論物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術融合在自來水管線設計中的應用

楊嘯

摘? 要：隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快及城市生活的日益繁榮，城市自來水管網(wǎng)更加錯綜復雜。然而目前大多數(shù)管網(wǎng)管理仍采用傳統(tǒng)辦法，無法準確獲取管線位置，在維修和管理時帶來極大不便。文章結合當前自來水管線管理的實際情況，將物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術融合應用，進行自來水管線的系統(tǒng)設計和實現(xiàn)，以期為自來水管線設計與管理提供一定的思路和借鑒。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);GIS;技術融合;自來水;管線設計

中圖分類號：TU991.3? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0165-02

Abstract： With the continuous acceleration of urbanization and the increasing prosperity of urban life， urban tap water pipe network is more complex. However， at present， most pipe network management still adopts the traditional method， which can not accurately obtain the pipeline location， which brings great inconvenience in maintenance and management. In this paper， based on the actual situation of water pipeline management， the integration of Internet of things and GIS technology， the system of water pipeline is designed and implemented， in order to provide some ideas and reference for the design and management of water pipeline.

Keywords： Internet of things; GIS; technology fusion; tap water; pipeline design

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快以及城市生活的日益繁榮，城市自來水管網(wǎng)更加錯綜復雜。然而目前大多數(shù)自來水管網(wǎng)管理仍采用傳統(tǒng)管理辦法，無法準確獲取自來水管線的位置，存在與其他管線交叉并存或是壓住其他管線的情況，給自來水管網(wǎng)以及其他管線的管理、維護以及遠期工程建設都帶來了極大困難，甚至因為管線壓力，導致其他有毒物質如油庫管線等受壓泄露，發(fā)生起火、爆炸等嚴重事故，造成社會財產(chǎn)損失以及人員傷亡等。此外，自來水管網(wǎng)一旦出現(xiàn)問題，既浪費了水資源，且問題具體位置的排查也較為復雜，維修好后，還需要將之前挖開的地面進行還原，需要大量人力、物力的投入，管理成本較高。

因此，傳統(tǒng)的自來水管網(wǎng)管理模式已經(jīng)不能適應現(xiàn)代城市供水現(xiàn)代化的管理需求，新興科技，如物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術在自來水管線設計中的融合應用是我們亟待研究的重要課題。

1 物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術融合

近年來，“物物相連”的物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)在人們的日常生活中逐步應用實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)是世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命，是指基于互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等現(xiàn)代電子通信技術，將傳感設備、控制設備、網(wǎng)絡設備、人員和其他物等通過一定的規(guī)程聯(lián)系起來，進而讓物品說話，實現(xiàn)物品智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理控制的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其一般可分為三個網(wǎng)絡結構層次，即感知層、網(wǎng)絡層和應用層。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是以計算機系統(tǒng)為基礎發(fā)展的對地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、處理、運算、描述、分析的技術系統(tǒng)，被用來探索現(xiàn)實空間中物體的空間位置、分布以及其關聯(lián)屬性。

物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術的融合應用，是自來水管網(wǎng)智慧發(fā)展的助推器，其通過在自來水管網(wǎng)中設置監(jiān)控點，布置大量無線射頻（RFID）智能水表、水位采集器、壓力采集器、視頻圖像在線傳感設備等，實時采集管網(wǎng)、閘門、泵站等相關信息，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進行管線信息智能化識別、定位、監(jiān)控和管理。單純的人工方式設計、繪制、保存管線圖紙和圖表，無法適應管線管理及應急事故的發(fā)生，而所有監(jiān)控點都利用GIS技術獲得其空間位置信息，以及其空間的基本特征后，同樣一張圖同時提供了高精度、高可靠性的空間信息可視化，全面、直觀、動態(tài)管理，極大方便了自來水管網(wǎng)系統(tǒng)的管理和維修，為自來水管網(wǎng)的遠期設計流程化、管線查詢一體化、管線管理數(shù)字化等提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術融合設計的自來水管線系統(tǒng)共包括五層，分別是感知層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、應用層和交互層。其中，感知層是信息的感知，負責物聯(lián)網(wǎng)內來源于管道壓力流量傳感器、GPS和攝像頭等終端傳感器的信息采集和物體識別;網(wǎng)絡層是信息的傳輸，是物聯(lián)網(wǎng)內互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)以及有線和無線通信網(wǎng)之間信息數(shù)據(jù)的傳遞通道，常見LAN、無線、移動互聯(lián)網(wǎng)等;交互層的作用是通過人機交互接口與操作者交互信息，以數(shù)據(jù)支撐層以及系統(tǒng)應用層為基礎，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析和決策過程中的多信息需求和分析，進而實現(xiàn)自來水管線設計的智能化。

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫選用Oracle進行數(shù)據(jù)存儲，選用AreSDE 空間數(shù)據(jù)引擎管理，主要包括三大數(shù)據(jù)庫，分別是基礎地理數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫以及業(yè)務數(shù)據(jù)庫。

具體的數(shù)據(jù)內容包括：

（1）基礎地理數(shù)據(jù)庫，內容主要是影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。其中影像數(shù)據(jù)指的主要是區(qū)域范圍內20cm分辨率的高清航拍圖像，矢量數(shù)據(jù)指的是地名地址數(shù)據(jù)（包括企事業(yè)單位名稱以及地標名稱）和1：500的電子地圖數(shù)據(jù)。

（2）管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，內容主要是管道、管點數(shù)據(jù)庫以及實時監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫。

（3）業(yè)務數(shù)據(jù)庫，內容主要是人員數(shù)據(jù)、書簽數(shù)據(jù)以及維修數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)主要功能模塊

3.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理模塊

管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫管理模塊承擔管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新職能，具體包括管道、閥門、三通、節(jié)點、泄水閥等材質、型號、管徑、長度以及掩埋深度等信息。系統(tǒng)通過建立管線屬性檔案庫，監(jiān)管監(jiān)控管網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAD設計圖以及MDB數(shù)據(jù)信息的一致性，實現(xiàn)管線信息查詢一體化以及管線管理的數(shù)字化，具體作用表現(xiàn)為查詢爆管閥門信息;預警超過年限和警戒的管點和管線;提供消防搶險、消防設施查找;選定管線設施，設定緩沖半徑和級別，為道路改建、房屋拆遷涉及的管線設計提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2 爆管分析和停水分析模塊

當發(fā)生管點或是管線問題，造成自來水泄露或是管線某處發(fā)生爆管時，該模塊利用GIS技術快速定位，顯示爆管就近區(qū)域的關聯(lián)閥門及受影響范圍，同時根據(jù)管網(wǎng)數(shù)據(jù)和信息制定最優(yōu)關閥方案，實施多級關閥，進行維修和應急處理;根據(jù)供水管件埋設以及服務年限制，預警超過服務年限的管線和管點，自行生成斷水通知單，定期進行管理維修。

3.3 壓力和流量數(shù)據(jù)管理模塊

壓力和流量數(shù)據(jù)管理模塊包括現(xiàn)場管網(wǎng)運行工況、各區(qū)域定點流量和壓力采集傳輸設備、無線通信設備、監(jiān)控中心服務器以及GIS數(shù)據(jù)處理中心幾個部分。其承擔定期傳遞壓力和流量數(shù)據(jù)信息的作用，將現(xiàn)場終端數(shù)據(jù)傳送回數(shù)據(jù)處理中心，當監(jiān)測到壓力值低于預警時，系統(tǒng)會發(fā)布警告，并將壓力過低的管點定位以及特征信息等快速呈現(xiàn)反饋，為自來水管線搶修提供數(shù)據(jù)支持并節(jié)省時間。

4 關鍵技術

4.1 GPRS數(shù)據(jù)傳送技術

通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service， GPRS）屬于移動數(shù)據(jù)業(yè)務中的第二代數(shù)據(jù)傳輸。隨著城鎮(zhèn)化進程的日益加快，城市自來水管網(wǎng)的覆蓋面積也越來越大。如果采用傳統(tǒng)的有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，無疑需要較大的成本費用用于建設基站和有線網(wǎng)絡。無線電臺進行傳輸，則需要建立較多的監(jiān)控網(wǎng)點，網(wǎng)點選擇復雜、組網(wǎng)麻煩，電源能耗大，成本高。而GPRS的數(shù)據(jù)傳輸方式是基于封包進行的，費用相對較低，且通過手機短信的形式，不需要再架構和組間網(wǎng)絡，通訊可靠穩(wěn)定，維護成本低。

4.2 智能GIS空間分析技術

智能GIS空間分析技術，是在傳統(tǒng)GIS空間技術基礎上，結合新型電子通訊、人工智能等技術，構建適用于某一領域的智慧體系，開發(fā)智慧管理和智慧決策的分析技術。而在自來水管線設計中，管道壓力監(jiān)控點定位分布規(guī)律（包括閥門、水表、檢修點等管點以及管線材質、型號、管徑、長度以及掩埋深度等信息），問題管點、管線的定位和到達現(xiàn)場路徑，故障影響范圍，以及斷水通知單的自動生成等，都是智能GIS空間分析技術的應用。

4.3 多元數(shù)據(jù)融合技術

物聯(lián)網(wǎng)是利用傳感器將事物與互聯(lián)網(wǎng)相連接，將事物的現(xiàn)實特性轉換成互聯(lián)網(wǎng)相關數(shù)據(jù)信息置換與傳遞，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息識別、定位、監(jiān)控、處置功能的智能化表達。物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)，具有信息多元、動態(tài)變化、海量、分散、異構等特點，要想將物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術進行融合，首先是將兩種不同技術涉及的傳感器感應信息、GPRS通信信息、手機報警系統(tǒng)信息等多元數(shù)據(jù)進行融合，用統(tǒng)一標準進行數(shù)據(jù)聚合描述和冗余過濾，最后增強信息的可靠度，提升自來水管線數(shù)據(jù)的利用率。

5 技術融合實現(xiàn)難點

目前在我國大范圍推廣物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術在自來水管線設計中的應用也存在一些難題。首先，我國各城市地下管網(wǎng)錯綜復雜，同時鋪設有自來水管網(wǎng)、油氣管網(wǎng)、電纜、地下排水、光纜等等，這些管網(wǎng)分屬不同部門，物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術標準難以統(tǒng)一，其相關資源難以共享。且即使花費較大資金將物聯(lián)網(wǎng)和GIS應用于自來水管線設計，但一旦發(fā)現(xiàn)爆管等應急事故，在維修時也難免牽扯到其他相關部門，延誤了寶貴的維修時機。因此，將檢測設備同期布置、安裝，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標準是未來自來水管線發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)及GIS設備需要考慮的重要問題。

6 結束語

物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術在自來水管線設計中的融合應用，GIS技術承擔數(shù)據(jù)的分析管理，物聯(lián)網(wǎng)技術提供相關數(shù)據(jù)來源，二者相輔相成，即通過管網(wǎng)中的無線傳感器將收集到的壓力和流速信息，傳遞到數(shù)據(jù)處理中心分析處理，快速進行故障定位和原因分析，以最短的時間制定最優(yōu)解決方案，加快爆管搶修時間，節(jié)約寶貴的水資源，為自來水管線設計及智慧水務系統(tǒng)建設開拓了新思路。

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