GIS在城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

雷 凱 張 震

（安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

城市管網(wǎng)是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的組成部分，與城市居民的日常生活密切相關(guān)。城市管網(wǎng)承擔著城市物質(zhì)輸送和分配、信息傳遞、廢棄物排放等任務(wù)。城市管網(wǎng)被稱為城市的“生命線”。城市管網(wǎng)種類繁多，布局密集，按用途分類，可分為排水、供水、電力、電信、熱力、工業(yè)、油氣和綜合管廊等。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市管網(wǎng)規(guī)模不斷擴大。然而在現(xiàn)實中，各個管道權(quán)屬單位相互獨立，缺乏協(xié)調(diào)配合，管理混亂。這種局面嚴重制約了城市安全運營和居民生活質(zhì)量。因此，如何對城市管網(wǎng)進行科學化管理，以保持城市有序、健康發(fā)展，成為當前該領(lǐng)域的研究重點。

傳統(tǒng)的圖紙、圖表管理模式因極低的管理效率和高昂的人力成本而逐漸過時。在一些管線權(quán)屬單位的管網(wǎng)信息系統(tǒng)中，存在著數(shù)據(jù)更新不及時、管線現(xiàn)狀不明確、缺乏管線資源共享等問題，導(dǎo)致城市管網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)和管理滯后于城市發(fā)展，已無法滿足大規(guī)模城市管網(wǎng)信息管理需求。因此，針對城市管網(wǎng)管理混亂問題，基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)開發(fā)的管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)應(yīng)運而生。近年來，GIS 技術(shù)逐漸成熟，且因其具有強大的空間數(shù)據(jù)處理與集成能力、信息輸出效果好、可用性強等優(yōu)勢，從而得到廣泛應(yīng)用。將GIS 技術(shù)應(yīng)用于城市管網(wǎng)信息管理中，有助于精準、科學地描述城市管網(wǎng)的分布情況，支撐對城市管網(wǎng)信息的高效管理，并實現(xiàn)對城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間化和數(shù)字化管理。

1 GIS概念及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 GIS概念

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種利用計算機來存儲、處理、分析和展示地理空間數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性信息的技術(shù)。GIS處理與分析的數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)，其將地理空間數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，使實體模型數(shù)據(jù)化，從而研究各地理實體間的空間關(guān)系。

在GIS 開發(fā)過程中，要綜合考慮用戶需求、專業(yè)技能和開發(fā)資源等因素，并進行相應(yīng)的分析和評估，選擇出最佳方式來實現(xiàn)對應(yīng)用程序的開發(fā)和部署，從而實現(xiàn)開發(fā)目標最優(yōu)化的目的。GIS 開發(fā)可分為獨立二次開發(fā)、單純二次開發(fā)、集成二次開發(fā)。其中，集成二次開發(fā)的組件式GIS 是一種利用模塊化原理，將GIS 各個模塊拆解為獨立構(gòu)建模塊，每個模塊用以實現(xiàn)不同功能。組件式GIS 因具有代碼可重用、擴展性強、可封裝性、開發(fā)成本低等優(yōu)點［1］，從而使GIS二次開發(fā)周期短、難度小。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

GIS 與計算機、環(huán)境、工程、測繪等學科聯(lián)系緊密，被廣泛運用在城市規(guī)劃、地理空間數(shù)據(jù)管理、遙感圖像處理、環(huán)境保護等領(lǐng)域，并取得顯著的社會和經(jīng)濟效益。

1.2.1 城市規(guī)劃應(yīng)用。通過GIS 技術(shù)可實現(xiàn)對城市數(shù)據(jù)的空間化管理、分析和可視化展示，為城市規(guī)劃提供科學依據(jù)和決策支持。GIS在城市規(guī)劃中主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是空間分析能力與多源數(shù)據(jù)整合能力，如對城市地表覆蓋變化等災(zāi)害事件進行模擬和預(yù)測；二是可視化呈現(xiàn)功能，如3D 建模技術(shù)可輔助城市規(guī)劃人員更直觀地了解城市布局情況及其變化趨勢；三是可控性和實時性強，如基于網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)共享的計算機輔助城市規(guī)劃系統(tǒng)，可快速處理大量數(shù)據(jù)，并及時跟蹤城市化進程中所需的信息。

1.2.2 地理空間數(shù)據(jù)管理應(yīng)用。通過GPS、遙感等方式獲取地理空間數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)庫的檢索、更新與維護等工作。GIS 具備多種形式輸出地理空間數(shù)據(jù)的能力，可滿足應(yīng)用需求。

1.2.3 遙感圖像處理應(yīng)用。在對遙感圖像處理過程中，GIS提供強大的數(shù)據(jù)處理、模型分析和空間關(guān)系計算能力，輔助用戶研究地表覆蓋情況的分類劃分、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管等目標。例如，GIS技術(shù)結(jié)合土壤與農(nóng)作物遙感圖像進行分析，對土壤類型、酸堿度、有機質(zhì)含量等關(guān)鍵指標進行計算和評估，從而為精準施肥和改善土壤質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1.2.4 環(huán)境保護應(yīng)用。GIS 通過地形分析、地貌分析等手段來研究生物多樣性指數(shù)及其變化趨勢?；谠朴嬎?、WebGIS 技術(shù)等的信息共享，使環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)能在不同部門間高效傳遞與分享，從而全面了解環(huán)境狀態(tài)和危害源分布。

2 城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)是一個采用通信、GIS等先進技術(shù)，集成城市各類管網(wǎng)信息，并進行分析、處理、展示和共享的計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GIS等技術(shù)手段，將管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)對管網(wǎng)的精準定位與安全管理，具有較高的準確性、實時性和可靠性。利用該系統(tǒng)能幫助城市規(guī)劃、管網(wǎng)運營等相關(guān)部門更好地掌握城市管網(wǎng)情況，為城市建設(shè)和管理提供科學依據(jù)。因此，將現(xiàn)代化信息管理方法應(yīng)用到城市管網(wǎng)中至關(guān)重要。本研究在對國內(nèi)外大量文獻分析的基礎(chǔ)上，將城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行歸納總結(jié)。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

自20 世紀70 年代初起，美國、加拿大及歐洲等積極對城市管網(wǎng)信息管理進行研究，建立相應(yīng)的管理系統(tǒng)，并獲得良好的經(jīng)濟和社會效益。美國率先將管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)應(yīng)用于各大城市的給水管網(wǎng)中，較好地解決了城市供水問題。此外，美國Intergraph 公司還研發(fā)出一套功能強大的制圖與設(shè)備管理系統(tǒng)，為許多管網(wǎng)管理部門提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。從20 世紀90 年代開始，GIS 技術(shù)被應(yīng)用于城市管網(wǎng)規(guī)劃與管理領(lǐng)域中，許多國外大城市相繼建立了基于GIS 的管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，如巴黎，從而使整個城區(qū)供水系統(tǒng)管理水平得到提高［2］。21 世紀以來，GIS 技術(shù)快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，歐美發(fā)達國家的管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)已進入產(chǎn)品化研發(fā)階段。美國Reliant Energy 公司建立了電力與煤氣的綜合管理信息系統(tǒng)，并解決了模型與管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲統(tǒng)一的需要，為不同權(quán)屬管理部門提供一體化解決方案。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國對城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的研究起步相對較晚，但通過多年探索和發(fā)展，取得了可觀的成果，該系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了三個重要階段。第一階段在20 世紀80 年代末，中國開始探索城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。廣州市最早建立了城市管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)（GUPIS），將全國管網(wǎng)普查、規(guī)劃、審批和管線信息結(jié)合在一起進行管理［3］。該階段主要存在管網(wǎng)信息管理困難、信息更新不及時的問題。第二階段在20 世紀90 年代，隨著GIS 技術(shù)與城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的融合，北京、上海、武漢等大城市相繼研發(fā)出城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，為后續(xù)研究開發(fā)奠定基礎(chǔ)。第三階段為21 世紀至今，由于各級政府與企業(yè)對城市管網(wǎng)管理的重視及信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大量沿海城市建立了針對不同管理部門的城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。

綜合國內(nèi)外城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)發(fā)展歷程，該系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，從最初的管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)建設(shè)，到管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)與圖形處理相結(jié)合，以應(yīng)對管網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計和查詢困難的問題，再到圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于空間與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，再到結(jié)合GIS 技術(shù)，使得管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)能實現(xiàn)高度一體化管理，GIS強大的空間分析能力為系統(tǒng)提供統(tǒng)計、查詢、分析、預(yù)警等服務(wù)。

3 GIS在城市管網(wǎng)管理中的應(yīng)用

GIS 技術(shù)在城市管網(wǎng)管理中發(fā)揮著重要作用，縮小了先進需求和落后管理方式間的差距，大幅提高城市管網(wǎng)資源管理水平，加快城市區(qū)域間的聯(lián)系，并深化協(xié)作。

3.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理

城市化進程的不斷加快，使得城市管網(wǎng)愈發(fā)密集，且呈現(xiàn)出多中心、高維度、網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜等特點，也帶來了管網(wǎng)數(shù)據(jù)量巨大、信息來源多樣且分散、協(xié)調(diào)難度大、計算量大等問題。為有效解決這些問題，并提高管網(wǎng)性能，要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段對管網(wǎng)信息進行管理。

GIS技術(shù)在城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理中發(fā)揮著重要作用。使用GIS 技術(shù)對采集的管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行規(guī)整、統(tǒng)一和編碼等操作，實現(xiàn)對整個管網(wǎng)系統(tǒng)的空間及屬性信息統(tǒng)一管理的目的。GIS 技術(shù)能快速地編輯、更新和刪除管網(wǎng)信息，并確保這些操作不會影響到現(xiàn)有數(shù)據(jù)的完整性和精度。此外，GIS 技術(shù)還可對數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)及故障信息進行日常管理，以便在出現(xiàn)問題時，能快速調(diào)取最近的數(shù)據(jù)進行分析，從而找出最佳解決方案，提高管網(wǎng)運營效率。通過建立數(shù)字化管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，并對其進行日常更新和維護，可快速記錄并展示管網(wǎng)系統(tǒng)的各種物理特性和運行參數(shù)。其中，管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理的重點是為城市相關(guān)管理部門提供準確、可靠的管網(wǎng)信息，因此需要掌握好各種物理特性和運行參數(shù)，并保持數(shù)據(jù)的同步性和準確性。只有如此，才能確保管網(wǎng)的正常運行。

3.2 管網(wǎng)日常維護管理

管網(wǎng)日常維護是指根據(jù)城市管網(wǎng)的實際情況，采取定期巡檢、監(jiān)測、清淤、防腐、漏損檢測等措施，完成對管網(wǎng)的維護。GIS技術(shù)用來協(xié)助管理人員全面了解管網(wǎng)運行情況，提高管理人員的決策效率和工作質(zhì)量，可保障管網(wǎng)設(shè)施的安全、穩(wěn)定運行。

GIS技術(shù)能將管網(wǎng)空間位置信息與各種屬性信息相結(jié)合，形成一張完整的管網(wǎng)數(shù)字地圖。通過空間檢索與查詢操作，可快速查找特定坐標下的管道、設(shè)施或配件等信息，并進行實時更新和顯示。同時，還可根據(jù)輸入的查詢條件，結(jié)合多種統(tǒng)計分析算法，對管網(wǎng)元素進行空間分布密度、長度、覆蓋率等的分析，幫助管理員及時了解供水管網(wǎng)的狀態(tài)和性能，并快速發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而優(yōu)化管網(wǎng)運營管理，提高管網(wǎng)服務(wù)水平和效率。例如，利用數(shù)學建模等方法對管道中的水流進行模擬，計算和分析出各種參數(shù)（如水壓、流速、液位變化和阻力系數(shù)等）并將結(jié)果進行可視化顯示，幫助管理員了解和分析管道中水流的運動狀態(tài)和特點。通過管道流動模擬，管理員可根據(jù)實際情況及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中可能存在的問題，如管道堵塞等，并通知相關(guān)技術(shù)人員對管道進行疏通或維修處理。

3.3 管網(wǎng)調(diào)度管理

管網(wǎng)調(diào)度是指對各類管網(wǎng)進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析與對比，從而完成對管網(wǎng)運行狀態(tài)進行有效控制和優(yōu)化管理的過程。其主要目的是確保城市管網(wǎng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，滿足各種情況下不同區(qū)域供需平衡關(guān)系。例如，在城市供水管網(wǎng)調(diào)度管理中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗調(diào)度法已無法滿足目前管網(wǎng)信息化管理需求。采用GIS 技術(shù)，結(jié)合城市供水管網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立數(shù)學和物理模型，能有效計算和預(yù)測出水流動情況和水壓?；跉v史數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，對城市供水調(diào)度過程進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)實時交互并提高管網(wǎng)調(diào)度水平。針對可能出現(xiàn)的問題進行快速反應(yīng)，并做出相應(yīng)的出水方式調(diào)整和泄洪控制。運用GIS、云計算和大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，廣州市建立了龐大的供水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中心，實現(xiàn)了從源頭到出水口的全過程自動化監(jiān)測、預(yù)警和管理。該系統(tǒng)可自動記錄管道布局、用水量、水壓、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，并通過實時在線分析和處理來及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取適當措施，保障了廣州市供水服務(wù)質(zhì)量穩(wěn)定、可靠、安全。

3.4 管網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)管理

管網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)管理是指在城市管網(wǎng)發(fā)生緊急情況時的處置和應(yīng)對措施。當城市管網(wǎng)出現(xiàn)泄漏、破裂、爆炸等現(xiàn)象時，采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄方式來處理搶修工作，存在著應(yīng)急反應(yīng)遲緩、費時費力、維修難度加大等問題。GIS技術(shù)能對城市管網(wǎng)中突發(fā)事件或故障進行快速、精準定位，并及時處置。通過對各類管道和附屬設(shè)施數(shù)據(jù)在地圖上的精確呈現(xiàn)，并進行分析，在事故發(fā)生后，能快速發(fā)現(xiàn)事故的具體位置，提高現(xiàn)場處理效率。

GIS爆管分析可用于評估管網(wǎng)事故發(fā)生后產(chǎn)生的影響和危險程度及探測可能導(dǎo)致爆管的因素。該方法主要對管道泄漏、破裂等進行定量評估，計算出在不同條件下形成的壓力波，及其擴散影響范圍和損害程度。在爆管分析中，需要輸入多種參數(shù)，包括管道材料、直徑、長度、壓力等信息，從而模擬出真實情況下管道爆裂或噴灑溢出狀態(tài)，以便運維人員及時予以預(yù)警和維修。通過全面數(shù)字化方式來展示和管理管網(wǎng)設(shè)施信息，并建立聯(lián)動、預(yù)警和智能應(yīng)急響應(yīng)機制，為城市管網(wǎng)設(shè)施安全運行提供科技支撐和必要保障。例如，上海市水務(wù)部門在對城市供水系統(tǒng)進行詳細檢測后，結(jié)合GIS 技術(shù)，建立全區(qū)域的智能水管系統(tǒng)，利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行爆管分析和控制，同時對管道進行定期檢修和維護，保障供水系統(tǒng)能長時間穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

GIS空間數(shù)據(jù)分析與管理技術(shù)在管網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是實現(xiàn)管網(wǎng)管理信息化、數(shù)字化、智能化的核心技術(shù)，也是業(yè)內(nèi)當前研究重點。本研究通過介紹GIS 原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀，探討城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展階段，深入分析了GIS技術(shù)在城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，為了解城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展提供參考。當前，城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)處于快速發(fā)展階段，雖然融合了GIS、三維可視化、云計算等先進技術(shù)，但仍面臨以下三個問題。①系統(tǒng)開發(fā)缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，且開發(fā)周期長、資金投入大，使得系統(tǒng)推廣受到限制。②各地區(qū)通常會獨立開發(fā)管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，導(dǎo)致信息難以共享，易出現(xiàn)“信息孤島”［4］。③系統(tǒng)的開發(fā)主要集中在桌面端和Web端，移動端應(yīng)用尚未得到廣泛應(yīng)用。

綜上所述，城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)從以下三個方面出發(fā)：①系統(tǒng)開發(fā)平臺與數(shù)據(jù)庫應(yīng)向標準化方向發(fā)展，有利于提高系統(tǒng)的開發(fā)、管理與維護效率，同時可降低城市管網(wǎng)管理成本；②隨著城市間協(xié)作的不斷加強，未來各區(qū)域間管網(wǎng)信息共享的趨勢勢不可擋；③移動互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，將驅(qū)動城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)向移動端發(fā)展。結(jié)合GPS 與GIS 技術(shù)的移動APP 可在現(xiàn)場實時辦公，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入后端參與監(jiān)理檢查入庫、管線分析、管線應(yīng)急管理等，能更好地提供管理服務(wù)［5］。