城市地下管线是保障城市运行的重要基础设施和生命线，2014年6月发布的《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，明确提出了城市管线数字化管理的要求。当前以GIS为平台的管线系统既有面向所有管线由行业主管部门规划局或建设局等开发使用的综合管线管理系统，也有面向单一管线由管线业主单位开发使用的专业管线管理系统，而供热管线是专业管线中的重要类型。一般的供热管网地理信息系统采取B/S(brower/server)或C/S(client/server)模式，可实现管网及设备的可视化显示、运行维护和决策管理，但无法满足管网移动巡检的需求，并且采用通用的综合管网数据模型，但供热管网具有不同于其他管网的特征：分为一次网和二次网，两者并没有连通，只是通过换热站进行热量交换；供热管道包括供水管和回水管，两者并行分布。考虑到一般供热管网地理信息系统的不足，本文探讨了基于B/S和M/S(mobile/server)结构的供热管网地理信息系统的总体设计、数据库设计和功能设计，并重点分析了跨平台数据传输、多热源环状管网爆管关阀分析和多线程异步回调等关键技术。

1 总体设计

针对供热管网移动巡检的工作需求，供热管网地理信息系统整体采用B/S和M/S混合结构，以ArcGIS Server为GIS平台，B/S客户端采用富客户端技术，使用Visual C#语言进行开发，移动端基于Android系统，使用Java语言进行开发。系统在GIS平台的基础上，集成数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)的数据和接口，以提高管网数据监测的准确性和实时性。系统数据库选择Oracle 11g,采用ArcSDE中间件技术实现对空间地理数据存储，并通过Web Service以标准XML格式实现服务器端和客户端间的数据交互。系统的总体运行模式如图 1所示。

2 数据库设计 2.1 数据库组成

系统数据主要分为空间数据和表数据两大类。空间数据包括电子地图、影像地图等地图瓦片数据以及管网、阀门、热源等专题矢量数据。表数据包括巡检业务数据、系统数据、SCADA数据等业务数据。数据库详细构成如图 2所示。

2.2 供热管网数据建模

考虑到供热管网的自身特点，本文构建出供热管网数据模型，以满足供热管网管理和分析的需求。建模过程分为如下两步。

1) 制定模型网络连通性规则。网络连通性规则可以自定义边线与节点的连接，设置网络要素中要素相互连接的类型，以及与另一种要素连接的任一特定要素的数量，保证供热管网数据的空间一致性^[1]。包括边线-节点规则、边线-边线规则、边线-节点连接度等。

2) 供水管和回水管建模。把实际供热管网中的热源、换热站、阀门等点设备抽象为管点数据，把供热管网各管段抽象为管段数据。由于回水管与供水管的节点、管线路径和位置相同，流动方向相反，为减少数据冗余，可以将供水管网和回水管网在几何图形上视为一条管网。同时，根据连通性规则限定图形连接，在每条管段属性表中加入起始节点和终止节点的属性字段，并将管段两端管点的编号赋给对应的起始节点和终止节点，建立管点管段的逻辑结构关系。

3 功能设计

基于系统B/S和M/S的混合结构模式，功能设计分为服务器端、浏览器端和移动端3个部分。

3.1 服务器端功能设计

系统服务器的功能主要用于接收移动端和浏览器端的请求，经过逻辑处理，向客户端返回各类结果数据，包括地图和业务两类Web服务。

1) 地图服务。通过在ArcGIS Server上建立地图服务、要素服务、空间分析服务和网络分析服务，从而为客户端上实现地图展示、数据编辑、空间分析和网络分析提供支持^[2]。例如，将供热管网数据发布为网络分析服务，以满足管网爆管分析的需要。

2) 业务服务。业务服务包括GIS扩展服务和客户端(包括浏览器端和移动端)业务服务。GIS扩展服务是根据数据模型编写相应的分析算法，发布为Web服务，从而结合ArcGIS Server提供的网络分析服务，实现爆管分析、关阀分析等系统分析功能^[2]。客户端业务服务是对客户端的数据请求进行逻辑编辑后，向客户端返回结果数据，实现客户端与服务器的数据交互。

3.2 浏览器端功能设计

浏览器端引入silverlight技术进行开发，采用Expression Blend 进行界面设计,如图 3所示。

1) 地图基本功能模块。实现地图的查询功能以及基本操作功能。查询功能包括属性查询、空间查询等多种查询方式；基本操作功能包括平移、测距、测面等基本工具。

2) 监控预警预报模块。通过调用SCADA接口，获取温度、压力等信息，实现对热源、换热站等供热设备运行状态的监控预警预报功能，以提高供热管网的安全运营能力。

3) 事故分析与处理模块。通过供热管网的连通性分析，得出发生事故时(如爆管事故)需要关闭的阀门以及受影响的范围。并可以针对事故获取相应的应急方案，并对抢修人员发布调度指令以及查看现场实时视频，进行现场指挥。

4) 移动巡检管理模块 。实现对移动端巡检工作的指导与管理功能。移动巡检是防止发生事故、保证管网正常运行的必要工作。巡检人员通过移动端巡检系统，接收调度指令，展开巡检任务，并上传巡检数据。浏览器端则主要负责通过发布调度指令、布置巡检任务、分析巡检记录等功能。

5) 设施管理模块。实现对供热数据的在线编辑，主要包括增、删、改等功能。

3.3 移动端功能设计

系统移动端巡检平台基于Android系统，采用ArcGIS for Android API作为地图引擎开发接口进行开发，如图 4所示。移动端电子地图、影像地图和业务应用数据均通过Web Service形式从服务器端在线获取。

1) 管网巡检模块。巡检人员执行巡检任务时，通过移动平台的管网巡检模块实现GPS定位、多媒体上传等功能。巡检过程中拍摄的照片等巡检反馈信息以及自动生成的巡检轨迹等日志信息，可随时上传给服务器。

2) 应急调度模块。主要包括调度指令的发送与接收、现场实时视频获取等功能。当浏览器端平台监测到换热站故障、供热管网破裂等突发事故时，向移动端发布调度指令，移动端接收调度指令，协助浏览器端平台进行调度指挥，巡检人员及时参与事故应急抢险工作。

3) 运行查询监测模块。巡检人员可以通过移动端平台查看管网、换热站等设备的基本信息数据和实时监测数据，并可实现设备运行状况监测预警功能。

4 关键技术 4.1 跨平台数据传输

供热管网地理信息系统的服务器和浏览器端是基于.Net平台进行开发的，移动端则是基于Java平台进行开发的，笔者采用Web Service技术实现系统的跨平台、跨语言、跨应用的数据交换与集成^{[3, 4]}。系统的客户端(包括浏览器端和移动端)与服务器间的数据交互传输，以及SCADA接口的调用都是通过Web Service进行的。由于移动端的Android SDK 没有提供调用Web Service的库，系统使用第三方SDK KSOAP2对Web Service进行调用^[5]。以下是浏览器端通过Web Service显示当前在线移动巡检人员的关键代码：

//获取当前在线巡检用户数据

InspectManageServiceSoapClient client=new InspectManageServiceSoapClient();

client.GetGPSInfoAsync(DateTime.Now.ToString());

//获取到的在线巡检用户在地图上渲染

uGraphicPoint=new Graphic();

uGraphicPoint.Attributes.Add("Name",ulist[j].gps[i].name);

uGraphicPoint.Geometry=userPointGraphic;

uGraphicPoint.Symbol=userPointSymbol;

UserGraphicsLayer.Graphics.Add(uGraphicPoint);

此外，系统所开放的图形服务和功能服务接口，其他系统也可通过Web Service进行调用。

4.2 多热源环状管网爆管关阀分析

供热管网是由对称的供水管网和回水管网组成的空间管网^[6]，同一管段处的供水管或回水管爆管后，关阀集合以及受影响的用户范围均不相同。单热源枝状管网的供水管或回水管发生爆管时，直接向爆水管上游遍历，关闭上游阀门即可,如图 5所示。然而对于多热源环状管网而言，由于两个节点之间存在多条通路，最优关阀方案的获取需通过广度优先遍历搜索实现。假设在非热源故障前提下^[7]，分两步获取最优关阀方案,如图 6所示。图 5和图 6中R表示热源；V表示阀门；U_S表示用户。

1) 初步关阀方案获取。若爆管处管段两端结点均为阀门，则停止搜索，直接将两侧阀门加入初步关阀集合，例如，故障点在1处，得到的关阀集合是V₁₁、V₁₂；若不是，则以非阀门端为起点(两侧均为普通节点的任取一个)^[8]，进行广度优先遍历，搜索得到初步关阀集合，例如，故障点在2处，得到的关阀集合是V₂、V₃、V₇、V₈、V₁₃、V₁₄。

2) 关阀方案优化。若爆管处是供水管，则从该管网的所有热源出发；若爆管处是回水管，则从该管网的所有用户出发，分别对供水管或回水管的全部路径进行遍历，遇到第一步搜索得到的关阀集中的阀门后，停止此方向搜索，记录阀门ID，并将此阀门加入到新的关阀集中，所有路径遍历后得出的新的关阀集就是最优关阀方案。例如，故障点2处，首次搜索得到的初步关阀集是V₂、V₃、V₇、V₈、V₁₃、V₁₄，若爆管处是供水管，进一步搜索得出的最优关阀集是V₂、V₃、V₁₃；若爆管处是回水管，进一步搜索得出的最优关阀集是V₂、V₇、V₈、V₁₃、V₁₄。对于关阀方案优化后剔除的阀门，则是在最优关阀集中所有阀门关闭后就可以截断事故点所在管段的流通路径，则不需要关闭。

4.3 多线程异步回调技术

移动端巡检平台的地图数据获取、设备运行监测等功能往往都是比较耗时的处理，如果这些操作都放在主线程(UI线程)中，则会导致程序方法阻塞，造成UI的假死现象。多线程异步回调技术很好地解决了这个问题。它通过主线程运行程序主界面，开启新线程异步运行新任务的方式，有力地保证了GIS技术在移动端运行展示的流畅性。在移动端巡检平台的建设过程中，笔者用主线程完成UI界面刷新和即时功能操作的响应，如界面的切换、按钮的即时响应;用分线程去处理网络通信和数据读取，如地图的读取、GPS信息等巡检数据的上传等。这种多线程异步回调技术保证了巡检平台的正常运行，并提高了移动端用户的体验效果^[9]。

5 结束语

SCADA技术已经广泛应用于供热管网管理，而GIS的引入为供热管网管理提供了可视化的集成展示与管理平台，移动GIS的应用则解决了管线外业巡查调度工作的需求。本系统实现了供热管网地图查询统计、事故分析处理、设备管理、移动巡检管理和无缝集成SCADA的监控预警预报管理,构建了可视化、智能化的管理平台。