地下管线管理信息系统设计与实现（江苏大学计算机专业本科毕业论文）.doc

J I A N G S UU N I V E R S I T Y本科毕业论文 地下管线管理信息系统设计与实现 Design and Implementation for the Underground Pipeline Information System学院名称：专业班级：学生姓名：指导教师姓名：指导教师职称：006年月江苏大学毕业论文地下管线管理信息系统设计与实现专业班级：指导教师：学生姓名：职称：摘要 随着现代城市的发展，地下管线已成为人民生活和经济活动的命脉，也成为城市赖以生存和发展的物质基础。本文对国内外地理信息系统技术和管线信息系统的特点进行了综述，分析了系统的开发模式和实现技术，确定了二次开发的控件和算法，并设计实现了城市地下管线信息系统。本文的主要工作包括：(1)分析了地下管线信息系统的特点以及与地理信息系统的关系，在比较分析三种开发模式和两种流行的 GIS 开发平台的基础上，结合 ComGIS 的特点和原理，基于 MapObjects 进行二次开发形成了一套拓展的 GIS 控件。(2)分析了管线数据的特点，设计了城市地下管网信息系统数据编码和管线数据组织的模型；阐述了地理信息系统中网络分析的概念及常规网络分析的解决方案，论述了事故分析、最短路径分析、缓冲区分析和纵横断面分析流程的方法，采用深度优先遍历方法实现 Dijkstra 算法。(3)分析和提出了地下管线的信息编码和属性数据库的设计方案，对管线信息的空间分析手段作了深入的探讨；在此基础上，运用 MapObjects 作为二次开发控件，以 ComGIS 为基础对地下管线信息系统项目进行了详尽的方案设计，实现数据输入、属性查询、空间分析、图形输出、系统维护等多方面功能。系统在一定程度上解决了目前大多数系统的数据格式单一、数据互操作性不强，或在数据格式转化中常常出现数据丢失、错误改变等问题，实现了比较完备的管线空间数据与属性数据编辑及维护功能。(4) 采用 C/S 模式，设计和实现了城市地下管网信息系统，并对系统实现中的几个关键问题，给出了解决方法。关键词：地下管线，地理信息系统，数据库，三维可视化， C/S 模式2江苏大学毕业论文Design and Implementation forthe Underground Pipeline Information SystemAbstract Along with the urban development, underground pipeline has become thelive vein of the people and the economic activities, also become the material base ofurban survival and development. This paper gives a review on the development of GISand an analysis on the characteristics of currently popular GIS platform, analysis of thesystem development pattern and the implement technology, also, determines controls andalgorithms for quadratic development. Main content introduced in this paper includes:After analyzing the special demand of Pipeline Information System (PIS), based onthe comparative conclusions among three different development modes of GIS, and twopopular GIS platforms, with the characteristic of the COMGIS taken into account, acomprehensive solution based on MapObjects to construct the PIS is proposed.Based on the characteristic of the pipeline data, a plan on the encoding and a dataorganization model are proposed. Especially, the concept of the geometrical network andthe relative network topology analysis are discussed. The accident analysis model, thealgorithm to find the shortest path, the buffering analysis, the flow to implement thetransect analysis are also introduced. The Dijkstra algorithm is implemented on basis ofDepth-First Traversal.The analysis is given on the design of the information encoding and the spatialdatabase. The main method used within the spatial analysis of PIS is introduced. Thecomprehensive solution of the constructed PIS is introduced in detail. The implementedfunctions include data input, data query, spatial analysis, map output, system maintainand so on. To a certain extent, the constructed PIS makes progress in Data Integrationand System Interoperation.The PIS is constructed with the C/S framework on basis of MapObjects, and producedsolutions to several key questions in system realization.Keywordsunderground pipeline, geography information system, database, C/S mode3江苏大学毕业论文目 录DESIGN AND IMPLEMENTATION FOR. I地下管线管理信息系统设计与实现 . 2第一章绪论 . 11.11.21.31.4课题研究的背景与意义 . 1地下管线信息系统的现状 . 2本文研究内容 . 3论文的结构 . 4第二章 相关理论与技术基础 . 52.1 地理信息系统 . 52.1.1 地理信息系统的概念. 52.1.2 地理信息系统的结构. 52.2 地下管线系统 . 62.2.1 地下管线的概念. 62.2.2 地下管线信息系统与 GIS 的关系. 82.2.3 地下管线系统的特点. 82.3 GIS 开发模式 . 92.3.1 三种开发模式. 92.3.2 三种模式的比较. 102.4 组件式 GIS . 102.4.1 组件式 GIS 的特点. 102.4.2 组件式 GIS 的实现技术. 122.4.3 两种比较流行的组件式 GIS 控件. 132.4.4 MapObjects 的特点 . 15第三章地下管线信息系统分析 . 173.1 地下管线数据组织 . 173.1.1 数据分层、分幅管理. 173.1.2 属性数据编码. 173.1.3 地下管线信息系统的数据结构. 183.2 地下管线空间分析 . 213.2.1 事故分析. 213.2.2 最短路径分析. 233.2.3 缓冲区分析. 253.2.4 纵横断面分析. 273.3 数据检查 . 283.4 管线三维图形的生成 . 293.4.1 三维可视化软件 VRML . 293.4.2 地下管线三维数据的提取. 29第四章地下管线信息系统的设计 . 314江苏大学毕业论文4.1 需求分析 . 314.2 系统设计 . 334.2.1 系统设计的基本原则. 334.2.2 系统的结构设计. 344.2.3 功能模块的设计. 354.2.4 数据库设计. 36第五章地下管线信息系统的实现 . 385.1 C/S 模式地下管线信息系统的网络编程 . 395.2 图形编辑操作 . 425.3 查询统计 . 445.4 空间分析 . 455.5 数据检查 . 465.6 三维显示 . 475.7 打印输出 . 475.8 安全性控制及系统维护 . 49第六章总结与展望 . 52致谢 . 53参 考 文 献 . 545江苏大学毕业论文第一章绪论1.1 课题研究的背景与意义城市地下各类管线是一个城市重要的基础设施，担负着信息传输、能源输送等工作，也是城市赖以生存和发展的物质基础1,2。但由于多方面的原因，镇江市现有地下各类专业管线的资料残缺不全，且有关资料精度不高或与现状不符，造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，造成停气、停水、停暖、通信中断、污水四溢等严重事故，并且因为缺乏相应的事故分析能力，对事故响应时间不够及时。另一方面，现有的地下专业管线的资料都以图纸、图表等形式记录保存，采用人工方式管理，效率低下。随着时代和科学技术的发展，城市的现代化步伐日趋加快，城市建设、管理、发展的矛盾日益突出。采用高新技术和方法来高效管理地下各类专业管线，满足决策、管理部门和施工单位的需要已成为镇江市信息管理当务之急。城市地下管线信息系统在这种背景下应建设和应用的需要而研制开发。系统的研究开发应充分利用现今蓬勃发展的地理信息系统技术，实现各类专业管线、管孔、井盖等的信息输入、管理、查询、横纵剖面及各类专题图的绘制、地形和各专业管线的 1:500、1:1000 图幅和自定义图幅输出等等功能，以满足地下各类管线的规划、勘探、维护、施工和管理的需要，为规划、设计、施工等部门提供准确可靠的地下管线的分布、走向、埋深等状态信息及各专业属性信息，并为将来系统进一步扩充和发展奠定基础。地下管线管理信息系统在规划、石化企业、自来水公司、消防、煤气、天然气等部门有着广阔的应用35。出于节约用地、节约能源、安全环保的考虑，往往把重要的管线埋设在地下，甚至埋得很深。由于管线处在地下暗处，看不见摸不着，对管线的走向、相互间距、埋设深度无法直接了解。由于对地下管线情况了解不清，在城市建设施工中随时有可能发生刨断电缆、挖断水管，造成大面积的停水停电，通讯中断也时有发生，给国家造成巨大的经济损失。建立地下管线地理信息系统可以使地下管线变暗为明，利用过去的资料和先进的仪器搞清楚地下管线的确切位置、埋深、走向、埋设方式、方圆直径、材质等，建立起地下管线地理信息系统，为规划设计部门提供确实可靠的数据，从而在建设施工中避免了重大事故的发生6,7。在建立地下管线地理信息数据库后，应用地理信息系统网络分析和各种专业算法，可动态模拟出管道内各种参数，如温度、压力、密度、流量，做出这些物料的流动状态波动曲线图，据此判断管线上各装置的运行情况，发出停、开、升、降等各种指令，何时需开足马力，何时需关闭阀门，合理调控，以维持管线网的最佳运行状态7,8。1江苏大学毕业论文建立地下管线地理信息系统还有很多方面的应用，如自来水管道、煤气天然气管道突发事故的应急处理系统、在管线地理信息系统基础上进行漏水调查等。在我国应用地理信息系统管理城市地下管网还处于起步阶段，在数据录入、更新和信息的应用过程中还会遇到各种各样的问题和困难，上述的应用分析功能尚待进一步研究和开发911。因此，基于镇江管线信息系统进行相关的技术研究，为城市建设和管理提供决策支持工具，将有助城市管理水平，主要体现在如下几方面：（1） 借助于地下管线信息管理系统强大的空间数据库已能很可靠、很完美地将一个城市的基础地理信息、各种管线、管件空间信息及它们复杂的属性信息一体化存储、分类、分层地进行存储管理。（2）借助于系统强大的空间分析能力、网络分析功能和其它各种模型分析功能，能方便地对管线中的介质运行状态作动态模拟；能快速准确对管线运行的突发事故作紧急处理；能协助科学地进行地下管线的规划和辅助设计；能指导市政工程的文明施工和预防性维护等，总之，能较完美地实现对城市地下管线各种深层次的管理。（3）借助于地下管线信息管理系统的网络运行功能和三维显示功能，使一个城市的建设部门和管线权属机构，一个企业的各个管理部门，能充分实现管线信息的共享并进行各自的管理功能；能远距离浏览查询和形象地观测地下管线的复杂分布和相应的空间关系。（4）借助于系统强大的图形功能和数据库管理功能，可以方便地对基础地理信息、管线信息进行修改和更新。1.2 地下管线信息系统的现状城市地下管线是城市经济活动和人民生活的命脉，任何时期，城市都极为重视地下管线信息的管理7，但是不同时期地下管线信息的管理有其身特点：（1）80 年代前，所有管线的权属部门和城建部门都建有完备的档案室，以保存管线的竣工图和各种管线的属性卡片、表册，但随着城市的发展，这种手工管理方式远远跟不上城市发展的需求，矛盾日益尖锐。（2）80 年代后期至 90 年代，为摸清城市地下管网情况，我国开展了大规模的城市地下管网普查，并率先使用计算机辅助制图技术（AutoCAD）绘制管线分布图；使用 DBASE、FOXPRO 等数据库管理系统存贮管理管线和管件的属性信息。由于管线的空间信息和属性信息分别存贮于不同的介质，很难统一利用和管理，也难以进行信息的更新。（3）90 年代初期至中期，随着地理信息系统软件被广泛应用于一些行业，也被迅速推广应用于管线空间信息和属性信息的管理。我国于 90 年代初相继使用国外的 GIS 平台（ArcInfo、Intergraph），有的甚至用 AutoCAD 探索开发管线2江苏大学毕业论文信息管理系统。与此同时，国产 GIS 平台研制成功（如 MapGIS），用国产 GIS平台也开发出了地下管线信息管理系统，如 1994 年开发成功的南京炼油厂综合管线信息管理系统、江西南昌自来水管网信息系统和苏州市城市地下管网地理信息系统等，由此城市地下管线信息管理系统的发展进入一个新的阶段。但是由于种种原因，目前城市地下管线的管理存在若干问题。首先，由于地下管线现状资料的缺漏和偏差而造成的盲目施工，时常损坏地下管线，导致停水、停电、停气、通讯中断，甚至引起灾害事故。其次，由于事先缺乏地下管线现状资料，有些道路及管线工程无法按设计进行施工，不得不在现场修改设计方案，且覆土前又未进行竣工测量，造成管线数据的动态更新难以实施。此外，城市管线资料来源不明确，精度不可靠，且在传统的管线资料管理模式下，图文表格不统一，分类统计、检索速度慢，不利综合分析，存在较多弊端。所以要实现城市管理的科学化、现代化，就必须实现管线资料的数字化管理，对城市内的管线进行普查，并对管线资料的管理做出长远规划。1.3 本文研究内容地下管线信息系统一方面依赖各种比例尺的地形图，特别是以地形图为基础的专题管线图来管理其空间地理位置信息；另一方面非空间信息（如管线材质、规格、管线高程，底程、埋设年代等）则一般是通过各种不同规格的表格数据形式来管理。这种相对独立且分散的基于文档的管理方法，其弊病是显而易见的：首先表现在于表格文档和地图文档的非同步更新，造成内容上的不一致和混乱；其次，纸质文档有不易查询、保存携带、复制和不便于保密等缺点。近几年随着计算机技术的发展，有一些管线权属单位也采用计算机技术进行地下管线信息的管理，如通过 AutoCAD 生成地下管线图，用 Microsoft Excel 或Foxpro 保存管线、管点的属性信息，这对地下管线信息的管理发挥着很大的作用，但也存在严重的不足，就是地下管线探测与信息技术分离，AutoCAD 只显示空间数据，无法显示属性数据，空间数据与属性数据没有有机的结合在一起；有时管线信息数据可能由于测量出现较大偏差或者人为的原因弄错，在入库时没有一个合理的机制去进行数据正确性和合理性检查；管线信息的查询、统计、分析都要手工进行，不仅效率低，而且容易出错，无法形成科学、系统的事故分析和决策。目前大多数系统使用的数据格式单一，数据互操作性不强，有的系统虽然支持多种数据格式，但在数据格式的转化中常常出现数据丢失、变形等问题。这样使得系统无法和其它相关系统进行数据共享，造成多种系统之间数据的不一致，系统在使用时往往需要重新录入数据，给用户使用带来很大不便。基于原有 GIS二次开发平台开发的地下管线管理系统，大多数只具有原平台提供的常用空间分析功能，而缺少针对管线数据管理所需要的网络分析功能，或者只提供了很简单3江苏大学毕业论文的网络分析功能。本文通过广泛查阅相关文献资料，开发并实现了地下管线信息系统，主要工作包括：（1）设计了适于管网数据存储的栅格矢量一体化数据结构，采用这种数据结构存储管网数据，在保证管线数据全面、准确的同时，简化了存储操作，提高了管网数据的存储效率。（2）讨论了几种常规空间网络分析包括事故分析、纵横断面分析、缓冲区分析以及最短路径分析问题的解决方案；采用深度优先遍历方法，实现了 Dijkstra算法。（3）数据录入及入库过程中实现完整性，合理性以及准确性检查。（4）三维图形显示。（5）设计了 C/S 模式的网络版地下管线信息系统，实现了远程管线数据的管理和非常完备的管线空间数据与属性数据编辑及维护功能。1.4 论文的结构本文主要分为六章，其主要内容概要如下：第一章主要介绍了课题的背景和研究意义，概述了地下管线信息系统应用范围，总结了目前现有的城市地下管线信息管理系统中存在的不足，阐述了本文的主要研究工作。第二章介绍了地理信息系统和地下管线信息系统的概念及其关系，论述了GIS 开发模式和组件式 GIS。第三章分析了管线数据的特点，设计了城市地下管网信息系统数据编码和管线数据组织模型；论述了事故分析、最短路径分析、缓冲区分析和纵、横断面分析流程；采用深度优先遍历方法的实现了 Dijkstra 算法。第四章对系统进行了需求分析，并根据需求分析明确了系统设计基本原则，在此基础上设计了系统的结构、功能模块和数据库的数据字典。第五章设计了城市地下管线信息系统基于 MapObjects 的 C/S 模式体系结构，说明了构成系统的几个模块的功能；对系统实现中的几个关键问题，给出了解决方法。第六章对总结全文工作，并对地下管线信息系统的下一步工作进行展望。4江苏大学毕业论文第二章 相关理论与技术基础2.1 地理信息系统2.1.1 地理信息系统的概念地理信息系统（GIS）是以采集、存储、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统8。美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）于 1988 年曾给地理信息系统下过一个定义：为了获取存储检索分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统9,10。GIS 是以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，主要涉及地理学、测量学、制图学、摄影测量与遥感、计算机科学等领域1113。GIS 是管理和研究空间数据的技术系统、在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据（包括地理实体的空间数据和属性数据）的有效管理、研究各种地理实体及相互关系，通过对多种地理要素的综合分析，迅速地获取满足应用需要的信息，并以地图、图形或数据的形式表示处理的结果1215。2.1.2 地理信息系统的结构广义上讲，地理信息系统由硬件设备、计算机软件、数据和用户四大要素组成。硬件设备包括数据存储设备、输入设备(如数字化仪、扫描仪、全数字摄影测量工作站等)、输出设备（如矢量绘图仪、栅格式绘图设备等）；数据包括与地理实体相关的各种定量数据和定性数据：用户则是地理信息系统服务的对象1620。狭义的地理信息系统仅指计算机软件，软件部分由五个子系统组成（如图2.l 所示）。5江苏大学毕业