【学术论文】基于 GIS 技术的智慧水务平台应用研究- 大数跨境

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2022-11-09

导读：本文从多角度剖析了地理信息在供水工作中的应用,集成物联网、大数据等技术,搭建了一套智慧水务融合式一体化企业管理和业务运营平台。

文 / 常松 (正元地理信息集团股份有限公司研发中心,北京 101300)

摘要：为助力智慧城市建设,深度挖掘地理信息在智慧水务平台的应用,本文从多角度剖析了地理信息在供水工作中的应用,集成物联网、大数据等技术,搭建了一套智慧水务融合式一体化企业管理和业务运营平台,从系统平台架构、功能设计方面阐述了 GIS 在智慧水务平台的具体应用,为城市供水部门高效运行提供了决策依据。

关键字：GIS;智慧水务;平台架构

基于 GIS 技术的智慧水务平台应用研究

引言

供水系统是城市居民正常生产生活与社会经济发展的基础,供水企业的服务质量不仅关系到企业自身的利益,也影响着社会的稳定。近些年,水务公司信息化建设相继开展,一些供水企业根据自身发展要求,各自建立了营业收费系统、SCADA 系统等信息化系统,已经成为企业管理工作中不可缺少的工具[1-3]。但是,这些系统大多为单独建设,缺少统一的管理平台,信息的处理和应用也局限于各个部门,存在信息孤岛;虽然积累了大量的数据,但无法进行深入挖掘和分析,造成数据资源的浪费。

在智慧城市大背景下,随着 GIS 技术、物联网技术、大数据分析技术等先进技术的不断发展,使智慧供水应用领域产生了新的突破。牟凤云结合城市供水管网的应用需求,设计了基于 GIS 的供水管网信息系统,为水务公司提供可视化的位置查询及分析服务,实现供水管网的网格化管理[4];班福忱将 GIS 技术应用到供水设施维护与巡检中,提高了城市供水的科学性和应急处置力等[5]。本文在前人研究的基础上,通过对智慧水务的多角度应用分析,探讨了智慧水务平台建设中如何充分发挥地理信息技术的价值,从而实现城市供水智慧运作,提高供水企业管理与服务水平。

GIS技术的多角度应用

1. 1 地理信息数据辅助供水规划

地理信息数据(DEM)是数字高程模型的简称,是地理信息数据中最为基础的、体现地形起伏的数据[6];自来水从水库到水厂,再到终端用户的过程中,需要铺设管道输水,在这个过程中,首先要考虑地形和地势对于水流的影响,需要模拟分析水动力和势能的转换,对翻越山头的供水设计,既需要考虑供水上坡过程中的增压,也需要考虑输水下坡流向的减压;同时,根据地面高程的不同,按照管道的铺设要求,计算出管道的埋深,用于辅助施工;通过 DEM 数据进行供水工程的前期设计工作,提高了供水工程规划设计的智慧化水平。

其次,利用基于 GIS 的供水用户数据提供工程规划效益。供水用户可能是工厂,也可能是居民,在基础地理信息数据中,可以提取到用户的相关情况,根据这些数据,再辅以房产调查数据,基本上可以确定出各个区域供水用户的情况,根据用户的数量可以大概确定出需要供水的量,根据供水数量,能够模拟计算输送管道的粗细、材质等关键要素,同时,二次加压设备的设置也需要根据地理信息数据中管理楼层高度和用户所处高度的数据进行计算[7]。

1. 2 GIS 数据库实现供水资产管理

传统的供水管网数据主要以图纸文档资料的方式进行管理,水务公司还为此设有专门的档案室,不仅占据很大的空间,数据的安全性也得不到保障,更难以实现对现有数据的分析利用。利用 GIS 空间数据库技术,将供水水源地、源水管、水厂、水表、阀门、供水管道、消防栓、加压泵等相关的资产数据,处理为带有空间信息的数据,并存储在 GIS 数据库中,实现供水管网资产的数字化管理,全面掌控和梳理现有供水管网资产,为供水数据的深度挖掘提供了数据支撑。同时,将管网规划、施工、竣工、维护、废弃过程的各类资料统一进行存储管理,实现供水管网资产的全生命周期管理。

1. 3 GIS 分区实现精细化漏损控制

依据地理信息数据下的供水管网数据、用水户数据及各类计量表的分布数据,将供水用户划分成一个个小的计量分区,实现 GIS 技术下的一张图可视化管理,结合夜间最小流量、总分表差等方法判断漏点位置并实现区域定位,便于及时找到漏点,降低供水漏损率,实现精细的漏损控制。

1. 4 GIS 空间分析实现供水决策智慧化

GIS 系统相对于其他的信息管理系统,其最突出的特点是具有强大的空间分析能力。基于供水管网拓扑结构及阀门的位置分布数据,突发爆管时,通过爆管分析,及时找到需要关闭的阀门。当现场阀门无法关闭时,还可以扩大关阀分析,继续寻找需要关闭的阀门,并利用 GIS一张图进行直观展示,提高应急人员的处置效率。同时,结合供水用户数据,进行阀门关闭后的影响分析,利用GIS 拓扑计算,分析受影响的用户,对可能停水的用户进行搜索与分析,并及时告知用户,以免给用户带来更大的影响。

当出现火灾事故时,利用 GIS 缓冲区分析,可以判断出火灾的影响区域,并根据火源相对位置快速查找附近的消防栓取水,以便及时消除火灾,减少灾情损失。此外,GIS 空间分析功能也可以为供水工程规划提供分析决策支持。基于《建筑给水排水设计规范》 ( GB50015—2003)的管道铺设标准,利用水平净距分析、垂直净距分析、连通性分析等,检查设计是否符合规范,从而避免工程设计问题,减少不合理建设造成的经济损失。

智慧水务平台的构建

智慧水务平台以 GIS、物联网技术、大数据技术等新一代先进技术为基础,融合前端物联网感知数据、基础资料数据,构建符合现代供水管理及长远发展的规划框架,全面整合、完善和提升水务公司智慧化服务水平,真正实现供水管网管理信息化、资源可视化、决策专业化的建设目标。

2. 1 智慧水务平台架构

智慧水务平台总体架构如图 1 所示,分成了物联感知层、硬件平台层、数据层、应用支撑层、接口层、应用层、表现层等 7 个层次,同时编制符合智慧水务信息化建设发展的标准规范体系,涵盖标准规范建设和安全保障体系。

智慧水务平台各层详细功能如下:

1)物联感知层:

物联网感知层位于系统的最底层,主要提供最基本的数据采集和传输服务。通过传感器、感知终端、摄像头、远传设备等物联网设备的接入,与系统进行信息的交换和通信,以满足对供水设备运行数据的监控与管理。

2)硬件平台层:

硬件平台层主要提供系统建设中所需硬件设备的支持,包含系统搭建部署所需的服务器、网络、路由等基础硬件设备。

3)数据层:

数据层主要由业务数据库和数据仓库组成,其中结构化数据库主要包括历史数据库、各业务系统数据库、数据仓库数据库及其他信息资源库等。非结构数据库主要是由一些文件型的数据构成。

4)应用支撑层:

应用支撑层是将分散、异构的应用和信息资源进行聚合,统一地访问入口,实现各种应用系统跨数据库、跨系统平台的无缝接入和集成,提供一个支持用的高效开发、集成、部署与管理。

5)应用层:

主要包括搭建在应用支撑平台上的基础应用软件,向用户提供业务应用功能,包括由基础应用组件组合成的供水管网 GIS 系统、供水综合应用系统、供水计量管理系统、供水管网巡检养护及抢修系统、 BI 系86 测绘与空间地理信息 2022 年统等。

6)接口层:

智慧水务平台建设还涉及整体应用系统的接口管理,包括数据推送接口、数据同步接口、地理信息服务接口、在线监测数据接口等,通过有效的接口管理机制,实现资源共享。

7)表现层:

表现层是用户与系统交互的门户,一般由外部门户和内部门户组成,外部门户是面向非本机构的人员,而内部门户是对本机构内部人员(如部门领导、系统管理人员等)开放的。平台在纵向上分为:

1)标准规范体系

以国家电子政务标准化指南为基础,建立信息化标准体系框架,包括相关技术规范、数据交换内容与格式,以及基础数据库标准等。

2)安全保障体系

安全体系方面重点加强网络身份认证和授权管理系统,数据加密与数据传输安全系统、安全评估与漏洞监测系统、内容防篡改等。

2. 2 智慧水务平台模块设计

智慧水务平台是一套基于水务公司组织架构、业务流程、运营管理的给水产品,平台通过建立唯一数据中心,将水务公司地理信息资产数据、在线监测数据、仓储数据、营收数据、OA 办公数据、热线数据等多源异构数据进行高度集成、分析与应用,实现了水务公司运营一体化、数据把控集约化、综合调度高效化、运营管理科学化。采用微服务架构设计方式,为水司及相关部门提供数据共享服务接口。

1)供水管网 GIS 系统

将水源地、源水管、水厂、水表、阀门、供水管道、消防栓、加压泵等各类独立、分散的资产信息进行融合,通过统一的平台进行数据的展示和管理,形成基于基础地理数据的供水资产数据全生命周期管理模式,为水务公司进行资产梳理及相关工程规划提供数据支撑。

2)供水综合应用系统

基于高精度数字高程模型和高分辨率影像、城市供水管网数据等地理信息数据,打造了一套水务公司供水业务综合应用的可视化管理系统。以管网数据为基础,提供了供水综合业务相关数据的可视化查询、管理、更新等服务,在此基础上,实现了对管网工程过程、结果资料的管理,以及提供管网维护保养抢修等服务,极大地提高了水务公司的运营与管理效率。

3)供水计量管理系统

依托于水表和压力等物联网传感器设备,合理地进行 GIS 分区,通过大数据分析实现了对物联网设备数据的合理分析与计算,查找可能的漏损和漏点。该系统通过汇聚营收系统的数据,实现了对各区域供水与用水的相关数据的展示与分析。

4)供水管网巡检养护及抢修系统

基于精细化的地理信息数据,聚合来自多任务系统工单的任务,实现了工单信息与任务派发的标准化,通过该系统能够实现巡检抢修人员调度自动化、抢修巡检过程透明化,结合任务完成情况,实现了考核的标准化,为员工考核提供了良好的依据。对不同任务的统计分析与图表展示,可以方便地了解各片区任务的进展情况,为人员组织结构的优化提供了依据。

5)BI 系统

依靠数据仓库来汇聚多系统数据,实现对数据中心的数据进行各类丰富的展示。在 GIS 基础平台上,接入前端感知设备以及控制系统的实时监测数据,实现对管网设备地理信息、实时监控( SCADA) 进行一站式管理、维护、扩展与接入,利用丰富的图表分析工具对各类数据进行集成显示与分析,充分发挥地理信息系统与实时监测、业务处理等在空间与时间维度上的结合与联动,最大限度地支持水务全方位、多维度、一站式的系统使用需求。

结束语

地理信息作为数字中国的重要基础支撑数据,集成物联网、大数据等先进技术,通过搭建智慧水务融合式一体化企业管理和业务运营平台,实现了数据管理标准一体化、综合信息展示集成化、模拟调度实时科学化、运营管理规范高效化,有效地提升了水务公司在水务管理决策和应用服务方面的水平。此外,GIS 在智慧供水领域的应用还有很多,需要不断地开发地理信息的应用价值,助力城市智慧化建设进程。

【参考文献】

[1] 田雨,蒋云钟,杨明祥. 智慧水务建设的基础及发展战略研究[J]. 中国水利,2014(20):14-17.

[2] 谢丽芳,邵煜,马琦,等. 国内外智慧水务信息化建设与发展[J]. 给水排水,2018,44(11):135-139.

[3] 谢善斌,袁杰,侯金霞. 智慧水务信息化系统建设与实践[J]. 给水排水, 2018,44(4):134-140. .

[4] 牟凤云,王云飞,罗丹,等. 基于 GIS 的城市供水管网信息系统设计与应用[ J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2014,33(3):166-170.

[5] 班福忱,李美然,孙晓昕,等. 基于城市供水管网地理信息系统的管网维护与巡检[ J]. 中国给水排水,2016,32(12):16-19.

[6] 龚健雅. 地理信息系统基础[ M]. 北京:科学出版社,2001.

[7] 苏志刚,周文,李进强. 基于 GIS 和 SCADA 集成的智慧供水在线监测系统的设计[ J]. 测绘通报, 2013( S2):74-79.