基于GIS的城市供水管网管理系统研究与应用
摘 要：本文通过分析GIS的特点和供水行业对信息化的迫切需求,阐述了目前国内供水企业信息化建设的发展历程,事实证明GIS在自来水行业的应用越来越广泛，并且越来越深入。文章从理论结合实践的角度对城市供水管网管理系统进行了研究，并且分析了使用效果；总结了供水GIS的特点，在自来水行业发挥的作用，以及目前存在的问题和今后的展望，相信供水管网管理系统能够更好的在自来水生产运营管理上应用的更好。
关键字：GIS 供水 管网管理 系统
前言
随着城市建设的快速发展，城市供水管线数量急剧增加，形成一个纵横交错的巨大网络，供水管网管理的难度越来越大，要求越来越高，涉及面越来越广。采用传统方式的手工资料管理方式已经不能供水企业发展需要。过去，大量的设计、施工与竣工资料和图表一直采用人工管理，在资料或者档案室存档；随着管网建设的不断发展，这种人工管理完全不能适应新的管理要求，手工管理很难做到科学的管理，各个属性的关联等等；而且各种资料非常容易损坏、丢失，信息检索也非常不方便。在这种情况下，无法实现管网图与城市地形图相一致的动态管理，更谈不上为城市各部门提供管线的综合信息服务。
1 建立城镇供水GIS的现状
传统工作方式中，城镇供水管网信息一般是通过图纸图表描述(例如，设计、施工和竣工资料图表)，采用人工管理，长期以来，自来水公司在管网资料的管理方面一直沿用这种做法。但是，各种图档资料的不齐全使自来水公司在管理这样一个庞大的管网时感到力不从心。自来水输配调度缺乏依据，遇到紧急情况无法及时得知有关信息采取相应措施。为了彻底改变这一现状，必须采用最新的信息技术来管理自来水公司的管网资料，以及与SCADA等系统一起完成自来水的生产、输配与销售。GIS 正是将水源、用户、管线的地理位置信息与属性信息相结合，根据阀门的开关状态，水压监测情况，利用GIS网络分析模型实现供水网络压力和流量分析，完成故障分析、制定抢修方案，改变供水公司的工作模式，提高技术服务信誉和质量。近几年来供水管网信息化管理已越来越被各水司的领导所重视。
管网数据资料是供水企业宝贵的基础资源，应该在企业内部共享，在企业的信息化建设过程中，需要开发比较多的信息系统，其实这些系统实际上需要GIS作为基础图形平台或提供基本数据。另一方面，随着市政公共设施的建设飞速发展，今后的城市发展和城市管理将更加注重各个行业横向的信息共享。地下电力设施、通信管线、热力管线，自来水管线、燃气管线等等，组成了城市复杂的地下管网系统。所以，地下供水管线的建设还应与市政、交通、电力、通信等其他部门协作，建立整个地下管网的综合数据管理系统，以促进城市的信息化进程，那就更加需要先进的信息技术来整合这些资源。
2 供水GIS的发展历史
国内供水GIS的发展经历了一个从无到有，从工作站到互联网、从图形数据管理到集成的管理模式的变化过程。
在过去，供水公司供水管网对大量的设计、施工与竣工资料和图表一直采用人工管理方式，这对于当时管网覆盖范围比较小，管线运行压力和等级较低的情况下，能够满足当时使用的要求。随着城市管网建设的不断发展，以及信息技术的发展，一些供水公司率先建立了供水管网地理信息系统，虽然当时建立的系统是基于工作站平台，不利于实现大范围的应用，但为基础数据的采集和保存，为以后的系统建设提供了第一手的宝贵资料和经验，并为自己培养了一批既懂专业知识又熟悉信息技术的人才，为地理信息系统将来的健康发展提供了技术保障。
20世纪90年代，随着信息技术的发展，硬件和软件水平的提高，供水公司又建立了单机版的管网图档查询系统，完成了向AutoDesk Map平台的转换，实现了管网管理信息系统在企业内的大规模应用。此时的管网管理信息系统已经实现了数据管理、地图定位、信息查询、统计分析和处理等功能。
21世纪，供水公司大力发展信息化建设，GIS被完全引入到自来水行业，以GIS和SCADA为核心的综合管理信息系统在自来水公司信息化建设中很受欢迎，在公司内部能够实现数据共享和互查，实现了供水管网的完全统一的数字化、电子化管理，实现了管网图与城市地形图相一致的数据整合。
特别是最近几年，互联网技术、信息技术的发展催生了WEB GIS和组件GIS的产生及普及，GIS数据已经不再是专业技术人员和企业决策者的专用平台，GIS与其他系统的综合应用以及面向更广泛的普通用户群体开始体现GIS的价值。自来水公司采用C/S和B/S等结构，以GIS为基础，整合SCADA、OA、GPS、CIS、CRM、收费管理系统、工程管理信息系统和一些信息子系统，形成统一的公共信息管理平台，实现供水公司管网和业务管理规范化、自动化、科学化。
3 目前供水管网GIS的特点
目前，在国内供水公司信息化建设过程中，都是采用系统的思想、整个的方法和资源平衡的原则；以GIS为基础，按照信息化项目的要求和规律来建设。供水管网GIS的建设的要求和做法如下：
3．1 系统设计原则
供水管网GIS的系统设计原则，遵循软件行业规范设计，充分考虑先进性、实用性、安全性、可扩展性几方面，系统采用先进的主流软件技术，在数据安全性的设计上，采取限定数据使用权限、定义用户级别等措施保证数据的安全性；在系统可扩展能力上，采用系统结构的优化设计以及灵活的数据库系统，使各功能模块在相互关联的基础上尽可能独立操作运行。保证系统能随着软件的升级而不断更新版本或扩充功能。
3．2 系统主要特点
实现供水管网信息在供水集团共享，保证信息一致性、唯一性和及时性：使有关部门在信息端口即可查询有关信息。
实现通用GIS的基本功能，可根据GPS、图号、地名、调压站、闸井、工程号、坐标定位、查询、统计和分析等。
实现与SCADA监控系统等相关系统的连接，可实时查看当前数据和查阅历史数据。
实现与仿真系统的连接，动态产生仿真需要的图形及属性信息。
接受GPS卫星信号，定位或跟踪指挥车、检测车等的运行。
支持协同作业、C／S、B/S、Internet四种国际标准运行体系结构。
具有海量数据处理能力，支持国际上流行的海量数据处理方式；工程图形方式及空间数据库存储方式均能满足数据海量存储要求；同时将GIS图形、属性、影像等数据统一存贮在大型空间型数据库中，实现高效处理海量数据和数据共享的目的。
综合查询功能包括很多内容，其中对管网管理非常有用的包括：按照管线类型(超高压、高压、中压和低压)、按照设备类型(变径、转换、套管、遥控阀门、闸井、合槽井、凝水器，调压站、绝缘接头、阴极保护)、按照管理区域、按照供水状态、按照时间设置进行多种组合的数据查询，灵活方便。
支持三维模型查看技术，可动态生成管网三维效果图。
强大的数据维护和通讯系统，保证数据的实时性，使系统运行更加稳定，系统数据更加安全可靠。
多种数据输出和导入格式及强大的打印输出模式，可满足不同用户的要求。
3．3 系统体系结构
整个系统以B/S和C/S结构相结合，以数据库服务器为中心，系统结构能够实现数据异地备份和实时备份，保证系统数据安全性的目的，又满足了服务器负载平衡的要求，最大限度的确保系统运行的稳定性和系统性能，保证系统的可用性和开放性。
按照信息系统使用要求和功能，在GIS部分，将系统在物理上分成几个相对独立的子系统，即数据录入系统、网络系统、单机数据查询子系统、WEB数据查询系统、数据维护系统和数据通讯系统。数据录入系统主要完成地理信息系统的地形数据、管网数据及属性数据等新增数据的录入及对已有数据的维护。网络系统和单机数据查询系统实现局域网区域内用户对局域网中心数据库地理信息数据的查询、统计和分析操作，单机用户对本机内地理信息数据的查询、统计和分析操作。 Web数据查询系统通过浏览器方式查询用户关心的地理信息数据，能实现管网数据的一般查询和统计、分析功能，由于客户端除浏览器外不需要额外的插件，降低了系统投资。
在物理上，录入系统和查询系统是分开的，可以设立多个数据中心，同时支持单机版的数据查询系统，通讯系统通过数据抽取更新和数据同步等方式，保证各数据中心、单机终端间数据的一致性、完整性和实时性，将录入系统和查询系统分开为多中心的建立创造了条件，同时可以确保基础数据的一致性和唯一性。
4 供水管网GIS在供水公司发挥的作用
4．1 应急抢险指挥
GIS的空间分析、网络分析还可应用在管网事故抢修决策方面。如在管网事故紧急抢修时，可以采用GIS与GPS相结合，通过GPS系统准确获取抢修的地面位置，并将数据实时传送给GIS，可以快速确定故障区域，协助抢险人员分析事故的影响范围和影响程度，生成抢修方案，有效实施抢修作业。与传统的事故处理相比，上述技术方案充分显示出现代信息技术高效率的优势。
4．2 管网腐蚀控制信息管理
在管网管理信息系统的平台上建立管网腐蚀控制管理信息系统，完善于埋地管网腐蚀案例库，积累大量的工程信息和相关环境基础数据信息，实现工程信息分析，标准规范实用性选择，腐蚀控制方案评价选择，阴极保护系统设计分析，设计结果输出和系统运行结果预测等一系列内容。
4．3 综合调度
供水调度指挥系统也是建立在GIS平台之上，例如：当需要进行调压站压力调整时，需要根据地理信息系统察看调压可能影响到的区域范围和用户量；当出现保管或漏水事故时，可以利用管网管理信息系统的事故分析功能，分析事故可能的影响范围，以及为了控制事故的扩展需要关闭的阀门和采取的措施：在进行管网仿真时，需要管网管理信息系统提供最基本的管网拓扑信息和属性信息，仿真管段和节点的压力和流量情况，还可从GIS的属性数据库中提取有关高峰系数、用水量历史记录等基础数据，通过编制计算程序，进行管网工况参数及用水负荷分析等。
4．4 固定资产数据管理
传统的固定资产管理方式是以管理单位为单元，按照管理区域分门别类的将各种管线和设备的详细信息保存在数据库表中，实现了固定资产的数字化管理，并能生成各种统计和查询表格，以及报警、调拨和报废信息等。通过与管网管理信息系统相结合，实现了固定资产的图形化管理，具体增强的功能包括：
通过在图形中指定某个调压站或管线，可以查询到该管线或调压站的详细信息，井能确定其所属的单位等。
通过在图形中直观画出区域范围，可以综合显示该区域的固定资产状况，并形成固定资产统计报告。
在按照预定规则自动整理出需要进行状况报警的固定资产设备时，可以在图上高亮显示出现报警的管线设备，并同时察看周围的管线情况。
可以按区域方便的进行固定资产划拨等。
4．5 管网运行
管网管理信息系统最早的应用就是在管网运行上，可以为管网运行提供最基本的管网分布基本信息，帮助运行人员了解自己管辖范围内的管线的详细情况，可以根据管网管理信息系统的动态栓点功能精确定位特定的管线、闸井和调压站设备等。随着管网管理信息系统的不断发展，其在管网运行中的作用也越来越重要，将管网管理信息系统与巡检系统相结合，可以跟踪巡检人员每天巡检路线，确保管网运行更加安全可靠。
5 当前供水管网GIS存在的问题及展望
目前，国内部分自来水公司供水管网GIS无论在功能上还是结构上都达到了国际领先的水平，在将来的使用过程当中，要在以下两个方面对系统进行逐步的完善和扩展。
5．1 完善系统管线设备的基本属性信息数据，最大限度延伸系统应用范围
由于一些自来水公司的历史原因，当前的供水GIS的数据还存在缺陷，不准确的问题。有很多以前的老旧管线没有基础资料，而且当时由于管线测量单位较多，测量格式不统一造成的错误多，以及由于信息不畅、管理流程不清等原因造成的管线压力不符、设施名称不统一等实际问题，还需要经过大量的补测及更新工作来逐步完善。另一方面，供水GIS只停留在对管线基本运行信息和几何信息的管理上，而在理论上，系统可以管理与管线设备相关的所有信息，并且，系统已经为这部分信息的扩充预留了接口，因此，需要公司与其他分公司或业务部门配合，完成基础信息的搜集与整理工作，最大限度的保证系统数据的完整性和可用性，扩大系统的可用性。
5．2 更新现有的地形图，完善信息管理的各种业务流程
图库中新地形严重缺乏，现有的地形图已不能满足现代化城市的飞速发展，造成新测管线缺乏地形依据。另外，图库中旧地形大部分是扫描录入的，由于纸质图纸存放时间长，纸张有伸缩，扫描数据化后造成地形与实际位置不一致。下一步准备组织人员进行弥补，对还没有参照物的供水管线，组织测量人员进行现场补测，包括公路、楼房等永久性建筑物；加强图档系统管理，理顺信息反馈流程，着力解决压力级别及切、接线等环节的信息反馈不畅等问题；建立工程的全程控制系统，从设计、施工到最后竣工的资料归档，都有严格的信息反馈制度；图档管理部门还应和管网所密切配合，逐步解决系统中存在各种问题。
6 结语
供水管网系统是GIS的一个较新的应用领域，在数据采集的广度和深度方面，在数学分析模型的建立与开发方面，在系统功能的扩充方面等，都有很大的可塑性。供水公司的生产经营目标也在不断的提高，不断的更新进步，让管网系统更好的在生产运营管理上应用的更好。