摘要：本文针对泰达净水厂地下管线管理的现状，以泰达净水厂地下管线管理系统开发建设为背景，介绍了系统的总体架构、主要功能模块及关键技术。为泰达净水厂地下管线实现实时、高效管理提供了可行的解决方案。
关键词：三维引擎；数据模型；.Net编程
中图分类号：TP311文献标识码：A
1引言
泰达水业有限公司净水厂占地面积约60万m2，地下管线种类较多。经过多次扩建及改造后，系统越来越庞大，空间结构更加错综复杂。相关纸质图纸资料采用人工管理的方式，图纸资料相关信息不全、查询效率低、更新速度慢，已经无法满足地下管线管理的实时要求。当开挖某区域涉及多个专业管线时，通过图纸资料很难查找到各管线间的空间结构和综合状况，给工作的开展增加了不少难度。当遇紧急情况时，有时要靠有经验员工的记忆来判断，使抢修人员倍感压力。通过三维可视化地下管线管理系统，净水厂实现了对水厂的管线、图纸资料的科学管理，还为厂内生产调度、施工改造、地线管线维修保养提供了精确、迅速、科学的依据。本文介绍的就是泰达净水厂三维可视化地下管线管理系统的设计与实现。
2技术背景
随着三维引擎技术逐渐成熟，三维可视化技术在管线管理方面与传统的二维表现方式相比有诸多优势。优秀的空间表现力，能让用户从多角度、全方位的视角来观察管线布局。三维化的拓扑分析功能可以更直观的给用户以良好的空间分析（诸如流向分析、开挖分析、断面分析等）以及管线之间连通性的清晰了解。测量及标识功能可以使用户能以全局视角去查看管线的标高，辅以多种定位方式以及模型分层显隐等三维场景下的独有功能和三维环境的实景展示，使用户对现场的管线状况有一个更直观、更明确的认识。本系统采用的howsky3D三维引擎具备处理结构化数据的功能，依靠三维要素数据模型管理机制，可实现对建筑空间、场景、管线、设备等多种空间位置对象的三维仿真展示和管理，具备定位辨识准确，特征辨识清晰，数据组织有条理等特点。三维引擎的三维数据要素和数据模型如图1所示：三维要素的数据模型，简单要素形成聚合要素和复合要素，实现了对建筑空间、管线、设备的表示和同一工作空间几何对象多比例尺的表示，采用改进的矢量数据表示方法，具有较高的定位精度，易于进行特征的辨别和选择，并且能精确地存贮坐标值，能有效的组织综合管网及环境场景的各类三维管理对象，为净水厂管网数据精益管理提供了技术基础。针对净水厂的管线管理业务，考虑安全性和数据稳定性，系统采用C/S模式进行搭建，在局域网内运行。考虑通用性和稳定运行的要求，系统采用当前主流的面向对象系统的.NET开发平台，使用MicrosoftVisualStudio2008为开发工具，配合为.NetFramework量身定做的C#语言，结合关系型数据库SQLServer2005共同完成系统的开发。三维模型采用虚拟三维建模技术，即从CAD图纸和现场人工拍照获得实际建筑的尺寸信息及外观信息后，将数据导入当前应用最广泛的三维建模软件3DMAX中进行处理，并通过人工生成模型。模型生成后通过自定义的3DMAX导出插件将模型导成本三维GIS引擎可以使用的格式，并将其加入三维GIS引擎进行后续的流程化渲染及显示。
3系统设计
3.1总体架构
系统设计遵循分层架构设计思路，将数据层、业务层和应用层分离，多层结构提供了非常好的可扩展性，可以将逻辑服务分布到多台服务器来处理，从而提供了良好的伸缩方案。数据存储层，采用SQLServer数据库和模型文件相结合的方式，实现对系统数据的全局性管理，并可方便的实现数据的备份。数据访问层，确保了数据的统一管理、数据交互、接口访问、资源共享等功能，提升管网数据的可应用性。业务层将系统的各个功能模块进行了封装，方便调用和升级。应用层为系统交互界面，用户在此既可以实现各类管理需求，又能够满足各类业务应用的扩展需要。
3.2数据需求分析及数据设计
所辖区域范围内涉及管理对象设计包括以下内容——管线、附属设施及作为参照对象的建筑、道路、景观围栏等模型及其属性信息。针对管理对象的内容，数据存储及结构设计如下：（1）模型对象，包括三维场景、建筑以及附属设施等，采用文件加密方式进行存储，将原始的.X模型文件经过格式加密转换形成.HSZ模型文件，并通过三维引擎可进行解密调用，也可通过专业工具进行模型文件的修改更新处理，确保模型数据在使用过程中的安全性。（2）管线模型作为主要管理对象，依据原始管线CAD数据转换而来，以点—线—点的逻辑形式存储在SQLServer数据库中，采用三维引擎读取逻辑数据而生成三维模型的的方式进行浏览和管理。（3）各类模型数据的属性数据以及管理信息，也采用SQLServer数据库进行存储。针对数据模型对象及其属性今后在工作中的管理特点，研发两种数据入库管理的手段，一是针对数据初始化工作，为数据管理员的批量入库工具，实现管网数据快速入库的功能；二是针对日常管网维护改造工作，在三维可视化场景中为管理员开放数据维护权限，可逐对象进行修改编辑。另外，针对三维场景和建筑，专门研发了兼容三维引擎接口的模型管理工具，实现现有模型包的解密，添加或替换新模型后再实现加密打包功能。
4系统主要功能模块
4.1三维展示功能
基于howsky3D高效引擎，整个系统平台借鉴GIS的管理模式，充分发挥信息技术、虚拟现实技术、网络技术的优势，打造一个满足水厂管线管理工作需要的三维化、数字化、网络化信息管理平台。三维管理平台主要功能包括：多视图浏览、场景拖动视角变换、模型分层显隐、地面区块透明度管理、属性信息查询、鹰眼定位、模型树快速定位等基本功能。
4.2管线数据管理模块
管线数据管理是一项可持续的工作，随着水厂管线实际情况的不断变化，管线数据管理也需要定期维护、不断更新。由此该系统特设计管线维护维修管理、管线编辑（批量入库和三维编辑）、模型维护等三个功能来满足需求，以确保该系统较长的使用生命周期。管线编辑功能包括管点和管线等基本要素的三维可视化建立、附属设施模型的添加、各类管网信息的属性修改、附件添加。系统的编辑工作实现了留痕日志管理，做到编辑修改工作可追溯，在数据维护方面保留了严谨的修改依据。
4.3管网智能分析
三维管网智能分析功能包括横断面分析、施工图分析、垂直净距分析、管线连通分析、停水范围分析、爆管关阀分析、流向分析、开挖分析、提取分析、提升分析等。比如：横断面分析，能够直观准确的反映出道路及道路下的管线分布情况，包括管线深度、位置、管径信息。开挖分析，直观地显示地下管线的分布及种类状况，为用户观察分析及施工提供依据；流向分析，动态显示选中管线的介质流向，可结合管网的拓扑结构和阀门的开闭情况进行分析，指导人员施工作业。
4.4三维管网档案管理模块
三维管网档案管理模块包括管网档案分类管理、管网档案管理、模型附件档案管理等三个主要功能。管网档案分类管理可起到用户自主维护档案文件的作用，可以按照管网施工进展阶段划分，也可以按照文件类型进行划分；管网档案管理实现各种类型的档案资料的完美整合、统一储存、方便可查，可对档案内容进行下载和上传操作；模型附件管理允许用户在三维界面中选中模型，自主关联管网属性信息和电子档案。
5关键技术
三维可视化地下管线管理系统的应用，关键技术主要是数据的处理和效果的展示，从两方面介绍本系统应用的关键技术。
5.1管线数据批量入库
管线数据作为最主要的管理对象，数据入库是一个复杂且庞大的工作。原始的数据包括电子版CAD图纸，纸质图纸等。每类图纸因设计施工单位不同，故绘图标准会有差异。通过管线数据批量入库流程，确保了准确性和格式规范统一，缩减了工作量，解决了三维模型入库自适应等技术问题。管线数据批量入库流程如图2所示。
5.2管线搭接无缝拟合
在管线数据入库过程中，在多条线段交叉处，管线会出现管段的缺口，与真实的管线连接方式有一定差异。针对这种情况，采取管线段相切的椭圆法向量与切向量来计算生成管线模型，从而实现管线搭接无缝拟合。管线无缝拟合是指将两个成一定角度相交的圆柱体管线根据其位置及相互之间的连接关系将相交切面由圆柱体的顶/底圆面处理成能平滑相连的的椭圆切面的过程，其概要算法如下：计算出两个相交椭圆面的切向量以及法向量，并根据切向量及法向量进行叉乘计算，算出副法线方向。以切面椭圆圆心为中心点，将副法线方向绕法向量方向旋转i/sum*360度（i=1，2，3....sum），得到椭圆基准点方向。以圆柱面半径除以圆柱径向量与椭圆法向量之间的交角的正弦值，即可得到椭圆的基准点长度，由基准点方向和长度即可得到基准点，连接所有的基准点成面即可得到椭圆。
结语
此系统为净水厂地下管线管理建立了三维可视化平台，实现了管线数据的直观化、共享化、网络化。系统架构易于理解，功能强大且简单实用，用户在较短的时间内即可学会系统使用，易于泰达净水厂管线技改和相关维修维护的开展，提高了水厂应急处理能力，保障了净水厂的安全运行。本系统的开发，在水厂内部管线数据管理的道路上，探索出了一套新型的管理办法。
参考文献
[1]吴丽.基于WebGIS的城市基础设施管理系统的设计[J].计算机技术与发展，2010，4（01）.
[2]龚健雅.地理信息系统基础[M].北京：科学出版社，2003.
[3]廖敏辉，吴玉琴，张钺.广州市供水管网地理信息系统的开发与应用[J].给水排水，2002，28（04）.
作者：孙彦军 单位：天津泰达水业有限公司净水厂
