城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

王子成，楊碩文，陳亞軍，許后磊，汪國斌

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

王子成，楊碩文，陳亞軍，許后磊，汪國斌

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

針對城市地下管網(wǎng)空間復(fù)雜性及其部分管道水質(zhì)監(jiān)控信息化程度的不足，基于三維GIS軟件SuperMap強(qiáng)大的圖形數(shù)據(jù)處理能力，開發(fā)了城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)。將三維可視化場景、管道模型和監(jiān)測成果與SuperMap軟件系統(tǒng)有機(jī)地融合，建立直觀、有效的城市地下管網(wǎng)三維可視化場景，能夠動(dòng)態(tài)展示和實(shí)時(shí)交互式地查詢可視化模型信息；同時(shí)通過對水質(zhì)監(jiān)控指標(biāo)的閾值進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識別異常監(jiān)控指標(biāo)值，并將異常信息推送給監(jiān)控人員，從而達(dá)到監(jiān)控預(yù)警的目的。該系統(tǒng)為城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)控提供了一個(gè)直觀交互式的信息可視化管理平臺及監(jiān)控預(yù)警平臺，具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

城市地下管網(wǎng)；水質(zhì)監(jiān)控；SuperMap；可視化；預(yù)警

目前我國城市化建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，城市地下管網(wǎng)水質(zhì)污染事件越發(fā)頻繁，嚴(yán)重影響了城市居民的日常生活，水質(zhì)污染成為城市快速發(fā)展過程中亟需解決的問題。解決該問題最好的辦法不是事后補(bǔ)救，而是事前監(jiān)控，避免此類事件發(fā)生。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和可視化技術(shù)的不斷進(jìn)步，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也隨之增多，利用這些技術(shù)對城市地下管網(wǎng)水質(zhì)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控正成為一種解決城市地下管網(wǎng)水質(zhì)污染問題的新途徑。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對城市水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警已經(jīng)作了一些研究。黃健等[1]基于對水質(zhì)監(jiān)測、預(yù)警及應(yīng)急業(yè)務(wù)的分析，對城市水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警平臺進(jìn)行了研究；羅侃等[2]開發(fā)了城市供水水質(zhì)監(jiān)測及應(yīng)急處理系統(tǒng)；美國為加強(qiáng)對水質(zhì)監(jiān)控的力度，開發(fā)了地下水的預(yù)警系統(tǒng)[3]，包括原水和管網(wǎng)水。綜合來看，這些水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的可視化程度不足，大多停留在二維上，且可視化信息交互能力不足，如何構(gòu)建一個(gè)功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)交互且實(shí)用的水質(zhì)可視化監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)還有待進(jìn)一步研究。鑒此，本文以我國昆明市經(jīng)開區(qū)部分地下管網(wǎng)為依托，對城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化監(jiān)測預(yù)警的控制問題進(jìn)行研究，以期提高城市地下管網(wǎng)的管理和監(jiān)控水平。

1 城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了直觀、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)控信息,掌控城市地下管網(wǎng)部分管道的區(qū)域位置信息、管道屬性及管道水質(zhì)監(jiān)測信息，按照城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)控特點(diǎn)，將城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)劃分為3大方面：三維可視化場景創(chuàng)建、監(jiān)測信息模型可視化和水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警實(shí)現(xiàn)方法

2.1 三維可視化場景創(chuàng)建

為了真實(shí)地展現(xiàn)城市地下管網(wǎng)，必須構(gòu)造出一個(gè)逼真的三維可視化場景，該場景是對城市地下管網(wǎng)所在區(qū)域的地理環(huán)境的可視化，主要包括地形、地面建筑物、道路、樹木和地下管網(wǎng)。

2.1.1 地形場景創(chuàng)建

由于城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)是管道水質(zhì)的監(jiān)測，對地形模型的精度和質(zhì)量要求不高，另外，大多城市地勢起伏不大，相對平坦，因此選擇由美國國家航天局NASA、美國國家圖像測繪局NIMA、德國與意大利航天機(jī)構(gòu)共同完成的全球地形數(shù)據(jù)系統(tǒng)來獲取數(shù)字高程模型，而創(chuàng)建三維地形場景所需的遙感影像數(shù)據(jù)可以通過谷歌地球獲?。蛔詈笤赟uperMap軟件中分圖層(柵格圖層、影像圖層)分別導(dǎo)入數(shù)字高程模型和影像數(shù)據(jù)，根據(jù)兩者的坐標(biāo)文件自動(dòng)配準(zhǔn)，生成地形模型。SuperMap是亞洲最大的、技術(shù)國際領(lǐng)先的GIS平臺軟件，具有功能齊全的軟件體系,且在城市市政、道路、水利等領(lǐng)域廣泛使用。

2.1.2 地面要素建模

地面要素包括地面建筑物、道路、樹木等[4-5]，其建模主要采用人工建模的方式來完成。首先對這些地面要素進(jìn)行三維建模，然后利用3ds Max對其進(jìn)行貼圖處理，針對不同的地面要素分別賦予不同材質(zhì)，通過SuperMap Max Plugin插件直接把地面要素模型導(dǎo)入到SuperMap軟件中，在導(dǎo)入過程中可以設(shè)置模型所在位置的經(jīng)度、緯度及高程，實(shí)現(xiàn)場景中地面要素的構(gòu)建。同時(shí)，也可以將三維模型另存為3DS文件，以此作為其可視化的基礎(chǔ)。3DS文件是3ds Max的一種二進(jìn)制存儲(chǔ)格式，里面包含模型的網(wǎng)格信息、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息和紋理坐標(biāo)信息，通過SuperMap軟件分別讀取文件中不同信息，并對不同的要素信息進(jìn)行編號，建立其與真實(shí)場景中要素的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)地面要素構(gòu)建。

2.1.3 地下管網(wǎng)構(gòu)建

城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)中主要包含城市污水管和城市雨水管兩類管道，這些管道直接利用SuperMap軟件中的管道創(chuàng)建模塊進(jìn)行構(gòu)建。具體過程如下：①根據(jù)現(xiàn)場測繪的管道位置信息圖紙，在場景二維影像平面圖相應(yīng)位置上繪制直線，直線代表管道；②對繪制的直線進(jìn)行符號化，根據(jù)管道實(shí)際輪廓或外形選擇對應(yīng)的三維符號，并在三維場景中生成地下管網(wǎng)。

2.2 監(jiān)測信息模型可視化

2.2.1 儀器模型的構(gòu)建

在城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)中，要及時(shí)準(zhǔn)確獲取管道水質(zhì)監(jiān)控信息及城市地下管網(wǎng)部分管道的水質(zhì)監(jiān)測布置情況，必須在可視化場景中建立能真實(shí)反映且有效區(qū)分不同水質(zhì)監(jiān)測儀器形態(tài)的三維儀器模型。城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)控指標(biāo)主要有化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮、磷、pH值等。由于這些監(jiān)控指標(biāo)值通過傳感器來獲取，而傳感器外形基本相同，若以傳感器三維模型作為監(jiān)測儀器模型，則在可視化場景中難以有效區(qū)分，因此建立一套適合城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測儀器三維模型是非常必要的。為了直觀、清晰地區(qū)分不同監(jiān)測儀器，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要建立了相應(yīng)的監(jiān)測儀器三維模型，圖2從左到右依次為COD、氨氮及磷的監(jiān)測儀器三維模型。

圖2 監(jiān)測儀器三維模型

2.2.2 儀器模型與監(jiān)測信息耦合

根據(jù)管網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)的位置信息，建立監(jiān)測儀器三維模型與實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)之間的位置映射關(guān)系，利用這種映射關(guān)系，把監(jiān)測儀器三維模型加載到三維場景中指定坐標(biāo)點(diǎn)。利用SuperMap在不同監(jiān)測儀器模型屬性表中加入一個(gè)字段(InstrumentID)，作為該儀器的唯一標(biāo)識符A，同時(shí)存儲(chǔ)監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)庫表也建立儀器編號的字段，作為該儀器監(jiān)測信息的唯一標(biāo)識符B，通過建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)動(dòng)，即監(jiān)測儀器模型與監(jiān)測信息之間的耦合。

為了在三維場景中交互式拾取水質(zhì)監(jiān)測儀器模型，進(jìn)而獲取水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，必須對鼠標(biāo)點(diǎn)擊的屏幕坐標(biāo)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到拾取點(diǎn)對應(yīng)場景中的三維坐標(biāo)點(diǎn)，該點(diǎn)包含于監(jiān)測儀器模型所占據(jù)的空間中，以此拾取到相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測儀器模型。常用的三維拾取方法為針刺取點(diǎn)法[6]：①通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊，得到屏幕二維坐標(biāo)系下的點(diǎn)O(Ox,Oy)；②從點(diǎn)O作一條垂直于屏幕向里的射線，射線經(jīng)過各三維模型表面都會(huì)存在一個(gè)交點(diǎn)；③計(jì)算點(diǎn)O到各交點(diǎn)的距離，距離最短對應(yīng)的表面交點(diǎn)為轉(zhuǎn)換的三維拾取點(diǎn)；④通過該三維拾取點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息判斷所拾取三維模型。在三維場景中利用針刺取點(diǎn)法可迅速獲取監(jiān)測儀器模型，從而得到相應(yīng)的監(jiān)測信息。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警

在城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警中，需要利用實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，同時(shí)根據(jù)監(jiān)控指標(biāo)的閾值動(dòng)態(tài)計(jì)算，分析管道水質(zhì)是否存在警情。水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警基本流程如下：①水質(zhì)監(jiān)測儀器傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；②利用用于過程控制的OLE(OLE for process control,OPC)技術(shù)建立水質(zhì)監(jiān)測傳感器與水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，并把監(jiān)測數(shù)據(jù)信息分類存儲(chǔ)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫表中；③根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和指標(biāo)閾值[7-8]，可視化預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)識別異常數(shù)據(jù)并預(yù)警；④系統(tǒng)將警情信息以短信和系統(tǒng)提示兩種方式推送給相關(guān)警情處理人員處置；⑤根據(jù)處置結(jié)果，判斷是否解除報(bào)警。流程具體如圖3所示。

2.3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.3.1.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)的需要，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括COD、氨氮、磷、pH值等安全監(jiān)測信息。由于水質(zhì)監(jiān)測時(shí)間間隔較短，數(shù)據(jù)量會(huì)不斷增長，為了提高數(shù)據(jù)的檢索速度，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，將每種監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲(chǔ)。監(jiān)測傳感器采集的信號一般需要計(jì)算轉(zhuǎn)換，因此每種監(jiān)測指標(biāo)包括儀器考證信息、原始測值信息及數(shù)據(jù)整編信息，可以得出以下數(shù)據(jù)庫表實(shí)體：儀器考證信息實(shí)體、原始測值信息實(shí)體、數(shù)據(jù)整編信息實(shí)體。以儀器考證信息實(shí)體的E-R圖為例來說明，具體如圖4所示。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警基本流程

圖4 儀器考證信息實(shí)體的E-R圖

2.3.1.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫所支持的實(shí)際數(shù)據(jù)模型，用于存儲(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，以儀器考證信息表為例說明數(shù)據(jù)庫中表的設(shè)計(jì)，見表1。

表1 儀器考證信息表

2.3.2 實(shí)時(shí)預(yù)警

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，將預(yù)警評價(jià)集劃分為3個(gè)等級，即綠色等級、橙色等級和紅色等級，綠色代表正常、橙色代表異常、紅色代表險(xiǎn)情。由于不同類型管道中水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)不一樣，以污水管水質(zhì)各監(jiān)測指標(biāo)預(yù)警級別劃分為例來說明，具體見表2。系統(tǒng)以評價(jià)集的指標(biāo)閾值劃分為依據(jù)，對實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評價(jià)，及時(shí)動(dòng)態(tài)地將數(shù)據(jù)分析結(jié)果呈現(xiàn)出來，若存在警情，則推送警情信息。

表2 監(jiān)測指標(biāo)預(yù)警級別劃分表[9-10]

警情信息推送系統(tǒng)考慮了3種方式，短信、微信和系統(tǒng)提醒。當(dāng)監(jiān)控人員不在線(即沒有登錄預(yù)警系統(tǒng))時(shí)，為了保證警情處置的及時(shí)性，系統(tǒng)自動(dòng)將警情以手機(jī)短信和微信的方式推送給監(jiān)控人員。其中，微信是通過申請微信公共服務(wù)號來實(shí)現(xiàn)的，利用其發(fā)送消息給用戶時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)暢通，那么用戶可以即時(shí)收到，不會(huì)出現(xiàn)延遲。系統(tǒng)提示以彈窗和聲音的方式來表現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)控人員在線(即已登錄預(yù)警系統(tǒng))時(shí)，這種方式能使其迅速地發(fā)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)控的情況并及時(shí)進(jìn)行事故處理?？紤]到水質(zhì)若出現(xiàn)問題一般會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間相比系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)間隔要長得多，若不進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)報(bào)警彈窗和發(fā)出聲音，影響正常工作，因此當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)警情后可以在系統(tǒng)設(shè)置中對彈窗和聲音的顯示進(jìn)行設(shè)置，決定其顯示與否。

2.3.3 應(yīng)急對策

當(dāng)發(fā)生警情時(shí)，需要采取有效的措施把監(jiān)控指標(biāo)控制在合理的范圍之內(nèi)，對事故警情評估損失，并給出相應(yīng)的總結(jié)報(bào)告[11]。具體程序如下：①根據(jù)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)推送的警情信息對相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)位置的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)查、取樣和初步評估；②根據(jù)警情的級別、影響范圍、危害程度等成立相應(yīng)級別(區(qū)縣級、地市級、省級和國家級)的水質(zhì)污染處置領(lǐng)導(dǎo)組；③根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)組的統(tǒng)一部署開展水質(zhì)事故救援、人員疏散和防止污染進(jìn)一步擴(kuò)散，同時(shí)進(jìn)行原因調(diào)查，并及時(shí)披露事故相關(guān)信息；④在事故處置過程中要密切監(jiān)控水質(zhì)情況，實(shí)時(shí)分析評價(jià)，直到解除警報(bào)；⑤做好事故善后工作，對事故進(jìn)行總結(jié)。

3 系統(tǒng)研發(fā)及工程實(shí)例

根據(jù)上述建立城市地下管網(wǎng)三維場景、監(jiān)測儀器模型及管道水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的方法及技術(shù)路線，結(jié)合SuperMap強(qiáng)大的圖形數(shù)據(jù)處理能力，利用SQL Sever數(shù)據(jù)庫和Visual C#.NET編程，以國內(nèi)昆明市經(jīng)開區(qū)部分地下管網(wǎng)為例，開發(fā)了城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)。

3.1 管網(wǎng)區(qū)域可視化表達(dá)

圖5是SuperMap環(huán)境下該地區(qū)城市地下管網(wǎng)區(qū)域三維可視化場景，該區(qū)域主要包括地形、影像、房屋、樹木、道路、地下雨水管和污水管。

圖5 三維可視化場景

3.2 信息交互式查詢

通過鼠標(biāo)在系統(tǒng)可視化三維場景中進(jìn)行交互式操作，如選擇、平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等，用戶能夠直觀清晰地查看到整個(gè)區(qū)域地下管網(wǎng)的布置情況，同時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確獲取管道的基本信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。圖6顯示了監(jiān)測儀器編號為WS-COD01交互式查詢結(jié)果。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)信息查詢

3.3 警情實(shí)時(shí)分析

系統(tǒng)利用OPC技術(shù)實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并通過警情分析模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算分析，主界面上直觀展示不同時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)警狀態(tài)，根據(jù)評價(jià)集對數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行顏色標(biāo)注加以區(qū)分。圖7顯示了2015年11月20日昆明市昊恒混凝土公司(出水口)管道污水水質(zhì)各指標(biāo)預(yù)警分析結(jié)果。

圖7 預(yù)警分析結(jié)果

4 結(jié)束語

通過對城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警需求進(jìn)行分析，提出了滿足城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警要求的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容，同時(shí)利用三維GIS系統(tǒng)，構(gòu)建了城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確獲取城市地下管網(wǎng)布置情況、監(jiān)測信息及監(jiān)測預(yù)警信息，為城市地下管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的科學(xué)管理和可視化監(jiān)控提供了一條新途徑。

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DevelopmentandApplicationforVisualizationEarlyWarningSystemofUrbanUndergroundPipelinesaboutWaterQuality

WANG Zicheng，YANG Shuowen，CHEN Yajun，XU Houlei，WANG Guobin

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited., Kunming 650051, China)

In view of the complexities of urban underground pipelines and the insufficient level of information about the part of pipelines for water quality monitoring, the visualization early warning system of urban underground pipelines about water quality has been developed with the SuperMap which has the powerful three-dimensional graphics capabilities. In this system, the three-dimensional visualization of the scene, the pipes model, the monitoring results and the SuperMap system were combined together, and the three-dimensional scene of urban underground pipelines was built visually and effectively. The information of visualization model can be displayed dynamically and queried interactively in real time. Meanwhile, the system automatically identifies abnormal index value of monitoring instruments by setting up the thresholds of water quality monitoring indicators, and pushes abnormality information to monitoring persons, so as to achieve the purpose of monitoring and early warning. Therefore the system provides an intuitionistic and interactive visualization management and security control platform for urban underground pipelines, which has some practical meaning and application values.

urban underground pipelines; water quality monitoring; SuperMap; visualization; early warning

P208

A

0494-0911(2017)01-0134-05

王子成，楊碩文，陳亞軍，等.城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2017(1)：134-138.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0030.

2016-03-14

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2013BAB06B04)

王子成(1990—)，男，碩士，助理工程師，主要從事安全監(jiān)測預(yù)警及GIS應(yīng)用方面的工作。E-mail: wzctjdx@126.com