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水廠地下管線管理系統設計與實現論文
1引言
泰達水業有限公司凈水廠占地面積約60萬m2，地下管線種類較多。經過多次擴建及改造后，系統越來越龐大，空間結構更加錯綜復雜。相關紙質圖紙資料采用人工管理的方式，圖紙資料相關信息不全、查詢效率低、更新速度慢，已經無法滿足地下管線管理的實時要求。當開挖某區域涉及多個專業管線時，通過圖紙資料很難查找到各管線間的空間結構和綜合狀況，給工作的開展增加了不少難度。當遇緊急情況時，有時要靠有經驗員工的記憶來判斷，使搶修人員倍感壓力。通過三維可視化地下管線管理系統，凈水廠實現了對水廠的管線、圖紙資料的科學管理，還為廠內生產調度、施工改造、地線管線維修保養提供了精確、迅速、科學的依據。本文介紹的就是泰達凈水廠三維可視化地下管線管理系統的設計與實現。
2技術背景
隨著三維引擎技術逐漸成熟，三維可視化技術在管線管理方面與傳統的二維表現方式相比有諸多優勢。優秀的空間表現力，能讓用戶從多角度、全方位的視角來觀察管線布局。三維化的拓撲分析功能可以更直觀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。測量及標識功能可以使用戶能以全局視角去查看管線的標高，輔以多種定位方式以及模型分層顯隱等三維場景下的獨有功能和三維環境的實景展示，使用戶對現場的管線狀況有一個更直觀、更明確的認識。本系統采用的howsky3D三維引擎具備處理結構化數據的功能，依靠三維要素數據模型管理機制，可實現對建筑空間、場景、管線、設備等多種空間位置對象的三維仿真展示和管理，具備定位辨識準確，特征辨識清晰，數據組織有條理等特點。
三維引擎的三維數據要素和數據模型如圖1所示：三維要素的數據模型，簡單要素形成聚合要素和復合要素，實現了對建筑空間、管線、設備的表示和同一工作空間幾何對象多比例尺的表示，采用改進的矢量數據表示方法，具有較高的定位精度，易于進行特征的辨別和選擇，并且能精確地存貯坐標值，能有效的組織綜合管網及環境場景的各類三維管理對象，為凈水廠管網數據精益管理提供了技術基礎。針對凈水廠的管線管理業務，考慮安全性和數據穩定性，系統采用C/S模式進行搭建，在局域網內運行。考慮通用性和穩定運行的要求，系統采用當前主流的面向對象系統的.NET開發平臺，使用MicrosoftVisualStudio2008為開發工具，配合為.NetFramework量身定做的C#語言，結合關系型數據庫SQLServer2005共同完成系統的開發。三維模型采用虛擬三維建模技術，即從CAD圖紙和現場人工拍照獲得實際建筑的尺寸信息及外觀信息后，將數據導入當前應用最廣泛的三維建模軟件3DMAX中進行處理，并通過人工生成模型。模型生成后通過自定義的3DMAX導出插件將模型導成本三維GIS引擎可以使用的格式，并將其加入三維GIS引擎進行后續的流程化渲染及顯示。
3系統設計
3.1總體架構
系統設計遵循分層架構設計思路，將數據層、業務層和應用層分離，多層結構提供了非常好的可擴展性，可以將邏輯服務分布到多臺服務器來處理，從而提供了良好的伸縮方案。數據存儲層，采用SQLServer數據庫和模型文件相結合的方式，實現對系統數據的全局性管理，并可方便的實現數據的備份。數據訪問層，確保了數據的統一管理、數據交互、接口訪問、資源共享等功能，提升管網數據的可應用性。業務層將系統的各個功能模塊進行了封裝，方便調用和升級。應用層為系統交互界面，用戶在此既可以實現各類管理需求，又能夠滿足各類業務應用的擴展需要。
3.2數據需求分析及數據設計
所轄區域范圍內涉及管理對象設計包括以下內容——管線、附屬設施及作為參照對象的建筑、道路、景觀圍欄等模型及其屬性信息。針對管理對象的內容，數據存儲及結構設計如下：(1)模型對象，包括三維場景、建筑以及附屬設施等，采用文件加密方式進行存儲，將原始的.X模型文件經過格式加密轉換形成.HSZ模型文件，并通過三維引擎可進行解密調用，也可通過專業工具進行模型文件的修改更新處理，確保模型數據在使用過程中的安全性。(2)管線模型作為主要管理對象，依據原始管線CAD數據轉換而來，以點—線—點的邏輯形式存儲在SQLServer數據庫中，采用三維引擎讀取邏輯數據而生成三維模型的的方式進行瀏覽和管理。(3)各類模型數據的屬性數據以及管理信息，也采用SQLServer數據庫進行存儲。針對數據模型對象及其屬性今后在工作中的管理特點，研發兩種數據入庫管理的手段，一是針對數據初始化工作，為數據管理員的批量入庫工具，實現管網數據快速入庫的功能;二是針對日常管網維護改造工作，在三維可視化場景中為管理員開放數據維護權限，可逐對象進行修改編輯。另外，針對三維場景和建筑，專門研發了兼容三維引擎接口的模型管理工具，實現現有模型包的解密，添加或替換新模型后再實現加密打包功能。
4系統主要功能模塊
4.1三維展示功能
基于howsky3D高效引擎，整個系統平臺借鑒GIS的管理模式，充分發揮信息技術、虛擬現實技術、網絡技術的優勢，打造一個滿足水廠管線管理工作需要的三維化、數字化、網絡化信息管理平臺。三維管理平臺主要功能包括：多視圖瀏覽、場景拖動視角變換、模型分層顯隱、地面區塊透明度管理、屬性信息查詢、鷹眼定位、模型樹快速定位等基本功能。
4.2管線數據管理模塊
管線數據管理是一項可持續的工作，隨著水廠管線實際情況的不斷變化，管線數據管理也需要定期維護、不斷更新。由此該系統特設計管線維護維修管理、管線編輯(批量入庫和三維編輯)、模型維護等三個功能來滿足需求，以確保該系統較長的使用生命周期。管線編輯功能包括管點和管線等基本要素的三維可視化建立、附屬設施模型的添加、各類管網信息的屬性修改、附件添加。系統的編輯工作實現了留痕日志管理，做到編輯修改工作可追溯，在數據維護方面保留了嚴謹的修改依據。
4.3管網智能分析
三維管網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;流向分析，動態顯示選中管線的介質流向，可結合管網的拓撲結構和閥門的開閉情況進行分析，指導人員施工作業。
4.4三維管網檔案管理模塊
三維管網檔案管理模塊包括管網檔案分類管理、管網檔案管理、模型附件檔案管理等三個主要功能。管網檔案分類管理可起到用戶自主維護檔案文件的作用，可以按照管網施工進展階段劃分，也可以按照文件類型進行劃分;管網檔案管理實現各種類型的檔案資料的完美整合、統一儲存、方便可查，可對檔案內容進行下載和上傳操作;模型附件管理允許用戶在三維界面中選中模型，自主關聯管網屬性信息和電子檔案。
5關鍵技術
三維可視化地下管線管理系統的應用，關鍵技術主要是數據的處理和效果的展示，從兩方面介紹本系統應用的關鍵技術。
5.1管線數據批量入庫
管線數據作為最主要的管理對象，數據入庫是一個復雜且龐大的工作。原始的數據包括電子版CAD圖紙，紙質圖紙等。每類圖紙因設計施工單位不同，故繪圖標準會有差異。通過管線數據批量入庫流程，確保了準確性和格式規范統一，縮減了工作量，解決了三維模型入庫自適應等技術問題。管線數據批量入庫流程如圖2所示。
5.2管線搭接無縫擬合
在管線數據入庫過程中，在多條線段交叉處，管線會出現管段的缺口，與真實的管線連接方式有一定差異。針對這種情況，采取管線段相切的橢圓法向量與切向量來計算生成管線模型，從而實現管線搭接無縫擬合。管線無縫擬合是指將兩個成一定角度相交的圓柱體管線根據其位置及相互之間的連接關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：計算出兩個相交橢圓面的切向量以及法向量，并根據切向量及法向量進行叉乘計算，算出副法線方向。以切面橢圓圓心為中心點，將副法線方向繞法向量方向旋轉i/sum*360度(i=1，2，3....sum)，得到橢圓基準點方向。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點長度，由基準點方向和長度即可得到基準點，連接所有的基準點成面即可得到橢圓。
結語
此系統為凈水廠地下管線管理建立了三維可視化平臺，實現了管線數據的直觀化、共享化、網絡化。系統架構易于理解，功能強大且簡單實用，用戶在較短的時間內即可學會系統使用，易于泰達凈水廠管線技改和相關維修維護的開展，提高了水廠應急處理能力，保障了凈水廠的安全運行。本系統的開發，在水廠內部管線數據管理的道路上，探索出了一套新型的管理辦法。
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