基于Internet的地下管网规划系统的研究
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摘 要
本文对地下管网规划及其在网络环境下的实现进行了深入的研究，将 Internet
发展的新技术和地下管网的规划管理相结合，将地下管网的业务逻辑划分到 WEB
框架的表示层、功能层和数据层分层实现，建立基于 Internet 的混合客户端/服务器
和浏览器/服务器结构的系统体系，实现地下管网的规划及管理。
通过研究地下管网的特性和数据模型，实现地下管网空间信息与属性信息的
一体化，设计适合实际应用环境的地下管网数据模型。对管网规划的关键技术的
理论进行分析，研究地下管网规划中的规划算法、管网的碰撞分析算法、二维矢
量图形的动态生成等技术。并提出在 Internet 网络下实现管网规划电子地图的实时
发布及管理，对解决规划的同步和信息共享进行了卓有成效的探讨。
将研究所得的成果和方法应用于上海市东供电局电力管道规划管理与发布系
统的开发，并通过系统的部署使用证明所得结论方法的正确可行。本系统在设计
和开发过程中，以可靠、实用、可扩展、安全和经济为原则，实现了管网图形管
理、规划和规划信息的网络共享等功能，从而大大提高了管网管理工作的效率和
质量，为相关部门进行地下管网规划、管网改造等提供决策支持。
关键词：地下管网 碰撞分析 管道规划 规划发布
ABSTRACT
This paper studys the underground pipeline planning and its application in network
environment, combines newly developed Internet technologies with underground
pipelines planning management, divides the business logic of underground pipelines
into Presentation Layer,Functional Layer and Data Layer of WEB framework realizing
access to different layers, and builds a system structure based on the Internet, mixing
C/S with B/S to achieve the planning and management of underground pipelines .
By researching on the property and the data model of underground
pipelines,integrates the spatial information and attribute informationthe of underground
pipelines,and designs the underground pipelines model suitable for the practical
application environment. Analyzes the key technology of network planning theory and
studys the underground pipelines planning in the planning algorithm, pipelines analysis
of the collision algorithm, dynamic generation of two-dimensional vector graphics. And
puts forward to publish the pipelines planning and management DWF under Internet in
real-time , which fruitfully explores the synchronization of planning and information
sharing.
Applicates the research results and methods in CPPMS of Shidong Power Supply
Company of Shanghai to prove its correct and feasibility through the deployment of the
system.The system realizes the pipelines graphics management, planning and the
internet sharing of planning information based on principles of reliable, practical,
scalable, security and economic in the design and development process, which thereby
greatly improve the efficiency and quality of the pipelines management, and provides
relevant departments with decisive support of the planning and restructure of
underground pipelines.
Key Words: Underground Pipelines, Collision Analysis ,Pipeline
Planning ,Planning Publish
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论................................................................................................................. 1
§1.1 引言............................................................................................................... 1
§1.2 研究背景....................................................................................................... 1
§1.3 本文研究的主要内容及意义........................................................................ 3
§1.4 地下管网规划现状....................................................................................... 4
§1.4.1 国外研究现状..................................................................................... 4
§1.4.2 国内研究现状..................................................................................... 5
§1.4.3 电力行业现状..................................................................................... 5
§1.5 本文结构安排............................................................................................... 6
§1.6 小结............................................................................................................... 7
第二章 基于 Interntet 的地下管网规划系统总体设计 ..............................................8
§2.1 系统总体设计............................................................................................... 8
§2.1.1 系统框架.............................................................................................. 8
§2.1.2 系统开发环境...................................................................................... 9
§2.1.3 网络拓扑结构................................................................................... 10
§2.2 结构和模块设计......................................................................................... 11
§2.2.1 系统结构图.........................................................................................11
§2.2.2 系统模块设计.....................................................................................11
§2.3 Web 服务器的构建及配置 .......................................................................13
§2.4 地下管网数据模型设计............................................................................. 13
§2.4.1 地下管网空间数据模型................................................................... 14
§2.4.2 管网数据存储结构........................................................................... 16
§2.4.3 地下管网数据模型的建立............................................................... 17
§2.5 地下管网的数据库设计............................................................................. 18
§2.6 小结............................................................................................................. 20
第三章 地下管网规划关键技术研究....................................................................... 21
§3.1 地下管网规划算法研究............................................................................. 21
§3.1.1 传统最优路径选择方法................................................................... 22
§3.1.2 启发式算法的路径规划................................................................... 24
§3.1.3 路径规划选择算法评价................................................................... 27
§3.1.4 地下管网路径规划........................................................................... 29
§3.2 二维地下管网矢量图形的动态生成技术................................................. 31
§3.2.1 矢量图形的图层分布....................................................................... 31
§3.2.2 矢量图形对象的生成方法与机制................................................... 32
§3.3 管网规划中的碰撞分析技术..................................................................... 35
§3.4 小结............................................................................................................. 42
第四章 地下管网规划的 WEB 框架设计 ................................................................ 43
§4.1 地下管网规划系统的 WEB 框架层划分 .................................................. 43
§4.2 地下管网客户端与服务器端数据交互技术............................................. 45
§4.2.1 Web Service 技术及管网规划功能定制 ........................................ 45
§4.2.2 规划平台的 AJAX 框架设计 ......................................................... 47
§4.3 地下管网的规划发布共享......................................................................... 49
§4.3.1 规划管网电子地图发布................................................................... 51
§4.3.2 规划管网电子地图上传................................................................... 53
§4.3.3 规划管网电子地图共享................................................................... 54
§4.4 小结............................................................................................................. 57
第五章 应用实例....................................................................................................... 58
§5.1 地下管网规划管理功能的实现.................................................................. 59
§5.1.1 地下管网规划................................................................................... 59
§5.1.2 管网规划孔位管理........................................................................... 65
§5.1.3 规划数据审核和规划信息反馈....................................................... 67
§5.2 地下管网碰撞分析的实现......................................................................... 67
§5.3 地下管网路径规划的实现......................................................................... 69
§5.4 地下管网规划的网络管理平台................................................................. 70
§5.4.1 发布规划管理................................................................................... 71
§5.4.2 地下管网仓位图管理....................................................................... 72
§5.4.3 地下管网 PMS 数据块管理 ............................................................. 73
§5.5 小结............................................................................................................. 74
第六章 总结展望....................................................................................................... 75
§6.1 研究结论..................................................................................................... 75
§6.2 研究展望..................................................................................................... 75
参考文献..................................................................................................................... 77
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................... 80
致 谢......................................................................................................................... 81
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
GIS (Geographic Information System)，即地理信息系统，是随着地理科学、计
算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科，人们的生产和生
活中 80%以上的信息和地理空间位置有关[1,2]。GIS 是利用现代计算机图形技术和
数据库技术，输入、存储、编辑、分析、显示空间信息及其属性信息的地理资料
系统，它由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图形用户
界面及系统人员组成[3]。
城市的电力地下管网规划是对供电区域内变电站位置、变电站电缆仓位、电
缆管道铺设情况、管道中孔位信息、电缆属性信息、架空线信息等进行维护管理，
并结合这些数据信息进行通道规划、仓位批复等工作。一般都是由一个规划单位
的多名规划人员协同进行规划工作，因此需要采用一种有效的机制将不同规划人
员的规划方案进行共享，以及对不同人员的不同规划方案产生的碰撞情况进行准
确的分析来避免。有时还需要在已铺设电缆通道上添加新的管网线，要求能有针
对地下管网的路径规划算法来实现。同时随着互联网技术的高速发展，要在局域
网范围以至广域网范围内进行管网的规划及其管理，管网规划的相关人员要能方
便地通过访问服务器来实现。
§1.2 研究背景
城市地下管网是城市的重要基础设施和组成部分，是维持现代化城市正常运
作的命脉。随着城市经济水平的提高、城市规模的扩大和现代化步伐的加快，城
市地下管网越来越庞大，越来越复杂，种类也越来越多，所担负的城市人民群众
赖以生存的物质基础的作用也越来越强。如何采用计算机信息管理技术对城市地
下管网实行管理，使地下管网的管理科学化、自动化，已是城市现代化管理的重
要组成部分和摆在城市建设者与管理者面前的重要任务[4,5]。
城市地下管网是一个纵横交错的庞大网络，由各种不同类型的地下管线交织
而成。地下管线可分为地下管道和地下电缆两大类。地下管道主要包括给水、下
水、燃气、热力及工业管道。依据中华人民共和国行业标准《城市地下管线探测
技术规程》城市地下管线可分为 9大类，即给水、排水、燃气、热力、工业、电
力、电信、综合管沟和人防[3]。各大类还可细分，如排水管线可分为污水管线和雨
水管线；电信管线可分为市话、长话、广播和有线电视等。给水管线根据不同的
基于 Internet 的地下管网规划系统的研究
2
用水对象而有不同的给水系统，此外还按照用水水质要求不同或用水的水压要求
不同而建立分质给水系统和分压给水系统。排水管道根据排水性质可分为工业污
水、生活污水和雨水:燃气管道按压力大小分低压、中压和高压。从输配系统和布
设来说则可分为管径规格不同的主干管和庭院管。热力和工业管道主要以其传输
材料性质分，例如热力管线根据传输物质的不同可分为热水管线和燕汽管线；工
业管道主要包括工业用气管道、排渣管道和石油管道。地下电缆包括电力电缆和
电信电缆。电力管线可分为供电电缆和路灯电缆；电信管线按其功能可分为市内
电话、长途电话、电报、电视及其它专用电缆等。地下管道和地下电缆均采用地
下管道或直埋的方式铺设，统称为地下管线。上面的分类比较细，我们习惯上把
地下管线直接分为给水、燃气、污水、雨水、热力、电力、电信、工业这八大类，
然后根据情况再细分。各类管线上设有不同的建筑物以及附属设施如表 1-1[3,6]。
表 1-1 管线的附属设施
类别
建(构)筑物
附属设施
给水
水源井、给水泵站、给水塔、清水池、
净化池
阀门、水表、消防栓、排气阀、排
泥阀、预留接头、各种窨井
排水
排水泵站、沉淀池、化粪池、净化构
筑物、暗沟地面出口
检查井、水封井、冲洗井、沉泥井、
排污装置
煤气热力及工
业管线
抽水井、调压房、煤气站、锅炉房、
动力站、储气站、冷却塔
浓缩气、排气装置、凝水缸、各种
容井
电力
变电站、配电室、电缆检修井、各种
杆塔
杆上变压器、露天地面变压器
电信
变换站、控制室、电缆检修井、各种
杆塔、增音站、差转台
交接箱、分线箱各种窨井
地下管网与一般的 GIS 相比，具有以下特点：(1)城市地下管网信息系统是一
个多维的系统，隐蔽性、埋设位置的集中性决定了地下管网数据的重要性，数据
的完整性、可靠性与准确性是系统实用性的关键；(2)必须具有综合的网络分析功
能，如最短路径分析、管网事故分析等；(3)系统中的空间数据在空间分布上极不
均匀，建成区内密度大，从中心区向城市边缘急剧减小；(4)城市地下管网信息系
统应与管网的探查、测量和成图系统具有良好的衔接能力，以便进行数据更新，
确保系统数据的现势性。
地下管网一般是指提供生产、生活等区域内各种能源、资源传输及废弃物排
放的各种管线的统称[7]。地下管网担负着区域供水、区域排污、输送能量、传输信
息等繁重的任务，是现代社会生产、生活的生命线，是现代社会经济及日常生活
第一章 绪论
3
赖以正常运转和发展的重要基础。随着现代城市经济、科技和人民生活水平的不
断提高，所需的地下管线日渐增多，城区地下已经密如蛛网的各类管线还将有增
无减，很多城市的某些区域已有相当数量的各种管线埋人地下并已经形成具有一
定规模、错综复杂的管线网络。这些种类繁多的地下管线由于缺少统一的管理系
统和准确的管线资料，在城市建设过程中常有管线被破坏的情况发生，造成通讯
中断、煤气泄漏、污水漫流等严重后果，给人民生命和国家财产造成巨大威胁和
无可挽回的损失。据有关资料统计，我国大城市仅每年管线损坏造成的损失达20
亿元，全国约70%的城市没有完整的地下管线资料，地下管线家底不清的现象普遍
存在。
我国城市地下管线的管理一直滞后于城市的建设发展，这不仅给日常管理维
护、规划设计、建设施工等带来诸多不便，在应对综合防灾能力(地震、水灾、突
发事件等)方面更显得无能为力。因此，对地下管网信息的现代高科技管理，不仅
要能够实时地、全面地反映各种管线的基本特征信息，各种属性及其相互关系，
而且还要能对管网的规划、城市的抢险救灾等具有决策上的指导意义。如何利用
先进的计算机、图形学、数据库等技术，建立与城市发展相协调的地下管网信息
管理系统，实现高效管理、规划和设计地下各类管线，已成为当前一个紧迫的研
究课题[8]。
在城市规划管理中，城市地下管网的规划是极其重要的组成部分。城市地下
管网是城市建设管理的重要信息也是城市赖以生存和发展的物质基础，亦称为城
市的“生命线”，它是城市管理基础设施建设中最重要的环节,是现代化城市高效率、
高质量运转的保证。地下管网资料是城市规划、建设和管理的基础资料，也是地
下管网安全运行的保证。尽快、全面、系统地做好城市地下管网信息的规划，是
为地下工程的规划、设计、施工及运行管理，合理地开发利用地下空间等提供坚
实的信息基础。
§1.3 本文研究的主要内容及意义
本文就浦东供电公司地下电力管网的规划及管理进行研究，研究的内容如下：
1. 对涉及地下管网开发的关键技术进行探讨，解决实际的应用。研究将基于
AutoCAD 的.NET API 工具结合 ObjectARX 技术应用到地下管网规划中的途径，实
现管网规划管理的逻辑细节；
2. 对管网规划的关键技术的理论进行分析，研究地下管网规划中的规划算法、
管网的碰撞分析算法、二维矢量图形的动态生成等技术。探索提高碰撞分析效率
的准确度的途径,探讨如何对常用碰撞分析算法进行改进使其高效准确地对在一个
基于 Internet 的地下管网规划系统的研究
4
地下管网数据复杂、具有约束条件的空间中对管网进行碰撞分析；以及研究实现
在电力约束条件下的管网路径规划；
3. 研究如何在网络条件下实现地下管网规划的管理，解决由于管网数据庞大
而造成的客户端响应延迟等问题，探讨将基于Internet的Web Service技术和AJAX技
术应用到地下管网规划系统的方法。
本文研究的意义：
本文研究的基于 Internet 地下管网规划系统整合了市东电力系统原有电力地下
管网规划分散、独立的单机操作，整合开发一个在网络环境下规划的平台。将规
划的管网信息及时与异地人员进行共享，避免造成规划冲突导致严重的后果。对
规划的管网进行高效准确的碰撞分析和管网的路径规划，为后期管网的实施提供
坚实的保障。并对在网络条件下的管网规划管理做出了有效探索。研究的成果对
地下管网规划具有一定的理论和实际应用价值。
§1.4 地下管网规划现状
§1.4.1 国外研究现状
在西方发达国家，城市地下管网管理信息系统早就被视为城市建设的一项基
本工程。许多城市已建立了目的不同、规模不同的地下综合管网信息管理系统，
且已进入专业化应用与商品化生产阶段。例如，法国巴黎的旧城区，历时数百年
变迁，地下管网情况错综复杂，但建立的城市信息系统可在屏幕上显示任何一条
地下管线及相关信息，方便用户查询。是否具备和使用先进的城市管理信息系统
已成为衡量一个城市管理水平和投资环境的重要标志[10]。
国际上将 GIS 应用于城市规划始于 2.0 世纪 70 年代，美国、新加坡、加拿大、
德国等许多国家都已将 GIS 技术应用到排污管道、石油管道等多个地下管网系统
建设中，获得了较好的经济效益。美国的 ESRI 公司作为行业中的领军公司，推出
了ArcFM( arc facility manager) ,它可以合理规划市政、电力、供水部门、维护和设
计电力、煤气以及给排水等地下管网;InterGraph 公司将其开发的管线管理模块称作
自动制图和设施管理系统。该公司已专门开发了用于城市地下管线信息管理的系
统框架;德国 GEOGRAT 公司研制推出的软件 GeoGIS 和GISX 地下综合管网管理
系统在德语地区已经成功安装了 1500 套，正实时服务于德语地区 4所大学、3个
集团公司、2个技术咨询公司以及 200 多个城市。
第一章 绪论
5
§1.4.2 国内研究现状
20 世纪 90 年代后，随着我国经济的快速发展，以及 GIS 技术在我国的兴起，
许多城市开始建立城市地下管网信息管理系统。例如，上海自来水集团公司在世
界银行投资 200 多万美元支持下建成的 GIS 系统，在功能上包括了供水管网图形
数据的输入、修改及查询、统计、抢险救灾决策、日常事务管理等功能；北京中
软公司开发的 PowerPipe 地下综合管网信息管理系统，采用统一的管线信息数据标
准，整合了各种专业管线信息，实现了地下管网设施建设、维修和隐患管理。通
过紧急抢险事故的地理空间信息、预案信息、抢修方案信息、现场影像信息的线
索式提取，可对各类型地下管线的历史数据进行统计分析和数据挖掘，实时管理
各类专业管线信息，为市政管理的行政许可、年度计划、应急协调等业务提供信
息服务和决策支持；北京吉茂公司借鉴德国 GEOGRAT 公司的开发经验，成功开
发了中文版的 GEOGIS 地下综合管网信息管理系统，并开始正式为我国用户提供
服务；GWX 地下管网系统已在海南省海口市得到推广应用。
此外，北京测绘院基于 ARC/INFO 开发的北京市地下管网图形数据库系统，
广州市规划局开发建立的地下管网信息管理系统，上海、沈阳、太原等城市建立
的GIS 燃气管理系统，南京市 2000 年完成采用 Maplnfo 为宿主平台，以 Oracle 为
后台数据库管理系统的地下管网信息系统建设，杭州市采用澳大利亚 GENASYS
公司的 GENAMAPV5. 2 建成地下管网管理信息系统(HZUPMIS)等等。这些系统是
我国应用 GIS 开发管理城市地下管网信息的一种新的尝试。
从全国的整体情况来看，地下管线信息化仍处于初期开发研制阶段。目前，
国内已有的系统还有相当大的局限性，新系统的开发还有许多问题函待解决，普
遍存在建设规模大、投资惊人、开发周期长、技术复杂和图形数据分离等问题，
一般中小城市的管线管理部门难于接受。国内外一些研究者普遍认为，利用地理
信息系统技术建立城市管网信息系统是一条有效的途径。如何充分利用 GIS 这个
工具，建立一个完善的城市地下管网信息管理系统，是一个值得研究的重要课题。
§1.4.3 电力行业现状
电力行业在信息化建设方面具有丰富的实践经验，各类信息系统都有比较深
入的应用。以上海为例，上海市电力公司在输配电管理系统(PMS )、用电营销系统
(CIS)、自动监控系统(SCADA/DA)、自动抄表系统(AMR)等建设方面己作了大量
的开发工作，生产运行所需的基础数据全部实现信息化管理，营销系统也初见成
效，自动化系统已取得十分成熟的应用。上述信息系统的建立为规划业务的信息
系统开发提供了大量的基础数据。上海市电力公司配网负荷数据管理系统和地理
摘要：
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摘要本文对地下管网规划及其在网络环境下的实现进行了深入的研究，将Internet发展的新技术和地下管网的规划管理相结合，将地下管网的业务逻辑划分到WEB框架的表示层、功能层和数据层分层实现，建立基于Internet的混合客户端/服务器和浏览器/服务器结构的系统体系，实现地下管网的规划及管理。通过研究地下管网的特性和数据模型，实现地下管网空间信息与属性信息的一体化，设计适合实际应用环境的地下管网数据模型。对管网规划的关键技术的理论进行分析，研究地下管网规划中的规划算法、管网的碰撞分析算法、二维矢量图形的动态生成等技术。并提出在Internet网络下实现管网规划电子地图的实时发布及管理，对解决规划...
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