一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统

摘要

本发明公开了一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统，包括软件和硬件两大部分，硬件部分主要包括监测设备、无线网关、太阳能电池板、系统终端。软件部分主要包括GPRS模块、排水管网信息管理模块、排水管网运营维护决策模块、管网优化设计及内涝预警预报模块、污染物溯源分析模块。该系统可对区域排水管网全生命周期内的建设、维护等信息进行系统性地数字化管理，可实现排水管网BIM三维可视化展示，可用于区域排水管网健康等级预报与评估，可用于区域排水管网优化设计及内涝预警预报，同时也可对雨污管网错接及企业超标排放等情况进行污染物溯源分析。

说明书

技术领域

本发明涉及生态环保与信息技术领域，具体涉及一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统。

背景技术

排水管网是城市基础设施的重要组成部分，是确保城市生产与生活正常运转的生命线。传统的排水管网管理模式主要依靠人工手段对管网的建设资料加以分类、整理与保存，普遍存在数据分散且不完善、资料容易丢失、信息传输滞后且难以共享等诸多问题，难以满足日益错综复杂的城市排水管网的现代化管理要求。此外，近年来国内部分城市内涝日趋频繁，雨污管网错接、企业偷排或工业废水超标排放等现象也屡见不鲜。因此，有必要通过信息化手段对地下排水管网档案进行数字化管理，并基于排水管网的数字化模型开展内涝预警预报、污染物溯源分析等综合应用，进而减小城市内涝造成的人员财产损失，保障城市污水处理厂的正常高效运行。

目前，现有排水管网管理模式主要存在以下问题：（1）排水管网建设资料以纸质文档或图纸的形式保存，难以提供直观、准确的位置信息；（2）排水管网建设资料、生命周期内的检测、监测及修复等过程资料分散且容易丢失，未能实现系统性地数字化管理；（3）部分城市开发了排水管网数字化信息管理平台，但其未能将排水管网数字化信息与水力水质模拟模型相结合以开展相关应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统，可实现区域排水管网信息管理、查询、输出、BIM三维可视化展示与GIS定位，可对区域排水管网健康等级进行预报与评估，可用于区域排水管网优化设计及内涝预警预报，同时可对雨污管网错接及企业超标排放等情况进行污染物溯源分析。

为实现上述技术特征，本发明采用如下技术方案：一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统，包括硬件系统部分以及与其相配套的软件系统部分；所述硬件系统部分包括监测设备，所述监测设备通过无线网关与系统终端相连；所述无线网关和系统终端都与用于提供电能的太阳能电池板相连；

所述软件系统部分包括GPRS模块、排水管网信息管理模块、排水管网运营维护决策模块、管网优化设计及内涝预警预报模块和污染物溯源分析模块。

所述监测设备包括设置在检查井内的液位传感器，以及设置在与检查井相连通的管道内的流量传感器及水质监测仪；

所述液位传感器用于监测检查井内的液位，并将监测数据传输给无线网关；

所述流量传感器和水质监测仪用于监测与检查井相连通的管道内的流量和水质，并将监测数据传输给无线网关。

所述水质监测仪包括在线PH仪、在线COD仪、在线SS仪、在线TP仪和在线NH3-N仪。

所述无线网关设置于检查井外，用于接收检查井内监测设备传送的监测数据，并将其通过GPRS网络传输至系统终端的GPRS模块。

所述系统终端采用平板电脑或PC。

所述GPRS模块用于系统终端与检查井外无线网关间的实时通信，以实现监测数据的实时传输与更新。

所述排水管网信息管理模块包含排水管网BIM模型子模块、监测信息管理子模块和区域重点污染源信息管理子模块；

所述排水管网BIM模型子模块用于对区域排水管网及检查井的BIM模型进行储存、输出、查询、BIM三维可视化展示与GIS定位；

所述排水管网BIM模型的关联属性数据包括：管道结构数据：管材、管径、管长、壁厚；管道功能数据：管道类型、功能等级；管道位置数据：管道编号、上游检查井编号、下游检查井编号、所在道路及道路等级、埋深、X坐标、Y坐标；管道施工数据：敷设坡度、设计充满度、设计单位、施工单位；管道健康数据：运行时间、缺陷数量及等级、缺陷检测方法及时间、缺陷检测单位、缺陷修复方法及材料、内衬壁厚、缺陷修复设计及施工单位；管道环境数据：地下水位、土壤类型及地质状况；管道输送介质数据：腐蚀介质种类、腐蚀介质浓度；

所述检查井BIM模型的关联属性数据包括：检查井结构数据：类型、编号、井径、井盖标高、井底标高、断面形状；检查井功能数据：检查井类型；检查井位置数据：所在道路及道路等级、所在管段、X坐标、Y坐标；检查井施工数据：材质、设计单位、施工单位；检查井健康数据：缺陷数量及等级、缺陷检测时间、缺陷检测单位、缺陷修复方法及材料、内衬壁厚、缺陷修复设计及施工单位；检查井环境数据：地下水位、土壤类型及地质状况；

所述监测信息管理子模块用于储存、输出及可视化展示检查井内液位数据以及与检查井相连通的管道内的流量和水质数据；

所述区域重点污染源信息管理子模块用于储存、管理区域重点污染源的位置数据和污染物数据，位置数据：编号、X坐标、Y坐标、排口接入管道编号；污染物数据：污水类型、污水预处理工艺、突出污染物、排水水量及水质。

所述排水管网运营维护决策模块包含排水管网健康预报子模块和排水管网健康评价子模块；

所述排水管网健康预报子模块用于结合管道结构、功能、环境及输送介质4个方面的数据预测排水管道的健康等级，进而为合理确定排水管道检测优先次序提供决策依据，避免地毯式盲目检测；其中管道结构包括：管材、管径、管长、壁厚；管道功能数据包括：管道类型、功能等级；管道环境数据包括：地下水位、土壤类型及地质状况；输送介质数据包括：腐蚀介质种类、腐蚀介质浓度；

所述排水管网健康评价子模块用于结合管道健康、环境及位置3个方面的数据对其健康状态进行评价，其中管道健康数据包括：运行时间、缺陷数量及等级、缺陷修复方法及材料、内衬壁厚；管道环境数据包括：地下水位、土壤类型及地质状况；管道位置数据包括：所在道路及道路等级、埋深。

所述管网优化设计及内涝预警预报模块包含区域雨水管网水力模型子模块、气象预报子模块、下垫面解析子模块、模型参数设置子模块、管网优化设计子模块以及区域积水预报子模块；

所述区域雨水管网水力模型子模块用于结合排水管网的空间及属性数据、检查井的空间及属性数据以及区域GIS数据建立区域雨水管网水力模型，其中区域雨水管网包含合流制管网；

所述气象预报子模块用于基于公开气象数据对区域降雨情况进行预报；

所述下垫面解析子模块用于对区域下垫面进行划分归类，并依据各类下垫面的径流系数及总面积占比计算区域综合径流系数；

所述模型参数设置子模块用于水文水力参数的设置，并通过相关监测数据对模型参数进行率定与验证；其中所述水文水力参数包括地表曼宁系数、管道曼宁系数、地表最大入渗率和地表最小入渗率；

所述管网优化设计子模块用于结合区域雨水管网水力模型和区域历史降雨数据，对区域雨水管网排水能力以及初雨溢流污染负荷进行分析，为区域雨水管网改造提供依据；

所述区域积水预报子模块用于结合区域雨水管网水力模型和区域降雨预报，对区域内积水位置、积水水深、积水时间及影响范围要素进行预警预报。

所述污染物溯源分析模块包含区域污水管网水质模型子模块、水质模型参数设置子模块以及污染物溯源分析子模块；

所述区域污水管网水质模型子模块用于结合排水管网的空间及属性数据、检查井的空间及属性数据以及区域重点污染源数据建立区域旱天污水管网水质模型；

所述水质模型参数设置子模块用于水质模型参数的设置，并通过相关监测数据对模型参数进行率定与验证，其中所述水质模型参数包括纵向弥散系数、污染物一级降解系数；

所述污染物溯源分析子模块用于结合区域污水管网水质模型及各测点的水量水质监测数据，对区域是否存在雨污错接、企业偷排或污水超标排放现象进行分析，并分析可能的排污口位置、排污时间及排污量。

与现有排水管网信息管理系统相比，本发明所提供的一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统具有以下几个方面的优点：

1、本系统可实现地下排水管网BIM三维可视化展示，可结合区域GIS数据为区域内工程施工提供直观、完整、准确的管网位置信息，同时也可对排水管网全生命周期内的建设、维护等信息进行系统性地数字化管理。

2、本系统可基于排水管网全生命周期内的结构、健康及环境信息等对其健康等级进行预报与评估，进而为区域内排水管网的运营维护：检测和修复，提供决策依据。

3、本系统可基于排水管网及检查井的空间及属性数据建立区域雨水管网水力模型，并通过检查井液位、管道进出口流量等监测数据对模型参数进行率定与验证，进而为区域排水管网优化设计提供依据，同时也可结合降雨预报等信息对区域内涝进行预警预报。

4、本系统可基于排水管网及检查井的空间及属性数据建立区域污水管网水质模型，并通过管道进出口水质监测数据对模型参数进行率定与验证，进而对区域雨污错接、污染物超标排放等现象进行溯源分析。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1本发明的系统结构框图。

图中：监测设备1、无线网关2、太阳能电池板3、系统终端4、GPRS模块5、排水管网信息管理模块6、排水管网运营维护决策模块7、管网优化设计及内涝预警预报模块8、污染物溯源分析模块9；

液位传感器1-1、流量传感器1-2、水质监测仪1-3；

在线PH仪1-3-1、在线COD仪1-3-2、在线SS仪1-3-3、在线TP仪1-3-4、在线NH3-N仪1-3-5；

排水管网BIM模型子模块6-1、监测信息管理子模块6-2、区域重点污染源信息管理子模块6-3；

排水管网健康预报子模块7-1、排水管网健康评价子模块7-2；

区域雨水管网水力模型子模块8-1、气象预报子模块8-2、下垫面解析子模块8-3、模型参数设置子模块8-4、管网优化设计子模块8-5、区域积水预报子模块8-6；

区域污水管网水质模型子模块9-1、水质模型参数设置子模块9-2、污染物溯源分析子模块9-3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参见图1，一种基于GIS+BIM的排水管网信息管理与综合应用系统，包括硬件系统部分以及与其相配套的软件系统部分；所述硬件系统部分包括监测设备1，所述监测设备1通过无线网关2与系统终端4相连；所述无线网关2和系统终端4都与用于提供电能的太阳能电池板3相连；所述软件系统部分包括GPRS模块5、排水管网信息管理模块6、排水管网运营维护决策模块7、管网优化设计及内涝预警预报模块8和污染物溯源分析模块9。通过采用本发明的系统，可对区域排水管网全生命周期内的建设、维护等信息进行系统性地数字化管理，可实现排水管网BIM三维可视化展示，可用于区域排水管网健康等级预报与评估，可用于区域排水管网优化设计及内涝预警预报，同时也可对雨污管网错接及企业超标排放等情况进行污染物溯源分析。

进一步的，所述监测设备1包括设置在检查井内的液位传感器1-1，以及设置在与检查井相连通的管道内的流量传感器1-2及水质监测仪1-3；所述液位传感器1-1用于监测检查井内的液位，并将监测数据传输给无线网关2；所述流量传感器1-2和水质监测仪1-3用于监测与检查井相连通的管道内的流量和水质，并将监测数据传输给无线网关2。

进一步的，所述水质监测仪1-3包括在线PH仪1-3-1、在线COD仪1-3-2、在线SS仪1-3-3、在线TP仪1-3-4和在线NH3-N仪1-3-5。通过采用上述多种不同型号的监测仪能够对管道内部的水进行不同指标的在线实时监测，并将监测数据进行时时传输，以便于系统后续的使用。

进一步的，所述无线网关2设置于检查井外，用于接收检查井内监测设备1传送的监测数据，并将其通过GPRS网络传输至系统终端4的GPRS模块5。其中监测数据的传输也可以采用其它类型的无线传输方式，也可以采用有线的传输方式。

进一步的，所述系统终端4采用平板电脑或PC。通过系统终端4用于运行系统的软件部分，以便于对数据进行存储、分析和计算，并输出相应的结果。

进一步的，所述GPRS模块5用于系统终端4与检查井外无线网关2间的实时通信，以实现监测数据的实时传输与更新。采用GPRS模块5保证了数据传输的稳定性和可靠性。

进一步的，所述排水管网信息管理模块6包含排水管网BIM模型子模块6-1、监测信息管理子模块6-2和区域重点污染源信息管理子模块6-3；通过采用上述的排水管网信息管理模块6主要用于对排水管网的数据信息进行管理。

进一步的，所述排水管网BIM模型子模块6-1用于对区域排水管网及检查井的BIM模型进行储存、输出、查询、BIM三维可视化展示与GIS定位。

其中，所述排水管网BIM模型的关联属性数据包括：管道结构数据：管材、管径、管长、壁厚；管道功能数据：管道类型、功能等级；管道位置数据：管道编号、上游检查井编号、下游检查井编号、所在道路及道路等级、埋深、X坐标、Y坐标；管道施工数据：敷设坡度、设计充满度、设计单位、施工单位；管道健康数据：运行时间、缺陷数量及等级、缺陷检测方法及时间、缺陷检测单位、缺陷修复方法及材料、内衬壁厚、缺陷修复设计及施工单位；管道环境数据：地下水位、土壤类型及地质状况；管道输送介质数据：腐蚀介质种类、腐蚀介质浓度。通过上述详细的排水管网BIM模型能够实现排水管网的可视化管理。

进一步的，所述检查井BIM模型的关联属性数据包括：检查井结构数据：类型、编号、井径、井盖标高、井底标高、断面形状；检查井功能数据：检查井类型；检查井位置数据：所在道路及道路等级、所在管段、X坐标、Y坐标；检查井施工数据：材质、设计单位、施工单位；检查井健康数据：缺陷数量及等级、缺陷检测时间、缺陷检测单位、缺陷修复方法及材料、内衬壁厚、缺陷修复设计及施工单位；检查井环境数据：地下水位、土壤类型及地质状况。通过上述详细的检查井BIM模型能够实现检查井的可视化管理。

进一步的，所述监测信息管理子模块6-2用于储存、输出及可视化展示检查井内液位数据以及与检查井相连通的管道内的流量和水质数据；所述区域重点污染源信息管理子模块6-3用于储存、管理区域重点污染源的位置数据和污染物数据，位置数据：编号、X坐标、Y坐标、排口接入管道编号；污染物数据：污水类型、污水预处理工艺、突出污染物、排水水量及水质。通过上述的监测信息管理子模块6-2能够用于对监测到的数据信息进行有效的管理。

进一步的，所述排水管网运营维护决策模块7包含排水管网健康预报子模块7-1和排水管网健康评价子模块7-2；所述排水管网健康预报子模块7-1用于结合管道结构、功能、环境及输送介质4个方面的数据预测排水管道的健康等级，进而为合理确定排水管道检测优先次序提供决策依据，避免地毯式盲目检测；其中管道结构包括：管材、管径、管长、壁厚；管道功能数据包括：管道类型、功能等级；管道环境数据包括：地下水位、土壤类型及地质状况；输送介质数据包括：腐蚀介质种类、腐蚀介质浓度。

进一步的，所述排水管网健康评价子模块7-2用于结合管道健康、环境及位置3个方面的数据对其健康状态进行评价，其中管道健康数据包括：运行时间、缺陷数量及等级、缺陷修复方法及材料、内衬壁厚；管道环境数据包括：地下水位、土壤类型及地质状况；管道位置数据包括：所在道路及道路等级、埋深。

进一步的，所述管网优化设计及内涝预警预报模块8包含区域雨水管网水力模型子模块8-1、气象预报子模块8-2、下垫面解析子模块8-3、模型参数设置子模块8-4、管网优化设计子模块8-5以及区域积水预报子模块8-6；

进一步的，所述区域雨水管网水力模型子模块8-1用于结合排水管网的空间及属性数据、检查井的空间及属性数据以及区域GIS数据建立区域雨水管网水力模型，其中区域雨水管网包含合流制管网；

进一步的，所述气象预报子模块8-2用于基于公开气象数据对区域降雨情况进行预报；

进一步的，所述下垫面解析子模块8-3用于对区域下垫面进行划分归类，并依据各类下垫面的径流系数及总面积占比计算区域综合径流系数；

进一步的，所述模型参数设置子模块8-4用于水文水力参数的设置，并通过相关监测数据对模型参数进行率定与验证；其中所述水文水力参数包括地表曼宁系数、管道曼宁系数、地表最大入渗率和地表最小入渗率；

进一步的，所述管网优化设计子模块8-5用于结合区域雨水管网水力模型和区域历史降雨数据，对区域雨水管网排水能力以及初雨溢流污染负荷进行分析，为区域雨水管网改造提供依据；

进一步的，所述区域积水预报子模块8-6用于结合区域雨水管网水力模型和区域降雨预报，对区域内积水位置、积水水深、积水时间及影响范围要素进行预警预报。

进一步的，所述污染物溯源分析模块9包含区域污水管网水质模型子模块9-1、水质模型参数设置子模块9-2以及污染物溯源分析子模块9-3；

进一步的，所述区域污水管网水质模型子模块9-1用于结合排水管网的空间及属性数据、检查井的空间及属性数据以及区域重点污染源数据建立区域旱天污水管网水质模型；

进一步的，所述水质模型参数设置子模块9-2用于水质模型参数的设置，并通过相关监测数据对模型参数进行率定与验证，其中所述水质模型参数包括纵向弥散系数、污染物一级降解系数；

进一步的，所述污染物溯源分析子模块9-3用于结合区域污水管网水质模型及各测点的水量水质监测数据，对区域是否存在雨污错接、企业偷排或污水超标排放现象进行分析，并分析可能的排污口位置、排污时间及排污量。

本系统的具体工作流程为：

设置于检查井内的监测设备1（液位传感器、流量传感器及水质在线监测仪），将监测数据实时传输给设置于检查井外的无线网关2；无线网关2通过GPRS网络将监测数据传输至系统终端的GPRS模块5，并进一步储存到监测信息管理子模块6-2；排水管网BIM模型子模块6-1用于储存排水管网和检查井的空间及属性数据，实现排水管网及检查井全生命周期内的信息数字化管理；区域重点污染源信息管理子模块6-3用于储存区域内重点排污企业的相关信息；

排水管网运营维护决策模块7用于基于排水管网空间及属性数据对其健康等级进行预测与评估，为合理确定排水管道检测及修复优先次序提供决策依据；

管网优化设计及内涝预警预报模块8用于结合排水管网空间及属性数据、区域GIS数据建立区域雨水管网水力模型，并结合区域历史降雨数据对区域雨水管网排水能力以及初雨溢流污染负荷等进行分析，为区域雨水管网改造提供依据；同时，可结合区域降雨预报，对区域内涝积水进行预警预报；

污染物溯源分析模块9用于结合排水管网空间及属性数据、区域重点污染源数据建立区域旱天污水管网水质模型，进而对区域是否存在雨污错接、企业偷排或污水超标排放等现象进行分析，并分析可能的排污口位置、排污时间及排污量。