基于GIS的凈水廠地下管線精細化管理實踐

李 柱 陳 敏 徐 浩

（1.上海城投水務(wù)（集團）有限公司，上海 200086；2.上海積成慧集信息技術(shù)有限公司，上海 200233）

地理信息系統(tǒng)（GIS）可以實現(xiàn)對底層感知數(shù)據(jù)的采集、加工、傳輸和存儲，通過系統(tǒng)平臺實現(xiàn)分析、查詢和檢索功能，是一款一體式的地理信息計算機系統(tǒng)。

GIS利用現(xiàn)代計算機圖形和數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以實現(xiàn)高級分析，在城市地下供水管線、燃氣管線等方面被廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了城市地下管線資料管理的動態(tài)性、規(guī)范性、便捷性和高效性等。但在工廠內(nèi)開展綜合管線GIS系統(tǒng)建設(shè)的成熟案例較少[1]。水廠是城市供水體系的重要組成部分，由于水廠地下管線種類繁多、綜合復(fù)雜，是水廠安全穩(wěn)定運行的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在水廠內(nèi)運用GIS系統(tǒng)管理地下綜合管線具有重要作用[2]。

1 GIS系統(tǒng)的建設(shè)

1.1 GIS系統(tǒng)開發(fā)思路

基于現(xiàn)有的供水示范區(qū)供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)及功能的擴展。通過新增功能模塊實現(xiàn)對水廠內(nèi)部管線及設(shè)施的管理，結(jié)合現(xiàn)有供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)的功能和水廠的實際情況實現(xiàn)數(shù)據(jù)精細化管理。

建立水廠GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理。收集水廠相關(guān)的設(shè)計圖紙、竣工圖紙，對水廠構(gòu)筑物、管線、設(shè)備等屬性信息進行整理，并對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和管網(wǎng)數(shù)據(jù)數(shù)字化，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。

建立物探數(shù)據(jù)導(dǎo)入標準，形成長效數(shù)據(jù)機制。結(jié)合水廠管線及設(shè)備的管理要求，針對性設(shè)計、制訂地下管線探測方案，采用實地調(diào)查與物探的方法，探測現(xiàn)有水廠地下管線具體位置，繪制地下管線圖，全面、清楚掌握管線的分布狀況，為水廠的地下管線探測工作提供信息資料方面的技術(shù)保障。采用模塊化的建設(shè)方式開發(fā)軟件。建立通用的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，標準的數(shù)據(jù)入庫規(guī)范，靈活的模板定制功能，便于后續(xù)對數(shù)據(jù)的批量錄入和數(shù)據(jù)維護。打通GIS系統(tǒng)與數(shù)字孿生平臺的數(shù)據(jù)交互通道。在孿生平臺中實現(xiàn)GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和定位支撐功能，提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的精細化場景運用能力，開發(fā)App版的應(yīng)用模塊便于管理人員現(xiàn)場查詢、定位和分析。

1.2 GIS系統(tǒng)的功能設(shè)計

GIS系統(tǒng)主要包括圖形展示、圖形瀏覽、查詢檢索、統(tǒng)計分析、管網(wǎng)拓撲分析、遙感影像應(yīng)用、圖形測量功能、圖形打印等功能，針對供水廠的精細化管理需求建設(shè)多種專題應(yīng)用模塊[3]。水廠GIS圖層具體劃分為管線層、設(shè)備層、節(jié)點層、構(gòu)筑物層。管線層包括原水管、生活水管、排泥管、加藥管、電纜、信號線等；設(shè)備層包括閥門、消防栓、機泵等；節(jié)點層包括彎頭、三通、管點等；構(gòu)筑物層包括清水池、沉淀池、濾池等。圖層的屬性信息均將按照水廠屬性配置標準進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化設(shè)計。

在App模塊中，水廠專業(yè)技術(shù)人員可以在智能手持端GIS系統(tǒng)中直接進行電子地圖的瀏覽和操作，實現(xiàn)不同圖層的切換、地圖的縮小或放大、地圖漫游和窗口移動功能，便于管理人員的巡檢作業(yè)和維修[4]。

1.3 GIS系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

GIS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 GIS系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、運營管理層、決策支持層4個層面。數(shù)據(jù)采集層主要采集廠內(nèi)各類地下管線或電纜的物探數(shù)據(jù)、管線/設(shè)備標牌資產(chǎn)臺賬數(shù)據(jù)、各類附件數(shù)據(jù)等，各類數(shù)據(jù)按照完備的數(shù)據(jù)校核規(guī)則進行校驗，將符合要求的數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)管理層主要依據(jù)數(shù)據(jù)校核規(guī)則，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲分析、管網(wǎng)屬性信息邏輯錯誤校核、管線管徑數(shù)據(jù)校核、冗余數(shù)據(jù)校核、重復(fù)數(shù)據(jù)校核等，通過數(shù)據(jù)的管理提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；運營管理層主要圍繞管線的管理業(yè)務(wù)展開，包括空間查詢、剖斷面查詢等常規(guī)功能，同時開發(fā)了App應(yīng)用場景；決策支持層包括系統(tǒng)分析和專題應(yīng)用，實現(xiàn)突發(fā)應(yīng)急事件的輔助決策、新員工培訓(xùn)教學(xué)等功能。

1.4 GIS系統(tǒng)技術(shù)指標控制

考慮到水廠地下管線的管理精度，要求明顯管線點探查精度如管道或電纜的埋深誤差為±5 cm，地下隱蔽管線點如電纜、通信管線等的探查精度為水平位置限差0.10h，埋深限制在0.15h以內(nèi)（h為各類管線的中心埋深）。水廠地下管線非常重要，測量精度要求平面位置中誤差（對比鄰近平面控制點）不大于±5 cm，重要管線的高程測量中誤差（相對鄰近高程控制點）不大于±3 cm。水廠地下管線測繪的精度要求在重要的區(qū)域內(nèi)要與鄰近的建筑物、構(gòu)筑物、相鄰管線以及規(guī)劃道路中心線的間距誤差不大于±0.5 mm。

1.5 數(shù)字化管理平臺技術(shù)指標

桌面軟件支持32位和64位Windows 10操作系統(tǒng)。瀏覽器應(yīng)用采用B/S架構(gòu)，支持主流瀏覽器。采用最新的HTML5技術(shù)，實現(xiàn)跨平臺的多終端應(yīng)用，系統(tǒng)可以同時在智能手機和平板電腦運行[5]。手機App支持操作系統(tǒng)IOS 14.5和Android 11。

2 GIS系統(tǒng)的建設(shè)成果

GIS系統(tǒng)實現(xiàn)了測量平面控制GPS點11個，水準測量長度達20.00 km，地下管線探測范圍11.9 萬m2，管線測量總長度24.42 km，通過對數(shù)據(jù)進行匯總、審核，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫功能，建立了水廠綜合管線精細化應(yīng)用平臺。水廠綜合管線應(yīng)用平臺如圖2所示。

圖2 水廠綜合管線應(yīng)用平臺

水廠在研究應(yīng)用平臺功能時應(yīng)充分考慮基本功能的實現(xiàn)，如瀏覽地圖、圖層的分區(qū)管理、空間查詢和屬性展示，支持各類圖標和報表的自動生產(chǎn)等[6]。同時也開發(fā)了多種專題版塊的圖層制作，通過漸變色、餅圖或點密度圖等方式可以直觀地進行數(shù)據(jù)預(yù)覽、查看和比較，有利于管理人員通過GIS系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)管控精細化、便利化。

應(yīng)用平臺可以實現(xiàn)書簽功能，創(chuàng)建、管理書簽，將水廠的各類探明的管道管線屬性做成書簽導(dǎo)入導(dǎo)出和排序等，提供元素選擇、要素識別、查找、坐標定位、彈出框等地圖瀏覽工具，有助于提高管理效能。

空間數(shù)據(jù)精細化分析如圖3所示。

圖3 空間數(shù)據(jù)精細化分析

應(yīng)用平臺可以實現(xiàn)拓撲關(guān)系，維護數(shù)據(jù)庫中空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。自定義拓撲規(guī)則的應(yīng)用范圍，提供功能豐富的空間分析工具集以及集成的空間處理（空間分析）框架，通過桌面應(yīng)用、瀏覽器應(yīng)用以及手機App等多平臺快速并以三維形式顯示廠內(nèi)構(gòu)筑物、管線、相關(guān)設(shè)備以及管線、相關(guān)設(shè)備的屬性和資料。

三維管線及設(shè)備精細化展示如圖4所示。

圖4 三維管線及設(shè)備精細化展示

GIS系統(tǒng)結(jié)合廠內(nèi)管線及設(shè)施的分類，建立數(shù)字化管線專題應(yīng)用，將相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯總后通過專題圖的方式在地圖上展示，專題應(yīng)用包括動力電纜管線專題、加藥管線專題、生產(chǎn)管線專題等。開發(fā)電子標簽現(xiàn)場綜合識別功能，通過智能手機實現(xiàn)對象的快速掃描、識別、信息錄入等，運用無線通信技術(shù)，在智能手機上實現(xiàn)快速瀏覽電子地圖、查看及查詢管網(wǎng)/閥門等設(shè)施的分布情況及屬性信息，通過電子標簽（二維碼、RFID）快速識別對應(yīng)管網(wǎng)或設(shè)備數(shù)據(jù)等功能。

將GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)納入數(shù)字孿生平臺，利用人員定位技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)急處置場景開發(fā)的快速響應(yīng)、精準引導(dǎo)和地下管線位置確認等功能，通過GIS系統(tǒng)的應(yīng)用專題可以在數(shù)字孿生平臺發(fā)揮預(yù)測和仿真能力。同時該系統(tǒng)引入了實景照片技術(shù)，利用360°全視角實景照片，與GIS平面資料相互補充，在實現(xiàn)可視化的基礎(chǔ)上更加具備分析和研判能力。

全視角實景照片結(jié)合數(shù)字孿生應(yīng)用如圖5所示。

圖5 全視角實景照片結(jié)合數(shù)字孿生應(yīng)用

3 結(jié)語

隨著城市供水安全保障能力的不斷提升，供水廠的地下綜合管線的精細管理顯得尤為重要，通過基于GIS系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用打造水廠綜合管線的精細化管理平臺，結(jié)合數(shù)字孿生與仿真平臺中交互使用，實現(xiàn)了更高水平和更深層次的管線管理能力，為設(shè)備設(shè)施安全運行和應(yīng)急事件的快速響應(yīng)提供了技術(shù)支撐和功能保障。