基于ＧＩＳ＿ＧＰＳ＿ＧＳＭ和ＧＰＲＳ的某市機井管理信息系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

張文杰

摘要：利用計算機、通信及自動化控制技術(shù)實現(xiàn)機井的自動監(jiān)測，是目前水利信息化發(fā)展的核心內(nèi)容，也是實現(xiàn)水資源合理利用的重要技術(shù)手段。項目研制開發(fā)的機井管理信息系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)及組態(tài)軟件與商用數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，綜合利用GPS、GSM、GPRS網(wǎng)絡(luò)以及GIS技術(shù)，實現(xiàn)了重要參數(shù)的實時顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲、遠程通信及水泵優(yōu)化調(diào)節(jié)控制運行等重要功能，達到了水源井自動監(jiān)測控制的目的。該系統(tǒng)的實際應(yīng)用解決了人工調(diào)度管理和具體現(xiàn)場操作存在的多種弊端，對合理開發(fā)利用地下水、實現(xiàn)機井泵站的優(yōu)化運行具有積極意義。

關(guān)鍵詞：GISGPSGSMGPRS機井管理信息系統(tǒng)

1應(yīng)用技術(shù)

該機井管理信息系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)手段非常多，主要包括地理信息技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、全球移動通訊系統(tǒng)、通用分組無線業(yè)務(wù)、地圖匹配和最短路徑算法等。

地理信息系統(tǒng)，簡稱GIS，是在計算機軟件和硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。它的基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、檢驗與編輯；數(shù)據(jù)操作；數(shù)據(jù)的存儲與組織；查詢、檢索、統(tǒng)計、計算功能；空間分析功能；顯示等。其中空間查詢與空間分析是GIS的核心，它包括拓撲空間查詢、緩沖區(qū)分析和迭加分析等。

采用先進的GPS、GSM、GPRS技術(shù)并結(jié)合GIS的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，集計算機、通信、機電、自動控制等多種先進技術(shù)于一體，成功實現(xiàn)了對無線分布式系統(tǒng)的實時監(jiān)控管理和靈活部署，解決了傳統(tǒng)機井管理因沒有通訊功能而無法實現(xiàn)集中監(jiān)控的問題，提高了無線系統(tǒng)的運行質(zhì)量，增強了無線的可靠性和可控性，并能夠及時發(fā)現(xiàn)定位無線系統(tǒng)故障和獲取相應(yīng)參數(shù)。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)設(shè)計目標該機井管理信息系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)需求分析，主要用于支持各地水務(wù)部門完成機井管理工作。系統(tǒng)達到如下目標：高效率地對機井屬性庫進行日常管理，主要包括基于GPS、GSM和GPRS技術(shù)的機井?dāng)?shù)據(jù)采集、錄入、瀏覽、查詢、編輯、更新、備份與恢復(fù)等，同時對不同的用戶設(shè)置不同的權(quán)限；從空間上對機井?dāng)?shù)據(jù)進行可視化管理，支持空間分析與查詢，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)與屬性庫的自由通訊，同時支持相關(guān)專題分析，生成各種機井分布圖、機井密度圖，開采層位分布圖等圖件；自動生成各種統(tǒng)計報表及其輸出：支持C／S(Client／Server)模式網(wǎng)絡(luò)運行。

2.2系統(tǒng)設(shè)計原則

2.2.1系統(tǒng)性與實用性原則

系統(tǒng)將各子系統(tǒng)有機結(jié)合成為一個整體，各種參數(shù)可以互相進行傳輸，并要求在系統(tǒng)的功能設(shè)計、數(shù)據(jù)的管理與規(guī)范方面以滿足實際需要為原則。

2.2.2可擴充性與可移植性原則在系統(tǒng)的設(shè)計中采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，其特點是各模塊的獨立性較強，便于系統(tǒng)的改進、擴充和移植，從而可以使系統(tǒng)處于不斷的完善過程中。

2.2.3開放性與標準化原則網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下利于信息的傳播和數(shù)據(jù)的共享，因此將系統(tǒng)設(shè)計為基于GIS技術(shù)下C／S結(jié)構(gòu)的管理系統(tǒng)，并為之設(shè)計一個基于B／S結(jié)構(gòu)的Web信息發(fā)布系統(tǒng)。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為系統(tǒng)管理、屬性庫管理、圖形庫管理、統(tǒng)計與報表、幫助與說明、信息發(fā)布等六部分，其中信息發(fā)布模塊是一個獨立模塊。各模塊分別采用不同的軟件開發(fā)設(shè)計，不同模塊之間可以互相調(diào)用。

2.3.1系統(tǒng)方案流程(見圖1)

2.3.2系統(tǒng)工作原理簡單而言，該系統(tǒng)是一個以GPS為信息定位手段，GSM、GPRS為信息傳遞手段，GIS為信息表達手段的對機井水資源實施監(jiān)控調(diào)度的系統(tǒng)。安裝在機井上的GPS終端根據(jù)收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算出機井的信息，通過GSM無線信道以短消息SMS方式發(fā)往監(jiān)控調(diào)度中心。中心解碼后，通過后臺數(shù)據(jù)庫將機井編號與終端上的SIM號碼——對應(yīng)，在監(jiān)控調(diào)度中心的GIS電子地圖上顯示出位置，并把收集到的數(shù)據(jù)在保存到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的位置，以保證各個模塊對數(shù)據(jù)的需求。

機井管理系統(tǒng)主要由采集控制模塊、GPS終端、GPRS模塊、GSM模塊傳輸網(wǎng)絡(luò)(GPRS網(wǎng)和公共數(shù)據(jù)網(wǎng))以及

監(jiān)控中心組成。此外在采集控制部分和監(jiān)控中心中都應(yīng)該包含相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理模塊，滿足數(shù)據(jù)安全性的要求。最關(guān)鍵的監(jiān)控終端是臨時存儲，以備網(wǎng)絡(luò)中斷或監(jiān)控中心故障時不致丟失數(shù)據(jù)。其中監(jiān)控中心可根據(jù)實際需求，擴展成多級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并且一個一級監(jiān)控中心可同時管理幾個二級監(jiān)控中心。

其中，采集控制模塊主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備(內(nèi)置帶TC P／IP協(xié)議的單片機)、控制設(shè)備、以及數(shù)據(jù)采集程序、照明控制程序、遠程通信程序等軟硬件組成。

GPRS、GSM模塊是一個GPRS、GSM網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，它可以通過諸如RS232串口與采集控制模塊相連。

傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是指承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的GPRS、GSM網(wǎng)絡(luò)，這里是指公共數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)控中心實際上是一個局域網(wǎng)(LAN)，主要由路由器，防火墻、代理服務(wù)器、監(jiān)控臺、查詢臺、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及相應(yīng)的監(jiān)控軟件、查詢軟件和數(shù)據(jù)庫管理程序等構(gòu)成。

與采集控制模塊和監(jiān)控中心相關(guān)的數(shù)據(jù)管理模塊主要負責(zé)與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的數(shù)據(jù)存儲的實現(xiàn)，即在數(shù)據(jù)提交和數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)存儲兩兩功能點中間加一個數(shù)據(jù)暫存機制，可以一般化到采集終端和監(jiān)控中心上來。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2：

2.4系統(tǒng)模塊及功能根據(jù)上述方案，主要設(shè)計以下5個模塊：GIS地圖顯示模塊、GPS車載終端模塊、GSM／GPRS數(shù)據(jù)通訊模塊、監(jiān)控調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊。

系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3：

2.5數(shù)據(jù)庫設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)從內(nèi)容上分為地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與機井相關(guān)屬性專業(yè)數(shù)據(jù)兩部分，從數(shù)據(jù)的類型上分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩大類。

2.5.1空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫包括：全市以及所轄各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)劃圖、水文地質(zhì)圖、水系圖、道路圖等，各種空間數(shù)據(jù)按屬性分別存放在不同的圖層，在空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫之間依據(jù)地理位置以及其他輔助特性建立關(guān)聯(lián)。初始機井分布圖是通過調(diào)用屬性庫自動生成的，系統(tǒng)運行期間則通過手工和自動化相結(jié)合的方式。

2.5.2屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計所有屬性數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中由關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLServer2000統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)以表的形式存儲?？臻g地物(機井)與屬性庫的鏈接是通過唯一的標識碼(行政區(qū)劃代碼+機井順序編號)進行的。屬性數(shù)據(jù)共分為九類，設(shè)計成九張表存放在數(shù)據(jù)庫中，分別是：基礎(chǔ)情況數(shù)據(jù)、水文資料數(shù)據(jù)、井管數(shù)據(jù)、過濾管數(shù)據(jù)、配套設(shè)施數(shù)據(jù)、投資數(shù)據(jù)、效益數(shù)據(jù)、水質(zhì)分析報告資料以及機井電測曲線數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)表之間分別使用xzqh(行政區(qū)劃地址代碼)與ijsx(機井順序編號)兩個代碼組合成一個標識碼進行關(guān)聯(lián)。

2.6系統(tǒng)軟、硬件配置該機井管理信息系統(tǒng)選用MapGis作為

向量數(shù)據(jù)采集編輯工具，ArcView作為前臺圖形庫管理開發(fā)工具，選用ASP Net，Visual Basic作為前臺屬性庫管理開發(fā)工具，選用MS SQL Server作為后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。選用上述開發(fā)工具主要是基于以下幾點考慮：

2.6.1已有的矢量數(shù)據(jù)是MapGis格式數(shù)據(jù)，使用MapGis可以很方便地對其進行編輯、投影變換與拼接，并可以輸出為其它格式：

2.6.2ArcView具有很強的地理空間資料的管理和分析能力，并可以接受多種數(shù)據(jù)；它可以利用SOL調(diào)用數(shù)據(jù)庫；用戶可以根據(jù)實際情況用ArcView顯示、查詢、分析和組織數(shù)據(jù)庫；

2.6.3ArcView提供面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Avenue，用于建立符合用戶需求的圖形接口和二次開發(fā)。并且ArcView的圖形接口稍作修改就可以生成用戶的圖形接口，其中的編程量較?。?/p>

2.6.4使用ASP.Net，Visual Basic可以方便而又快速地建立強大的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序；此外，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，還使用了ARC／INFO，Maplnfo，MapGis等軟件對圖形數(shù)據(jù)進行編輯和修改。

本系統(tǒng)的硬件配置可采用滿足以上軟件環(huán)境要求的微機、工作站等。服務(wù)器配置：PentiumⅢ以上，內(nèi)存2G以上，硬盤容量大于160G；客戶端配置：Pen-tium Ⅱ以上，內(nèi)存1G以上，硬盤容量大于120G。

GPS車載臺，GPRS、GSM網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備通過串口與數(shù)據(jù)采集單片機相連。

3系統(tǒng)開發(fā)方法與關(guān)鍵技術(shù)

3.1系統(tǒng)管理子系統(tǒng)利用VB進行開發(fā)。在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計用戶權(quán)限表，對不同的用戶賦予不同身份；用戶登錄時首先進行用戶權(quán)限檢測，根據(jù)不同權(quán)限，進入系統(tǒng)時所具有的功能不同。本子系統(tǒng)可以對系統(tǒng)用戶進行增減，并可以對用戶權(quán)限進行更改，從而可以保證系統(tǒng)的安全性。

關(guān)鍵技術(shù)：模塊化管理集成。登錄系統(tǒng)后，在系統(tǒng)主界面下可以進入不同模塊，如選擇屬性庫管理，則進入屬性庫管理子系統(tǒng)，選擇圖形庫管理，則可以進入圖形庫管理子系統(tǒng)等。在VB開發(fā)環(huán)境下，可以方便地集成各應(yīng)用模塊，并可以利用DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)、RPC(遠端過程調(diào)用)、DLL(動態(tài)鏈接庫)等進行函數(shù)調(diào)用及數(shù)據(jù)傳輸。

3.2屬性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)利用VB進行開發(fā)。該系統(tǒng)可將研究區(qū)域新的時段的機井基本情況、水文數(shù)據(jù)、井管數(shù)據(jù)、過濾管數(shù)據(jù)、配套設(shè)施投資數(shù)據(jù)、效益數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、機井電測曲線數(shù)據(jù)、相關(guān)屬性數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進行采集輸入。同時，還可以就已經(jīng)錄入的屬性數(shù)據(jù)進行編輯、查詢并且直接更新。

關(guān)鍵技術(shù)：電測曲線顯示。機井電測曲線是Auto-cad的dwq格式文件，可以在電測曲線表中設(shè)置一個字段，利用OLE技術(shù)將電測曲線存入數(shù)據(jù)庫。需顯示時，只需雙擊該字段即可。在空間庫中，選擇某一眼機井，若選擇顯示其電測曲線，也可以方便地從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出顯示。

3.3空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)利用Mapgis、Arc／Info等軟件進行圖件處理，最后在ArcView下集成，可以對野外調(diào)查成果即基礎(chǔ)地理地圖專題地圖遙感圖像進行編輯以及空間與屬性查詢；通過空間位置與屬性數(shù)據(jù)的對應(yīng)分析可以動對機井?dāng)?shù)據(jù)進行核查，并給出誤差報告；基于GIS的空間分析，具有專題分析能力，可以根據(jù)機井所的行政區(qū)、井深以及用途等分別生成不同的專題件：可以進行緩沖區(qū)分析，從而可以了解居民地、道以及河流等地物周邊機井分布狀況；可以對選定區(qū)機井井深作回歸分析，從而可以在一定程度上預(yù)測來十年左右的井深：可以對選定的任意多機井進行表統(tǒng)計，從而可以為政府部門提供決策依據(jù)。

3.4統(tǒng)計與報表子系統(tǒng)用VisualBasic的DataReport控件進行開發(fā)，設(shè)計出多種實用報表。

關(guān)鍵技術(shù)：總體報表與任意機井報表相結(jié)合。既可以通過單獨的報表模塊對各區(qū)機井進行統(tǒng)計，也可以利用GIS功能，對任意選擇的機井進行報表統(tǒng)計，從而實現(xiàn)GIS管理數(shù)據(jù)的實用功能。

3.5幫助系統(tǒng)利用相關(guān)軟件，將幫助文檔由HTML格式制作成流行的CHM格式幫助文件，從而方便使用。

4總結(jié)

利用模塊化開發(fā)形式，我們將該系統(tǒng)開發(fā)為一套基于GPS、GPRS、GSM、GIS技術(shù)的機井管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了C／S(Client／Server)模式下基于空間位置對全市機井的實時監(jiān)控管理，點擊機井可顯示相應(yīng)屬性，并可以生成各種專題圖與統(tǒng)計報表。此外，系統(tǒng)將表格型的機井?dāng)?shù)據(jù)變成直觀的專題圖或統(tǒng)計圖進行顯示，形象生動，有利于向各應(yīng)用部門發(fā)布、提供相關(guān)信息服務(wù)。主要的界面分別有：系統(tǒng)登錄主界面、系統(tǒng)管理主界面、元數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主界面、屬性庫管理子系統(tǒng)主界面、屬性錄入主界面、圖形庫管理子系統(tǒng)主界面、全市機井密度分布專題圖、全市機井水文地質(zhì)分區(qū)圖、機井深度分布預(yù)測圖、機井用途分布專題圖及柱狀圖等等。

其中GIS與其它傳統(tǒng)意義上的信息系統(tǒng)的根本差異在于，它不僅能夠存儲、分析和表達現(xiàn)實世界中各種對象的屬性信息，而且能夠處理其空間定位特征，將其空間和屬性信息有機地結(jié)合起來，從空間和屬性兩個方面對現(xiàn)實對象進行查詢、檢索和分析，并將結(jié)果以各種直觀的形式，形象而不失精確地表達出來。因此，采用GIS技術(shù)建立機井信息管理系統(tǒng)，從對現(xiàn)實世界對象表達和分析手段的豐富性和有效性來看，是較傳統(tǒng)意義上的形象系統(tǒng)更為高級的系統(tǒng)，是水利部門信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

而通過無線技術(shù)的應(yīng)用對各種分布設(shè)施進行統(tǒng)一管理，則可以實現(xiàn)集中監(jiān)控，降低整個系統(tǒng)的維護成本，提高整個系統(tǒng)的運行效率，使其可以滿足控制方式的多樣性和靈活性。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遠程設(shè)備進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)故障及時處理，不僅可以節(jié)省大量人力物力，還能大大提高系統(tǒng)的整體性能和效率。

中國移動GSM、GPRS業(yè)務(wù)運營無疑給城市無線監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了一種十分理想的通訊方式。GPRS和GSM向用戶提供了以分組方式接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的能力，非常適合突發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)，能高效利用信道資源，信號覆蓋范圍廣闊，特別適合于大范圍大區(qū)域的水利監(jiān)控管理系統(tǒng)。