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水廠地下管線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
1引言
泰達(dá)水業(yè)有限公司凈水廠占地面積約60萬m2，地下管線種類較多。經(jīng)過多次擴(kuò)建及改造后，系統(tǒng)越來越龐大，空間結(jié)構(gòu)更加錯(cuò)綜復(fù)雜。相關(guān)紙質(zhì)圖紙資料采用人工管理的方式，圖紙資料相關(guān)信息不全、查詢效率低、更新速度慢，已經(jīng)無法滿足地下管線管理的實(shí)時(shí)要求。當(dāng)開挖某區(qū)域涉及多個(gè)專業(yè)管線時(shí)，通過圖紙資料很難查找到各管線間的空間結(jié)構(gòu)和綜合狀況，給工作的開展增加了不少難度。當(dāng)遇緊急情況時(shí)，有時(shí)要靠有經(jīng)驗(yàn)員工的記憶來判斷，使搶修人員倍感壓力。通過三維可視化地下管線管理系統(tǒng)，凈水廠實(shí)現(xiàn)了對(duì)水廠的管線、圖紙資料的科學(xué)管理，還為廠內(nèi)生產(chǎn)調(diào)度、施工改造、地線管線維修保養(yǎng)提供了精確、迅速、科學(xué)的依據(jù)。本文介紹的就是泰達(dá)凈水廠三維可視化地下管線管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
2技術(shù)背景
隨著三維引擎技術(shù)逐漸成熟，三維可視化技術(shù)在管線管理方面與傳統(tǒng)的二維表現(xiàn)方式相比有諸多優(yōu)勢(shì)。優(yōu)秀的空間表現(xiàn)力，能讓用戶從多角度、全方位的視角來觀察管線布局。三維化的拓?fù)浞治龉δ芸梢愿庇^的給用戶以良好的空間分析(諸如流向分析、開挖分析、斷面分析等)以及管線之間連通性的清晰了解。測(cè)量及標(biāo)識(shí)功能可以使用戶能以全局視角去查看管線的標(biāo)高，輔以多種定位方式以及模型分層顯隱等三維場(chǎng)景下的獨(dú)有功能和三維環(huán)境的實(shí)景展示，使用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管線狀況有一個(gè)更直觀、更明確的認(rèn)識(shí)。本系統(tǒng)采用的howsky3D三維引擎具備處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的功能，依靠三維要素?cái)?shù)據(jù)模型管理機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑空間、場(chǎng)景、管線、設(shè)備等多種空間位置對(duì)象的三維仿真展示和管理，具備定位辨識(shí)準(zhǔn)確，特征辨識(shí)清晰，數(shù)據(jù)組織有條理等特點(diǎn)。
三維引擎的三維數(shù)據(jù)要素和數(shù)據(jù)模型如圖1所示：三維要素的數(shù)據(jù)模型，簡(jiǎn)單要素形成聚合要素和復(fù)合要素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑空間、管線、設(shè)備的表示和同一工作空間幾何對(duì)象多比例尺的表示，采用改進(jìn)的矢量數(shù)據(jù)表示方法，具有較高的定位精度，易于進(jìn)行特征的辨別和選擇，并且能精確地存貯坐標(biāo)值，能有效的組織綜合管網(wǎng)及環(huán)境場(chǎng)景的各類三維管理對(duì)象，為凈水廠管網(wǎng)數(shù)據(jù)精益管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。針對(duì)凈水廠的管線管理業(yè)務(wù)，考慮安全性和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用C/S模式進(jìn)行搭建，在局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行�？紤]通用性和穩(wěn)定運(yùn)行的要求，系統(tǒng)采用當(dāng)前主流的面向?qū)ο笙到y(tǒng)的.NET開發(fā)平臺(tái)，使用MicrosoftVisualStudio2008為開發(fā)工具，配合為.NetFramework量身定做的C#語言，結(jié)合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLServer2005共同完成系統(tǒng)的開發(fā)。三維模型采用虛擬三維建模技術(shù)，即從CAD圖紙和現(xiàn)場(chǎng)人工拍照獲得實(shí)際建筑的尺寸信息及外觀信息后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的三維建模軟件3DMAX中進(jìn)行處理，并通過人工生成模型。模型生成后通過自定義的3DMAX導(dǎo)出插件將模型導(dǎo)成本三維GIS引擎可以使用的格式，并將其加入三維GIS引擎進(jìn)行后續(xù)的流程化渲染及顯示。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1總體架構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循分層架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，將數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層分離，多層結(jié)構(gòu)提供了非常好的可擴(kuò)展性，可以將邏輯服務(wù)分布到多臺(tái)服務(wù)器來處理，從而提供了良好的伸縮方案。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，采用SQLServer數(shù)據(jù)庫和模型文件相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全局性管理，并可方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份。數(shù)據(jù)訪問層，確保了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)交互、接口訪問、資源共享等功能，提升管網(wǎng)數(shù)據(jù)的可應(yīng)用性。業(yè)務(wù)層將系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了封裝，方便調(diào)用和升級(jí)。應(yīng)用層為系統(tǒng)交互界面，用戶在此既可以實(shí)現(xiàn)各類管理需求，又能夠滿足各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的擴(kuò)展需要。
3.2數(shù)據(jù)需求分析及數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)
所轄區(qū)域范圍內(nèi)涉及管理對(duì)象設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容——管線、附屬設(shè)施及作為參照對(duì)象的建筑、道路、景觀圍欄等模型及其屬性信息。針對(duì)管理對(duì)象的內(nèi)容，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：(1)模型對(duì)象，包括三維場(chǎng)景、建筑以及附屬設(shè)施等，采用文件加密方式進(jìn)行存儲(chǔ)，將原始的.X模型文件經(jīng)過格式加密轉(zhuǎn)換形成.HSZ模型文件，并通過三維引擎可進(jìn)行解密調(diào)用，也可通過專業(yè)工具進(jìn)行模型文件的修改更新處理，確保模型數(shù)據(jù)在使用過程中的安全性。(2)管線模型作為主要管理對(duì)象，依據(jù)原始管線CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來，以點(diǎn)—線—點(diǎn)的邏輯形式存儲(chǔ)在SQLServer數(shù)據(jù)庫中，采用三維引擎讀取邏輯數(shù)據(jù)而生成三維模型的的方式進(jìn)行瀏覽和管理。(3)各類模型數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)以及管理信息，也采用SQLServer數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。針對(duì)數(shù)據(jù)模型對(duì)象及其屬性今后在工作中的管理特點(diǎn)，研發(fā)兩種數(shù)據(jù)入庫管理的手段，一是針對(duì)數(shù)據(jù)初始化工作，為數(shù)據(jù)管理員的批量入庫工具，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)快速入庫的功能;二是針對(duì)日常管網(wǎng)維護(hù)改造工作，在三維可視化場(chǎng)景中為管理員開放數(shù)據(jù)維護(hù)權(quán)限，可逐對(duì)象進(jìn)行修改編輯。另外，針對(duì)三維場(chǎng)景和建筑，專門研發(fā)了兼容三維引擎接口的模型管理工具，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有模型包的解密，添加或替換新模型后再實(shí)現(xiàn)加密打包功能。
4系統(tǒng)主要功能模塊
4.1三維展示功能
基于howsky3D高效引擎，整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)借鑒GIS的管理模式，充分發(fā)揮信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，打造一個(gè)滿足水廠管線管理工作需要的三維化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化信息管理平臺(tái)。三維管理平臺(tái)主要功能包括：多視圖瀏覽、場(chǎng)景拖動(dòng)視角變換、模型分層顯隱、地面區(qū)塊透明度管理、屬性信息查詢、鷹眼定位、模型樹快速定位等基本功能。
4.2管線數(shù)據(jù)管理模塊
管線數(shù)據(jù)管理是一項(xiàng)可持續(xù)的工作，隨著水廠管線實(shí)際情況的不斷變化，管線數(shù)據(jù)管理也需要定期維護(hù)、不斷更新。由此該系統(tǒng)特設(shè)計(jì)管線維護(hù)維修管理、管線編輯(批量入庫和三維編輯)、模型維護(hù)等三個(gè)功能來滿足需求，以確保該系統(tǒng)較長(zhǎng)的使用生命周期。管線編輯功能包括管點(diǎn)和管線等基本要素的三維可視化建立、附屬設(shè)施模型的添加、各類管網(wǎng)信息的屬性修改、附件添加。系統(tǒng)的編輯工作實(shí)現(xiàn)了留痕日志管理，做到編輯修改工作可追溯，在數(shù)據(jù)維護(hù)方面保留了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男薷囊罁?jù)。
4.3管網(wǎng)智能分析
三維管網(wǎng)智能分析功能包括橫斷面分析、施工圖分析、垂直凈距分析、管線連通分析、停水范圍分析、爆管關(guān)閥分析、流向分析、開挖分析、提取分析、提升分析等。比如：橫斷面分析，能夠直觀準(zhǔn)確的反映出道路及道路下的管線分布情況，包括管線深度、位置、管徑信息。開挖分析，直觀地顯示地下管線的分布及種類狀況，為用戶觀察分析及施工提供依據(jù);流向分析，動(dòng)態(tài)顯示選中管線的介質(zhì)流向，可結(jié)合管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和閥門的開閉情況進(jìn)行分析，指導(dǎo)人員施工作業(yè)。
4.4三維管網(wǎng)檔案管理模塊
三維管網(wǎng)檔案管理模塊包括管網(wǎng)檔案分類管理、管網(wǎng)檔案管理、模型附件檔案管理等三個(gè)主要功能。管網(wǎng)檔案分類管理可起到用戶自主維護(hù)檔案文件的作用，可以按照管網(wǎng)施工進(jìn)展階段劃分，也可以按照文件類型進(jìn)行劃分;管網(wǎng)檔案管理實(shí)現(xiàn)各種類型的檔案資料的完美整合、統(tǒng)一儲(chǔ)存、方便可查，可對(duì)檔案內(nèi)容進(jìn)行下載和上傳操作;模型附件管理允許用戶在三維界面中選中模型，自主關(guān)聯(lián)管網(wǎng)屬性信息和電子檔案。
5關(guān)鍵技術(shù)
三維可視化地下管線管理系統(tǒng)的應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)主要是數(shù)據(jù)的處理和效果的展示，從兩方面介紹本系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
5.1管線數(shù)據(jù)批量入庫
管線數(shù)據(jù)作為最主要的管理對(duì)象，數(shù)據(jù)入庫是一個(gè)復(fù)雜且龐大的工作。原始的數(shù)據(jù)包括電子版CAD圖紙，紙質(zhì)圖紙等。每類圖紙因設(shè)計(jì)施工單位不同，故繪圖標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有差異。通過管線數(shù)據(jù)批量入庫流程，確保了準(zhǔn)確性和格式規(guī)范統(tǒng)一，縮減了工作量，解決了三維模型入庫自適應(yīng)等技術(shù)問題。管線數(shù)據(jù)批量入庫流程如圖2所示。
5.2管線搭接無縫擬合
在管線數(shù)據(jù)入庫過程中，在多條線段交叉處，管線會(huì)出現(xiàn)管段的缺口，與真實(shí)的管線連接方式有一定差異。針對(duì)這種情況，采取管線段相切的橢圓法向量與切向量來計(jì)算生成管線模型，從而實(shí)現(xiàn)管線搭接無縫擬合。管線無縫擬合是指將兩個(gè)成一定角度相交的圓柱體管線根據(jù)其位置及相互之間的連接關(guān)系將相交切面由圓柱體的頂/底圓面處理成能平滑相連的的橢圓切面的過程，其概要算法如下：計(jì)算出兩個(gè)相交橢圓面的切向量以及法向量，并根據(jù)切向量及法向量進(jìn)行叉乘計(jì)算，算出副法線方向。以切面橢圓圓心為中心點(diǎn)，將副法線方向繞法向量方向旋轉(zhuǎn)i/sum*360度(i=1，2，3....sum)，得到橢圓基準(zhǔn)點(diǎn)方向。以圓柱面半徑除以圓柱徑向量與橢圓法向量之間的交角的正弦值，即可得到橢圓的基準(zhǔn)點(diǎn)長(zhǎng)度，由基準(zhǔn)點(diǎn)方向和長(zhǎng)度即可得到基準(zhǔn)點(diǎn)，連接所有的基準(zhǔn)點(diǎn)成面即可得到橢圓。
結(jié)語
此系統(tǒng)為凈水廠地下管線管理建立了三維可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)的直觀化、共享化、網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)架構(gòu)易于理解，功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單實(shí)用，用戶在較短的時(shí)間內(nèi)即可學(xué)會(huì)系統(tǒng)使用，易于泰達(dá)凈水廠管線技改和相關(guān)維修維護(hù)的開展，提高了水廠應(yīng)急處理能力，保障了凈水廠的安全運(yùn)行。本系統(tǒng)的開發(fā)，在水廠內(nèi)部管線數(shù)據(jù)管理的道路上，探索出了一套新型的管理辦法。
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