開源GIS在城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

張孝軍，王德高

（1.華東冶金地質(zhì)勘查局，合肥 230088；2.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院地質(zhì)與建筑工程學(xué)院，合肥 230051）

1 引言

近年來，隨著越來越多的城市完成了城市地下管線普查工作，建立起了地下管線綜合管理系統(tǒng)。我們已經(jīng)實現(xiàn)了地下管線的數(shù)字化管理，解決了圖紙和表冊管理數(shù)據(jù)所面臨的易損壞、丟失、查找不便、更新困難等問題。然而，面對大量的地下管線數(shù)據(jù)，如何利用，才能使其發(fā)揮更大的作用，使數(shù)據(jù)活起來。這成了我們必須面對的問題。本文以城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)為切入點，闡述了如何利用開源GIS，管線數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的智能化管理與決策。

2 開源GIS與物聯(lián)網(wǎng)

開源GIS提供了強(qiáng)大的空間分析和處理能力，而物聯(lián)網(wǎng)將物物進(jìn)行聯(lián)通，使用戶足不出戶就能對各種儀器進(jìn)行管理。兩者的結(jié)合使用戶可以在地圖上直觀的看到物聯(lián)網(wǎng)上儀器的相關(guān)位置，并對儀器之間的空間關(guān)系進(jìn)行分析，為用戶決策提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

2.1 開源 GIS

軟件開源目前已經(jīng)成為IT界的一種發(fā)展趨勢，越來越多的軟件加入到開源系統(tǒng)中。在GIS領(lǐng)域，開源GIS也是一股逐漸成長并壯大的力量。不同于商業(yè)GIS軟件，開源GIS軟件不僅成本低，體積小。而且不用背負(fù)數(shù)據(jù)兼容、易用性等問題的包袱，開發(fā)者能夠集中精力于功能的開發(fā)，因此開源GIS軟件普遍功能很強(qiáng)，技術(shù)也非常先進(jìn)，其背后是來自技術(shù)狂熱者和學(xué)院研究生的大力支持。開源GIS目前已經(jīng)形成了一個比較齊全的產(chǎn)品線。比較流行的應(yīng)用形式為基于JAVA框架的Postgresql+PostGIS+uDig+GeoServer+OpenLayers/LeafLet。或者是基于C/C++的Postgresql+PostGIS+Qgis+MapServer+OpenLayers/LeafLet。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中。

3 系統(tǒng)總體框架及設(shè)計

本系統(tǒng)總體架構(gòu)是以面向?qū)ο螅∣OP）的設(shè)計為基礎(chǔ)，以面向服務(wù)（SOA）的設(shè)計為應(yīng)用擴(kuò)展，系統(tǒng)主要采用Browser-Server（B/S）表現(xiàn)形式。以城市地下供水管網(wǎng)管線數(shù)據(jù)庫，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和相關(guān)輔助數(shù)據(jù)庫為核心，面向城市供水管網(wǎng)管理部門提供一體化管網(wǎng)信息管理和服務(wù)。

3.1 數(shù)據(jù)層

系統(tǒng)以著名的開源GIS庫PostgreSQL為數(shù)據(jù)存儲層，輔以PostGIS空間插件。將城市供水管線數(shù)據(jù)存儲在空間數(shù)據(jù)庫中，建立空間索引，便于空間數(shù)據(jù)的快速查詢和分析。PostgreSQL是目前最好的開源GIS數(shù)據(jù)庫，相比Oracle，具有開源免費，安裝方便，體積小巧等優(yōu)點。

3.2 后端服務(wù)層

后端GIS服務(wù)采用GeoServer服務(wù)器，GeoServer是一個功能齊全，遵循OGC開放標(biāo)準(zhǔn)的開源WFS-T和WMS服務(wù)器。利用Geoserver可以把數(shù)據(jù)作為maps/images來發(fā)布（利用WMS來實現(xiàn)），也可以直接發(fā)布實際的數(shù)據(jù)（利用WFS來實現(xiàn)），同時也提供了修改，刪除和新增的功能（利用WFS-T）。有著良好的安全性、擴(kuò)展性以及跨平臺的適應(yīng)能力。支持緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、網(wǎng)絡(luò)分析等各種空間分析算法。

3.3 前端展現(xiàn)層

前端Web層采用目前流行的VUE框架，輔以Element組件進(jìn)行界面的快速搭建。地圖方面采用Openlayers進(jìn)行圖層的加載和操作。OpenLayers是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的開源地圖框架，提供了豐富的地圖組件，包括鷹眼圖，圖層控制器，要素選擇器等。

3.4 硬件層

在城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)中嵌入傳感器，并通過普遍連接形成“感知物聯(lián)網(wǎng)”，傳感器采用433MHz與GPRS接力傳輸，實現(xiàn)分鐘級上報壓力數(shù)據(jù)的能力。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了城市供水管網(wǎng)的可視化展現(xiàn)，管網(wǎng)分類統(tǒng)計，管線信息查詢，自動報警提示，爆管分析，遠(yuǎn)程開關(guān)閥控制，數(shù)據(jù)更新等功能。

4.1 可視化展示

利用地下管線普查采集到的供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，以百度地圖作為底圖，將管線數(shù)據(jù)渲染到百度地圖上，根據(jù)管點類型進(jìn)行分類渲染。直觀的查看到城市供水管線的分布情況。同時將硬件傳感器位置進(jìn)行上圖，直觀的顯示傳感器布設(shè)的位置。

4.2 管網(wǎng)分類統(tǒng)計

可以根據(jù)不同條件進(jìn)行分類統(tǒng)計，按區(qū)域統(tǒng)計管線長度，閥門個數(shù)等信息，形成柱狀圖，并能將結(jié)果以報表形式進(jìn)行輸出。

4.3 管線信息查詢

點擊地圖上管點或管線，可以查詢當(dāng)前管線的建設(shè)年份，責(zé)任單位，材質(zhì)等信息。

4.4 自動報警提示

系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)管線出現(xiàn)壓力異常等現(xiàn)象時，傳感器將數(shù)據(jù)傳回控制系統(tǒng)，地圖上將自動出現(xiàn)閃爍狀態(tài)的報警點，提示工作人員盡快處理。同時，相關(guān)負(fù)責(zé)人將會收到短信提醒。

4.5 爆管分析

當(dāng)出現(xiàn)爆管現(xiàn)象后，工作人員點擊爆管分析，地圖上將自動顯示出需要關(guān)閉的閥門位置。并高亮顯示出受影響的管線信息。

4.6 遠(yuǎn)程開關(guān)閥

工作人員在地圖上點擊需要進(jìn)行開關(guān)處理的閥門，彈出操作框，可以動態(tài)的關(guān)閉閥門。當(dāng)破損管線維修完成后，再動態(tài)開啟閥門。

4.7 數(shù)據(jù)更新

當(dāng)供水管線走向和相關(guān)屬性信息發(fā)生變化時，可以將有變化的管線信息及時錄入系統(tǒng)。進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速更新，保證了數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

5 主要技術(shù)點

討論了系統(tǒng)在建設(shè)過程中遇到的技術(shù)問題。

5.1 百度地圖加載

首先，初始化一個圖片切片地圖數(shù)據(jù)源，var baidu_source=new ol.source.TileImage（{}），ol.source.TileImage 是 OpenLayers 中專門負(fù)責(zé)調(diào)用地圖以切片圖片存放的類，其中給定了三個參數(shù)，projection參數(shù)指定了地圖切片使用的坐標(biāo)系，tileGrid 指定了切片使用的網(wǎng)格的模式，tileUrlFunction 指定一個回調(diào)函數(shù)，這個回掉函數(shù)第一個參數(shù)中包含三個變量，主要是 當(dāng)前縮放級別（z），切片的 x y 索引。每次用戶與地圖交互，比如 縮放、平移等，就會觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)根據(jù)傳入的變量參數(shù)構(gòu)造圖片切片的 URL 地址。然后，使用圖片切片地圖數(shù)據(jù)源初始化一個 切片圖層：var baidu_layer=new ol.layer.Tile（{source：baidu_source }）；最后將圖層加入到地圖中。

5.2 管網(wǎng)數(shù)據(jù)疊加百度地圖

管網(wǎng)數(shù)據(jù)一般采用當(dāng)?shù)氐某鞘凶鴺?biāo)系。而百度地圖則是BD-09坐標(biāo)系，不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)要想疊加使用，必須進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。需要查詢相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換方式，將管網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為相同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。這樣，就能實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)與百度地圖之間的疊加了。

5.3 自動報警提示

在管網(wǎng)中嵌入的傳感器時刻將壓力數(shù)據(jù)傳入后臺數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)出現(xiàn)異常后，如何在Web前端顯示。目前前后端的通訊主要采用HTTP協(xié)議，HTTP協(xié)議是一種無狀態(tài)的、單向的應(yīng)用層協(xié)議，它采用了請求/響應(yīng)模式，通訊請求只能由客戶端發(fā)起，服務(wù)端對請求做出應(yīng)答處理。這種單向請求的特點，注定了如果服務(wù)器有連續(xù)的狀態(tài)變化，客戶端要獲知就非常麻煩。大多數(shù) Web 應(yīng)用程序通過頻繁的異步JavaScript和XML（AJAX）請求實現(xiàn)長輪詢。輪詢的效率低，非常浪費資源。為了實現(xiàn)前后端的靈活通訊，本系統(tǒng)采用了WebSocket通訊技術(shù)。WebSocket 連接允許客戶端和服務(wù)器之間進(jìn)行全雙工通信，以便任一方都可以通過建立的連接將數(shù)據(jù)推送到另一端。WebSocket 只需要建立一次連接，就可以一直保持連接狀態(tài)。這相比于輪詢方式的不停建立連接顯然效率要大大提高。當(dāng)管網(wǎng)中的傳感器傳回異常數(shù)據(jù)時，后端服務(wù)捕捉異常，推送到前端進(jìn)行動態(tài)展示。

5.4 爆管分析

鼠標(biāo)點擊爆管管線位置，顯示受影響的管段區(qū)域，給出關(guān)閥方案，顯示所有應(yīng)關(guān)閉的閥門，輸出關(guān)閥報表，關(guān)閥圖和因關(guān)閥影響停水的重要用戶信息。要實現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)需要提前將管線數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建。利用Postgres提供的PostRouting路徑分析插件，結(jié)合Dijkstra（迪杰克斯特拉）算法，求出所有與爆管點相連通的閥門。Dijkstra的核心代碼如下：

5.5 數(shù)據(jù)更新

要想時刻保持系統(tǒng)的現(xiàn)勢性，數(shù)據(jù)更新工作必不可少。而城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)具有一次采集后，常年整體無變化，局部小范圍變化的特點。為了應(yīng)對此特點，利用GIS的空間查詢功能，將指定空間范圍的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，導(dǎo)入新采集的管線數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)的局部替換。

6 結(jié)束語

隨著城市地下管線普查的基本結(jié)束，城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)也趨于完善，如何更好的利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供決策服務(wù)，為社會提供多元化服務(wù)，是人們聚焦的重點問題。本文結(jié)合實際經(jīng)驗，以開源GIS搭建城市供水管網(wǎng)信息系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)城市供水管網(wǎng)的智能化管理，通過智能化管理，實現(xiàn)管道連接性追蹤、事故狀態(tài)分析等功能。指導(dǎo)管網(wǎng)事故處理，增強(qiáng)事故反應(yīng)能力，減少事故損失。實現(xiàn)城市供水管網(wǎng)的智能化和科學(xué)化管理，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會效益。