城市市政管网信息管理和监控系统.doc
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城市市政管网
信息管理与监控系统
目录
1. 系统简介 3
2. 系统概述 4
2.1系统架构 4
2.2系统整体定位 6
2.3与外部系统的交互 8
2.3.1实时状态监控子系统 8
2.3.2预警和紧急制动系统 9
2.3.3数据分析、预测处理和决策系统接口 9
2.4实现技术 10
3. 城市市政管网信息管理与监控系统信息模型 11
3.1.数据模型 11
3.1.1.概念模型 11
3.1.2.层次模型 12
3.1.3.物理模型 12
3.2.数据组织 12
3.2.1.数据分类 12
3.2.2.空间属性与属性数据的关联 13
3.2.3.数据结构 13
3.2.4.访问管理和审计 14
3.2.5.数据索引 14
4. 城市市政管网信息管理与监控系统功能 14
4.1信息管理 14
4.1.1数据采集 14
4.1.2数据整理 14
4.1.3数据录入 15
4.1.4数据管理与更新 15
4.1.5查询/浏览 15
4.1.6系统输出 17
4.2监控 18
4.2.1数据源定位 18
4.2.2远程数据实时显示 19
4.2.3预警 19
4.2.4统计分析 19
4.2.5报表制作 21
4.2.6数据保存 21
4.2.7.在线设置 21
4.2.8.实时数据传输 21
4.2.8.三维可视化 21
4.3.信息管理与监控 22
1.系统简介
地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是城市建设、规划和管理的重要基础信息。
它就像人体内的“神经”和“血管”，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。
城市的飞速发展对地下管网设施的管理提出了高标准的要求，建立市政管网地理信息系统，实现给水、排水、燃气、供电四类主要管网规划设计、输配管理、图档管理、抢修辅助决策及综合查询、统计等项工作的科学化、自动化，已迫在眉睫。
本系统适应现代化城市、数字化城市建设的需要，在国家宏观科技研究规划方针指引下，立足实际，充分分析实际管线信息管理及可视化动态管理需求，研究该领域国内、外先进技术，对地下管线网络制定统一的数据标准进行系统信息模型设计和系统功能设计，实现各类专业管线多种信息采集、输入、存储、编辑、配置、三维可视化浏览、鹰眼图浏览、查询、动态更新及各类专题图可视化动态输出的统一管理。
另一方面，由于管线用途的特殊性和复杂性，其布设遍及地下、空中、水下等，只有通过三维方式才能够真是反映其空间位置关系。
本系统在传统的市政管线管理基础上，应用先进的GIS空间数据库、空间分析、管网探测技术和三维可视化技术，研究在多数据库系统上，构架分布式GIS空间数据库系统，并以此为基础提供基于管线数据的分布、走向、埋深等信息实时的空间分析和三维可视化功能。
为给水、排水、燃气、供电地下管线勘探、施工、维护和管理提供信息支持。
提高城市市政管网信息管理水平，使市政管网管理水平步入规范化、自动化、科学化的轨道。
2.系统概述
2.1系统架构
市政管线网络拓扑图如图2-1所示，由接入网、传输网、应用网，片级采集－区级汇总－市级应用三层组成。
给水、排水、燃气、供热管线信息由采集点获取，经不同的传输方式（如电缆、GPRS、CDMA1x等）汇聚到各片区的专业管网信息采集站。
各专业采集站将管线信息经由有线电缆或光缆方式传输到IP主干网，在IP网中进行信息的传输，后由应用层各种应用服务器处理专业管线数据，对管线数据进行实时监控、可视化、空间分析、三维展示等。
应用网通过高速以太网接入IP主干网，由各专业应用服务器和综合服务器向用户提供服务。
用户使用各种终端设备（如监视器、PC机、绘图仪等）接入以太网，对管网信息进行全面监测分析。
图2 1：
市政管线网络拓扑图
针对系统的种种需求，我们设计了如图2-2所示的框架，并依照该框架完成了对框架内容的充实，最终实现了系统。
图2 2：
系统框架图
本系统中主要实现了以下关键技术：
1）数据采集层技术：
针对各管网对象采集数据的特点制定不同的数据采集接口规范；
2）数据存储层技术：
实现各管网各类数据的存储组织模型；
3）数据集成访问服务层技术：
实现各管网分布式存储的数据的逻辑统一融合，基于元数据的目录服务是其中关键技术。
4）应用支撑平台层技术：
实现基于管网信息的各应用系统公共功能组件，为系统应用层提供组件功能服务；
5）业务逻辑映射层：
根据应用需求配置服务组件；
6）应用系统层技术：
实现各个子系统间的信息、功能集成技术；
管网监控系统、管网预警系统、管网信息管理系统作为系统的三个应用子系统，分布在应用服务器上。
应用服务器接收客户端发送的服务请求，获取数据库服务器上的相应数据执行业务，并响应客户端的请求。
数据接口服务器部署了本系统与外部系统的各种接口。
在与外部应用系统连接后，接收外部系统的数据请求，向其提供业务运行的数据。
数据库服务器上部署了采集数据接口，定时向数据采集服务器请求即时数据，传递给监控子系统；并记录到历史数据库。
图2 3：
系统部署图
2.2系统定位
系统对城市的给水、排水、燃气、供热管线信息进行管理并进行可视化监控管理。
本系统在整个城市市政管理相关部门其他系统的相互关系如下图所示：
图2 4：
系统边界图
在系统运作中，外部系统通过本系统提供的接口，对城市管网的监控和分析业务提供数据和处理能力上的支持：
l外部分析系统为系统提供分析能力支持，在系统原有的分析基础上对系统的分析能力进行外部扩充。
l外部决策系统为系统提供决策能力支持，在对系统进行分析的基础上执行决策支撑，在系统原有的决策支撑基础上对系统的决策支撑能力进行外部扩充。
l外部预测系统为系统提供预测能力支持，对管网的运行情况进行预测，如爆管预测，故障影响范围预测等，引入外部最新预测信息预测。
l数据采集服务器，采集远端各级采集点的管网信息进行分析处理后存储到响应的数据库服务器中。
2.3与外部系统的交互
为了使系统能够在系统部署和运作中，充分利用现有的数据和硬件资源以及外部系统，并使整个系统具有良好的可扩展性，
通过设置各种应用接口，市政管网信息管理与监控系统与实时数据采集等外围系统之间进行了良好的衔接，并预留了与预测、分析及决策系统的接口。
l系统与外部环境相互独立，部署灵活且可靠性高。
l便于实施各种安全策略。
l充分使用现有资源和系统。
l预留应用接口，提高系统的可扩展性。
2.3.1实时状态监控子系统
市政管网的基本数据，如管线分布、地理环境、管线基本属性等，都存储在系统的数据库中。
但在监控子系统中，数据的实时性要求高，且变化频繁，这些数据的获取要借助外部系统来完成，即与管网监测点的实时采集数据进行接口。
实时系统是市政管网信息管理与监控系统的重要数据来源，它可以提供管网实时运行状态的有关数据，是管理部门对管网工作状况进行监管的主要手段，也是管网系统评价与规划的重要依据。
与实时系统的连接有三种方式：
1）实时系统直接进行WEB发布；2）访问实时运行数据库；3）通过应用系统，与实时系统进行通讯。
在本系统的实施中，管网中的监测点和采集点通过数据采集服务器统一管理和交互，基于以上情况，本系统中实现了与数据采集服务单元的接口来实现实时数据的获取。
市政管网信息管理与监控系统与外部实时数据采集单元的交互业务流程如图2-5所示：
图2 5：
采集交互业务流程图
2.3.2预警和紧急制动系统
在意外事故或紧急情况发生后，监控系统捕获事件，向用户反映。
同时，预警系统会启动事故地点附近的预警指示设备（故障灯等），并根据预先设定的策略执行关闭事故管段，进行分流等基本的紧急措施，防止损失的扩大。
为了实现以上的动作流程，本系统中实现了与管段中控单元的接口，通过此接口来发出预警指示并采取基本紧急措施。
图2-6描述了一次事故发生时系统的处理流程：
图2 6：
事故处理流程图
2.3.3数据分析、预测处理和决策系统接口
市政管网信息管理与监控系统本身具有了较强的数据分析和预测能力。
但为了适应将来可能出现的变化和新需求，系统实现了数据处理接口，可以将系统中记录的历史数据传送到外部应用系统进行挖掘和决策等操作。
图2 7：
外部接口图
2.4实现技术
系统运行中的动作由事件触发。
用户操作、管网状态更新等事件触发系统的各种动作，进行相应的业务处理。
系统采用了客户端/服务器架构（C/S）进行部署，用户在个人终端上通过客户端程序（Client）借助高速以太网访问系统，使用系统提供的服务。
服务器端使用J2EE技术构建，分为三层结构（详见图2-3）：
l应用服务器：
使用单一的高性能服务器节点构建，直接面向用户提供服务，接受用户的操作请求，将用户的操作事件传送给下一层的业务处理服务器；同时将业务处理服务器的监控状态、操作结果等信息反馈给客户端程序前的用户。
l业务处理服务器：
城市市政管网信息管理与监控系统的核心处理单元，使用高性能服务器构建。
业务处理服务器上部署了城市市政管网监控、管理和分析等子系统，接受并响应应用服务器传来的用户请求；并把从数据服务获得的数据分析加工，以监控状态和管理信息等形式提供给应用服务器使用。
同时，业务处理服务器还提供了数据采集、数据分析决策处理等面向其他外部系统的接口。
l数据服务：
城市市政管网信息管理与监控系统的数据来源和数据存储单元。
数据服务器分为管网数据库和历史数据库两部分，前者存储管网的基本信息和属性，后者存储过时的管网状态信息以供分析之用。
考虑到现有管网数据库分散和异构的现状，管网数据库采用分布式数据库结构进行数据存储，部署上使用多台高性能数据库服务器实现；历史数据库采用单一数据库服务节点进行存储服务，并定期将数据增量式存入其他介质的存储系统（如磁带机）。
为保障管网信息的安全和系统可靠运转，系统中采用了一台相同配置的高性能服务器对业务处理服务器进行热备份，在故障发生时第一时间进行切换，确保将故障影响降到最低。
3.城市市政管网信息管理与监控系统信息模型
市政管网管理系统的管网数据采用数据库进行存储。
具体实现采用扩展关系存储方式，在本系统中使用了ArcSDE+Oracle方式。
该方式通过在标准RDBMS中增加一个空间数据管理层，使得GIS软件的空间数据管理能直接基于RDBMS进行。
与传统的混合式等存储方式相比，扩展关系存储方式采用SDE作为GIS应用程序与RDBMS的连接层，是目前较为成熟的空间数据集成式管理方式。
从空间数据库管理的角度来看，ArcSDE可以看成是一个连续的空间数据模型，借助这一模型将空间数据加入到RDBMS中去。
图3 1：
ArcSDE体系结构示意图
3.1.数据模型
3.1.1.概念模型
综合地下管线的概念模型是独立于具体的计算机系统之外的实体——关系模型。
概念模型的对象实体是埋设于地下的各种类型的管线和管道，包含权属单位、位置、埋深等几十类属性，赋予标识码和对象实体之间的联系。
3.1.2.层次模型
综合地下管线的层次模型是将地下管线和相关的空间数据，以有向有序的树状结构按自然的层次关系组织起来，反映了不同类型数据之间的相互关系。
由于地下管线数据库的数据量非常巨大，且包含了海量空间数据，为了实现多途径快速检索和数据分析，我们采用了数据分层存放和分层管理。
分层的原则是：
地下管线的点、线和注记按照不同的类别（但是不按权属单位）进行分层，分别组织;基础空间数据以背景信息方式进行管理;历史数据和现状数据分开存储;与数据检索密切相关的道路信息和地名信息分别单独成层管理。
3.1.3.物理模型
地下管线数据库的物理模型是逻辑层的基础，主要说明空间数据库的存储机制和储存方式。
地下管线数据库的逻辑层次是:
数据库→子库→图层→空间实体，按照GeoDatabase的标准，通过物理模型GeoDatabase→要素集→要素类→要素在ArcSDE中加以实现。
3.2.数据组织
市政管网管理系统主要用于展现、监控和管理地下管线要素信息，包含基础地理信息、规划和现状道路信息、地名信息和影像数据等信息。
参照业界先进的解决方案，地下管线数据库数据组织采用了功能强大和良好伸缩的Oracle10g作为数据库平台，使用ArcSDE的GeoDatabase空间数据模型，实现图形和属性一体化保存。
3.2.1.数据分类
管网系统的数据包含空间数据与属性数据两大类。
为了方便数据管理，加快检索速度，系统采用了管网按类型分层存放，如图1所示。
空间数据主要是与各类管线有关的图形数据，包括地形图，各类管线图等。
属性数据主要是与空间信息密切相关的地理特征信息及描述信息，如管点平面位置、管线走向、埋深、管点高程、规格、性质、材质、管径、类型等。
图3 2：
城市管网管理系统数据库结构图
3.2.2.空间属性与属性数据的关联
在GIS系统中，空间数据是构成整个系统的骨架，属性数据则是依附于其上的重要内容数据。
为了实现从空间到属性及从属性到空间的双向操作，本系统中通过空间数据表与属性数据表中的公共标识符来实现两者的联系。
3.2.3.数据结构
为了实现地下管线的逻辑组织，实现数据与实体的对应，在本系统的数据结构设计中相应地增加了记录字段，通过算法实现数据建库、分析和重构，使数据入库时即可实现测绘图幅接边的自动处理，实现地下管线逻辑线的自动重组、数据监理的自动进行和数据智能化处理。
本系统的数据结构采取空间数据库与成果数据库相结合建库的方式，首先将原有各个管网管理系统的成果数据进行入库保存，采取批量入库或更新入库的方式，实现数据的大规模建库，并在此基础上在后台建立了历史数据库实现了地下管线的动态更新。
本系统的数据结构实现了地下管线数据的无缝连接，消除了传统的图幅概念;其数据组织方式更符合地下管线的实际状态，而且兼容传统的“两点一线”模式，大大降低了使用者的专业知识门槛；同时极大地减少了数据的冗余，从而提高了数据检索的效率和速度；在不改变实际的数据采集方式前提下，新的数据结构大大减少了历史数据库的数据冗余，减轻了数据存储空间的压力和数据备份的安全问题，而且为地下管线竣工测量的实施及数据入库提供了与初始建库完全一致的接口。
3.2.4.访问管理和审计
为了防止浪费宝贵的系统资源，实现合理存储，提高查询检索效率。
数据库系统通过Oracle平台同时监控会话级和调用级活动，限制不合理的并行会话，减少会话空闲时间；实现了数据库容量的自动调整；通过监控和记录用户的数据库活动，实现SQL语句审计、链接审计、系统特权的审计和语句审计。
3.2.5.数据索引
为了分别加快检索、查询和分析的速度，对数据表建立了空间索引。
4.城市市政管网信息管理与监控系统功能
4.1信息管理
4.1.1数据采集
利用专业管线权属单位已有资料，在提供现况调绘图的基础上，
1、布设管线测量控制网，（包括平面控制网和高程控制网），为测定管线点的准确位置提供平面和高程起算坐标。
2、采用物探方法探测20余种管线的地下位置，同时采集管线的属性数据。
3、测定近30万点各类管线点的平面坐标和高程，为精确描绘管线的空间位置提供准确的数据。
4、测绘1:
500带状地形图1500多幅，为编制综合管线图和各种专业管线图提供清晰、准确的地形图背景。
4.1.2数据整理
将覆盖城市建成区的各类地下主干管线按统一标准完成数字化探测采集，建立地下管线数据库，建立管线信息管理系统。
根据管线的类别、规格、所在位置、道路名称等多种方式对地下管线进行存储、管理、检索、查询和输出。
1、把采集来的供水、排水、煤气、电力管网和设施信息按照统一的数据格式进行整合、叠加，形成面向市政综合管理的专题空间数据库。
2、统一信息的格式、空间参照、样式、图例；统一数据的分类和编码标准
4.1.3数据录入
下面选取几个本系统典型的录入方式进行说明：
测绘数据录入
顺序输入通过测绘手段得到的某段管线起止位置的精确坐标值，可以将新的管线信息输入到系统数据库中，再输入管点位置坐标和另段管线的坐标则可以添加整条管线的信息。
GPS数据转入
GPS已经成为精确测绘的重要工具，本系统可以对通用的GPS数据作相应的处理，使其成为管网数据库可读的管网信息文件，用户可以将用GPS仪器采集的数据直接录入管网数据库。
如图所示：
图4 1：
数据导入界面
数据文件录入
数据文件录入将本系统识别格式数据文件作为管道的原始坐标进行录入。
4.1.4数据管理与更新
对管网信息进行有序化管理，方便有效的对管网信息进行日常维护、动态修改与定期更新。
可快速、准确、直观的进行管网信息的双向检索与查询，进行各种编辑工作与统计分析，为管理和设计提供准确而详细的数据。
4.1.5查询/浏览
4.1.5.1普通浏览功能
图4 2：
浏览界面
用户可以对管网界面进行各种查看操作，包括放大，缩小，平移，刷新信息等各种操作。
另外可以查看某段管道的属性：
用鼠标选中一段管网，单击右键，在弹出的菜单中选定“查看属性”，系统会出现“地物属性”对话框，显示和此管道相关的各个字段信息。
如果是给水管道上的某点，将包括“管线点点号”、“管线点类别”、“管线点平面坐标”、“管线点地面坐标”、“管线点管顶（底）高程”、“管径或断面尺寸”、“水压”等属性信息。
5.1.5.2鹰眼图浏览功能
本系统实现鹰眼图，用户可以通过界面左下角的二维整体图查看城市的管线分布情况，并可以选择特定地点快速定位到关注区，同时在中间的主图上会显示选中地区管线图。
当地图中显示的范围不是全图时，鹰眼窗口会将当前显示范围以红色矩形表示出来，如图所示，当对地图进行如下操作时，地图的当前显示范围会发生改变，相应的，红色矩形的位置和大小也会随之改变；放大、缩小、平移、上一视图、下一视图、全图显示、缩放到当前层和鼠标拖动红色矩形等。
可以拖动红色矩形到需要察看的位置，地图也会相应变化到指定显示范围。
图4 3：
鹰眼图
4.1.5.3查询功能
系统提供两种简单查询：
基于地图上图形的查询和基于属性名称的查询。
另外系统还提供高级查询。
高级SQL查询适用于管网信息系统的高级用户，通过写入SQL语句的查询条件进行管道信息的查询，可以使用逻辑运算符“AND”和“OR”来设置比较复杂的查询条件。
4.1.6系统输出
本系统可对基本数据内容及满足一定条件的查询结果完成屏幕显示、存盘、绘图仪/打印机输出和数据转换工作，并满足现行图例标准。
可对管网图进行任意分幅、裁剪与切割。
一、区域打印
在地图视图区域用鼠标拖动选择一个矩形框作为打印区域，就可以将选定的区域进行打印操作了。
二、图片输出
系统实现了将管道信息以各种图形的方式保存，比如，jpg，bmp，gif，png等。
三、页面设置和打印设置
因需要配合打印功能，特设计了页面设置和打印设置两功能，对打印进行调整，使打印效果达到最佳。
四、制作报表
可以制作各种统计报表，并进行打印，报表格式和EXCEL兼容。
五、Excel文件输出
由于报表采用和EXCEL兼容的格式，所以可以很容易的导出为EXCEL文件。
4.2监控
默认系统处于浏览状态而不是监控状态,当需要对某些数据进行实时监控时,可以手工进入监控状态,目的是将实时传输到的数据进行实时显示（由于整体数据量太大而只能对部分数据源实时监控）。
系统可以随时从浏览状态进入监控状态，可以在监控状态中切换监控数据源，也可以随时退出监控状态。
图4 4：
监控界面
该系统具有如下功能：
远程数据实时显示、数据保存、数据源定位、报警、在线设置、报表的制作等。
4.2.1数据源定位
提供两种数据源定位方式：
可以从左边的树状结构中分级查找，定位到所要查看的数据源；也可以从系统提供的查询功能中输入查询数据源来定位。
定位到数据源后系统直接连接到该数据源所对应的数据库进行数据实时显示。
4.2.2远程数据实时显示
对于监控的数据源为数据测量的，监控时使用的是实时数据显示，并同时显示各种指标分析。
数据刷新的最小间隔为0.5秒。
对于监控的数据源为图像拍摄的，监控时使用的是实时图像显示，由图像的快速切换，产生动态实时监控效果。
定位的数据源实时显示其运行情况，点击可以查看其属性信息；也可以指定某属性（压力、水力、热力等）进行实时显示，分析其运行情况。
4.2.3预警
本系统可以辅助处理紧急事故，如煤气泄漏、给水管破裂、供电线发生火灾以及其他意外灾害造成的地下管线的破坏。
当管网发生紧急事故时，不管系统是处于浏览状态还是监控状态，系统都会弹出对话框提醒用户该事故需要处理，同时发出可闻的告警声。
故障时监控系统中的树状结构中该数据源及其所有上级目录都会显示红色提示，便于定位。
故障提示信息实时显示最新报警信息，点击可以查看详细信息，也可以查询相关的历史告警信息。
通过信息系统的快速查询和空间分析功能，动态显示受影响的范围，快速制定抢险方案，如应关闭哪些阀门、切断哪一处电源。
4.2.4统计分析
4.2.4.1普通分析
系统可生成用户所需要的各种数字化分析产品，提供管网应用的各种分析功能：
1、爆管分析，影响用户分析，纵/横剖面分析，垂距分析；
2、预警分析，最短路径分析，连通性分析等；
3、专题图分析，管线空间关系分析。
专题图的图示，系统可让用户根据需要输入参数生成各种专题图，如，范围专题图、条状专题图、饼状专题图、分级符号专题图、点密度专题图、个别值专题图、自动生成专题图。
图4 5：
条状主题图
图4 6：
饼状主题图
纵横断面：
图4 7：
纵横断面
4.2.4.1管网建设辅助设计分析功能
当城市规划需要在某地新加一条管线时，可以通过本系统的管网辅助设计工具添加，删除管线管点及其属性信息，模拟铺设管线的情况，做出分析，并列出选定区域内其他管线的分布情况的统计信息；同时提供可视化的三维直观查看功能，让用户实现模拟直接到现场挖开地面看管道的场景。
4.2.5报表制作
对监控数据可以生成报表和分析曲线。
运行情况分析：
分析在某一段运行期间各数据源的压力、流量等数据。
故障情况分析：
分析故障发生时的数据源的运行情况，分析故障影响范围、用户数，故障时间等。
4.2.6数据保存
对数据记录一个开始保存时间和结束保存时间，可以保存该数据源的实时数据，便于以后的重放。
4.2.7.在线设置
可以通过系统对监控设备进行设置，比如运行检测，开机关机，实时数据传输设置等，能够远程控制监控设备的状态，以便对监控瑟堡进行管理。
4.2.8.实时数据传输
服务器上采用类似UNIX上的demon服务协议进行实时监听，专门有一个进程在服务端进行listen，每当有一个客户端数据源需要连接服务器的时候系统就另起一个进程进行实际的资源分配和数据传输，原有的监听进程仍然继续listen。
监听进程只起一个中转的作用。
客户端和服务端连接之后，数据源的数据源源不断的流向数据接口服务器传输协议采用RTP（实时数据传输协议），由接口服务将数据存入数据库。
4.2.8.三维可视化
用三维方式全面的反映地下管网的现状，包括各类管线的空间位置、分布及其相互关系。
在同一地点可以拖动鼠标转动主图界面旋转180度的视角，向上可以查看管线对应地面上的建筑物和道路情况。
向下可以查看管线周围的分布情况。
另外，鉴于城市地下管网种类多，布线复杂，用户可以选择显示关注的管道种类，如只显示自来水管道，而不显示其他的管道。
这样看起来非常清晰不受干扰。
4.3.信息管理与监控
本系统的监控子系统和信息管理子系统通过空间数据库紧密联系。
数据采集模块收集到的大量信息经过信息管理系统的过滤整理存入数据库中，提
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