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水廠地下管線管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)論文
1引言
泰達水業(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)過多次擴建及改造后，系統(tǒng)越來越龐大，空間結(jié)構(gòu)更加錯綜復雜。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時要求。當開挖某區(qū)域涉及多個專業(yè)管線時，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。當遇緊急情況時，有時要靠有經(jīng)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(tǒng)，凈水廠實現(xiàn)了對水廠的管線、圖紙資料的科學管理，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、科學的依據(jù)。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(tǒng)的設(shè)計與實現(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。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(huán)境的實景展示，使用戶對現(xiàn)場的管線狀況有一個更直觀、更明確的認識。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，依靠三維要素數(shù)據(jù)模型管理機制，可實現(xiàn)對建筑空間、場景、管線、設(shè)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(shù)據(jù)組織有條理等特點。
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，簡單要素形成聚合要素和復合要素，實現(xiàn)了對建筑空間、管線、設(shè)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(shù)據(jù)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(wǎng)及環(huán)境場景的各類三維管理對象，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模式進行搭建，在局域網(wǎng)內(nèi)運行。考慮通用性和穩(wěn)定運行的要求，系統(tǒng)采用當前主流的面向?qū)ο笙到y(tǒng)的.NET開發(fā)平臺，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)場人工拍照獲得實際建筑的尺寸信息及外觀信息后，將數(shù)據(jù)導入當前應(yīng)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(xù)的流程化渲染及顯示。
3系統(tǒng)設(shè)計
3.1總體架構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)計遵循分層架構(gòu)設(shè)計思路，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展性，可以將邏輯服務(wù)分布到多臺服務(wù)器來處理，從而提供了良好的伸縮方案。數(shù)據(jù)存儲層，采用SQLServer數(shù)據(jù)庫和模型文件相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的全局性管理，并可方便的實現(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)的各個功能模塊進行了封裝，方便調(diào)用和升級。應(yīng)用層為系統(tǒng)交互界面，用戶在此既可以實現(xiàn)各類管理需求，又能夠滿足各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的擴展需要。
3.2數(shù)據(jù)需求分析及數(shù)據(jù)設(shè)計
所轄區(qū)域范圍內(nèi)涉及管理對象設(shè)計包括以下內(nèi)容——管線、附屬設(shè)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(nèi)容，數(shù)據(jù)存儲及結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：(1)模型對象，包括三維場景、建筑以及附屬設(shè)施等，采用文件加密方式進行存儲，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行解密調(diào)用，也可通過專業(yè)工具進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象，依據(jù)原始管線CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來，以點—線—點的邏輯形式存儲在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)庫進行存儲。針對數(shù)據(jù)模型對象及其屬性今后在工作中的管理特點，研發(fā)兩種數(shù)據(jù)入庫管理的手段，一是針對數(shù)據(jù)初始化工作，為數(shù)據(jù)管理員的批量入庫工具，實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)快速入庫的功能;二是針對日常管網(wǎng)維護改造工作，在三維可視化場景中為管理員開放數(shù)據(jù)維護權(quán)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(fā)了兼容三維引擎接口的模型管理工具，實現(xiàn)現(xiàn)有模型包的解密，添加或替換新模型后再實現(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，整個系統(tǒng)平臺借鑒GIS的管理模式，充分發(fā)揮信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，打造一個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。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(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)管理是一項可持續(xù)的工作，隨著水廠管線實際情況的不斷變化，管線數(shù)據(jù)管理也需要定期維護、不斷更新。由此該系統(tǒng)特設(shè)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(tǒng)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(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)維護方面保留了嚴謹?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，動態(tài)顯示選中管線的介質(zhì)流向，可結(jié)合管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和閥門的開閉情況進行分析，指導人員施工作業(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主要功能。管網(wǎng)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(wǎng)施工進展階段劃分，也可以按照文件類型進行劃分;管網(wǎng)檔案管理實現(xiàn)各種類型的檔案資料的完美整合、統(tǒng)一儲存、方便可查，可對檔案內(nèi)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(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象，數(shù)據(jù)入庫是一個復雜且龐大的工作。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)計施工單位不同，故繪圖標準會有差異。通過管線數(shù)據(jù)批量入庫流程，確保了準確性和格式規(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，管線會出現(xiàn)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(xiàn)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(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：計算出兩個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(zhuǎn)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(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，實現(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，功能強大且簡單實用，用戶在較短的時間內(nèi)即可學會系統(tǒng)使用，易于泰達凈水廠管線技改和相關(guān)維修維護的開展，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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