供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”平臺的設(shè)計與實現(xiàn)*

張喜麟，陳建宇，侯 立

(1. 大同煤礦集團有限責(zé)任公司技術(shù)中心，山西 大同 037003；2. 大同煤礦集團供水分公司，山西 大同 037003；3. 北京龍軟科技股份有限公司，北京 100190)

供水管線是為城市提供安全用水的生命線，關(guān)系到千千萬萬居民的生產(chǎn)和生活。由于供水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)，不僅敷設(shè)情況復(fù)雜、運行靈活多變，而且信息量、現(xiàn)狀參數(shù)等方面呈現(xiàn)動態(tài)性。同煤集團經(jīng)過近些年的供水管理信息系統(tǒng)、數(shù)字礦區(qū)等信息化建設(shè)，目前已經(jīng)普遍實現(xiàn)了通過信息系統(tǒng)手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工管理方式，如建立了抄表系統(tǒng)、管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)等，初步實現(xiàn)了供水管理和監(jiān)測的信息化建設(shè)。

隨著同煤礦區(qū)各項建設(shè)的不斷推進，區(qū)域規(guī)模、供水管線復(fù)雜度日益擴大，地下供水管線敷設(shè)量越來越大，管網(wǎng)分布越來越復(fù)雜，管理供水管線的工作難度也不斷提升，供水管線綜合監(jiān)管方面面臨的主要問題包括：

(1)現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)多是針對單一業(yè)務(wù)或單一功能應(yīng)用的子系統(tǒng)，沒有采用“統(tǒng)一標準規(guī)范、統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源、統(tǒng)一技術(shù)平臺”的思想建設(shè)，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯總、業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)分析、深入挖掘數(shù)據(jù)價值的目標。

(2)供水監(jiān)管決策不夠科學(xué)。缺乏對周期性、關(guān)聯(lián)性等規(guī)律的深度分析挖掘，安全隱患預(yù)判預(yù)警預(yù)防決策還不夠科學(xué)。

(3)豎井式的信息系統(tǒng)建設(shè)，導(dǎo)致孤島問題嚴重。系統(tǒng)之間缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互共享機制，數(shù)據(jù)利用率較低，孤島問題嚴重。

(4)信息化標準規(guī)范體系不夠健全，系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)采集、交換共享缺乏統(tǒng)一規(guī)范。

“一張圖”的概念最早是從國土資源領(lǐng)域開始應(yīng)用的，主要利用GIS技術(shù)綜合集成遙感、土地利用、現(xiàn)狀調(diào)查、基礎(chǔ)地理信息等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對國土資源數(shù)據(jù)的有效管理以及對數(shù)據(jù)的查新、分析。“一張圖”借助GIS統(tǒng)一地理空間位置參考作為紐帶，將各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、各類應(yīng)用系統(tǒng)，基于統(tǒng)一的標準規(guī)范集成到統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺和統(tǒng)一技術(shù)平臺，對于解決供水管線綜合監(jiān)管面臨的以上問題具有很強的借鑒意義。

因此，針對供水管線綜合監(jiān)管過程中遇到的問題，基于Internet、最新的空間信息技術(shù)，本文提出了供水管線綜合監(jiān)管 “一張圖”的思路，解決目前供水管線管理缺乏標準規(guī)范、信息孤島、無法綜合決策等問題，實現(xiàn)供水管線信息資源的深度開發(fā)利用和共享。

1 供水管線“一張圖”平臺的總體架構(gòu)設(shè)計

建設(shè)供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”平臺是為了打破“信息孤島”，實現(xiàn)供水管線相關(guān)資源的有效配置和高效利用，提高管理、服務(wù)工作效率。平臺以“綜合運維管理、統(tǒng)一信息門戶、統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一管理決策”進行設(shè)計，實現(xiàn)對供水管線調(diào)度各個環(huán)節(jié)的合理配置以及供水管網(wǎng)調(diào)度與輔助決策問題，尤其在對管線的快速、準確監(jiān)控、安全維護、管網(wǎng)合理設(shè)計、搶修施工等方面實現(xiàn)高效的管理、科學(xué)的決策、智能的服務(wù)，滿足供水管線管理的信息化、智能化、科學(xué)化的發(fā)展之路。供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”平臺技術(shù)架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層是供水相關(guān)數(shù)據(jù)的集成、錄入及接入，包括供水區(qū)域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、供水管線地理數(shù)據(jù)、供水管線巡查數(shù)據(jù)、抄表數(shù)據(jù)，以及供水管線的視頻監(jiān)控、壓力檢測、水質(zhì)監(jiān)測等數(shù)據(jù)。

1.2 協(xié)同更新層

通過基于GIS供水管線業(yè)務(wù)系統(tǒng)，包括管線地理信息系統(tǒng)、巡查更新系統(tǒng)、抄表系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，基于LongRuan GIS提供的分布式協(xié)同處理功能，將供水管線地理空間數(shù)據(jù)、巡查點地理空間及屬性數(shù)據(jù)、監(jiān)測點地理空間及實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入供水管線“一張圖”數(shù)據(jù)體系，可以多人、在線、實時對以上數(shù)據(jù)實現(xiàn)更新，自動匯聚成為實時最新的“一張圖”數(shù)據(jù)庫。

1.3 數(shù)據(jù)存儲層

管線和管點數(shù)據(jù)是供水管網(wǎng)中最基礎(chǔ)的要素對象，管線由兩個管點連線而成，各個管線之間和管點之間又存在著空間的拓撲關(guān)系。以管線地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲標準規(guī)范，將地理空間位置相關(guān)的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲到GIS空間數(shù)據(jù)庫，將巡查數(shù)據(jù)、抄表數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，將監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù)存儲到實時數(shù)據(jù)庫。同時，以地理空間位置為紐帶，建立業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫與GIS空間數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系，統(tǒng)一通過GIS空間數(shù)據(jù)對外提供數(shù)據(jù)接口和服務(wù)。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括基于供水管線“一張圖”的各類綜合監(jiān)管應(yīng)用系統(tǒng)?！耙粡垐D”數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)將數(shù)據(jù)存儲層形成的“一張圖”空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)通過標準GIS OGC服務(wù)的方式發(fā)布。應(yīng)用層基于GIS提供的WMS地圖服務(wù)、空間查詢服務(wù)，將原有分散、孤立的抄表系統(tǒng)、管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)等，通過統(tǒng)一GIS平臺提供業(yè)務(wù)應(yīng)用，搭建起跨業(yè)務(wù)、跨部門、在線協(xié)同的供水管線綜合監(jiān)管系統(tǒng)。

2 供水管線“一張圖”管理

供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”平臺的關(guān)鍵是建立供水管線“一張圖”核心數(shù)據(jù)庫，包括供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)標準規(guī)范體系、數(shù)據(jù)實體管理及更新機制、GIS地圖服務(wù)發(fā)布及共享，形成供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)更新、發(fā)布與共享應(yīng)用的長效機制。

2.1 供水管線數(shù)據(jù)標準規(guī)范體系

供水管線“一張圖”涉及區(qū)域供水管理的多個部門、多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、多種數(shù)據(jù)形態(tài)，建立統(tǒng)一平臺的前提是統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準規(guī)范。在現(xiàn)有《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》、《地理信息分類與編碼規(guī)則》等一系列基礎(chǔ)地理信息國家標準基礎(chǔ)上，針對供水管線相關(guān)的管點、管線、管道壓力、抄表、巡查、水質(zhì)、水量、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)，建立分類標準、編碼標準、分層標準及要素數(shù)據(jù)字典等標準規(guī)范，以下以供水管線數(shù)據(jù)為例說明整個過程。

將供水管線“一張圖”體系下的數(shù)據(jù)對象均按大類、小類、要素類三個層次分類，并規(guī)定了大類、小類、要素類的分類名稱、編碼規(guī)則、顯示顏色等，如表1所示。

表1供水管線要素分類表

對于要素對象規(guī)定了數(shù)據(jù)字典來說明對象的具體屬性字段，用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫的建立和服務(wù)發(fā)布及業(yè)務(wù)應(yīng)用，如管線點對象包括管線點編號、圖上點號、圖幅號、特征、附屬物、地面高程、要素編碼、X坐標、Y坐標、符號角度、井底深、偏心井位、井蓋形狀、井蓋尺寸、井蓋材質(zhì)、井材質(zhì)、井脖深、井尺寸、所在道路、埋設(shè)年代、權(quán)屬單位、探測日期、探測單位、監(jiān)理單位、狀態(tài)、明顯隱蔽點等；管線對象包括起始管線點編號、終止管線點編號、圖上線號、起始管線點高程、終止管線點高程、起始管線點埋深、終止管線點埋深、起始管線點X坐標、起始管線點Y坐標、終止管線點X坐標、終止管線點Y坐標、要素編碼、線型、材質(zhì)、壓力、電壓、埋設(shè)方式、管徑、線纜條數(shù)、總孔數(shù)、已用孔數(shù)、孔徑、埋設(shè)年代、權(quán)屬單位、所在道路、使用狀態(tài)、探測日期、探測單位、監(jiān)理單位、流向等。

通過建立標準規(guī)范體系，統(tǒng)一地理空間坐標系、高程坐標系、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)分類與編碼標準，明確數(shù)據(jù)錄入及整合的技術(shù)要求，規(guī)范供水管線“一張圖”核心數(shù)據(jù)庫的建立。

2.2 數(shù)據(jù)實體管理及更新

隨著區(qū)域規(guī)模、供水管線復(fù)雜度的日益擴大，供水管線敷設(shè)量越來越大，管線幾乎每天均會發(fā)生新建、維修等變化，因此必須建立管線“一張圖”的動態(tài)更新機制，才能確保系統(tǒng)的長效化運行。

根據(jù)供水管線數(shù)據(jù)的特點，按照“誰生產(chǎn)誰負責(zé)”的原則，建立基于LongRuan GIS分布式協(xié)同的更新機制，通過GIS客戶端、移動端實現(xiàn)管線地理空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等在線協(xié)同更新。同時，為了綜合監(jiān)管及分析的需求，供水管線“一張圖”不僅要存儲和管理實時最新的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，還需要支持對歷史數(shù)據(jù)進行回溯管理，以反映管線的動態(tài)變化過程。

供水管線數(shù)據(jù)實體管理及更新的關(guān)鍵在于解決基于GIS的分布式協(xié)同更新問題，在現(xiàn)有管網(wǎng)GIS空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以動態(tài)增量的方式實時、同步更新部分管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，且不影響系統(tǒng)的正常運行，也即一般認為的“熱更新”。

關(guān)于GIS空間數(shù)據(jù)的協(xié)同更新，國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)研究，如Mac Eachren和Brewer給出了用于可視化的地理協(xié)同的概念框架，該框架包括評估和開發(fā)協(xié)同系統(tǒng)的六個重要方面，其中三個方面涉及用戶和協(xié)作環(huán)境之間的交互，包括問題上下文、協(xié)作任務(wù)和群體感知；另外三個方面集中于協(xié)同系統(tǒng)支持，包括空間時空上下文、交互和用于協(xié)調(diào)群組工作的工具。Sun等使用ArcEngine 9.3和MSMQ，開發(fā)了一個實時協(xié)作GIS系統(tǒng)原型，支持空間查詢和緩沖區(qū)分析功能的協(xié)同工作。Chang和Li利用信息通信機制，設(shè)計和開發(fā)了一個基于互聯(lián)網(wǎng)的三維協(xié)同GIS系統(tǒng)。

相比以上學(xué)者關(guān)于GIS協(xié)同更新的研究，本文提出了基于“空間數(shù)據(jù)版本管理與控制”為中心的協(xié)同更新方法?？臻g數(shù)據(jù)版本管理與控制的核心在于解決系統(tǒng)在多方協(xié)同工作情況下，可能存在的數(shù)據(jù)沖突、不一致問題，并以“增量版本”的方式存儲空間數(shù)據(jù)變化。在版本控制方面，“鎖定”方式是最常用的方案。與傳統(tǒng)的鎖方式相比，本文設(shè)計了“樂觀鎖定”機制，即默認狀態(tài)下認為協(xié)同更新的數(shù)據(jù)不存在沖突，在線用戶均可以處理并提交，服務(wù)端統(tǒng)一通過沖突檢測，發(fā)生沖突后再返回提示消息，讓用戶交互式解決版本問題，在保證數(shù)據(jù)一致性的前提下，也確保了大多數(shù)情況下無沖突更新的快速處理，讓整個更新過程更加自由。

空間數(shù)據(jù)版本管理方案涉及如下概念：

(1)版本號

每一個GIS圖層都有自身的版本管理系統(tǒng)，在一個版本管理系統(tǒng)中存儲了一棵版本樹，一個版本可以有0個或者多個子版本，而有且僅有一個父版本，原始版本即為根版本。獲取時從子版本回溯得到版本列表，如“1->2->4->7”，說明版本7為需要獲取的版本，其父版本為4，依次類推。初始狀態(tài)下，地圖的版本號設(shè)置為1。

(2)生成版本號

該版本號是新數(shù)據(jù)進入空間數(shù)據(jù)庫時的版本號，由GIS服務(wù)端生成，其獲取方式為當前版本號+1。GIS空間數(shù)據(jù)引擎保證當多個用戶同時提交時不出現(xiàn)相同版本號。

(3)沖突

GIS服務(wù)端中定義了廣義沖突和狹義沖突，沖突僅僅是“操作”上的，例如對于空間數(shù)據(jù)對象的刪除、修改等。

空間數(shù)據(jù)的版本在完成提交后將變成“流線形”，按照提交的先后順序排列。版本管理除了使得多個用戶可以同時在線協(xié)同工作，還具有如下的特點：

(1)可以選擇任意的版本作為編輯的對象，在沖突解決后可能會形成如圖2示意的版本樹，其中最后的版本(V5)為最新版本。

(2)不存在數(shù)據(jù)丟失問題。由于保存了每次編輯的增量數(shù)據(jù)，可以得到從基版本數(shù)據(jù)到任何時候的數(shù)據(jù)。

圖2 一棵可能的版本樹

(3)可以基于歷史數(shù)據(jù)做分析、對比、輔助決策。通過將歷史各階段數(shù)據(jù)的比較，基于GIS客戶端可以顯示供水管線相關(guān)數(shù)據(jù)的歷史變化過程，為追溯整個變化過程提供支持。

2.3 GIS地圖服務(wù)發(fā)布及共享

基于統(tǒng)一標準規(guī)范的供水管線“一張圖”數(shù)據(jù)庫建立后，如何方便地為供水管線綜合監(jiān)管的各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐和服務(wù)也是需要研究解決的難點問題。

由于供水管線“一張圖”數(shù)據(jù)庫包含的空間數(shù)據(jù)量大，涉及區(qū)域的遙感影像、基礎(chǔ)地理、各類管線等空間數(shù)據(jù)和大量的壓力、水質(zhì)、調(diào)度等檢測專題數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)的訪問、統(tǒng)計分析、實時監(jiān)測等應(yīng)用請求需求量大，必須提供高效、穩(wěn)定、可靠的服務(wù)發(fā)布和共享機制。

本文基于“一張圖”數(shù)據(jù)集中管理和協(xié)同更新的特點，為了兼顧大數(shù)據(jù)量空間數(shù)據(jù)的服務(wù)發(fā)布性能及實時的在線協(xié)同更新效率，采用改進的“WMS+WMTS”地圖服務(wù)發(fā)布方案。WMS(Web Map Service，網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù))是OGC標準的地圖服務(wù)發(fā)布協(xié)議，可提供實時切圖服務(wù)，每次服務(wù)請求均會在GIS服務(wù)端根據(jù)矢量數(shù)據(jù)渲染成需要的地圖圖片返回客戶端，效率較低，但可確保數(shù)據(jù)為實時最新的版本；WMTS(Web Map Tile Service，網(wǎng)絡(luò)地圖切片服務(wù))則需要服務(wù)端提前準備好所有矢量數(shù)據(jù)的切片，服務(wù)請求發(fā)生時直接返回靜態(tài)圖片，采用“空間換時間的方式”，效率更高，也是目前GIS電子地圖應(yīng)用中主流的方式，但無法保證數(shù)據(jù)的實時性。本文采用綜合兩種地圖服務(wù)發(fā)布的方案，通過WMTS協(xié)議的數(shù)據(jù)預(yù)先處理加工，提高數(shù)據(jù)共享瀏覽速度；針對協(xié)同處理提交的“熱更新”數(shù)據(jù)部分，通過空間索引進行區(qū)分，動態(tài)更新為WMTS協(xié)議的切片或直接由WMS服務(wù)實時處理。

3 供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”平臺的實際應(yīng)用

基于本文提出的供水管線“一張圖”平臺的設(shè)計，在同煤集團實現(xiàn)了供水管線綜合監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)建立了同煤集團供水業(yè)務(wù)空間數(shù)據(jù)處理和入庫標準規(guī)范，將已建設(shè)的抄表系統(tǒng)、管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一形成了同煤供水管線“一張圖”數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上開發(fā)實現(xiàn)了統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)、統(tǒng)一用戶管理和統(tǒng)一權(quán)限管理的綜合監(jiān)管系統(tǒng)，各類地理空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可在線協(xié)同實時更新，大大提高了工作效率，如圖3(a)所示；將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與GIS地圖深度融合，展示方式更加直觀形象，如圖3(b)所示；結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)提前報警應(yīng)急聯(lián)動，保證供水調(diào)度安全運行，如圖3(c)所示。

圖3 供水管線綜合監(jiān)管“一張圖”應(yīng)用

4 結(jié) 語

為了解決同煤集團供水管網(wǎng)智能化管理面臨的問題，本文提出了供水管網(wǎng)“一張圖”平臺的設(shè)計思路，對“一張圖”平臺涉及的數(shù)據(jù)標準規(guī)范、供水管線及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)協(xié)同更新、地圖服務(wù)發(fā)布與共享應(yīng)用等關(guān)鍵問題進行了分析與研究，形成了適用于同煤集團當前供水管線業(yè)務(wù)管理的“一張圖”解決方案。

同煤集團供水管線綜合監(jiān)管平臺改變了原業(yè)務(wù)系統(tǒng)各自獨立的“信息孤島”的情形，實現(xiàn)了“綜合運維管理、統(tǒng)一信息門戶、統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一管理決策”的目標，解決了供水管線調(diào)度各環(huán)節(jié)的合理配置以及供水管網(wǎng)調(diào)度與輔助決策問題，尤其在對管線的快速、準確監(jiān)控、安全維護、管網(wǎng)合理設(shè)計、搶修施工等方面實現(xiàn)了高效的管理、科學(xué)的決策、智能的服務(wù)，滿足了同煤集團信息化、智能化、科學(xué)化的發(fā)展需要。