楊 驥，林繼賢，湯 堅

(1.廣州市自來水公司，廣東廣州510600;2.廣東龍泉科技有限公司，廣東廣州510300;3.廣東省電力設(shè)計研究院，廣東廣州510633)

基于GIS的用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊 驥1，林繼賢2，湯 堅3

(1.廣州市自來水公司，廣東廣州510600;2.廣東龍泉科技有限公司，廣東廣州510300;3.廣東省電力設(shè)計研究院，廣東廣州510633)

介紹用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以GIS為平臺，通過數(shù)據(jù)整合的方式，將有關(guān)用戶終端水質(zhì)、服務(wù)的各種信息整合、展現(xiàn)、分析，為用戶終端服務(wù)提供良好的支持，使供水服務(wù)水平上一新臺階。

地理信息系統(tǒng);用戶終端水質(zhì);精細(xì)化管理;數(shù)據(jù)集成;ArcGIS Server

一、引 言

廣州市中心城區(qū)供水主要由廣州市自來水公司負(fù)責(zé)，總供水能力為448.5萬m3/d，截至2009年底中心城區(qū)市政公共供水管網(wǎng)總長度已達5 574.72 km，供水終端用戶約有140萬戶。隨著城鎮(zhèn)居民生活水平的不斷提高，作為“生命之源”的水，尤其是飲用水水質(zhì)，越來越受到市民的關(guān)注。

基于上述原因，中心城區(qū)供水系統(tǒng)將以全面推進飲用凈水工程為主要供水方式，以確保用戶終端供水水質(zhì)為目標(biāo)，以“數(shù)字供水”為科學(xué)管理手段，利用GIS技術(shù)，建立用戶終端水質(zhì)保障示范區(qū)，以點帶面，逐步推進，進一步提高城市供水的服務(wù)水平。為了配合廣州市用戶終端水質(zhì)保障工作，廣州市自來水公司利用GIS技術(shù)強大的空間信息管理、空間信息分析與空間信息查詢等功能［1-2］，建立起用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障系統(tǒng)，并采用分區(qū)分片精細(xì)化管理模式，將管網(wǎng)、水質(zhì)、用水、投訴等信息集成、分析，為提高供水服務(wù)水平，保障用戶終端水質(zhì)提供了輔助決策支持。因此，對用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為供水企業(yè)的重要課題之一。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計遵循以下原則［3］:①具有良好的實用性，操作簡單快捷，界面友好，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)易于維護、更新和管理;②具備良好的安全性、先進性，符合技術(shù)發(fā)展方向，延長系統(tǒng)的生命周期;③ 標(biāo)準(zhǔn)化與可擴展原則，嚴(yán)格遵循現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，并保證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊化，能適應(yīng)業(yè)務(wù)的增長和擴充。

2.軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)基于GIS平臺ArcGIS Server 9.3.1開發(fā)，采用J2EE架構(gòu)。GIS Server本身包括兩部分:Server Ojbect Manager(SOM)和 Server Object Containers (SOCs)，客戶端發(fā)送請求到SOM，SOM將分配的資源提供給客戶端，通過 SOM對SOCs進行調(diào)度與管理。

3.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

(1)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計

從數(shù)據(jù)的類型來看，可以將系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)共4類數(shù)據(jù)［4-5］。① 基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù):基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)非常重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)空間位置參照。包括居民地、工礦及附屬設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、地質(zhì)地貌、植被、境界7大類等。②供水管網(wǎng)數(shù)據(jù):供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)圖層。它們不僅要體現(xiàn)各種空間要素的空間位置信息，而且要可以查詢到某一個空間對象的對應(yīng)屬性信息。包括管段、閥門、消防栓、水表、流量計、水質(zhì)點、監(jiān)測點等。③柵格影像數(shù)據(jù):影像數(shù)據(jù)主要包括示范區(qū)的航空影像與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等。④元數(shù)據(jù):元數(shù)據(jù)是用來描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，它主要包括對數(shù)據(jù)集的描述，對各項數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)所有者以及數(shù)據(jù)序代(數(shù)據(jù)生產(chǎn)歷史)等的說明。通過元數(shù)據(jù)可以檢索訪問數(shù)據(jù)庫，可以有效地利用計算機的系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)的效率。因此，建立有效的元數(shù)據(jù)儲存體系在整個數(shù)據(jù)庫建設(shè)中占有重要的位置。數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖1所示。

圖1 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計圖

(2)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由客服數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、水力平差分析數(shù)據(jù)(流量、流速、壓力、PH值、濁度、余氯、水齡)及在線監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)(流速、壓力、PH值、濁度、余氯)組成，并分布于各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)集成主要通過Oracle透明網(wǎng)關(guān)的方式建立同義語及視圖實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問。

4.片區(qū)劃分及編碼設(shè)計

分區(qū)劃分依據(jù)管網(wǎng)壓力、主干管網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征、配水管網(wǎng)密度、管網(wǎng)運行參數(shù)(流向、流速、水壓)等，即通過地理上的分區(qū)將水質(zhì)差異較大的大管網(wǎng)劃分為若干小區(qū)域，在小區(qū)域內(nèi)部水質(zhì)情況類似，從而分區(qū)分片運行管理［6］。

一個片區(qū)在時間和空間定義上應(yīng)有一個唯一的編碼，單元網(wǎng)格變更時，其原代碼不應(yīng)占用，新增單元網(wǎng)格按照原有編碼規(guī)則進行擴展。片區(qū)編碼分為10位，分別為:X-XXX-XXX-XXX其中:第1位為供水所編碼，之后3位為片區(qū)編碼、隨后3位是分片區(qū)編碼、最后3位為單元編碼，如3008001001，片區(qū)編號為8-1-1，如圖2所示。

圖2 分區(qū)分片編碼設(shè)計圖

最終分區(qū)應(yīng)包括面狀分區(qū)界、分片界和單元界3層數(shù)據(jù)。這3層的空間數(shù)據(jù)要求如下:①任意一個下級區(qū)域必須完全包含于上級區(qū)域內(nèi);②分區(qū)邊界必須和行政區(qū)邊界吻合;③下級區(qū)域與所屬上級區(qū)域如有接邊，必須正確接邊;④ 同級區(qū)域必須正確接邊，不能互相疊壓;⑤ 分片、分區(qū)、單元編碼一定要唯一，不要重復(fù)或缺漏。

5.功能設(shè)計

系統(tǒng)主要功能包括:管網(wǎng)分層分類顯示、管網(wǎng)信息查詢、地圖搜索、片區(qū)信息管理、查詢不同級別網(wǎng)格數(shù)據(jù)的相關(guān)屬性信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示、監(jiān)測預(yù)警顯示、片區(qū)水質(zhì)對比圖表、片區(qū)水質(zhì)閥值超標(biāo)預(yù)警、片區(qū)綜合評價、總體服務(wù)評價、系統(tǒng)后臺管理等功能。系統(tǒng)功能設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能設(shè)計圖

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.精細(xì)化管理技術(shù)實現(xiàn)信息集成應(yīng)用

為實現(xiàn)水質(zhì)的精細(xì)化管理與控制，借鑒網(wǎng)格化管理的理念，將供水區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，形成“分區(qū)—片區(qū)—單元”的三級水質(zhì)管網(wǎng)監(jiān)控管理體系。根據(jù)供水系統(tǒng)水質(zhì)情況、水質(zhì)檢測布點、管材及管道布置、樓宇人口密度等進一步將片區(qū)劃分為水質(zhì)管理單元，每一管理單元對應(yīng)一居民建筑小區(qū)，實現(xiàn)居民建筑小區(qū)的水質(zhì)人工檢測單元管理與控制。

2.面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的GIS Server技術(shù)

服務(wù)器GIS可以更好地以集中的方式利用GIS專業(yè)人員創(chuàng)建和管理的信息和資源［7］。為了在企業(yè)內(nèi)部共享空間信息和功能，原有的桌面GIS應(yīng)用逐漸發(fā)展為基于服務(wù)器的GIS解決方案，它基于Web Services向外提供內(nèi)容和功能。Esri提供實現(xiàn)地理空間SOA的完整解決方案，即ArcGIS Server技術(shù)。開發(fā)人員可以借助已有的地理知識創(chuàng)建和設(shè)計地理空間信息內(nèi)容，如地圖、三維地球模型、地理處理模型、定位器以及數(shù)據(jù)處理功能。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)是基于ArcGIS Server 9.3.1平臺開發(fā)，空間數(shù)據(jù)庫引擎為ArcSDE 9.3.1 for Oracle 10g R2，采用了Dojo+DWR+Spring+hibernate的J2EE結(jié)構(gòu)，前端基于Ajax技術(shù)，極大地改善了用戶體驗，開發(fā)工具為myEclipse 7.0。部署開發(fā)環(huán)境時，需要一臺獨立的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲空間數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，另外需要一臺中間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集成相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運行環(huán)境由兩臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(一臺為主數(shù)據(jù)庫服務(wù)，另一臺為中間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)、一臺GIS服務(wù)器、多臺客戶機組成。其中主數(shù)據(jù)庫服務(wù)器需要安裝Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎;GIS服務(wù)器需要安裝ArcGIS Server平臺。

2.系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

(1)片區(qū)綜合信息展現(xiàn)

系統(tǒng)主界面展現(xiàn)該大學(xué)城示范區(qū)的小比例尺地形圖與分片區(qū)情況，右方為該示范區(qū)的綜合評價信息，包括片區(qū)編號、單元數(shù)、建筑數(shù)、用戶戶數(shù)、管網(wǎng)長度、閥門個數(shù)、投訴次數(shù)、送水總量、本月投訴次數(shù)、水質(zhì)狀況、壓力狀況等綜合信息(如圖4所示)。

圖4 片區(qū)綜合信息展現(xiàn)

如何通過空間分析來統(tǒng)計各類集成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)的實現(xiàn)重點之一，本模塊中空間分析是基于Oracle的存儲過程來實現(xiàn)。系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)是以ST_Geometry類型來存儲幾何數(shù)據(jù)，ST_Geometry是一種遵循ISO和OGC規(guī)范的，可以通過Oracle的SQL直接進行空間信息的統(tǒng)計及分析。如查找指定位置(603847.481，106739.957)最近的10個水表(gs_meter_zy)，可以通過以下SQL語句實現(xiàn)

(2)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)展現(xiàn)及預(yù)警

該功能可直觀地展現(xiàn)示范區(qū)內(nèi)的在線監(jiān)測點的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以查詢某一個時間段內(nèi)各分片的水質(zhì)情況和水質(zhì)參數(shù)最值的分布，提供輔助決策，為保障用戶終端水質(zhì)提供展現(xiàn)平臺。本功能模塊中水質(zhì)數(shù)據(jù)為實時遠距離傳輸數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)接口按一定的頻率從組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并通過地圖上的小窗口進行展示。由于采用Ajax技術(shù)，數(shù)據(jù)刷新時界面不會閃動。系統(tǒng)前端采用ArcGIS API for JavaScript開發(fā)。

(3)分片區(qū)服務(wù)分析評價

該功能可直觀地展現(xiàn)示范區(qū)在當(dāng)月內(nèi)各分片的投訴情況，對投訴較多的分區(qū)進行調(diào)研，解決水質(zhì)問題。對投訴較多的片區(qū)，可對該片區(qū)下各單元進行服務(wù)分析評價，逐步縮小范圍，解決水質(zhì)問題。該功能根據(jù)投訴數(shù)量的不同設(shè)定不同顏色，通過ArcGIS API for JavaScript實現(xiàn)片區(qū)的專題渲染。

五、結(jié)束語

本文以廣州市自來水公司大學(xué)城示范區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)精細(xì)化管理為例，建設(shè)示范區(qū)域的用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，通過中間數(shù)據(jù)庫整合各類與地理空間有關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，對示范區(qū)內(nèi)的供水管網(wǎng)、SCADA、營抄、呼叫中心、水力模型等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行全方位的監(jiān)測與管理。目前系統(tǒng)已開始在海珠供水管理所試運行，系統(tǒng)的應(yīng)用對用戶終端水質(zhì)服務(wù)保障已有初步成效。

［1］ 龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.展了數(shù)據(jù)使用的領(lǐng)域，提高了數(shù)據(jù)使用的效率與影響。在此基礎(chǔ)上所開發(fā)的交換格式數(shù)據(jù)入庫與提取程序，豐富了BeyonDB數(shù)據(jù)庫所支持的空間數(shù)據(jù)種類，為BeyonDB在測繪行業(yè)內(nèi)部的推廣使用打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻:

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Design and Development of the GIS Based Service and Guarantee System for Terminal User’s Water Quality

YANG Ji，LIN Jixian，TANG Jian

0494-0911(2011)06-0062-03

P208

B

2011-02-15

楊 驥(1983—)，男，江西南昌人，碩士，工程師，從事測繪信息化在供水行業(yè)中的應(yīng)用研究。