摘要：现代社会网络和信息的发展，促进了管理方式从原来的本地管理转变为智能化和远程管理，即管理人员由现场管理转化为远程管理。设备的运行管理日趋网络化、数字化、信息化和自动化的精细化管理。结合泵组中各种机电设备，种类杂、数量多、分布广给泵组设备的管理和维护变得更加复杂多样，增加了设备统一管理、资源分配和实时调度的难度。三维GIS管理技术在设备一体化描述、设备管理上具有较大的优势，能够提高设备的精细化管理。对三维GIS进行分析，基于GIS二维三维一体化组合研究梁湖枢纽引水、排水系统中泵组设备运行管理，为了提高泵组运行数据的精细化管理效率，提出了一种设备编码方法，为每一个编码创建一个对应的系统对象，从而实现了泵组设备的运行精细化管理，泵站管理人员可以及时了解设备的状态和分布位置。

　　关键词：泵组设备；三维GIS；精细化管理；数据编码

　　0引言

　　随着全球能源危机的日益加重，各国政府都加大了对水资源控制和开发力度。在水利设施建中，泵组是水电站或是水力枢纽中的重要运行设备，特别是在排水系统中具有较多的设备，而且工作条件复杂，增加了设备的管理难度。为此，需要有一个可行的系统管理泵组设备，实现对资源的节约和设备管理效率的提高。

　　地理信息系统（Geographical Information System，GIS）后台服务与发布为系统提供GIS前端功能所需的各类基础业务功能后台地图服务，空间数据分析与查询，为三维场景搭建、综合信息展示提供GIS后台服务[1-2]。GIS发展的初期主要是二维GIS，后来逐渐发展到2.5维的可视化应用和空间分析中，现在的GIS在三维空间可视化和基于WEB的三维可视化方向得到快速发展。随着三维空间信息的可视化与建模技术的成熟，三维GIS得到广泛应用[3]。GIS服务的实现通过对各应用系统使用通用工具的梳理，整合一套支撑各业务应用的系统支撑组件，如GIS数据存储管理、地理信息服务等功能，满足各业务应用的需要[4]。

　　采用三维GIS对泵组设备运行进行管理，能够健全管理系统的各项信息，实现对运行设备的精细化管理。本文从泵组运行设备管理的信息化入手，利用三维GIS技术实现对泵组设备的信息化管理，对设备数据进行编码，通过二维三维一体化组合解决空间数据的分析，并在此基础上实现精细化管理的目标。
　　1三维GIS与信息化管理分析

　　1.1三维GIS分析

　　GIS分为二维GIS和三维GIS，经过在不同领域的应用，三维GIS在二维GIS的基础上具有更强大的空间分析能力，特别是在数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现方面具有较强的优势[5-6]。

　　和二维的图像界面相比，三维GIS对空间信息能够以图像化的形式更为直观地展示，将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断[7-8]。毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。虽然三维GIS的动态交互可视化功能对计算机图形技术和计算机硬件也提出了特殊的要求，但是一些先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备的陆续问世，不仅完全可以满足三维GIS对可视化的要求，还可以带来意想不到的展示和体验效果[9]。

　　由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。
　　1.2设备信息化管理

　　现在信息化技术在设备管理中能够实现对全过程的管理，将传统的管理向调度集约化、知识化和自动化方向转变，在设备信息化管理中GIS是一个重要的系统[10]。设备管理信息系统中引入了能够对设备进行管理的各种系统，包括运行设备的静态属性信息的采集系统、动态运行信息系统和实时管理系统等[11-12]。

　　对于系统中设备的管理系统虽然不断地进行升级，但是随着日趋复杂化，传统的设备管理中的手工记录以及资料管理难以解决对运行设备的位置、顺序以及整体结构进行直观性描述，运行设备庞大的信息需要一套更加方便高效的信息系统支撑[13]。

　　信息化管理是指利用现在的计算机和信息技术在设备运行控制中应用于管理的全过程的统称，是现在工业向调度集约化、知识化和智能化转变的驱动力。运行设备进行信息化管理是实现对运行设备的静态属性信息、动态运行信息的全面实时的管理的基础。GIS技术的应用，使得人们对运行设备的日常运行管理更加方便，成为了工业生产中设备运行管理的重要工具。

　　2泵组运行数据与编码

　　2.1水利系统泵组基本组成

　　根据水利系统中正常运行需要的设备，可以将这些设备按照不同的功能分为动力设备、生产设备、运输设备、传导设备、工具设备以及测量设备等[14]。其中泵组是水利系统中排水泵站的重要组成部分，结构复杂，包含有多种功能的设施和相关设备，排水系统中输水管线、水体以及调蓄池等空间实体之间具有复杂的拓扑关系。

　　在排水系统中，泵组的基本设施包括进水控制设备、出水控制设备、泵机、集水池、供电系统等运行设备。其中进水系统包括泵站的前池和进水管渠，出水控制系统中除了运行设备外，还包括出水池和相连的出水管，供电系统中主要包括发电机、变压器以及供电线路等，这些基本的设备完成泵组排水功能。

　　将泵组作为一个空间实体，具有复杂的建筑结构和空间分布，属性数据主要来源于这些构成设备，包括基本信息、参数、设备状态和配套的设备出厂信息等。管理数据主要包括相关的权属信息和数据信息。

　　2.2泵组数据编码

　　水利设备管理信息系统中，由于设备种类多、而且不同功能的运行设备的控制条件及参数存在较大的差异，需要将不同设备中的各种信息数据化，将需要管理设备的属性、特征以及管理事务等利用计算机识别的数字符号、字母等代码表示出来，代码应具有对数据进行鉴别、分类、排序等功能，并有专门含义。因此引入了设备编码设计，使得设备管理系统具有通用性，有利于系统对数据进行比较、检索和统计分析，便于用户进行统一管理和使用，同时使系统具有较好的通用性和扩展性。

　　在设备运行精细化管理中，由于泵组运行设备种类较多，而且不同设备具有不同的运行特征，需要将不通种类的设备和运行技术参数利用计算机易于识别的数字符号或是字母代码进行表示，即是对设备进行编码[15]。对设备编码是实现设备管理信息化的基础，需要按照一定的要求和规则进行编码，一般需要遵循的唯一性、简明扼要、系统性、可扩充性以及通用性等原则。

　　使用的设备编码结构有树式结构和链式结构，树式结构编码结构简单，易于实现，所以在精细化管理研究中使用树式结构较多[16]。

　　根据泵组设备的类别采用三级分类编码，分别是设备分类、机组分类和机组内设备分类，编码采用8位数字组成，分别是一位一级分类代码、两位二级分类代码、两位三级分类代码以及三位相同设备间的编码[17-18]，采用的泵组设备编码结构如图1所示。

　　在确定设备编码后，利用符号化的计算机语言对GIS中空间数据进行表示，常用的设备符号库包括二维符号和三维设备模型。运行设备关系系统二维符号库主要是点状符号，利用系统本身的图形编辑器功能，利用多个图元组成符号。泵组设备符号构成方式如图2所示。

　　在精细化管理中，为了便于利用符号查找，添加机电设备符号时可自动生成设备编码。为了对符号进行高效的管理，需要建立符号索引，并通过索引将机电设备与符号库建立联系。泵组设备与符号对象联系如图3所示。

　　2.3二维三维一体化与组合

　　二维GIS技术在多个领域中的成熟应用，也不断推动着二维GIS向三维发展[19]。三维模拟具有较为逼真的显示效果，能够将泵组的复杂运行数据进行展示，并且利用GIS强大的分析功能，所以二维GIS与三维GIS利用各自的优势进行一体化结合，可以实现二三维数据一体化、显示一体化和分析一体化等[20-21]。

　　二三维一体化将两者的优势结合起来，二维采用了二三维一体化的空间分析和算法引擎，系统的查询、分析功能不但可以展现在二维中，同时支持在三维场景中直接进行空间分析功能。基于最短路径的一体化二三维搜索如图4所示。

　　在泵组设备的二三维管理中，利用组合对象技术将若干个图元或组合对象组合成新的对象，通过管理新对象实现对象的简化管理。

　　对于任意组合对象内的点进行分析，如果是二维轴对齐外包矩形内的点，满足的条件：

　　若果假设（X，Y，Z）是三维轴对齐外包围盒内的点，条件为：

　　组合对象的数据结构为多叉树结构，每个组合对象至少包含有两个子对象，每个子对象可以是单个图元也可以是一个组合对象，子对象同样可以包含若干个图元及组合对象。一个最简单的组合对象至少由两个图元构成，复杂的组合对象由若干图元和若干个组合对象共同构成，其结构如图5所示。组合对象是自下而上组合的，对于组合对象a，由组合对象d、f和图元e组合成对象b，对象h和图元g组合成对象c，再由对象b和c组合成对象a。

　　3泵组设备运行数据管理
　　3.1拓扑构建

　　网络分析是GIS空间分析中重要部分，根据网络拓扑关系，结合数据元素的空间和属性特征，利用有向图和无向图存储方法，分别为邻接多重表和十字链表。在无向图存储方式中常用的有领接矩阵和领接表存储。

　　领接矩阵是对顶点之间的相邻关系进行表示，如果无向图G=(V,E)，无向图的领接矩阵为A=(aij)m×n，可以得到：

　　式中：i,j=1,2,⋯,n；V和E分别为顶点集和边集。

　　如果赋权无向图G=(V,E,W)，无向网络拓扑图如图6所示。在无向网络拓扑图中利用巷道网络进行抽象赋值，使用的权值如表1所示。

　　邻接表对无向图拓扑结构中的边结点进行表示，为了能够存储边的权值和存储无向图，需要在边结点中增加一个成员，邻结表存储结构如图7所示。在图中，∧表示的是指针为空。

　　3.2空间数据库设计

　　空间数据库的设计是泵组设备实现精细化管理的基础，根据泵组运行设备的拓扑结构，需要对数据库结构和功能进行设计，利用GIS进行物理建模和管理流程数据库实现。基于GIS进行数据库设计的流程如图8所示。

　　在泵组设备运行管理系统中泵组到每个实体的关系都是1∶1，在精细化管理中根据实际运行中的泵站和设备之间的关系建立E-R图，如图9所示。

　　管理系统的数据库层次包括泵组设备的基础信息数据集和包括相关附属设施的点要素数据集，以梁湖枢纽引水和排水泵组为例，泵组要素数据分类点要素和线要素，另外还有存储属性和关系信息的对象类，泵组设备管理层次结构如图10所示。

　　4主要功能模块界面与应用分析
　　4.1主要功能界面

　　进入系统后首先是登录界面，系统登录是保证泵组设备运行管理安全的重要保证，根据泵组设备运行数据管理数据库的用户名和输入的密码正确才能通过认证，设计的登录界面如图11所示。

　　用户通过登录界面进入管理系统周，三维GIS设备管理系统可以通过工具栏进行二次编辑，利用控件显示设备运行的三维场景，系统的主界面如图12所示。

　　4.2应用分析

　　三维泵组设备管理能够将海量图形数据导入到管理系统的图形管理功能中，并且通过发布功能将运行的设备状态发布到相关的控制系统中，为控制提供依据。

　　用户可以通过登录系统加载需要查询的设备，系统管网查询实现界面如图13所示。

　　5结束语

　　本文主要针对水力设施中泵组设备运行精细化管理的应用需求，以运行设备基础细腻为中心，对设备整个生命周期进行管理研究，保证利用管理系统随时可以查询到设备运行及状态的全部信息。结合GIS三维技术和数据库要求，研究了三维GIS信息化管理与数据管理。并基于GIS物理建模方法对梁湖枢纽引水和排水泵组开展空间数据库设计，利用二三维一体化技术提高数据唯一性和实体表达的正确性，降低对数据建模和管理的工作量，更能直观地确定水力设施中泵组设备的分布。为了实现精细化管理，提出了一种设备编码方法，为每一个编码创建一个对应的系统对象，从而实现了泵组设备的运行精细化管理，泵站管理人员可以及时了解设备的状态和分布位置。

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