摘 要：随着城镇化进程的不断加快及城市生活的日益繁荣，城市自来水管网更加错综复杂。然而目前大多数管网管理仍采用传统办法，无法准确获取管线位置，在维修和管理时带来极大不便。文章结合当前自来水管线管理的实际情况，将物联网与GIS技术融合应用，进行自来水管线的系统设计和实现，以期为自来水管线设计与管理提供一定的思路和借鉴。
關键词：物联网;GIS;技术融合;自来水;管线设计
中图分类号：TU991.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0165-02
Abstract： With the continuous acceleration of urbanization and the increasing prosperity of urban life， urban tap water pipe network is more complex. However， at present， most pipe network management still adopts the traditional method， which can not accurately obtain the pipeline location， which brings great inconvenience in maintenance and management. In this paper， based on the actual situation of water pipeline management， the integration of Internet of things and GIS technology， the system of water pipeline is designed and implemented， in order to provide some ideas and reference for the design and management of water pipeline.
Keywords： Internet of things; GIS; technology fusion; tap water; pipeline design
随着城镇化进程的不断加快以及城市生活的日益繁荣，城市自来水管网更加错综复杂。然而目前大多数自来水管网管理仍采用传统管理办法，无法准确获取自来水管线的位置，存在与其他管线交叉并存或是压住其他管线的情况，给自来水管网以及其他管线的管理、维护以及远期工程建设都带来了极大困难，甚至因为管线压力，导致其他有毒物质如油库管线等受压泄露，发生起火、爆炸等严重事故，造成社会财产损失以及人员伤亡等。此外，自来水管网一旦出现问题，既浪费了水资源，且问题具体位置的排查也较为复杂，维修好后，还需要将之前挖开的地面进行还原，需要大量人力、物力的投入，管理成本较高。
因此，传统的自来水管网管理模式已经不能适应现代城市供水现代化的管理需求，新兴科技，如物联网和GIS技术在自来水管线设计中的融合应用是我们亟待研究的重要课题。
1 物联网和GIS技术融合
近年来，“物物相连”的物联网技术已经在人们的日常生活中逐步应用实现。物联网是世界信息产业的第三次革命，是指基于互联网、局域网等现代电子通信技术，将传感设备、控制设备、网络设备、人员和其他物等通过一定的规程联系起来，进而让物品说话，实现物品智能化识别、定位、跟踪、监控和管理控制的网络系统，其一般可分为三个网络结构层次，即感知层、网络层和应用层。地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是以计算机系统为基础发展的对地理分布数据进行采集、储存、处理、运算、描述、分析的技术系统，被用来探索现实空间中物体的空间位置、分布以及其关联属性。
物联网和GIS技术的融合应用，是自来水管网智慧发展的助推器，其通过在自来水管网中设置监控点，布置大量无线射频（RFID）智能水表、水位采集器、压力采集器、视频图像在线传感设备等，实时采集管网、闸门、泵站等相关信息，并传输到数据中心进行管线信息智能化识别、定位、监控和管理。单纯的人工方式设计、绘制、保存管线图纸和图表，无法适应管线管理及应急事故的发生，而所有监控点都利用GIS技术获得其空间位置信息，以及其空间的基本特征后，同样一张图同时提供了高精度、高可靠性的空间信息可视化，全面、直观、动态管理，极大方便了自来水管网系统的管理和维修，为自来水管网的远期设计流程化、管线查询一体化、管线管理数字化等提供了数据支持和决策依据。
2 系统设计
2.1 系统总体架构
物联网和GIS技术融合设计的自来水管线系统共包括五层，分别是感知层、网络层、数据层、应用层和交互层。其中，感知层是信息的感知，负责物联网内来源于管道压力流量传感器、GPS和摄像头等终端传感器的信息采集和物体识别;网络层是信息的传输，是物联网内互联网、局域网以及有线和无线通信网之间信息数据的传递通道，常见LAN、无线、移动互联网等;交互层的作用是通过人机交互接口与操作者交互信息，以数据支撑层以及系统应用层为基础，实现数据处理、分析和决策过程中的多信息需求和分析，进而实现自来水管线设计的智能化。
2.2 数据库设计
系统数据库选用Oracle进行数据存储，选用AreSDE 空间数据引擎管理，主要包括三大数据库，分别是基础地理数据库、管网数据库以及业务数据库。
具体的数据内容包括：
（1）基础地理数据库，内容主要是影像数据和矢量数据。其中影像数据指的主要是区域范围内20cm分辨率的高清航拍图像，矢量数据指的是地名地址数据（包括企事业单位名称以及地标名称）和1：500的电子地图数据。
（2）管网数据库，内容主要是管道、管点数据库以及实时监控信息数据库。
（3）业务数据库，内容主要是人员数据、书签数据以及维修数据。
3 系统主要功能模块
3.1 管网数据管理模块
管网数据库管理模块承担管网数据更新職能，具体包括管道、阀门、三通、节点、泄水阀等材质、型号、管径、长度以及掩埋深度等信息。系统通过建立管线属性档案库，监管监控管网数据与CAD设计图以及MDB数据信息的一致性，实现管线信息查询一体化以及管线管理的数字化，具体作用表现为查询爆管阀门信息;预警超过年限和警戒的管点和管线;提供消防抢险、消防设施查找;选定管线设施，设定缓冲半径和级别，为道路改建、房屋拆迁涉及的管线设计提供数据依据。
3.2 爆管分析和停水分析模块
当发生管点或是管线问题，造成自来水泄露或是管线某处发生爆管时，该模块利用GIS技术快速定位，显示爆管就近区域的关联阀门及受影响范围，同时根据管网数据和信息制定最优关阀方案，实施多级关阀，进行维修和应急处理;根据供水管件埋设以及服务年限制，预警超过服务年限的管线和管点，自行生成断水通知单，定期进行管理维修。
3.3 压力和流量数据管理模块
压力和流量数据管理模块包括现场管网运行工况、各区域定点流量和压力采集传输设备、无线通信设备、监控中心服务器以及GIS数据处理中心几个部分。其承担定期传递压力和流量数据信息的作用，将现场终端数据传送回数据处理中心，当监测到压力值低于预警时，系统会发布警告，并将压力过低的管点定位以及特征信息等快速呈现反馈，为自来水管线抢修提供数据支持并节省时间。
4 关键技术
4.1 GPRS数据传送技术
通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service， GPRS）属于移动数据业务中的第二代数据传输。随着城镇化进程的日益加快，城市自来水管网的覆盖面积也越来越大。如果采用传统的有线方式进行数据传输，无疑需要较大的成本费用用于建设基站和有线网络。无线电台进行传输，则需要建立较多的监控网点，网点选择复杂、组网麻烦，电源能耗大，成本高。而GPRS的数据传输方式是基于封包进行的，费用相对较低，且通过手机短信的形式，不需要再架构和组间网络，通讯可靠稳定，维护成本低。
4.2 智能GIS空间分析技术
智能GIS空间分析技术，是在传统GIS空间技术基础上，结合新型电子通讯、人工智能等技术，构建适用于某一领域的智慧体系，开发智慧管理和智慧决策的分析技术。而在自来水管线设计中，管道压力监控点定位分布规律（包括阀门、水表、检修点等管点以及管线材质、型号、管径、长度以及掩埋深度等信息），问题管点、管线的定位和到达现场路径，故障影响范围，以及断水通知单的自动生成等，都是智能GIS空间分析技术的应用。
4.3 多元数据融合技术
物联网是利用传感器将事物与互联网相连接，将事物的现实特性转换成互联网相关数据信息置换与传递，进而实现数据信息识别、定位、监控、处置功能的智能化表达。物联网中数据，具有信息多元、动态变化、海量、分散、异构等特点，要想将物联网与GIS技术进行融合，首先是将两种不同技术涉及的传感器感应信息、GPRS通信信息、手机报警系统信息等多元数据进行融合，用统一标准进行数据聚合描述和冗余过滤，最后增强信息的可靠度，提升自来水管线数据的利用率。
5 技术融合实现难点
目前在我国大范围推广物联网与GIS技术在自来水管线设计中的应用也存在一些难题。首先，我国各城市地下管网错综复杂，同时铺设有自来水管网、油气管网、电缆、地下排水、光缆等等，这些管网分属不同部门，物联网和GIS技术标准难以统一，其相关资源难以共享。且即使花费较大资金将物联网和GIS应用于自来水管线设计，但一旦发现爆管等应急事故，在维修时也难免牵扯到其他相关部门，延误了宝贵的维修时机。因此，将检测设备同期布置、安装，采用统一的数据采集标准是未来自来水管线发展物联网及GIS设备需要考虑的重要问题。
6 结束语
物联网与GIS技术在自来水管线设计中的融合应用，GIS技术承担数据的分析管理，物联网技术提供相关数据来源，二者相辅相成，即通过管网中的无线传感器将收集到的压力和流速信息，传递到数据处理中心分析处理，快速进行故障定位和原因分析，以最短的时间制定最优解决方案，加快爆管抢修时间，节约宝贵的水资源，为自来水管线设计及智慧水务系统建设开拓了新思路。
参考文献：
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