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城市中水监控系统设计实现和GIS系统应用,贾珂,,本文以中水管网监控与资源管理系统为例,探讨了基于GPRS网络无线监控系统开发的全过程。利用GIS(地理信息系统)设计实现了空间定��
山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 中水管网管理监控中i 传输网络 管网采集控制设备 图2中水管网管理监控系统分层结构示意图 管网采集控制设备 主要指中水管网中的各种数字仪表和电动阀门。通过安装数字化的压力表和流量表, 以获得中水管网运行中的压力参数和流量,对电动阀门加以操作可以控制中水管网的水沇情 压力表和流量表的数据可以通过远程终端单元(RTU)进行采集,同时RTU可以对电 动闯门发出信号控制电动阀门的开关 远程终端单元() 远程终端单元(RTU)实现中水管网运行数据(压力和流量等)的采集以及阀门的控制, 同吋远程终端单元还负责告警信息的判断和处理。为了保证数据在无线网络中的传输安全, 除了GPRS网络本身提供的数据加密功能外,本系统还提供了端到端的数据加密技术。 远程终端单元(RIU)的功能模块结构如图3所示。 采集 系统 加密 无线 控制 管理 /解密 通讯 模块 模块 模块 模块 图3远程终端单元(RTU)功能模块结构示意图 釆集控制模块:负责同下层的管网采集控制设备交互,包括数据的釆集和控制信号的 发送 系统管理模块:是RTU的智能处理中心,负责RIU各个模块之间的协作和交互,同时 本模块还会根据设定的告条件对采集到的数据进行判断,如果发现异常将产生相应告警, 并将告警信息上发给中水管网管理监控中心。 加密解密模块:负责上传数据的加密以及下发数据的解密。加密/解密模垬采用的技术 符合金融系统数据加密的要求,能够为本系统数据的传输提供可靠的安全保障。 无线通讯模块:负责RTU同管理监控中心之间的无线数据通讯。本模块可以采用多种 无线通讯技术(比如GPRS、GSM、SM、CDPD等)。 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 传输网终 负责为与中水管网管理监探中心之间提供远程数据传输通道。GSM网络提供对城 市的良好网终覆盖,可提供类似公共电话网的电路交换功能,同时也可提供短信的方式传输 数据。电路交换方式下每次通讯需要拨号,对于监控点较多的系统而言,系统完成一次巡查 的时间会很长,同时费用昂贵。相对而言,短信方式通讯建立时间短,费用也较电路交换方 式低,但存在每条短信传输容量有限(140字节)、在网络繁忙时吋延长的缺点,因此只适 合于作为系统的备份通讯方式 GPRS网络是一种新型的数据通讯网络,构建在原有GSM网络的基础上,为用户提供 较高速率的无线数据通信服务。 中水管网管理监控中心 是本系统的核心部分,负责整个中水管网的管理和监控。遍布全市的RTU将中水管网 的数据通过GPRS网络实时的汇聚到管理监控中心,同时管理监控中心的控制指令也可通过 GPRS网络下发到各个控制设备。 中水管网管理监控中心同时还提供各种管网资料和数据的管理、利用,并为日常的管网 管理工作提供很多实用化的管理工具。同时,管理监控中心基于对中水管网的全面电子化管 理,提供全面的电子化办公手段。图4是中水管网管理监控中心的功能结构示意图 中水管网管理监控中心的功能可以划分为两大部分:支撑服务功能模块和应用服务模 块。 支撑服务模块 支撑服务功能模块为中水管网的管理监控提供必要的通讯服务、数据处理等支撑服务 主要包括 ◆通讯服务了系统 ◇数据库 ◇GlS子系统 通讯服务子系统:为系统提供通讯服务,主要包括管理监控中心同GPRS网络与 Internet 网络的通讯服务。通讯服务子系统同时还负责数据的加密和解密工作。 数据库:保存系统运行过程中的各种相关数据,包括管网的运行数据、日常管理的效据、 系统工作日志等。 子系统:本模块主要采用地理信息系统(GIS)技术将数据同电子地图结合起来, 实现图形化的显小和操作,包括管网拓扑图和故告警在电子地图上的呈现,设备的圈选等 应用服务模块 应用服务模块为中水管网的口常管理、监控以及口常办公提供各种实用功能。应用服务 模块的内容较多,这些应用服务模块又可以划分为三个子系统:管理子系统、监控子系统和 网上办公子系统。 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn Gis子系统 管理子系统 监控子系统 网上办公子系统 资源业务 实时故障 Web 办公 管理管理监控处理 服务 自动 化 决策系统 告警配置管理 支持管理 远程接入 数据库 通讯服务子系统 图4中水管网管理监控中心的功能结构示意图 管理子系统 管珄子系统包括四个功能模块 资源管里 ◇业务管理 ◇决策支持 ◇系统管理 资源管理:⊥要实现对各种管网資源的配置和管理,借助于GiIS子系统提供的支撑功 能,管网资源的配置和管理可以在电子地图上完成,极人的方便管理人员的操作。 业务管理:实现对各种中水业务的管理,整个业务处理流程均在系统控制下进行,保证 业务处理的及时以及责任的明晰。业务管理模块还包括客户的管理。 决策支持:借助于数据挖掘技术和专家系统,决策攴持模块提供多种日常管理和决策所 需的实用工具,提高管理和决策的科学性。 系统管理:本模块主要实现“中水管网管理监控系统”自身的管理,包括操作人员权限设 定、工作日志、系统备份等。 监控子系统 监控子系统包括三个功能模块: 实时监控 ◇故障处理 ◇告警酉置管理 实时监控:通过木模块能够实现对中水管网运行数据的实时监测以及实时控制。借助于 IS了系统提供的支撑服务,操作人员可以在电了地图上很直观的了解管网的运行情况并实 施控制 枚障处理:主要负责各种枚障告警的通告和处理。告警信息会在电子地图上直观显示, 同时通过声、光等多种方式通知监控人员。 告警配置管理:迸过告警配置管理模可以更改各和告警产生的条件,以适应管网实际 情况的变化,提高告警的准确度。 山国利技记文在线 http://www.paper.edu.cn 网上办公子系统 网上办公子系统包括三个功能模块: 服务:通过Wb站点的方式,建立中水公司同客户、公众等的交互平台,包括各 和客户服务以及对外宣传。 办公自动化:本模块基于数据库中存储的各种管网管理相关信息,提供冬种办公自动化 工具,实现真正意义上的无纸化办公叫。 远程接入:负责远程接入方式下登陆人员的身份认证以及操作权限管理。远程接入的方 式包括通过 ntcrnct有线接入和通过GPRS网络无线接入两种方式 子系统实现分析 GlS子系统应用当今世界最为先进的企业级GIS应用框架,为中水监控工程提供了灵 活、高效的企业级应用解决方案,系统的运行实施,将使中水管网的管理达到较高水平。 GIS子系统应用LSRI公司的 ArcInfo产品,采用真正的客户服务器结构的GlS系统2。将 数据通过中间件 ArCSDE导入预先建立的数据库中,数据库采用工业标准数据库管理系统 冋时存储空间数据和属性数据,保证数据的安全性、一致性。实现是在NET平台下应用面 向对象C#语言进行AO( ArcObjccts的缩写)开发。用户可以通过不同终端读取数据库地理 信息数据,进而分析、操作地理信息数据。GIS子系统包括:地理信息编码、地理信息数据 库建立、地图操作基本功能和管网数据分析。 简介 简介 AO( ArcObjects的缩写)是ESRI公司 ArcGIS家族中应用程序 ArcMap, ArcCatalog和 Arc Scenc的开发平台,它是基于 Microsoft com技术所构建的一系列COM组件集。通过 AO你可完成以下甚至更多的GS功能空间数据的显示、查询检索、编辑和分析;创建各 种专题图和统计报表;高级的制图和输出功能;空间数据管理和维护的 简介 的、ASDE属于中间件技术,其本身并不能够存储空间数据,它的作用可以理解为数据厍 空间扩展”。在基于 Oracle的 ArCSDe空间数据库中, ArCSDE保存了一系列 Oracle对象 用」管珄空间信息。这些对象统称为资料档案库( Repository),包含空数据宇典和 ArCSDe 软件程序包。 ArCSDe需要SDE用户管理空间资料档案库,这类似」 Oracle中需要SYS用 广管理数据字典。 Oracle的数据竽典仔储在 SYSTEM表空间中;相应地,在存储 ArCSDE 空间资料档案库的时候,也需要使用特定的表空间。通常,为了方便起见,默认使用名称也 是SDE的表空间管理空间数据字典。 ArCSDE的工作机中,SDE用户负责 ArcSDE与数据库( Oracle)的交互,通过维护 SDE模式下的空间数据字典以及运行其模式中的程序包,来保证空间数据库的读/写一致性。 在 ArcSDe服务启动的过程中,SDE用户通过 Oracle验证,并且创建和维护一个 Oracle会 话连接,连接的程序便是 ArCSDE服务器管理进程,该进程一直存在,负责监听用户连接凊 求,分配相应的管理进程,进行空间数据字典的维护 要素 矢量要素(即用矢量表小的地理对象)是常用的地理数据类型,非常适合表现边芥不连 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 续的要索,如井,街道,河流,省和地垬等。要素就是带有位置属性的对象。通常,要素由 点、线、多边形或者注记米表示。同类型要素的集合叫做要素类,集合中的要素具有相同的 空间衣达和属性集合(如表示道路的线性要素类) 图5常用的矢量要素 地理信息编码 城市市政管线GIS系统信息编码标准是在行业管理信息分类与编码的基础上,结合相 关管线分类和编码而编写的标准。编系统管理信息分类与编码标准是用来标识市政行业的 相关设施,保证其存储及交换的一致性与唯一性,为实现市政行业信息的统一共享、资源的 统一优化整合奠定坚实基础。∵中水管网监控与资源管理系统”地理信息编码本着唯一性、兼 容性、可扩充性、简单性、实用性原则,采用组合编码方式,由分类码+标识码组成。 分类码 标识码 XⅩⅩⅩ ⅩⅩXXⅩ 图6组合码结构 分类码结构 分类码由6位字符组成。只体结构见图7。 ⅩXⅩⅩ 三级分类竹。两位字母,预留。 二级分类码。两位字母,示再生水设施的二级分类。 一级分类。再生水。 图7分类码结构 二级分类码。标明设各类别区分管线、井室(闸井、排空井、检査井、排气井等) 标识码结构 根据设施地理要素的特征,工程名称+序号1+序号2作为标识码,结构如图8 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn X以义 序号,取值范围0-9999 号,取值范围0-99,区分工程名称 工程名称 图8标识码结构 工程名称:中文名称开头拼音字母的首位组成。 中文名称不足四位时,第四位用“R”补齐:中文名称超过四位时,取前四个中文开头拼 音字母首位。 序号1:用以区分中文名称廾头拼音字母的首位重复的设施,保持其唯一性,取值顺序 按录入时间排列 序号2:用以区分管线、井室(闸井、排空井、检查井、排气井等)同类设备的标号。 地理信息数据库建立 空间数据库简介 GIS是世界上独一无二的一种数据库一一空间数据库( Geodatabase)它是一个“)于地 理的信息系统”。从根本上说,GIS是基于·种使用地理术语来描述世界的结构化数据斥1 (IS将空间数据组织成系列的专题图层和表格。由于GIS中的空间数据集具有地理参考, 因此它们具有现实世界的位置信息并互相叠加。在一个GlS中,同类型的地理对象集合被 组织戍图层,例如地块、水井、建筑物、正射影像以及基于栅格的数字髙程模型(DEM) 明确定义的地理数据集对于一个实用的地理信息系统是相当重要的,同时专题信息集合使用 层来组织,这样的思想也是GIS数据集一个关键的思想。如图9,地图是由许多不同图层构 成,每个图层有同类型地理对象 Land usa c和suT Pistal Covt Raster imagery 图9GS集成了多种空间数据 监控系统地理信息数据建立 图层划分依据功能分为北京地理基础图层和中水基本图层分类。北京地理基础图层由专 业部门提供,主要显示北京区划。中水基本图层划分为管廾图层、闸井图层、流量计廾图层、 水表井图层、检查井图层等十几个图层。 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 将 ArcMap中地图属性表通过 ArCSDE中间件导入地理信息数据库。 在已建立的地理信息数据库中建立巾政设备业务数据表,存储业务数据并与地理信息表 通过地理信息编码唯一关联。 地图操作基本功能和管网数据分析功能: 图10是监控系统界面。 中水宫网监控管理系統 系統隘粹没讧管理袒图钙助 地土树 西汉区酒 悶如四四哈甽时|為 酒山桥口水 马园 d区 區子 城文景 口8丰台区 白方庄中z厂 图10监控系统小例图 地图操作基本功能 全图功能:点击后,显示预先设定好的浏览状态即可浏览的范围 放大功能系统可以支持用户两种敚大功能,种是框选放大,即用户在地图上框选 部分区域,该区域应被放大至整个工作区;第二种是逐级放大,用户直接点选放大,工作 区内的地图应该按一定比例放大 缩小功能与放大类似。 拖动平移用户应可以利用拖动平移功能对工作区内的地图区域进行拖动查看,但不应 影响整个地图的完整性和显示比例。 还原显示用户在对地图进行一系列的操作(如放大)后,可以利用还原显示功能,使 工作区内的地图回到初始状态。 选择图层:可以选择图层是否显小,从而浏览用户选定图层。 添加监控点:用户可以选择不同的图层,添加点状监控设备,如在排空井图层添加 新的排空井 量算用户可以利用尺子工具在地图某两点之间划直线,系统会显示实际两点间的距 山国武技文在线 http://www.paper.edu.cn 打印地图本系统可以通过打印机、绘图仪等外设输出图形,或通过打印机输出属性数 据、各类统计报表及查询统计结果。 选择功能:可以点击选择单个图层的要素(一个监控点、一条管线),也可以框选多个 图层,多个要素。当选中单个要素时,可以显示单个设备时时监控信息,设置单个设备阀门 属性,更改设备参数,取得数据库中该设备所有信息;当多选时,多点可以进行相同类型数 值比较,从而分析监搾图没备运行情況。如图11所示,显示当时监控站点的时时信息。 區中水管网监险管理系线 0兴件 屮水监控系统 鸟◆◆四θ● 汭仙叶水 」青集团 胡阳北 十里量里 朝写末聶 地區实时参数显示 石景山区 丰台区 事件栏 日期 程终訥单元 所届笞井 图11监控系统点选功能 模糊査询ε根据用户选择条件,进行〔IS空间査询,找到相关数据,待用户选择后, 在地图定位被选中要素的位置 管网数据分析 爆管分析:在事故发生时,系统能自动地分析出应该关閉的阀门,提供相关阀门、管线 用户信息,并提出关阀方案。首先,系统要分析阀门的廾闭状况,检查哪些阀门是可以正常 开关的,哪些阀门是异常的,已经不能进行止常的开闭了;哪些阀门已经处于关闭状态。并 通过颜色进行警示和区分 管网运行的模拟计算分析:在管网图文数据的基础上应用管网平差原理模拟管网运行状 态及水力分析,动态显示任意管段的流向及相关属性数据。 管网运行输配管网的负荷分析:按给定的经济流速或流量的上、下限范围,确定输配水 管网在运行中是否超负荷或低负荷运行。为管网改造、管网规划以及管网调度运行提供科学 可靠的依据。 管网运行的等水压线绘制与分析:根据管网分析结果及测流测压数据绘制管网的等水压 线平面图,再以地形图为背景,不同的颜色区分出高、中、低压区的分布范围,并可计算出 面积,为管网改造和规划提供依据。

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