核心部分。

通過大量采用服務接口設計，系統(tǒng)各組成部分通過服務接口進行通信，不僅可以有效減少對現(xiàn)有CEMP的修改，而且可以有效降低系統(tǒng)各部分耦合性，只要保證接口規(guī)則不變，系統(tǒng)某一部分的變動不會影響到其他部分，有利于系統(tǒng)分塊開發(fā)和后續(xù)升級。采用B/S模式進行開發(fā)，可以有效避免C/S模式平臺兼容性問題和軟件安裝的繁瑣性問題，利用Flex技術開發(fā)的RIA(富互聯(lián)應用程序)比傳統(tǒng)HTML網(wǎng)頁功能更加強大，更加適合WebGIS相關功能的實現(xiàn)，使開發(fā)出媲美桌面程序的CEMGIS成為可能。利用權限繼承接口對CEMP與CEMGIS進行整合，保證了系統(tǒng)整體用戶權限的統(tǒng)一，通過頁面集成，實現(xiàn)了兩系統(tǒng)相關功能的勾連和系統(tǒng)界面的整合，保證系統(tǒng)的無縫連接和用戶體驗的一致性。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1建筑能源管理

以建筑為單位的能源監(jiān)管功能是整個能源監(jiān)管系統(tǒng)中最常用部分，也是傳統(tǒng)CEMP強大分析功能集中體現(xiàn)的部分。通過將能源信息與地理要素結合，將每個樓體作為可查詢的獨立要素，水電氣暖的單日用量與總用量等能源最常用信息一目了然(如圖3)，滿足日常一般查詢需求。另設“顯示詳情”按鈕，調用CEMP分析功能，滿足復雜分析的需求，如年度的每小時用水環(huán)比、年度用水同比等。

圖3　三維子系統(tǒng)建筑信息查詢界面

此功能模塊數(shù)據(jù)通過CEMP的XML數(shù)據(jù)接口進行調用，CEMGIS前臺Flex程序通過GET方法請求URL地址“http://服務器IP/gis/building.aspx?bid=建筑編號”，獲取對應建筑的XML編碼后的能源數(shù)據(jù)[10]，其XML Schema部分定義如下：

……

3.2地下管線管理

管線管理包括信息查詢和橫斷面分析兩項功能：

1)信息查詢主要為水、電、氣、暖等管線、儀表、閥門等信息的查詢，這類信息往往屬于能源監(jiān)管原始數(shù)據(jù)，不需要CEMP的分析和處理。因此，為了減少對CEMP的修改，CEMGIS直接通過自身ASP.NET后臺系統(tǒng)，連接能源監(jiān)管數(shù)據(jù)庫，與前臺Flex程序進行交互。出于管線綜合管理的需要，必要性的加入了雨水、污水、通信等非能源管線的信息展示和查詢，如圖4，展示了供水儀表點擊查詢功能的實現(xiàn)效果。

圖4　供水儀表信息查詢

圖5　斷面圖繪制流程

圖6　橫斷面分析界面

2)橫斷面分析主要用于輔助管理者進行管線施工變動規(guī)劃設計，是WebGIS對傳統(tǒng)CEMP改造的最佳體現(xiàn)。由于橫斷面計算復雜度較高，硬件資源消耗嚴重，為了最大程度發(fā)揮RIA的優(yōu)勢，有效利用客戶端性能，降低服務器的負擔，保證高并發(fā)時的系統(tǒng)可用性，將計算交由前臺Flex程序完成。橫斷面分析需要解決兩個關鍵問題：一是當前顯示的管線與斷面線的相交判斷，二是斷面圖橫縱坐標軸的動態(tài)標注[11]，斷面繪制流程如圖5所示。

分別構建二維數(shù)組arr_GX和一維數(shù)組layers_state，存放管線圖層的圖層實例和圖層打開狀態(tài)，通過遍歷arr_GX中處于打開狀態(tài)的圖層的各要素的各折線段，利用跨立算法判斷其與斷面線是否相交，求出交點并繪制斷面圖，如圖6所示。圖層加載過程非常消耗資源，且用戶不一定會加載所有圖層，故采用了一種延遲加載的方式，圖層實例在用戶第一次使用該圖層時動態(tài)加載，加載后的圖層實例會一直保存在全局變量中，以達到減少加載次數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)的目的。

通過鼠標繪制斷面線進行斷面分析，如圖7所示，分析結果以平面直角坐標圖和列表結合的方式進行顯示，平面直角坐標圖中直觀地展示管線的相對位置、埋深、管徑，橫坐標為所繪斷面線長度、縱坐標為高程，根據(jù)斷面圖控件的縱坐標實際的像素長度，按比例算出。通過ID號與管線詳細信息列表進行關聯(lián)，在保證橫斷面分析圖直觀性的同時提供詳細的管線信息[12]。

3.3路燈控制

路燈控制系統(tǒng)中邏輯控制功能復雜，需要用戶權限級別較高[13]。整個校區(qū)的路燈由7個變電站控制，根據(jù)所屬變電站的不同進行分組控制，在能源監(jiān)管數(shù)據(jù)庫中以7條記錄進行存儲，通過每條記錄中“狀態(tài)碼”的字段值，來表示所屬變電站路燈的當前狀態(tài)。本文將實測路燈點位以點圖層的形式在CEMGIS中進行可視化表達，路燈圖層加載時獲取能源監(jiān)管數(shù)據(jù)庫中所有路燈的當前狀態(tài)，并以不同顏色的路燈符號在地圖上進行渲染展示，灰黑色的符號代表該路燈當前處于熄滅狀態(tài)，綠色代表點亮狀態(tài)，充分發(fā)揮了WebGIS的顯示效果直觀的優(yōu)點。為確保顯示狀態(tài)的實時性，前臺Flex程序中設置定時器進行數(shù)據(jù)庫輪訓。由于其消耗資源比較嚴重，時間過短則會使程序卡頓，影響用戶體驗，時間過長則無法保證實時性。通過反復試驗，設置1分鐘刷新一次效果最好，可以保證絕大部分普通PC機操作的流暢性。

為了充分發(fā)揮CEMP的原有功能，節(jié)省編碼量，保證用戶操作的一致性，CEMGIS前臺Flex程序利用開源控件flex-iframe直接調用CEMP已有的路燈控制頁面，通過控制面板選擇相應控制命令進行路燈的調度控制。由于CEMGIS對CEMP進行了頁面集成，因此可以通過共享登陸Session的方式來實現(xiàn)繼承CEMP當前用戶權限，CEMGIS不需要編寫用戶控制模塊，在脫離整個平臺單獨訪問時，沒有任何控制權限，保證了系統(tǒng)的安全性。CEMGIS與CEMP集成后的路燈控制完整程序界面與流程圖解，如圖7所示。

圖7　路燈控制

4結束語

本文將WebGIS引入校園能源監(jiān)管平臺的建設中，通過自定義服務接口與原有CEMP進行整合，完成了“中國石油大學(華東)能源監(jiān)管平臺”項目建設任務，實現(xiàn)了能源信息的二三維展示、管線管理和路燈控制等功能，在對CEMP最小改動的前提下，有效解決了能源信息地理維度的表達和分析問題，在長達一年的生產環(huán)境測試中表現(xiàn)出了良好的實用價值，受到用戶廣泛好評，為其他相關能源監(jiān)管平臺建設提供了一種新思路。

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[責任編輯：路曉鴿]

Design and implementation of campus energy monitoring WebGIS

LIU Tianyao,LIU Shanwei,WAN Jianhua

(School of Earth Sciences and Technology,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Abstract：As an effective tool of energy supervising,the campus energy monitoring platform is mainly developed for data management and usually lacks the functions of geographical analysis and expression.This paper introduces WebGIS technology into the energy monitoring platform and builds a campus energy monitoring WebGIS system based on Flex and ASP.NET in B/S mode.The process uses interface service technology to reduce the modifications of the existing system.The combination of 2D and 3D in demonstrating energy information allows for a more intuitive analysis of the energy information geographic location.In ways of building function models of pipeline management and streetlights control,the geographical management and analysis abilities are enhanced effectively.This paper provides a new idea for the building of the campus energy monitoring Platform.

Key words：energy monitoring；WebGIS；street lamp；pipeline；profile analysis；3D

中圖分類號：P208

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)04-0071-07

作者簡介：劉天堯(1988-),男，碩士.

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(11CX04012A)

收稿日期：2015-01-09；修回日期：2015-07-12