張文杰

摘要：利用計算機、通信及自動化控制技術實現(xiàn)機井的自動監(jiān)測，是目前水利信息化發(fā)展的核心內容，也是實現(xiàn)水資源合理利用的重要技術手段。項目研制開發(fā)的機井管理信息系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)及組態(tài)軟件與商用數(shù)據(jù)庫的結合，綜合利用GPS、GSM、GPRS網(wǎng)絡以及GIS技術，實現(xiàn)了重要參數(shù)的實時顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲、遠程通信及水泵優(yōu)化調節(jié)控制運行等重要功能，達到了水源井自動監(jiān)測控制的目的。該系統(tǒng)的實際應用解決了人工調度管理和具體現(xiàn)場操作存在的多種弊端，對合理開發(fā)利用地下水、實現(xiàn)機井泵站的優(yōu)化運行具有積極意義。

關鍵詞：GISGPSGSMGPRS機井管理信息系統(tǒng)

1應用技術

該機井管理信息系統(tǒng)中應用的技術手段非常多，主要包括地理信息技術、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、全球移動通訊系統(tǒng)、通用分組無線業(yè)務、地圖匹配和最短路徑算法等。

地理信息系統(tǒng)，簡稱GIS，是在計算機軟件和硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數(shù)據(jù)，以提供規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術系統(tǒng)。它的基本功能包括：數(shù)據(jù)采集、檢驗與編輯；數(shù)據(jù)操作；數(shù)據(jù)的存儲與組織；查詢、檢索、統(tǒng)計、計算功能；空間分析功能；顯示等。其中空間查詢與空間分析是GIS的核心，它包括拓撲空間查詢、緩沖區(qū)分析和迭加分析等。

采用先進的GPS、GSM、GPRS技術并結合GIS的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，集計算機、通信、機電、自動控制等多種先進技術于一體，成功實現(xiàn)了對無線分布式系統(tǒng)的實時監(jiān)控管理和靈活部署，解決了傳統(tǒng)機井管理因沒有通訊功能而無法實現(xiàn)集中監(jiān)控的問題，提高了無線系統(tǒng)的運行質量，增強了無線的可靠性和可控性，并能夠及時發(fā)現(xiàn)定位無線系統(tǒng)故障和獲取相應參數(shù)。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)設計目標該機井管理信息系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)需求分析，主要用于支持各地水務部門完成機井管理工作。系統(tǒng)達到如下目標：高效率地對機井屬性庫進行日常管理，主要包括基于GPS、GSM和GPRS技術的機井數(shù)據(jù)采集、錄入、瀏覽、查詢、編輯、更新、備份與恢復等，同時對不同的用戶設置不同的權限；從空間上對機井數(shù)據(jù)進行可視化管理，支持空間分析與查詢，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)與屬性庫的自由通訊，同時支持相關專題分析，生成各種機井分布圖、機井密度圖，開采層位分布圖等圖件；自動生成各種統(tǒng)計報表及其輸出：支持C／S(Client／Server)模式網(wǎng)絡運行。

2.2系統(tǒng)設計原則

2.2.1系統(tǒng)性與實用性原則

系統(tǒng)將各子系統(tǒng)有機結合成為一個整體，各種參數(shù)可以互相進行傳輸，并要求在系統(tǒng)的功能設計、數(shù)據(jù)的管理與規(guī)范方面以滿足實際需要為原則。

2.2.2可擴充性與可移植性原則在系統(tǒng)的設計中采取模塊化結構設計，其特點是各模塊的獨立性較強，便于系統(tǒng)的改進、擴充和移植，從而可以使系統(tǒng)處于不斷的完善過程中。

2.2.3開放性與標準化原則網(wǎng)絡環(huán)境下利于信息的傳播和數(shù)據(jù)的共享，因此將系統(tǒng)設計為基于GIS技術下C／S結構的管理系統(tǒng)，并為之設計一個基于B／S結構的Web信息發(fā)布系統(tǒng)。

2.3系統(tǒng)結構設計系統(tǒng)從結構上分為系統(tǒng)管理、屬性庫管理、圖形庫管理、統(tǒng)計與報表、幫助與說明、信息發(fā)布等六部分，其中信息發(fā)布模塊是一個獨立模塊。各模塊分別采用不同的軟件開發(fā)設計，不同模塊之間可以互相調用。

2.3.1系統(tǒng)方案流程(見圖1)

2.3.2系統(tǒng)工作原理簡單而言，該系統(tǒng)是一個以GPS為信息定位手段，GSM、GPRS為信息傳遞手段，GIS為信息表達手段的對機井水資源實施監(jiān)控調度的系統(tǒng)。安裝在機井上的GPS終端根據(jù)收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算出機井的信息，通過GSM無線信道以短消息SMS方式發(fā)往監(jiān)控調度中心。中心解碼后，通過后臺數(shù)據(jù)庫將機井編號與終端上的SIM號碼——對應，在監(jiān)控調度中心的GIS電子地圖上顯示出位置，并把收集到的數(shù)據(jù)在保存到數(shù)據(jù)庫中相應的位置，以保證各個模塊對數(shù)據(jù)的需求。

機井管理系統(tǒng)主要由采集控制模塊、GPS終端、GPRS模塊、GSM模塊傳輸網(wǎng)絡(GPRS網(wǎng)和公共數(shù)據(jù)網(wǎng))以及

監(jiān)控中心組成。此外在采集控制部分和監(jiān)控中心中都應該包含相應的數(shù)據(jù)管理模塊，滿足數(shù)據(jù)安全性的要求。最關鍵的監(jiān)控終端是臨時存儲，以備網(wǎng)絡中斷或監(jiān)控中心故障時不致丟失數(shù)據(jù)。其中監(jiān)控中心可根據(jù)實際需求，擴展成多級監(jiān)控網(wǎng)絡，并且一個一級監(jiān)控中心可同時管理幾個二級監(jiān)控中心。

其中，采集控制模塊主要由數(shù)據(jù)采集設備(內置帶TC P／IP協(xié)議的單片機)、控制設備、以及數(shù)據(jù)采集程序、照明控制程序、遠程通信程序等軟硬件組成。

GPRS、GSM模塊是一個GPRS、GSM網(wǎng)絡終端設備，它可以通過諸如RS232串口與采集控制模塊相連。

傳輸網(wǎng)絡主要是指承擔數(shù)據(jù)傳輸任務的GPRS、GSM網(wǎng)絡，這里是指公共數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡。

監(jiān)控中心實際上是一個局域網(wǎng)(LAN)，主要由路由器，防火墻、代理服務器、監(jiān)控臺、查詢臺、數(shù)據(jù)庫服務器以及相應的監(jiān)控軟件、查詢軟件和數(shù)據(jù)庫管理程序等構成。

與采集控制模塊和監(jiān)控中心相關的數(shù)據(jù)管理模塊主要負責與網(wǎng)絡無關的數(shù)據(jù)存儲的實現(xiàn)，即在數(shù)據(jù)提交和數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)存儲兩兩功能點中間加一個數(shù)據(jù)暫存機制，可以一般化到采集終端和監(jiān)控中心上來。

系統(tǒng)結構圖如圖2：

2.4系統(tǒng)模塊及功能根據(jù)上述方案，主要設計以下5個模塊：GIS地圖顯示模塊、GPS車載終端模塊、GSM／GPRS數(shù)據(jù)通訊模塊、監(jiān)控調度模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊。

系統(tǒng)功能模塊結構圖如圖3：

2.5數(shù)據(jù)庫設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)從內容上分為地理信息基礎數(shù)據(jù)與機井相關屬性專業(yè)數(shù)據(jù)兩部分，從數(shù)據(jù)的類型上分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩大類。

2.5.1空間數(shù)據(jù)庫設計空間數(shù)據(jù)庫包括：全市以及所轄各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)劃圖、水文地質圖、水系圖、道路圖等，各種空間數(shù)據(jù)按屬性分別存放在不同的圖層，在空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫之間依據(jù)地理位置以及其他輔助特性建立關聯(lián)。初始機井分布圖是通過調用屬性庫自動生成的，系統(tǒng)運行期間則通過手工和自動化相結合的方式。

2.5.2屬性數(shù)據(jù)庫設計所有屬性數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中由關系型數(shù)據(jù)庫SQLServer2000統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)以表的形式存儲?？臻g地物(機井)與屬性庫的鏈接是通過唯一的標識碼(行政區(qū)劃代碼+機井順序編號)進行的。屬性數(shù)據(jù)共分為九類，設計成九張表存放在數(shù)據(jù)庫中，分別是：基礎情況數(shù)據(jù)、水文資料數(shù)據(jù)、井管數(shù)據(jù)、過濾管數(shù)據(jù)、配套設施數(shù)據(jù)、投資數(shù)據(jù)、效益數(shù)據(jù)、水質分析報告資料以及機井電測曲線數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)表之間分別使用xzqh(行政區(qū)劃地址代碼)與ijsx(機井順序編號)兩個代碼組合成一個標識碼進行關聯(lián)。

2.6系統(tǒng)軟、硬件配置該機井管理信息系統(tǒng)選用MapGis作為

向量數(shù)據(jù)采集編輯工具，ArcView作為前臺圖形庫管理開發(fā)工具，選用ASP Net，Visual Basic作為前臺屬性庫管理開發(fā)工具，選用MS SQL Server作為后臺數(shù)據(jù)庫服務器。選用上述開發(fā)工具主要是基于以下幾點考慮：

2.6.1已有的矢量數(shù)據(jù)是MapGis格式數(shù)據(jù)，使用MapGis可以很方便地對其進行編輯、投影變換與拼接，并可以輸出為其它格式：

2.6.2ArcView具有很強的地理空間資料的管理和分析能力，并可以接受多種數(shù)據(jù)；它可以利用SOL調用數(shù)據(jù)庫；用戶可以根據(jù)實際情況用ArcView顯示、查詢、分析和組織數(shù)據(jù)庫；

2.6.3ArcView提供面向對象的編程語言Avenue，用于建立符合用戶需求的圖形接口和二次開發(fā)。并且ArcView的圖形接口稍作修改就可以生成用戶的圖形接口，其中的編程量較?。?/p>

2.6.4使用ASP.Net，Visual Basic可以方便而又快速地建立強大的數(shù)據(jù)庫應用程序；此外，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，還使用了ARC／INFO，Maplnfo，MapGis等軟件對圖形數(shù)據(jù)進行編輯和修改。

本系統(tǒng)的硬件配置可采用滿足以上軟件環(huán)境要求的微機、工作站等。服務器配置：PentiumⅢ以上，內存2G以上，硬盤容量大于160G；客戶端配置：Pen-tium Ⅱ以上，內存1G以上，硬盤容量大于120G。

GPS車載臺，GPRS、GSM網(wǎng)絡終端設備通過串口與數(shù)據(jù)采集單片機相連。

3系統(tǒng)開發(fā)方法與關鍵技術

3.1系統(tǒng)管理子系統(tǒng)利用VB進行開發(fā)。在數(shù)據(jù)庫中設計用戶權限表，對不同的用戶賦予不同身份；用戶登錄時首先進行用戶權限檢測，根據(jù)不同權限，進入系統(tǒng)時所具有的功能不同。本子系統(tǒng)可以對系統(tǒng)用戶進行增減，并可以對用戶權限進行更改，從而可以保證系統(tǒng)的安全性。

關鍵技術：模塊化管理集成。登錄系統(tǒng)后，在系統(tǒng)主界面下可以進入不同模塊，如選擇屬性庫管理，則進入屬性庫管理子系統(tǒng)，選擇圖形庫管理，則可以進入圖形庫管理子系統(tǒng)等。在VB開發(fā)環(huán)境下，可以方便地集成各應用模塊，并可以利用DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)、RPC(遠端過程調用)、DLL(動態(tài)鏈接庫)等進行函數(shù)調用及數(shù)據(jù)傳輸。

3.2屬性數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)利用VB進行開發(fā)。該系統(tǒng)可將研究區(qū)域新的時段的機井基本情況、水文數(shù)據(jù)、井管數(shù)據(jù)、過濾管數(shù)據(jù)、配套設施投資數(shù)據(jù)、效益數(shù)據(jù)、水質數(shù)據(jù)、機井電測曲線數(shù)據(jù)、相關屬性數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進行采集輸入。同時，還可以就已經(jīng)錄入的屬性數(shù)據(jù)進行編輯、查詢并且直接更新。

關鍵技術：電測曲線顯示。機井電測曲線是Auto-cad的dwq格式文件，可以在電測曲線表中設置一個字段，利用OLE技術將電測曲線存入數(shù)據(jù)庫。需顯示時，只需雙擊該字段即可。在空間庫中，選擇某一眼機井，若選擇顯示其電測曲線，也可以方便地從數(shù)據(jù)庫中調出顯示。

3.3空間數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)利用Mapgis、Arc／Info等軟件進行圖件處理，最后在ArcView下集成，可以對野外調查成果即基礎地理地圖專題地圖遙感圖像進行編輯以及空間與屬性查詢；通過空間位置與屬性數(shù)據(jù)的對應分析可以動對機井數(shù)據(jù)進行核查，并給出誤差報告；基于GIS的空間分析，具有專題分析能力，可以根據(jù)機井所的行政區(qū)、井深以及用途等分別生成不同的專題件：可以進行緩沖區(qū)分析，從而可以了解居民地、道以及河流等地物周邊機井分布狀況；可以對選定區(qū)機井井深作回歸分析，從而可以在一定程度上預測來十年左右的井深：可以對選定的任意多機井進行表統(tǒng)計，從而可以為政府部門提供決策依據(jù)。

3.4統(tǒng)計與報表子系統(tǒng)用VisualBasic的DataReport控件進行開發(fā)，設計出多種實用報表。

關鍵技術：總體報表與任意機井報表相結合。既可以通過單獨的報表模塊對各區(qū)機井進行統(tǒng)計，也可以利用GIS功能，對任意選擇的機井進行報表統(tǒng)計，從而實現(xiàn)GIS管理數(shù)據(jù)的實用功能。

3.5幫助系統(tǒng)利用相關軟件，將幫助文檔由HTML格式制作成流行的CHM格式幫助文件，從而方便使用。

4總結

利用模塊化開發(fā)形式，我們將該系統(tǒng)開發(fā)為一套基于GPS、GPRS、GSM、GIS技術的機井管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了C／S(Client／Server)模式下基于空間位置對全市機井的實時監(jiān)控管理，點擊機井可顯示相應屬性，并可以生成各種專題圖與統(tǒng)計報表。此外，系統(tǒng)將表格型的機井數(shù)據(jù)變成直觀的專題圖或統(tǒng)計圖進行顯示，形象生動，有利于向各應用部門發(fā)布、提供相關信息服務。主要的界面分別有：系統(tǒng)登錄主界面、系統(tǒng)管理主界面、元數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主界面、屬性庫管理子系統(tǒng)主界面、屬性錄入主界面、圖形庫管理子系統(tǒng)主界面、全市機井密度分布專題圖、全市機井水文地質分區(qū)圖、機井深度分布預測圖、機井用途分布專題圖及柱狀圖等等。

其中GIS與其它傳統(tǒng)意義上的信息系統(tǒng)的根本差異在于，它不僅能夠存儲、分析和表達現(xiàn)實世界中各種對象的屬性信息，而且能夠處理其空間定位特征，將其空間和屬性信息有機地結合起來，從空間和屬性兩個方面對現(xiàn)實對象進行查詢、檢索和分析，并將結果以各種直觀的形式，形象而不失精確地表達出來。因此，采用GIS技術建立機井信息管理系統(tǒng)，從對現(xiàn)實世界對象表達和分析手段的豐富性和有效性來看，是較傳統(tǒng)意義上的形象系統(tǒng)更為高級的系統(tǒng)，是水利部門信息化建設的重要內容之一。

而通過無線技術的應用對各種分布設施進行統(tǒng)一管理，則可以實現(xiàn)集中監(jiān)控，降低整個系統(tǒng)的維護成本，提高整個系統(tǒng)的運行效率，使其可以滿足控制方式的多樣性和靈活性。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遠程設備進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)故障及時處理，不僅可以節(jié)省大量人力物力，還能大大提高系統(tǒng)的整體性能和效率。

中國移動GSM、GPRS業(yè)務運營無疑給城市無線監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了一種十分理想的通訊方式。GPRS和GSM向用戶提供了以分組方式接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的能力，非常適合突發(fā)數(shù)據(jù)應用業(yè)務，能高效利用信道資源，信號覆蓋范圍廣闊，特別適合于大范圍大區(qū)域的水利監(jiān)控管理系統(tǒng)。