基于一体化的思路建设“数字市政”

基于一体化的思路建设“数字市政”中国地质大学（武汉） 吴世林摘要：为了有效避免信息孤岛现象，充分发挥市政信息资源的作用，提出基于一体化的思路建设“数字市政”。采用多层体系结构，通过对市政设施和业务信息的筛选、过滤和综合，形成市政综合数据仓库，通过分布式一体化动态管理机制保证数据的现势性和完整性，通过统一的数据管理平台，提供面向政府、企业、大众多层次的服务。该方案的实施，将有利于提高城市的应急处理、规划决策和社会服务能力。关键词：地理信息系统（GIS），数字市政，信息集成，分布式.一、概述市政公用行业是城市服务功能的重要载体，是城市经济和社会发展的先导性基础产业。因此，市政公用行业的建设、管理与服务是各地方政府一项重要的管理职能，其水平的高低体现一个城市社会保障能力的强弱，也反映一个城市现代化程度的高低。随着城市规模的不断扩大，城市公用行业基础设施规模越来越大，市民对公用行业服务水平的要求也越来越高，公用行业的管理面临着数据现势性、管理动态性、反应及时性等方面的困难。这些困难根源在于各专业单位管理手段落后，管理方式粗放，管理资料缺失。随着GIS技术的快速发展和在城市建设和管理部门中的日益广泛的应用，许多城市管理者，充分认识到随着城市的规模不断扩到，迫切需要采用现代化的手段和技术，对城市的规划和建设进行科学管理，只有这样才能够有效、准确管理公用事业设施的基础资料，为规划、建设、管理与服务提供可靠依据，保障城市公用事业的安全运行。“数字市政”就是基于以上实际管理的需要而应运而生的城市公用设施管理的有效途径，通过市政府主管部门牵头，将城市公用设施管理权属部门集中起来，建设城市公用设施综合集成系统，把城市所有公用设施纳入统一管理框架，充分实现数据的共享、共用，能够为城市决策者和管理者提供城市规划发展提供依据，为城市建设者提供可靠的信息来源，保障城市的公共安全，能够显著提供城市服务水平和管理质量。二、建设思路城市供水、燃气、排水、路灯、道桥以及公交等专业管理部门是市政设施管理的职能部门，都关心市政设施的现状。但由于它们在城市管理和运行中所属的地位不同，所以它们对于管网数据所关注的重点就不同，对市政设施数据的用途也有很大差异。本系统建设的目的是要在各级市政设施管理部门之间建立统一的数据平台，同时制定统一的数据标准和技术规范，使得所有相关部门能够在统一的信息平台上，完成日常的管理业务。由于各部门对市政数据了解详细情况不同，各自的管理业务也不尽相同，在系统整体设计中，必须根据各单位的实际情况，以不同的数据需求和管理业务为重点，构造系统体系，建设专业和综合数据库，实现不同的业务功能。本项目的总体设计应该以下遵循以下思路： 数据：建立统一信息平台的核心，应该根据不同的市政设施，分别设计基于专业和综合的数据库结构； 软件：分别采用B/S和C/S结构，根据各单位以及最终用户群的实际需求，以不同的结构，实现最终用户的要求；同时为了保证数据的一致性，要提供数据更新手段，并要能够与在建以及将建的系统之间，实现数据共享； 用户群体：城市市政设置主管部门和专业管线管理部门的内部用户群、政府上级主管部门、其它政府委办局、社会用户（施工单位、社会公众）； 数据标准和技术规范：制定统一的数据标准和技术规范，为以后的数据更新以及基于异构环境的数据交换提供参考依据和指导。三、整体框架本系统按照统一的数据标准和技术规范体系，以GIS技术和信息管理技术等为核心，以城市城域网为基础，以GIS平台和基于WebService的分布式空间数据管理，信息融合技术为手段，结合系统安全和人工智能等当前先进技术，实现综合管网信息的整合、共享、更新、管理、分析和辅助决策等功能。系统体系结构如下：图 1. 数字市政整体框架大众服务信息基础层综合服务层供水排水基础信息平台城域网综合决策专业应用层综合市政设施信息平台燃气路灯电力Web Services、com+SOAP、XML。全面信息化框架体系数据规范、 技术规范、安全体系公交道桥园林本框架满足各城市有关市政管理具体业务应用的主要途径和载体。数据标准是系统数据来源、数据分发、数据更新等数据渠道畅通的制度保障，技术规范规范是系统正常、稳定运行的基础。安全体系是系统健康、安全运行，不受破坏的主要途径。基础信息层： 提供1:500（1：10000、1：2000）大比例尺的覆盖城市全要素地理信息数据； 城市小比例尺（1：20000、1：50000）行政区划图数据； 各类专业市政设施及管网空间及属性数据； 其它部门还没有建成的地理信息系统，每项工程、设施的空间数据基本保存在纸质图纸和独立的电子文档。专业应用层：各个管线权属单位，如自来水公司、煤气公司、污水公司等，分别建立自己的专业管网资料库，并建立专业管线信息系统，对其进行维护。主要系统如下： 供水：以自来水公司，供水管网管理的日常业务为主，以城市基础地形图和供水管网数据为核心，实现供水管网设备的空间和属性数据的查询、统计、分析，为自来水公司管网的规划、设计、施工以及日常维护提供可靠的依据；同时结合自来水公司工程报装的业务流程，提供完整的工作流平台，能够完成新立户和一户一表改造的业务。 燃气：以燃气公司燃气管道日常管理业务为主，以基础地形图和燃气管网数据为核心，实现燃气管网设备的空间和属性数据的查询、统计、分析，为燃气公司管网的规划、设计、施工以及日常维护提供可靠的依据；同时能够实现对气站管理业务、销售点管理业务、管道气管理业务及与这三大业务直接相关的综合性业务的管理支持，即实现对通用办公事务以外的其他所有业务的管理。 排水：提供完整的管网数据管理功能，能够实现从排放口、污水处理厂、污水管网、阀门、流量计以及用户的全面的管网设备管理。能够管理与管网设备相关的维修、施工以及多媒体资料。真正实现管网数据的全面管理。 路灯：以城市行政图为基础，以图形方式描述城市所有道路的路灯设施的空间及属性信息，并提供，丰富的查询和统计工具，能够快速查询路灯设施的基本信息以相关多媒体数据等。 电力：全面管理输配电工作的各个方面，提电力公司供输配电设备管理、输配电接线图管理、全生命周期的输配电设备运行管理、输配电网运行分析、输配电故障投诉电话管理、配电工程管理、辅助规划设计、辅助工作票管理、用户业扩报装和报修、WEB数据发布等功能。 桥梁管理：以城市主干道、次干道、支路和桥梁的空间数据和属性数据以及相应的办公业务为核心，实现道桥的养护管理和、评估分析，对以后的发展趋势进行预估分析。 公交管理：综合运用了GIS、交通规划、统计等理论方法，采用空间分析、数据调查以及专家知识库等手段，集公交线网、首末站、枢纽站基础数据管理和公交线网评估分析为一体的系统。 园林绿化：提供整套数据采集、更新、维护的机制，并通过将基础数据和通过基础数据提取的能够反映业务活动状况和指标的统计、分析信息与日常的办公信息结合起来 。综合决策层： 城市综合市政设施信息平台：实现城市政地下管网基础资料的现状管理，为各专业单位的管网的规划设计、施工提供全面、准确的基础资料。并通过处理各种形式的成果数据，如外业探测数据，竣工图资料等，自动建立高精度、高可靠性的地下管线数据库，并及时将变更以后的数据补充到数据库中。同时提供管网及相关资料的查询、统计以及各种输出，实现任意断面查询、网络分析，管线工程辅助设计等复杂的具有空间决策支持和专家系统雏形的分析与设计功能。数据标准：建立基于统一的数据标准，在专业管线数据和综合管线数据之间，建立合理有效的交换和共享标准，包括专业管线数据的存储标准、更新标准、综合标准以及综合管线的数据发布和共享标准等。技术规范：系统采用但前主流的软件开发技术，遵循相关的技术规范，从需求分析、设计、编码、以及测试，全过程严格根据相关的软件技术规范，并提供标准的过程指南，保证系统最终的产品质量。安全体系：安全体系是系统正常运行的保障。本系统的安全包括诸多方面，如数据、硬件环境、软件环境以及规章制度等，本系统的设计将从以上多个方面进行深入分析，并提供完整、有效的安全保障方案，建立安全体系。四、关键技术4.1 GIS技术地理信息系统是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。GIS所特有的空间分析功能和可视化表达方式正符合市政设施所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点；同时，由于市政管理信息绝大多数都和地理位置密切相关，GIS也是把各类市政管理信息有效聚合的黏合剂，所有的信息通过和地理位置相关，就可以达到有机结合的目标。4.2市政设施通用空间数据模型市政行业涉及管道、缆线、沟渠、道路、桥涵等各类设施，类型众多，特性各异。为了实现城市级的综合集成与共享，需要设计适合市政设施地理信息表达的空间数据模型。由于设施自身及设施之间关系的复杂性，该模型需要扬弃传统点线面模型，完全面向空间实体，支持一对多、多对一、多对多、继承、子类等关系，满足各类市政设施信息表达的需要。4.3网络分布式一体化管理技术有生命力的信息集成应是动态的、不断更新的，而不是静态的、一次性的。市政专业权属单位是各类市政设施投资建设和变更的主体，也是各类市政运营活动的直接实施者，因而也不可避免地成为市政设施和业务数据的维护者和变更者。政府综合管理部门没有能力对各类数据实施动态更新，更新只能由权属单位来做，而各权属单位在地域上一般是分散的，所以需要采用分布式数据库技术，将各个市政行业数据库的变化动态反映到集成的综合数据库服务器之中。另一方面，专业权属单位所管理的设施及业务数据与政府综合管理部门所管理的数据在详尽程度上有明显差异，前者更详尽，后者则是前者在城市规划意义上的综合。这意味着数据的动态更新并不是简单的数据库记录复制。所以，在整个城市范围内分散存在的、详尽程度不一的市政数据库之间，保持数据动态更新和全局现势性，是市政管理信息集成系统需要解决的关键问题。市政管理信息的分布式一体化管理，采用如图2所示的概念模型。图 2. 市政信息分布式一体化动态管理概念模型Internet市政综合Web服务器市政综合数据库服务器供水企业Web服务器 权属单位内部数据终端管理部门内部数据终端互联网数据查询终端通用的市政设施数据模型和元数据框架筛选、过滤、综合供水数据服务器燃气数据服务器排水数据服务器路灯数据服务器. .按照这个模型，首先要对权属单位的二级（详尽）设施及业务数据进行抽取、筛选和综合，在政府综合管理部门建立市政综合数据库；在专业权属单位变更设施及业务数据时，变更能够即时发送到综合数据库，从而保证一级（综合）数据与二级数据间的对应与同步。为了减轻网络负荷，在二级数据库和一级数据库之间传输的不是完整的数据记录，而是数据变化量（即变更日志）；一级综合数据库并不是完全依照这种变更日志来进行修改，也需要经过筛选、过滤和综合的过程，才能决定是否需要修改以及如何修改。另外，这个概念模型也显示，各个权属单位都可以访问市政综合数据库中其他市政单位的综合性设施和业务数据，这对于各个权属单位的设计、施工、抢修，具有重要的意义。4.4 数据仓库和数据挖掘数据仓库是用于管理决策支持的面向主题的、集成的、稳定的、随时间变化的数据集合。通过数据仓库，可以把市政单位不同业务系统的数据集成起来，提供一个统一的视图，获得有关单位运作状况、设备状况和客户行为的更为综合的信息。在数据清洗、集成，最终建立数据仓库的基础上，可以进行联机分析处理和数据挖掘，从不同的角度观察市政单位的运行数据，查找规律，获取知识，使海量数据的潜在价值得以充分发挥，最大限度地支持决策和规划。例如，利用数据挖掘技术，采用灰色模型、回归模型等方法，可以进行水量预测；又比如，通过关联规则挖掘、分类预测、规则推理方法，可以发现气温、水质、管材等诸多因素对管道耗损的影响，得到材质老化预测模型，对设备维护和管网改扩建提供指导。由于数据仓库基于GIS技术创建，所以运用空间数据挖掘技术，可以进行更加复杂的分析和预测。五、整体建设的优势“数字市政”的建设应该充分利用GIS技术、通讯技术、数据库技术、互联网技术等的最新成果，紧密结合各行业管理的业务流程，以全过程信息化的指导思想，建立包含供水、排水、路灯、燃气、道桥、公交、园林、综合管网、WEB信息发布的综合系统，达成各系统在数据和功能上的统一和共享，实现了市政公用设施规划、建设、管理业务的信息化、科学化和规范化。5.1统筹兼顾的共建模式，满足宏观、微观管理需要市政设施政府主管部门和个权属单位形成了“n1”的共建模式，兼顾市政设施宏观和微观管理的需要，采用分布式多级服务器管理体系，对各个专业权属单位的“二级管网数据库”进行提取和综合，形成“一级信息数据库”，负责全市综合管线信息数据的收集、整理、标准化、入库，动态更新资料，数据的交流和共享，从而使市政府内部与多家权属单位之间加强信息交流，实现了数据的提取、整合和信息共享，从原来的单独作战到现在的协同作战，实践了一种新的建设模式，实现城市公用事业管线一体化管理。这种模式解决了系统数据更新的瓶颈问题，实现了基础数据的共享，保证了系统的生命与活力，从资源共享的角度来讲是一种突破。5.2全过程信息化，充分保证城市的规划、建设及管理需求城市地下管线管理包含规范设计、工程建设、运行管理、社会服务四个方面的工作，它们是相互联系、相互依存的。城市管线的建设是由社会服务的需要而引起，通过规划设计、管线建设、管线运行这些具体工作，而最终又落脚到满足社会服务的需要，这是一个周而复始的循环过程。本系统建设目标，是对这是个方面工作全过程业务的信息化，形成完整的城市管线建设、管理业务信息链，并充分共享、共同维护，从而调动了各部门积极性，保证该信息链协同运作。本系统各专业子系统中“规划设计”模块对应了规划设计、工程建设的业务要求，“事故处理、养护管理”模块对应了运行管理的业务要求，“WEB发布”模块对应了社会服务方面的要求。5.3有机的信息集成共享体系专业单位内部各业务部门之间实现信息集成和共享，为各部门协同合作打下了基础。本系统建设过程中，充分考虑了各单位GIS系统与原有的营业、调度系统的整合，如给水、燃气子系统集成了各单位原有的营业收费系统、生产调度系统；路灯子系统集成了“三遥”系统等，实现了GIS与MIS、OA之间进行无缝连接。各专业单位之间的信息集成和共享。通过综合管线系统，使各专业单位在规划设计、应急抢修时同时了解兄弟单位的管线信息，为具体工作提供准确、及时、有效的指导。部门之间的信息集成和共享。在规划、建设、园林、城管等不同政府部门之间实现信息集成和共享，为整个建设行业的规划、建设、管理工作提供有效的支持。六、实施效果分析6.1经济效益分析（1）建设阶段经济效益分析公用工程建设过程与一般建设工程一样，包括项目决策、项目设计和项目实施三大阶段。根据建设工程投资控制理论，进行投资控制的关键在于决策和设计阶段，而在项目做出投资决策后，其关键就在于设计。据研究分析，在满足同样功能的条件下，技术经济合理的设计，可降低工程造价高达1020。在原理条件下，由于基础资料缺乏，无法进行管网建模和准确的水力计算，因此市政公用管线的设计很难做到科学合理，难免造成投资浪费。建成GIS以后，可以在此平台上进行管网建模和管网平差计算，从而提供科学决策依据，优化管网设计。按城市每年市政公用管线投资2亿计算，可以降低管网工程造价上千万元以上。（2）运行阶段经济效益分析以自来水为例，城市自来水管网漏损率在20左右，按一个普通地级市每年供水1亿吨算，每年自来水的漏损量在2000万吨左右，直接经济损失4000多万元。因此，降低管网漏损率一直是我们研究的课题，但降低管网漏损率是一个系统工程，建立供水管网GIS平台是先决条件，城市通过自来水公司准备在GIS平台上建立NRW（无收入水量）试验区，在进出水管处安装在线流量仪来检测进出水量，对无收入水量试验区的管网分区域进行水量统计，确定该区域自来水的漏损率。通过管线检漏、大口径水表、小表计量等措施进行偷水、无表用水等因素分析，预计可降低无收入水量5-8，每年可减少经济损失1000万元。另外，城市建设中，爆管时间常有发生，一般城市每年自来水、天然气爆管就有几千起，其中相当一部分是由于施工单位对地下管线敷设情况不了解、野蛮施工造成的，爆管停水、停气事故对专业公司造成很大的抢修压力，对社会也造成了巨大的经济损失。各专业管线GIS建立以后，可以提供相关施工单位查询施工区域地下管线情况，从而避免发生相关事故，减少经济损失。6.2项目社会效益分析随着城市城市不断发展，公用事业管线作为城市的基础设施，是城市经济发展的命脉，科学、高效管理城市公用事业设施，能够极大提高城市的发展和投资条件。随着城市化进程的加速，越来越多的各种管线网错综复杂地分布于城市的各个角落，如何管理这些星罗棋布的管线网，尤其是在出现事故后，如何及时的加以发现和排除，成为管理各种管线网的一大难题，系统的应用为解决这个难题提供了最强有力的手段。它能够把城市各类信息置于其客观的空间分布中进行管理和综合分析的能力，十分符合城市信息高融合性、大空间性的管理特点，与基于统计分析的传统信息管理系统（MIS）相比，具有功能更强大、管理更直观的优越性。同时，由于采用了计算机网络、数据库管理、图形图像学、多媒体技术等新技术成果，能共享多部门之间的数据信息，对具时空性的信息可作出生动、直观的描述，并能根据各种模拟模型进行辅助决策，把分析结果迅速以图、文、声、像一体化的形式提供给业务部门的工作人员，可以优化规划设计方案，提高抢修速度。因此，将GIS技术广泛应用于城市公用事业已成为城市规划、建设和管理迈入现代化的一个标志。6.3项目实施对市政公用行业的影响（1）有利于提升政府对公用行业的监督水平市政公用行业建设的是公共工程，生产的是公共产品、关联的是公共利益、影响的是公共安全、提供的是公共服务。这种公用性质决定了政府主管部门必须重视和加强对公用行业的管理，不断提高管理水平以适应社会需要。随着市场经济的发展，公用行业也面临改制、特许经营等诸多新问题，政府对公用行业也面临改制、特许经营等诸多新问题，政府对公用行业的监管也面临新的考验。本系统通过数据提取建立了综合管线数据库，为主管部门提供了第一手管理资料，系统集成了各专业单位的运行调度系统、营业系统，可以为政府提供大量的深层次管理信息。由此可见，本项目的建设为市政府对公用行业的监管提供了一个崭新的平台和全新的手段，从而提高政府决策的科学性、前瞻性和民主化程度，产生巨大的社会效益和经济效益。（2）有利于提高专业单位工作效率和服务水平本系统最显著的功能和特点就是将原来各个权属单位的专业资料进行了动态的管理，从而改变了原来手工管理资料的模式；各家单位可以从设计、施工、竣工到验收实现了数字化，这样各个环节，各个部门之间运转更加通畅；同时GIS将OA进行紧密的结合，采用工作流的方式，使工作透明，从而达到比较高的管理目标，提高企业管理效率。城市公用事业形势变化越来越迅速，客户的需要也日益多元化，要适应新情况，各单位必须按市场需要，建立一套反应迅速的工作流程，“城市市政公用地理信息集成系统”将在这方面提供有力的支持。高效运转的GIS管网管理信息系统，爆管时可以及时查询需要关闭的阀门和需要通知的用户，可以使抢修服务的响应速度更加快捷，使服务质量得到很大的改进，使客户的满意度也大幅度提高。例如：原口径DN500的供水管道抢修时间为36小时，通过GIS的应用可将抢修时间缩短为20小时。（3）提升企业管理水平信息化不仅仅是信息技术的简单采用，而是企业借助信息技术的工具，引进新的管理思想和模式，使公用事业单位的管理水平得到进一步提升，实现更高的管理和发展目标。七、建设要点7.1.领导重视，保障有力本项目的建设是一个复杂的系统工程，需要大量的人力物力投入，项目建成后又是对传统管理手段的一大创新，因此项目建设、运行，政府的推动和专业单位的积极参与缺一不可。本项目的实施必须得到市政府的高度重视，