基于GIS的用户终端水质服务保障系统的设计与实现
摘要：本文介绍用户终端水质服务保障系统的设计与实现，使供水服务水平上一台阶。
关键词：地理信息系统 用户终端水质 精细化管理 数据集成
1 引言
广州市自来水公司负责广州市中心城区的供水，总供水能力为448.5万m³/日。截至2009年底中心城区市政公共供水管网总长度已达5574.72公里，直接面向供水终端用户的居民生活用水约有140万户。随着城镇居民生活水平的不断提高，作为“生命之源”的水，尤其是饮用水水质，越来越受到市民的关注。近期，省市领导在不同场合多次表达了他们对水质问题的关心。随着2010年广州亚运会日期的临近，全面保障亚运会饮水安全，提升政府部门的公众形象，成为广州市自来水公司工作任务的重中之重。
基于上述的原因，中心城区供水以确保用户终端供水水质为目标、“数字供水”为科学管理手段，利用地理信息（GIS）技术，建立用户终端水质保障示范区，以点带面，逐步推进，进一步提高城市供水的服务水平。为了配合广州市用户终端水质保障工作，利用GIS技术强大的空间信息管理、空间信息分析与空间信息查询等功能[1,2]，建立用户终端水质服务保障系统，采用分区分片精细化管理模式，将管网、水质、用水、投诉等信息集成、分析，为提高供水服务水平，保障用户终端水质提供辅助决策支持。因此，对用户终端水质服务保障系统的研究已经成为供水企业的重要课题之一。
2 系统设计
2.1 系统设计原则
系统设计遵循以下原则[3]：①具有良好的实用性，操作简单快捷，界面友好；②系统和数据易于维护、更新和管理；③具备良好的安全性、先进性，符合技术发展方向，延长系统的生命周期；④标准化与可扩展原则，严格遵循现有的国家标准和行业规范，并保证系统的结构模块化，能适应业务的增长和扩充。
2.2 软件结构设计
系统基于GIS平台ArcGIS Server9.3开发，采用J2EE架构。GIS Server本身包括两部分：Server Ojbect Manager（SOM）和Server Object Containers（SOCs），客户端发送请求到SOM，SOM将分配的资源提供给客户端，通过 SOM对SOC进行调度与管理。
图1 软件体系结构
2.3 数据库设计
2.3.1 空间数据库设计
从数据的类型来看，可以将系统的空间数据分为基础地理数据、供水管网数据、栅格影像数据和元数据共四类数据[4,5]：1)基础地形数据：基础地形数据是本系统非常重要的基础数据，是整个系统数据的基础空间位置参照。包括居民地、工矿及附属设施、交通及附属设施、水系及附属设施、地质地貌、植被、境界七大类等；2)供水管网数据：供水管网数据是整个系统的核心数据图层。它们不仅要体现各种空间要素的空间位置信息，而且要可以查询到某一个空间对象的对应属性信息。包括：管段、阀门、消防栓、水表、流量计、水质点、监测点等；3)栅格影像数据：影像数据主要包括：包括示范区的航空影像与卫星影像数据等；4)元数据：元数据是用来描述数据的数据，它主要包括对数据集的描述，对各项数据来源、数据所有者以及数据序代（数据生产历史）等的说明。通过元数据可以检索访问数据库，可以有效的利用计算机的系统资源，提高系统的效率。因此，建立有效的元数据储存体系在整个数据库建设中占有重要的位置。
数据库设计如图1所示。
图2 空间数据库设计图
2.3.2 业务数据库设计
系统业务数据由客服数据、水质数据、水力平差分析数据（流量、流速、压力、水龄）及在线监测参数数据（流速、压力、PH值、浊度、余氯）组成，分布于各个业务系统中，数据集成主要通过ORACLE透明网关的方式建立同义语及视图实现数据的访问。
2.4 片区划分及编码设计
分区划分依据管网压力、主干管网结构特征、配水管网密度、管网运行参数（流向、流速、水压）等，即通过地理上的分区将水质差异较大的大管网划分为若干小区域，在小区域内部水质情况类似，从而分区分片运行管理[6]。
一个片区在时间和空间定义上应有一个唯一的编码，单元网格变更时，其原代码不应占用，新增单元网格按照原有编码规则进行扩展。片区编码分为10位，分别为： X-XXX-XXX-XXX其中：第一位为供水所编码，之后3位为片区编码、随后3位是分片区编码、最后3位为单元编码,如3008001001，片区编号为8-1-1，如图2所示。
图3 分区分片编码设计图
最终分区域应包括面状分区界、分片界和单元界三层数据。这三层的空间数据要求如下：
1)任意一个下级区域必须完全包含于上级区域内。2)与分区边界必须和行政区边界吻合。3)下级区域与所属上级区域如有接边，必须正确接边。4)同级区域必须正确接边，不能互相叠压。5)分片、分区、单元编码一定要唯一，不要重复或缺漏。
2.5 功能设计
系统主要功能包括：管网分层分类显示、管网信息查询、地图搜索、片区信息管理、查询不同级别网格数据的相关属性信息、监测数据实时显示、监测预警显示、片区水质对比图表、片区水质阀值超标预警、片区综合评价、总体服务评价、系统后台管理等功能。系统功能设计如图3所示：
图4 系统功能设计图
3 关键技术
3.1 精细化管理技术实现信息集成应用
为实现水质的精细化管理与控制，借鉴网格化管理的理念，将供水区域进行网格划分，形成“分区——片区——单元”的三级水质管网监控管理体系。根据供水系统水质情况、水质检测布点、管材及管道布置、楼宇人口密度等进一步将片区划分为水质管理单元，每一管理单元对应一居民建筑小区，实现居民建筑小区的水质人工检测单元管理与控制。
3.2 面向服务架构(SOA)的GIS Server技术
服务器GIS可以更好地以集中的方式利用GIS专业人员创建和管理的信息和资源[7]。为了在企业内部共享空间信息和功能，原有的桌面GIS应用逐渐发展为基于服务器的GIS解决方案，它基于Web Services向外提供内容和功能。ESRI 提供实现地理空间 SOA 的完整解决方案，ArcGIS Server技术。开发人员可以借助己有的地理知识创建和设计地理空间信息内容，如地图、 3D地球模型、地理处理模型、定位器以及数据处理功能。
4 系统实现
4.1 开发环境
本系统是基于ArcGIS Server9.3.1平台开发，空间数据库引擎为ArcSDE9.3.1 for ORACLE10gR2，采用了Dojo＋DWR＋Spring＋hibernate的J2EE结构，前端基于Ajax技术，极大地改善了用户体验，开发工具为myEclipse7.0。部署开发环境时，需要一台独立的数据库服务器存储空间数据及业务数据，另外需要一台中间数据库服务器集成相关业务数据。
系统运行环境由2台数据库服务器（一台为主数据库服务，另一台为中间数据库服务器）、一台GIS服务器、多台客户机组成。其中主数据库服务器需要安装ORACLE数据库系统及ARCSDE空间数据库引擎；GIS服务器需要安装ArcGIS Server平台。
表1 开发环境配置表
4.2 系统主要功能实现
4.2.1 片区综合信息展现
系统主界面展现该大学城示范区的小比例尺地形图与分片区情况，右方为该示范区的综合评价信息，包括片区编号、单元数、建筑数、用户户数、管网长度、阀门个数、投诉次数、送水总量、本月投诉次数、水质状况、压力状况等综合信息。
图5片区综合信息展现
如何通过空间分析来统计各类集成的业务数据是本系统的实现重点之一，本模块中空间分析是基于Oracle的存储过程来实现。系统中空间数据是以ST_Geometry类型来存储几何数据，ST_Geometry是一种遵循ISO和OGC规范的，可以通过ORACLE的SQL直接进行的空间信息的统计及分析。如：查找指定位置(603847.481,106739.957)最近的10个水表(gs_meter_zy)，可以通过以下SQL语句实现：
4.2.2 在线监测数据的动态展现及预警
该功能可直观地展现示范区内的在线监测点的动态监测数据，可以查询某一个时间段内各分片的水质情况，水质参数最值的分布，为领导提供辅助决策，为保障用户终端水质提供展现平台。本功能模块中水质数据为实时远传数据，通过数据接口按一定的频率从组态软件的实时数据库中读取数据，并通过地图上的小窗口进行展示，采用Ajax技术，使数据刷新时界面不会闪动。系统前端采用ArcGIS API for JavaScript开发。
4.2.3 分片区服务分析评价
该功能可直观地展现示范区在当月内各分片的投诉情况，对投诉较多的分区进行调研，解决水质问题。对投诉较多的片区，可对该片区下各单元进行服务分析评价，逐步缩小范围，解决水质问题。该功能根据投诉数量的不同设定不同颜色，通过ArcGIS API for JavaScript实现片区的专题渲染。
5 结束语
本文是以广州市自来水公司大学城示范区域内的水质精细化管理为主线，建设示范区域的用户终端水质服务保障系统。该系统以GIS技术为基础，通过中间数据库整合各类与地理空间有关的业务数据的系统，对示范区内的供水管网、SCADA，营抄、呼叫中心、水力模型等业务数据进行全方位的监测与管理。目前系统已开始在海珠供水管理所试运行，系统的应用对用户终端水质服务保障已有初步成效。
参考文献
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[2] 阮见，刘波 等.基于GIS的庐山旅游信息系统的设计与开发[J]. 测绘科学 2009 34(6): 298-299.
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[5] 刘红军，卢章锋 等.基于GIS技术平台的城市排水管网地理信息系统设计开发. 测绘与空间地理信息 2009 32(2) 111-113
[6] 陈平. 网格化城市管理新模式[M]. 北京:北京大学出版社, 2006.
[7] 钟广锐. 基于GISWebServices的城市污染源管理信息系统的设计与实现[J]. 测绘通报 2009 (3): 50-52.