截污管网数字化管理系统建设方案.docx
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截污管网数字化管理系统建设方案
截污主干管网数字化管理系统
建设方案
1.引言
随着我国经济的飞速发展、城市化步伐的加快以及城市规模的扩大和现代化程度的不断提高,作为城市重要基础设施的排水管线也越来越密集和庞杂。
城市排水系统是影响城市正常运转和生态环境的重要基础设施,是城市的主要脉搏之一,与城市的水环境状况、居民的财产生命安全直接密切相关。
在进行城市排水管线规划、设计、施工和管理工作中,如果没有完整准确的城市排水管线及市政设施的基础资料,科学管理、高效办公就无从谈起。
在当今社会,城市信息化已成为社会发展的必然趋势,而数字化又是信息化的基础,伴随信息技术和社会经济的高速发展,数字城市的建设工程也越来越现实地走进城市发展建设的日程中。
近年来,人们从城市可持续发展的角度考虑,认识到必须采用地理信息系统技术、网络技术和数据库技术,建立一套集城市排水管线及相关设施的资料输入、编辑、分析、输出、管理于一体的排水管线及设施管理系统,为城市排水管线及设施的日常规划、设计施工、统计分析、发展预测提供可靠的科学依据,从而彻底改变传统的排水管线及设施管理模式。
2.项目背景及需求分析
截污主干管网布局从城市总体规划、远期发展规划,以及建设条件、建设投资、地理和气候条件、社会影响、生态影响等各方面因素综合考虑,并根据排污口情况,截污主干管沿我市主要河涌和主干道路敷设,要求达到“近期全市污水处理率达到78%,其中市区达70%,寒溪河流域达75%,石马河流域达80%,南畲朗排渠达85%,挂影洲中心涌达75%”的目标。
全市截污主干管网工程共有35项,远期规模一次性建设,总里程863.96公里,日收集总规模约578.5万吨,分三批进行建设,服务范围覆盖全市32个镇街。
主要采用玻璃钢夹砂管、HDPE管、U-PVC双壁波纹管、钢筋混凝土衬胶管等管材;根据我市水文、地质和地形地貌实际情况,设计上主要采取大开挖、支护(钢板桩支护和拉森钢板桩支护)开挖和顶管施工方案;配套污水中途提升泵站共37座,设计总功率约为5200kw。
另外,城市截污次支管网建设前期工作已经启动,全市污水处理工程规划修编工作正在统筹规划中,将为各镇街开展截污次支管网的建设详规提供指引。
按照次支管建设原则,部分镇街及园区已相继启动次支管工程建设,部分已完成分路段次支管的施工及管材招标工作。
其他镇街截污次支管项目建设也计划在全市次支管网工程建设规划出台后加快开展。
总之,截污主干管网大部分已建成并投入使用,由于各种原因,作为城市基础设施重要组成部分的地下管线,在管理上存在各单位各自为政、资料散失、情况不明的现象,严重滞后于城市的发展,在截污主干管工程建设期间也发生过由于对地下情况不明而挖断地下管线造成停水停电的事件,给城市发展和人民生命财产造成了极大的损失。
因此,建立我市截污主干管网数字化管理系统,实现资源共享显得尤为迫切和必要。
系统将利用GIS技术、计算机技术、网络技术、数据库技术,对全市截污主干管工程全部排水管线(自流排污管线、压力排污管线等)及设施(污水井、泵站、污水处理厂等)等以信息化手段获取和存储,对其进行查询统计、编辑、输出、更新等管理。
主要用途如下:
(一)作为镇街管网养护的基础数据库。
全市截污主干管网建成后,所属镇街负责管网养护的监管与实施,今后建成的全市截污主干管网数字化管理系统将有利于各镇街准确开展管网养护工作,及时了解地下管网情况。
(二)作为市水务部门审核生活污水排放接入审批资料。
目前我市生活污水排入接入污水处理厂的制度尚未完善,而全市截污主干管网数字化管理系统则为生活污水排放接入审批提供依据。
(三)作为全市次支管网建设的依据。
全市次支管网工程是全市截污主干管网工程的延伸,全市截污主干管网数字化管理系统给全市次支管网工程建设提供依据。
3.系统概况
3.1.系统建设的目标
本项目集城市基础地形数据和城市排水管线及设施数据管理于一体,是城市信息化建设的重要基础工作之一。
本项目建设不仅能提高城市排水管线规划管理的现代化水平,也将为城市各行各业提供基础、及时和准确的城市空间地理信息,满足各类基于空间地理信息的应用需求。
在为社会和公众提供空间地理信息服务的同时,还能为政府的各类科学决策提供支持。
根据城市水务部门对城市排水管线及设施管理的需求,以及城市信息化、数字化发展的趋势,城市截污主干管网数字化管理系统建设的总体目标是:
1)建立完善的全市截污主干管网空间数据库,实现各类信息的数字化存储,作为各镇街管网养护的基础数据,为市水务部门审批生活污水排放接入提供基础数据资料,作为全市次支管网建设的依据。
2)建立城市截污主干管网数字化管理系统,该系统汇集各类排水管线及设施和基础地形等综合信息,实现各部门对这些信息的共享。
系统具有用户及权限管理、数据输入、数据编辑、属性查询、数据统计、综合分析、资料输出、数据更新等多种功能。
3)建立城市排水管线及设施数据的更新机制,实现城市排水管线及设施信息的动态管理,为城市规划、建设及各有关单位提供决策依据和服务,为市政规划、改扩建决策提供技术支持。
3.2.项目建设的指导思想
1)在项目建设中认真贯彻落实中华人民共和国标准、主管部委颁发的相关的规程、标准、规范、办法及地市建设行政主管部门下发的相关文件和规定。
2)以国家和地市信息化建设总体思路为理论依据,紧密结合城市排水管线信息化建设的具体情况和实际需求进行设计。
3)以先进的计算机、网络和软件技术为支撑,以发挥系统整体效益为重点,提高管线信息化建设的科技含量。
开拓设计理念,采用超前、创新的设计,使其在较长的时间内不落后,达到高起点,高标准。
4)建立切实可行的数据更新机制,实现排水管线数据的动态管理。
实现城市排水管线信息从规划设计、竣工测量、数据更新的全过程动态管理,可实现管线数据管理、管线审批业务管理、辅助分析决策、管线数据服务以及管线数据动态更新等目标。
5)具备数据采集、处理、统计分析、查询功能。
采用最优化的算法和程序代码结构,最大限度的提高软件的响应时间。
系统模块设计满足标准化、模块化、通用化标准。
6)在技术和系统容量上留有充分的扩展余地,在较长时间内保持系统的先进性,满足城市管线信息化建设可持续发展的需要。
7)系统从数据精度、数据质量、系统运行响应时间上满足系统性能要求,空间数据具备相应比例尺地图的精度指标,地理要素的内容以及数据结构能满足各子系统功能要求,属性数据完整、正确。
8)从技术和管理体制上保障信息的共享和综合利用,保障系统建设的整体性、实用性、先进性、安全性、开放性、可扩展性和连续性,保证管线信息化系统持久的生命力。
3.3.系统建设的原则
运用国内外成熟、先进的GIS及计算机技术,把握信息化发展的大趋势,结合城市的实际情况、特点、使用需求及对未来发展的要求,系统建设应遵循先进性、实用性、标准性、开放性、安全性、稳定性、扩展性等原则。
1)先进性
本系统采用GIS业界具有行业领先水平的海量空间数据库管理技术和最先进的图形处理优化技术,结合Windows系统的最新发展潮流和计算机技术的发展方向,确保了系统运行的高效率。
基于这些基础建立的系统,不仅保证在现阶段技术的领先地位,而且为今后留下了足够的发展空间。
2)实用性
系统要以满足市水务部门为完善生活污水排放接入审批制度提供参考资料以及市政设施管理需求等业务工作为原则,注重系统的实用性和操作的便捷性,应采用成熟和高效的GIS技术,采用人性化的操作方式,一切从用户的实际需求出发,贴身定制,确保系统能够尽快地投入实际应用。
系统界面设计友好、便捷,系统的各项操作简便、灵活,使用方便。
3)标准性
本系统将严格按照现有的国家标准和行业标准进行系统开发和数据生产。
系统提供符合国标和行业标准的图例图示编码库,可直接调用,同时还可根据需要制定自己的行业标准图例补充到符号库中。
4)开放性
本系统应提供用户定制模块,实现我市特性化的功能管理。
本系统要求实现跨操作系统平台部署。
在数据管理方面,本系统要求采用的GIS空间数据引擎服务,结合网络数据库服务器,实现分布式数据管理和共享,并支持无限制的数据存储和查询,真正实现网络环境下的海量空间数据管理。
本系统应提供丰富的和各主流GIS平台数据或者CAD系统的图形数据的格式转换接口,实现数据来源的多样化选择。
5)安全性
城市市政数据是城市的基础信息,数据的安全性最为重要,系统的网络配置和软件系统应充分考虑各种数据与资料管理的保密与安全。
并且在数据更新手段上,采用事务单元处理和数据库记录操作锁定功能,保证系统在多用户并行操作时数据的安全性。
利用本系统的专用安全机制和备份功能,可以确保系统的数据安全性。
在网络版系统中充分考虑到系统安全管理的要求,应专门定制用户管理模块,实现用户权限控制和数据访问控制。
由系统管理员按照用户的管理需求,分配多种级别的权限,相应权限的用户,只能在其允许的范围内,实现数据的检索或维护操作。
6)稳定性
本系统严格按照国家计算机软件项目管理规范进行开发和质量保证工作,系统在提交用户之前应进行严格的测试,保证系统在运行、维护等方面的高稳定性。
7)扩展性
系统的软硬件应具有扩充升级的余地,保护以往的投资,能够适应网络及计算机技术的迅猛发展和需求的不断变化,使系统中的信息资源具有长期维护使用能力,使系统的升级和维护更加方便。
4.系统总体设计
4.1.系统的基本组成
城市截污主干管网数字化管理与分析系统应按照地理信息系统的概念,为城市排水管网系统量身订做一套专业地理信息系统。
组成该系统的数字信息库将包括城市污水主干管网系统所有的图形数据和属性数据,为用户提供录入、编辑、修改及查询等功能。
在此基础之上,结合城市的实际情况,在系统之中加入了一系列污水排水管网水力计算方法以实现对整个排水系统的模拟,并将进一步集成现状分析系统、水量预测、水质分析、事故分析、管网规划、优化设计、风险性分析等功能模块,使整个系统成为一个进行排水系统管理和计算分析的、功能齐全的软件包。
截污主干管网数字化管理与优化分析系统是一个既基于地理信息系统(GIS),又基于网络的管理与决策分析系统。
其中数字化系统应具有对城市所有截污设施(雨水管网、污水管网、窨井、管渠等)进行日常管理操作的功能,如空间定位、查询、统计等;决策分析系统是建立在管网水力模型的基础之上,将为城市排水管网系统的规划、设计、运行等提供最优方案或辅助性的建议,达到指导相关人员制定决策的目的。
4.2.系统设计思路
本系统适应现代化城市、数字化城市建设的需要,在国家宏观科技研究规划方针指引下,立足实际,充分分析实际截污主干管网信息管理及可视化动态管理需求,研究该领域国内、外先进技术,对地下管线网络制定统一的数据标准进行系统信息模型设计和系统功能设计,实现各类专业管线多种信息采集、输入、存储、编辑、配置、可视化浏览、鹰眼图浏览、查询、动态更新及各类专题图可视化动态输出的统一管理。
另一方面,由于截污主干管网用途的特殊性和复杂性,其布设遍及地下、空中、水下等,只有通过地理信息系统才能够真是反映其空间位置关系。
本系统在传统的管线管理基础上,应用先进的GIS空间数据库、空间分析、管网探测技术和可视化技术,研究在多数据库系统上,构架分布式GIS空间数据库系统,并以此为基础提供基于管线数据的分布、走向、埋深等信息实时的空间分析和可视化功能。
为截污排水地下管线勘探、施工、维护和管理提供信息支持。
提高城市市政管网信息管理水平,使市政管网管理水平步入规范化、自动化、科学化的轨道。
4.3.系统架构
本系统中主要实现了以下关键技术:
1)数据采集层技术:
针对各管网对象采集数据的特点制定不同的数据采集接口规范;
2)数据存储层技术:
实现各管网各类数据的存储组织模型;
3)数据集成访问服务层技术:
实现各管网分布式存储的数据的逻辑统一融合,基于元数据的目录服务是其中关键技术。
4)应用支撑平台层技术:
实现基于管网信息的各应用系统公共功能组件,为系统应用层提供组件功能服务;
5)业务逻辑映射层:
根据应用需求配置服务组件;
6)应用系统层技术:
实现各个子系统间的信息、功能集成技术;
管网信息管理系统作为系统的应用子系统,分布在应用服务器上。
应用服务器接收客户端发送的服务请求,获取数据库服务器上的相应数据执行业务,并响应客户端的请求。
数据接口服务器部署了本系统与外部系统的各种接口。
在与外部应用系统连接后,接收外部系统的数据请求,向其提供业务运行的数据。
数据库服务器上部署了采集数据接口,定时向数据采集服务器请求即时数据,传递给监控子系统;并记录到历史数据库。
4.4.数据采集与外部系统的交互
为了使系统能够在系统部署和运作中,充分利用现有的数据和硬件资源以及外部系统,并使整个系统具有良好的可扩展性,
通过设置各种应用接口,截污主干管网数字化管理系统与实时数据采集等外围系统之间进行了良好的衔接,并预留了与预测、分析及决策系统的接口。
●系统与外部环境相互独立,部署灵活且可靠性高。
●便于实施各种安全策略。
●充分使用现有资源和系统。
●预留应用接口,提高系统的可扩展性。
本系统的初始原始数据通过与相关单位进行交互获取。
4.5.实现技术
系统运行中的动作由事件触发。
用户操作、管网状态更新等事件触发系统的各种动作,进行相应的业务处理。
系统采用了客户端/服务器架构(C/S)和B/S架构两种方式进行部署,用户在个人终端上通过客户端程序(Client)或者借助浏览器高速以太网访问系统,使用系统提供的服务。
服务器端使用J2EE技术构建,分为三层结构:
●应用服务器:
使用单一的高性能服务器节点构建,直接面向用户提供服务,接受用户的操作请求,将用户的操作事件传送给下一层的业务处理服务器;同时将业务处理服务器的监控状态、操作结果等信息反馈给客户端程序前的用户。
●业务处理服务器:
截污主干管网数字化管理系统的核心处理单元,使用高性能服务器构建。
业务处理服务器上部署了数据处理及管网管理、分析预警等子系统,接受并响应应用服务器传来的用户请求;并把从数据服务获得的数据分析加工,以监控状态和管理信息等形式提供给应用服务器使用。
同时,业务处理服务器还提供了数据采集、数据分析决策处理等面向其他外部系统的接口。
●数据服务器:
截污主干管网数字化管理系统的数据来源和数据存储单元。
数据服务器分为管网数据库和历史数据库两部分,前者存储管网的基本信息和属性,后者存储过时的管网状态信息以供分析之用。
考虑到现有管网数据库分散和异构的现状,管网数据库采用分布式数据库结构进行数据存储,部署上使用多台高性能数据库服务器实现;历史数据库采用单一数据库服务节点进行存储服务,并定期将数据增量式存入其他介质的存储系统(如磁带机)。
为保障管网信息的安全和系统可靠运转,系统中采用了一台相同配置的高性能服务器对业务处理服务器进行热备份,在故障发生时第一时间进行切换,确保将故障影响降到最低。
4.6.管网信息管理系统信息模型
截污主干管网管理系统的管网数据采用数据库进行存储。
具体实现采用扩展关系存储方式,在本系统中使用了ArcSDE+Oracle方式。
该方式通过在标准RDBMS中增加一个空间数据管理层,使得GIS软件的空间数据管理能直接基于RDBMS进行。
与传统的混合式等存储方式相比,扩展关系存储方式采用SDE作为GIS应用程序与RDBMS的连接层,是目前较为成熟的空间数据集成式管理方式。
从空间数据库管理的角度来看,ArcSDE可以看成是一个连续的空间数据模型,借助这一模型将空间数据加入到RDBMS中去。
4.7.GIS软件平台
4.7.1.采用GIS技术、功能强大
随着我国社会经济的快速发展,地理信息系统部分业态和空间形态发展多元化、市场竞争日趋剧烈,传统的管理方式面临着诸多挑战,仅依靠图纸分析、表格数据的统计、管理者的知觉判断难以做出科学合理的规划和决策。
而GIS技术是解决规划和管理问题的有效工具。
系统通过电子地图直观地掌握各种网络资源的分布情况,方便地定位网元位置,合理规范,加强服务,维护张力。
根据全面直观的地理化分析,调整策略。
4.7.2.利用商业智能技术,提供更科学的决策支持
从系统长远规划来看,可结合企业信息技术的最新手段(如数据仓库、数据挖掘、商业智能、空间分析技术等),可以直观地反映各区域及网元点现状,为市政建设和管理部门的的管网建设、管理、维护提供更为科学、更为准确的决策支持。
4.7.3.高性能、大用户量、安全可靠
该系统是面向截污主干管网的信息管理系统,其特点就是需要系统可承受扩展的大用户量,同时对性能要求较高,系统的安全性也特别重要。
GIS平台建议采用国产自主研发的最先进的地图引擎,页面和地图浏览采用AJAX无刷新技术,地图性能比目前流行的商业GIS提高十几倍;服务器可采用集群配置,支撑能力强,而且有可扩展性;数据库可用Oracle或MSSqlServer,数据库操作系统可用Unix或WindowServer,性能稳定而且安全可靠。
4.7.4.系统部署容易、维护简单
系统基于.NET2.0Framework架构,用IIS对系统进行维护、管理。
应用服务器采用WindowsServer操作系统,系统的图形化界面比Unix系统具有可操作性,而且维护简单,采用集群技术可以达到网络负载平衡。
4.7.5.标准化的系统接口、易于扩展
依据统一的接口协议,各种应用请求后得到的内容解释成开发者所指定表达方式。
同时,面向这些应用开发者提供.NETAPI、XML、JS接口等,包括GIS接口和业务接口方便与其他业务系统进行对接与交互。
4.7.6.基于强大的GIS开发平台-StrongGIS
StrongGIS是一款高效、稳定、新一代网络地理信息服务开发平台,它采用地图瓦片缓存技术,面向Internet的分布式计算技术,支持跨区域、跨网络、多数据源的网络GIS应用系统集成;遵循OGC(OpenGeospatialConsortium)标准,提供WMS服务;达到电信级的应用需求,已经在政府企业相关系统中成功应用;借鉴了国内外很多优秀的框架和模式,使用面向对象的开发结构;提供基于服务器的专业的空间分析服务.该平台除了可以采用自身的地图,还可以叠加其他地图服务提供商的地图(比如:
GoogleMap、Google卫星影像等)以及其他地图服务平台提供的WMS地图。
使用StrongGIS,你可以方便的部署企业级地理信息服务平台,实现网络空间数据的共享,平台提供丰富的API接口可以更快捷的开发可视化WEB应用系统,任何GIS应用开发都可以从StrongGIS的特性中受益。
StrongGIS融入到整个系统,用户方无须再单独购买第三方GIS平台。
4.7.7.GIS开发平台总体框架
市政管网信息管理GIS系统要按照安全、可靠、灵活、开放和兼容、易用、便于开发、满足性能需求等作为主要考虑,此外还考虑在集成环境下的系统高可靠性和效率。
系统基于.NET2.0Framework采用AJAX+ASP.NET2.0+ADO.NET+Oracle的技术架构,IIS为应用服务器,Windows为应用服务器和终端操作系统,Unix/Windows为数据库服务器操作系统。
系统在硬件网络的支撑上分成三层结构,主要包括数据层、业务层、表现层:
数据层:
采用Oracle大型数据库,实现流程化的数据采集、维护、更新机制,实现数据的规范化处理和加工等等。
数据库服务器初期可采用双机热备方式,根据用户并发访问量大小可以考虑部署层集群方式,提高数据存储及访问的速度。
业务中间层:
包括WebGIS引擎及业务组件,GIS核心引擎采用国产地理信息服务开发平台(StrongGIS)的核心组件产品,可以融入到整个系统的开发中。
在核心引擎的基础上,根据一定业务逻辑构建面向应用的各种服务。
例如空间分析服务,地图服务,报表服务,数据操作服务等等。
基于系统提供的服务,再根据功能要求开发各种动态ASP.NET操作页面。
应用层采用IIS进行管理,WindowsServer2003作为应用服务器的操作系统,根据用户并发访问数的大小,可以考虑搭应用服务器集群,进行网络负载均衡。
表现层:
主要是采用浏览器方式,通过ASP.NET、HTML、JavaScript、AJAX等相关技术及方法实现地图的浏览和信息的查询、管理、统计分析等功能。
4.7.8.地图关键技术
地图的浏览直接采用地图图片库的方式,一般webgis产品的地图渲染采用的是动态生成地图图片的方式,尽管这些webgis产品有很优秀的性能,但是地图渲染总是需要花费一定时间,针对于WEB的栅格地图发布应用,这里我们提出另一种优秀的解决方案。
就是把地图预先处理成影像金字塔,切块后做四叉树编码。
在进行zoom,pan操作的时候动态调用那些maplet。
这种架构省略掉了制图引擎这些对服务器性能消耗大的环节,大大提高了浏览的速度。
这种方案需要分几个比例等级把地图预先生成PNG格式的图片,根据客户端当前的显示等级和显示范围,把对应的图片直接传给客户端。
在技术实现上,我们采用Ajax(AsynchronousJavaScriptandXML)技术。
Ajax的根本理念是“按需取数据”,所以最大可能在减少了冗余请求和响影对服务器造成的负担。
并且无刷新更新页面,减少用户实际和心理等待时间;也可以把以前的一些服务器负担的工作转嫁到客户端,利于客户端闲置的处理能力来处理,减轻服务器和带宽的负担,节约空间和带宽租用成本。
如下图可以采用二维地图和卫星影像图,也可以结合三维方式展示:
应用系统是用户使用系统的界面,所有系统功能都通过应用软件实现,为了方便安装部署、维护全部采用WEB浏览器的方式,采用AJAX技术加强客户端和服务器端的交换,使用其可以达到C/S的交换性操作效果,非常适应于要在B/S模式下实现C/S模式下交换性的应用开发。
4.8.数据模型
4.8.1.概念模型
截污主干管网的概念模型是独立于具体的计算机系统之外的实体——关系模型。
概念模型的对象实体是埋设于地下的各种类型的管线和管道,包含权属单位、位置、埋深等几十类属性,赋予标识码和对象实体之间的联系。
4.8.2.层次模型
综合地下管线的层次模型是将地下管线和相关的空间数据,以有向有序的树状结构按自然的层次关系组织起来,反映了不同类型数据之间的相互关系。
由于地下管线数据库的数据量非常巨大,且包含了海量空间数据,为了实现多途径快速检索和数据分析,我们采用了数据分层存放和分层管理。
分层的原则是:
地下管线的点、线和注记按照不同的类别(但是不按权属单位)进行分层,分别组织;基础空间数据以背景信息方式进行管理;历史数据和现状数据分开存储;与数据检索密切相关的道路信息和地名信息分别单独成层管理。
4.8.3.物理模型
地下管线数据库的物理模型是逻辑层的基础,主要说明空间数据库的存储机制和储存方式。
地下管线数据库的逻辑层次是:
数据库→子库→图层→空间实体,按照GeoDatabase的标准,通过物理模型GeoDatabase→要素集→要素类→要素在ArcSDE中加以实现。
4.8.4.数据组织
市政管网管理系统主要用于展现、监控和管理地下管线要素信息,包含基础地理信息、规划和现状道路信息、地名信息和影像数据等信息。
参照业界先进的解决方案,地下管线数据库数据组织采用了功能强大和良好伸缩的Oracle10g作为数据库平台,使用ArcSDE的GeoDatabase空间数据模型,实现图形和属性一体化保存。
4.8.5.数据分类
管网系统的数据包含空间数据与属性数据两大类。
为了方便数据管理,加快检索速度,系统采用了管网按类型分层存放,如图1所示。
空间数据主要是与各类管线有关的图形数据,包括地形图,各类管线图等。
属性数据主要是与空间信息密切相关的地
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