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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

時(shí)間:2023-05-06 07:24:28 管理論文 我要投稿
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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

水廠地下管線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文

  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。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,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)長度,由基準(zhǔn)點(diǎn)方向和長度即可得到基準(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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