镇江市供水管网信息管理软件系统研制

陶建科 陈义春

　　摘要：文中阐述了建立镇江市供水管网信息管理软件系统的必要性、阐述了地理信息系统与供水管网信息管理系统的关系及镇江市供水管网信息管理软件系统研制思路。由于软件设计的过程中采用了分层建立 GIS 的思想，开发一层应用一层，使得研究成果可以及时应用，产生效益。镇江市供水管网信息管理软件系统成功的研制，在我国供水行业中建立该系统，具有借鉴意义。
　　关键词： 镇江市供水管网 信息管理软件系统 GIS 必要性 分层　功能需求分析 总体设计 代码实现 调试与应用

1 建立镇江市供水管网信息管理软件系统的必要性

　　随着镇江市城市建设迅速的发展，地下管线的铺设量越来越大，由于多方面的原因，城市管线资料不全或者是资料的精度不够，经常会发生施工人员挖坏地下管线，造成重大的经济损失。另一方面，城市管网系统中经常需要断水（如：接水、工程、爆管、维修等），关水时主要是依靠经验丰富的师父来完成，如果他们不在现场，节假日休息，其它的人就没有办法将水关死。提供准确可靠的地下管线的空间和属性信息已经成为城市建设有关部门、施工建设单位及自来水公司高度重视和迫切需要解决的问题。
　　传统的地下管线资料管理都是手工作业，工作强度大，工作效率低，纸质图纸不便于保存和管理。为了提高管网管理工作的质量，减少工作强度，提高工作效率，用现代化的计算机技术和方法来管理地下管网，代替传统的人工管理方式就成为十分紧迫的任务。
　　建立镇江市供水管网信息管理系统也是建立数字化水司、数字化城市的一个重要的组成部分，是体现城市供水科技进步和时代发展的要求。

2 地理信息系统与城市供水管网信息管理系统的关系

　　地理信息系统是 20 世纪 60 年代开始迅速发展起来的一门新技术，属跨学科的技术系统，主要有四部分组成：信息获取与输入、数据存储与管理、数据转换与分析、成果生成与输出。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，采用地理模型分析方法，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统。
　　城市供水管网信息管理系统具备地理信息系统的一般特征，同时由于供水管网系统的特殊性，专业性强，城市供水管网信息管理系统具有与一般地理信息系统的不同之处：
　　*　管网 GIS 的研究对象为供水管网中相应组件，包括泵站、输配水管道、管道阀门井、水表井、减压阀、泻水阀、排气阀、用户水表等。因此管网 GIS 处理对象较为单纯。
　　*　管网系统及相应设施与市政道路、工商业、居民住宅区规划密切相关，管网 GIS 的建立需要丰富、翔实的相关数据和信息。
　　*　管网 GIS 以服务于自来水公司管理、提高自来水公司管理水平为目标，系统的设计应以契合并优化自来水公司业务管理为宗旨，因而管网 GIS 不应该是单纯的地理信息系统，而是一个管理信息系统（ MIS ）。
　　*　供水管网 GIS 作为针对供水管网的专业软件系统，应该考虑与该专业领域内相关软件系统或管理目标（例如管网建模软件、管网优化调度、 SCADA 系统等）的镶嵌或整合，不单是一个相对独立的系统，而且应该是一个开放的系统。
　　城市供水管网信息管理系统的功能主要体现在：
　　*　全面实现管网系统档案的数字化管理，形成科学、高效、丰富、翔实的供水管网档案管理体系，建立管网系统中央数据库。
　　*　高效、生动地定位管道、阀门、水表等管网组件，为实际生产运行提供可靠的依据。
　　*　为管网系统规划、改建、扩建提供图纸及数据依据，对管网的改扩建的规划、改扩建后的运行进行计算机模拟，辅助管网规划方案的优选。
　　*　为管网施工提供图纸依据。准确定位管道的埋设位置、埋设深度、阀门井的位置、供水管道与其他地下管线的布置和相对位置等，以减少由于开挖位置不正确造成的施工浪费和开挖时对通讯、电力、煤气等地下管道的损坏带来的经济损失甚至严重后果。
　　*　科学高效地进行爆管抢修等事故处理。
　　*　用于自来水公司日常运行的水表业务管理，包括增设水表、水表定位、抄表数据等，提供与自来水公司运行管理软件的接口。
　　*　提供供水管网优化规划设计、实时运行模拟、状态参数校核、管网系统优化调度等技术性功能的软件接口，实现供水管网系统的优化、科学运行、降低运行成本。
　　城市供水管网系统的特殊性和专业性决定了城市供水管网信息管理系统的建立需要由给排水专业性的公司来完成，只有这样，建立起来的系统实用性才会强。

3 镇江市供水管网信息管理软件系统研制

3.1 用户需求分析
　　建立镇江市供水管网信息管理系统是为了提高镇江市自来水公司的供水管网系统信息管理水平，它将原来需要手工完成的图档管理、上图、爆管抢修方案制定、维护台帐等工作由计算机辅助完成，提高公司内相关部门的办公效率和办公质量，对供水管网系统图档资料实现电子化、科学化管理。系统应具备如下功能：
　　*　地图基本操作功能： 地图显示（放大、缩小、漫游、多种图层切换、要素闪烁等）；在不同的比例尺下，能显示出该比例下最有效的信息，既保持了图面的整洁，又能有效利用平面；空间距离量算；专题图标与符号显示；图层控制等。
　　*　数据录入 ：要求图形数据与属性数据严格一致， 图形与属性数据通过约定的记录字段保持着紧密的联系，系统内部自动维护。
　　*　图形编辑 ：能编辑各种图元的几何信息，还要维护拓扑信息，通过编程自动调整。例如当删除节点时，与该节点相连的管段同时被删除（拓扑关系的维护）等。
　　*　属性编辑 ：对 地理特征的各属性数据进行编辑，如节点编号、节点其它相关信息的变更输入等。
　　*　检索查询 ： 图形和数据之间的互相查询。
　　*　管网运行数据管理： 与水力模型、优化调度、 SCADA系统实现接口设计，对运行数据进行动态管理。
　　*　事故处理 ：自来水管网爆管抢修决策方案制定。内容包括：应关闭的上下游阀门，影响的重要用户，停水范围等信息。
　　*　输出管理 ： 根据用户要求，计算机可以通过各种外部设备输出多种形式的数据、表格、图表或地图等。
　　*　性能需求 。安全性和稳定性原则 ：不同用户拥有不同的权限，保证系统的安全。 开放性和可扩展性原则 ：体现对其它相关软件系统（包括财务管理系统、 SCADA 系统、规划设计、优化调度系统）的友好接口。 数据保密性原则 ：数据是一个系统的核心，数据保密是每一个系统建设必须考虑的问题，在开发镇江市供水管网地理信息系统时将对数据进行加密。
3.2 系统总体设计方案
3.2.1 设计原则
　　镇江市供水管网信息管理软件系统作为一个实际应用产品，应满足以下几个原则：
　　*　实用性原则 ：实用性是镇江市供水管网信息管理软件系统建设的根本目标，也是程序设计的基本出发点。
　　*　界面美观友好原则 ：界面的美观友好可以展示镇江信息化建设的新面貌，面向的是多种层次的用户。
　　*　标准性和前瞻性原则 ：信息技术发展非常之快，硬件的更新换代也非常迅速，性能价格比不断跃升，软件版本升级也非常快，在 GIS 的设计中要有超前性，必须充分考虑技术的发展趋势，在系统设计中充分考虑系统的发展和升级，使系统具有较强的扩展能力，不断地进行发展和更新。
　　*　经济性原则 ：镇江市供水管网地理信息系统的建设应在实用的基础上做到最经济，以最小的投入获得最大的效益。经济性必须以实用性和发展性为原则。
　　*　安全性和稳定性原则
　　*　开放性和可扩展性原则
　　*　数据保密性原则 ：数据是一个系统的核心，数据保密是每一个系统建设必须考虑的问题，尤其是这种多媒体光盘，其使用对象数量众多。
3.2.2系统设计
　　系统模块结构图 ：
　　图形管理模块： 包括图形的导入、图形导出、图形矢量化、图形编辑、图形查看、辅助施工图等。
　　*　图形导入：导入流行格式的矢量图形（ WXF （ AutoCAD ）、 MIF(MapInfo) 、 TAB （ MapInfo ）、 E00(Arc/Info) 、 SHP(ArcView) ， WNP （宏扬建模软件）等。
　　*　图形导出：将图形文件导出为矢量图形（ WXF （ AutoCAD ）、 MIF(MapInfo) 、 TAB （ MapInfo ）、 E00(Arc/Info) 、 SHP(ArcView) ， WNP （宏扬建模软件）等。
　　*　图形矢量化：将 BMP 、 tiff 、 JPG 等流行格式的光栅图形进行矢量化。
　　*　图形编辑：包括节点、管道、阀门、等各种图形元素的增加、删除、移动。
　　*　图形查看：图形的放大、缩小、移动、局部查看、还原。
　　*　辅助施工图：管道、阀门井等管网组件的纵剖面、横端面、三维示意图。
　　管网管理模块： 包括管网查询、统计分析、几何量算、精确定位、事故处理等 。
　　*　管网查询：进行管网组件的条件查询、模糊查询、区域查询等。
　　*　统计分析：进行管网组件的空间几何数据及属性数据的统计分析。
　　*　精确定位：迅速准确地定位某一管道、某一阀门、某一水表的位置和与其他建筑物或设施的相对位置。
　　*　事故处理：对爆管事故进行事故定位、关阀策略、影响分析、报表打印等处理。
　　用户管理模块 ： 包括水表查询、水表读数、用户帐务分析。
　　*　水表查询：定位区域内的水表数，精确定位某一水表的位置。
　　*　水表读数：根据抄表数据库的数据读出指定水表的抄表数据。
　　*　用户帐务分析：连接自来水公司财务管理系统。
　　数据库管理模块 ： 包括数据库导入和导出、与 SCADA 数据库的连接、连接抄表数据库。
　　*　数据库导入：将数据库数据转换为当前系统的图形数据。
　　*　数据库导出：将当前图形数据导出到数据库。
　　*　连接 SCADA数据库，连接抄表数据库。
　　事故处理模块： 包括爆管分析、工程计划断水，制定关水方案。
3.2.3系统开发逻辑结构

　　系统开发采用三层（ Three-Layer ）模型，数据层存贮镇江市供水管网信息管理系统的图形数据库及属性数据库。用户对数据的访问请求，通过表现层提供的用户界面输入，并经表现层、应用逻辑层中的各种应用服务器转换为对数据层的数据服务器的请求，数据层的服务器处理完请求后，将结果通过应用逻辑层，返回给表现层，由表现层显示和输出用户所需的结果。应用逻辑层主要是由各种组件及应用服务器构成，它们包含了针对各种业务处理与分析的逻辑。应用逻辑层将表现层提出的请求转换为对数据服务层的请求，并将数据服务层返回的结果提交表现层。对系统功能的扩展主要在应用逻辑层中增加实现各种业务处理与分析逻辑的应用服务器（可以是一些控件或其它一些应用程序），并通过表现层系统调用。
3.2.4开发及运行环境
　　硬件环境：
　　运行的硬件环境配置主要有三个部分： (1) 计算机局域网。为了提高统处理能力，保证数据的一致性，使用计算机局域网。系统采用目前较流行 WINDOWS-NT 计算机组网形式，并配备专用服务器。该局域网是整个计算管网信息共享的先决条件，网络为百兆网。 (2) 用户终端。所以终端设备均选用最新奔腾计算机。 (3) 系统外设。外设主要包括： A0 幅面灰度扫描仪，用于将竣工图扫描录入； A0 幅面彩色墨绘图仪，用于输出管线竣工图；黑白喷墨打印机，用于输出决策结果。
　　软件环境：
　　软件分为操作系统软件、 GIS 软件平台、开发软件和其它软件。操作系统 :采用微软公司的Windows系列软件。服务器采用Windows2000 Server。用户终端采用Windows2000 Professional。开发软件 ：开发软件采用Visual Studio 6.0。数据库软件的选择本着经济性和实用性的原则，选用微软的Access数据库。其它软件 ：主要是一些辅助性的软件工具，如Ms Office 2000、Acrobat 4.0以及PhotoShop、Multimedia Flash、Premier等图形处理软件。
3.3 软件代码实现
　　文中将就主要功能的实现过程进行阐述，包括：管网编辑功能，管网构件定位功能，管网构件 SQL 查询功能，应急抢修或爆管功能。
　　管网编辑功能
　　流程图：
　　管网构件定位
　　流程图：
　　管网构件SQL查询统计
　　流程图：
　　制定应急抢修或爆管分析功能
　　流程图：

三层模型图

4 系统数据的整理、采集与输入

4.1 基础资料整理、采集
　　基础数据的完整性、准确性、时效性直接影响到系统的成败。因此对基础数据的整理进行集中有序的管理是系统中不可缺少的一项工作。
4.1.1 基础地形图
　　镇江市测绘勘测研究院具备了基本的数字地形图。我们从供水行业的实际需要出发，确定以道路层、建筑层、注记层等七层地理信息数字地图作为开发镇江市供水管网信息管理软件系统的底图。
4.1.2 供水管网资料
4.1.2.1 管线竣工图档资料的电子化
　　镇江市自来水公司资料室里保存有 1:500 的城市供水管线施工竣工图，为我们建立供水管网信息管理系统提供了第一手资料（数据来源），对所有能够得到的图纸进行了电子化，由于图纸的绘制非标准化，无法应用该电子化了的图纸进行拼接，图纸经过扫描后，建立了镇江市供水管网竣工图查询系统。
4.1.2.2 供水管网信息资料的采集
　　供水管网信息资料的采集对象主要包括节点、管道（ DN200 或上）、阀门、消防栓、水表（口径在 DN50 或以上）。对以上对象采集信息要素如下：
4.2 图形、数据的录入
　　图形数据的工作按照如下流程图完成的：
　　录入流程图
　　按照 1:500 竣工图上管网等供水设施按比例重新修绘至测绘院提供的电子地图上，经过矢量化后地供水设施图形与采集地数据进行勾连，完成采集数据的录入工作。
4.3 图形数据和属性数据的校核
　　数据整理录入后的检验工作也是必要的。项目组在数据整理的各阶段进行了数据准确性的检验工作。包括管网图绘制和拼接的核对、管段、节点编号和属性核对、录入图形和数据的核对、现场核对；录入部门自查与校核人员核对、验收相结合；人工校核与程序检查相结合，保证了数据的准确和可靠。事实证明，当系统的所有数据合并后，有 173 条数据记录中产生了错误。

5 系统的安装、调试与应用

5.1 系统运行环境：
　　系统硬件结构图
5.2 系统安装、调试及试运行：
　　2003 年 4 月份系统在单机上（镇江市自来水公司管线所）试运行。试运行一边完善管网的基础资料，一边验证该系统的稳定性，功能的完备性等。单机上试运行的成功。
　　2003 年 8 月通过镇江市自来水公司企业局域网进行了试运行。把管线所，公司中心机房以及其它部门进行了连接，数据库放在镇江市自来水公司中心机房，管线所可以进行管网资料的输入和更新，其它部门可以浏览管网资料，实现了镇江市自来水公司内部数据共享。在网络连通后，我们进行了现在的运行环境下，系统的稳定性等各方面的测试，系统稳定性良好。
　　镇江市供水管网信息管理软件系统经过软硬件系统的安装、调试和试运行分析，测试结果表明该系统在镇江市自来水公司企业局域网环境下运行稳定可靠，管线所更新管网资料，其他各部门可浏览管网资料的操作模式是可行的，说明项目研究工作是成功的。

6 开发所采用的关键技术

　　在软件系统开发过程中，采用了分层建立 GIS 的思想，首先将不同的供水设施或科目进行分层，后又将同一类供水设施根据关键的属性（如：管道的口径）不同进行分层，在收集资料时，可以开发一层应用一层，使得研究成果可以及时应用，产生效益。
　　由于采用了组件式 GIS 技术，系统显著的特点是便于和其它系统集成（无缝连接），真正地实现图形数据和属性数据一体化集成。

7 结论

　　本文从分析地理信息系统与供水管网信息管理系统的关系入手，很好地把握了建立城市供水管网信息管理软件系统的特点，阐述了建立镇江市供水管网信息管理软件系统的研制思路。结合实践经验和实用性的原则，提出了在软件设计的过程中采用了分层建立 GIS 的思想，开发一层应用一层，使得研究成果可以及时应用，产生效益。
　　镇江市供水管网信息管理软件系统成功的研制和应用，在我国供水行业中建立该系统，具有借鉴意义。

参考文献

【 1 】邬伦，张晶，赵伟编著，地理信息系统，北京电子工业出版社， 2002 年 7 月。
【 2 】中国市政工程华北设计院主编，给水排水设计手册，中国建筑出版社， 1986 年 12 月。
【 3 】中华人民共和国标准（ 1:500,1:1000,1:2000 ）地形图图式 (GB7929-87) ，测绘出版社出版， 1988 年 1 月。
【 4 】郑人杰编著，实用软件工程，清华大学出版社， 1991 年 7 月。

《城镇二次供水技术和管理》2003.12这篇文章在发表在《城镇二次供水技术和管理》论文集上，中国水协科学技术委员会管道技术部、中国土木学会给水委员会管网研究会 2003年12月。