基于ＧＩＳ＿ＧＰＳ＿ＧＳＭ和ＧＰＲＳ的某市机井管理信息系统开发与设计

摘要：利用计算机、通信及自动化控制技术实现机井的自动监测，是目前水利信息化发展的核心内容，也是实现水资源合理利用的重要技术手段。项目研制开发的机井管理信息系统基于Windows操作系统及组态软件与商用数据库的结合，综合利用GPS、GSM、GPRS网络以及GIS技术，实现了重要参数的实时显示、历史数据的存储、远程通信及水泵优化调节控制运行等重要功能，达到了水源井自动监测控制的目的。该系统的实际应用解决了人工调度管理和具体现场操作存在的多种弊端，对合理开发利用地下水、实现机井泵站的优化运行具有积极意义。

关键词：GIS　GPS　GSM　GPRS　机井管理信息系统

1　应用技术

该机井管理信息系统中应用的技术手段非常多，主要包括地理信息技术、全球卫星定位系统、全球移动通讯系统、通用分组无线业务、地图匹配和最短路径算法等。

地理信息系统，简称GIS，是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。它的基本功能包括：数据采集、检验与编辑；数据操作；数据的存储与组织；查询、检索、统计、计算功能；空间分析功能；显示等。其中空间查询与空间分析是GIS的核心，它包括拓扑空间查询、缓冲区分析和迭加分析等。

采用先进的GPS、GSM、GPRS技术并结合GIS的无线监控管理系统，集计算机、通信、机电、自动控制等多种先进技术于一体，成功实现了对无线分布式系统的实时监控管理和灵活部署，解决了传统机井管理因没有通讯功能而无法实现集中监控的问题，提高了无线系统的运行质量，增强了无线的可靠性和可控性，并能够及时发现定位无线系统故障和获取相应参数。

2　系统设计

2.1　系统设计目标　该机井管理信息系统根据系统需求分析，主要用于支持各地水务部门完成机井管理工作。系统达到如下目标：高效率地对机井属性库进行日常管理，主要包括基于GPS、GSM和GPRS技术的机井数据采集、录入、浏览、查询、编辑、更新、备份与恢复等，同时对不同的用户设置不同的权限；从空间上对机井数据进行可视化管理，支持空间分析与查询，实现图形数据与属性库的自由通讯，同时支持相关专题分析，生成各种机井分布图、机井密度图，开采层位分布图等图件；自动生成各种统计报表及其输出：支持C／S(Client／Server)模式网络运行。

2.2　系统设计原则

2.2.1　系统性与实用性原则

系统将各子系统有机结合成为一个整体，各种参数可以互相进行传输，并要求在系统的功能设计、数据的管理与规范方面以满足实际需要为原则。

2.2.2　可扩充性与可移植性原则　在系统的设计中采取模块化结构设计，其特点是各模块的独立性较强，便于系统的改进、扩充和移植，从而可以使系统处于不断的完善过程中。

2.2.3　开放性与标准化原则　网络环境下利于信息的传播和数据的共享，因此将系统设计为基于GIS技术下C／S结构的管理系统，并为之设计一个基于B／S结构的Web信息发布系统。

2.3　系统结构设计　系统从结构上分为系统管理、属性库管理、图形库管理、统计与报表、帮助与说明、信息发布等六部分，其中信息发布模块是一个独立模块。各模块分别采用不同的软件开发设计，不同模块之间可以互相调用。

2.3.1　系统方案流程(见图1)

2.3.2　系统工作原理　简单而言，该系统是一个以GPS为信息定位手段，GSM、GPRS为信息传递手段，GIS为信息表达手段的对机井水资源实施监控调度的系统。安装在机井上的GPS终端根据收到的卫星数据计算出机井的信息，通过GSM无线信道以短消息SMS方式发往监控调度中心。中心解码后，通过后台数据库将机井编号与终端上的SIM号码——对应，在监控调度中心的GIS电子地图上显示出位置，并把收集到的数据在保存到数据库中相应的位置，以保证各个模块对数据的需求。

机井管理系统主要由采集控制模块、GPS终端、GPRS模块、GSM模块传输网络(GPRS网和公共数据网)以及

监控中心组成。此外在采集控制部分和监控中心中都应该包含相应的数据管理模块，满足数据安全性的要求。最关键的监控终端是临时存储，以备网络中断或监控中心故障时不致丢失数据。其中监控中心可根据实际需求，扩展成多级监控网络，并且一个一级监控中心可同时管理几个二级监控中心。

其中，采集控制模块主要由数据采集设备(内置带TC P／IP协议的单片机)、控制设备、以及数据采集程序、照明控制程序、远程通信程序等软硬件组成。

GPRS、GSM模块是一个GPRS、GSM网络终端设备，它可以通过诸如RS232串口与采集控制模块相连。

传输网络主要是指承担数据传输任务的GPRS、GSM网络，这里是指公共数据网网络。

监控中心实际上是一个局域网(LAN)，主要由路由器，防火墙、代理服务器、监控台、查询台、数据库服务器以及相应的监控软件、查询软件和数据库管理程序等构成。

与采集控制模块和监控中心相关的数据管理模块主要负责与网络无关的数据存储的实现，即在数据提交和数据传递和数据存储两两功能点中间加一个数据暂存机制，可以一般化到采集终端和监控中心上来。

系统结构图如图2：

2.4　系统模块及功能　根据上述方案，主要设计以下5个模块：GIS地图显示模块、GPS车载终端模块、GSM／GPRS数据通讯模块、监控调度模块、数据库管理模块。

系统功能模块结构图如图3：

2.5　数据库设计　系统数据从内容上分为地理信息基础数据与机井相关属性专业数据两部分，从数据的类型上分为空间数据和属性数据两大类。

2.5.1　空间数据库设计　空间数据库包括：全市以及所辖各乡镇的行政区划图、水文地质图、水系图、道路图等，各种空间数据按属性分别存放在不同的图层，在空间数据库与属性数据库之间依据地理位置以及其他辅助特性建立关联。初始机井分布图是通过调用属性库自动生成的，系统运行期间则通过手工和自动化相结合的方式。

2.5.2　属性数据库设计　所有属性数据在系统中由关系型数据库SQLServer2000统一管理，数据以表的形式存储。空间地物(机井)与属性库的链接是通过唯一的标识码(行政区划代码+机井顺序编号)进行的。属性数據共分为九类，设计成九张表存放在数据库中，分别是：基础情况数据、水文资料数据、井管数据、过滤管数据、配套设施数据、投资数据、效益数据、水质分析报告资料以及机井电测曲线数据。各数据表之间分别使用xzqh(行政区划地址代码)与ijsx(机井顺序编号)两个代码组合成一个标识码进行关联。

2.6　系统软、硬件配置　该机井管理信息系统选用MapGis作为

向量数据采集编辑工具，ArcView作为前台图形库管理开发工具，选用ASP Net，Visual Basic作为前台属性库管理开发工具，选用MS SQL Server作为后台数据库服务器。选用上述开发工具主要是基于以下几点考虑：

2.6.1　已有的矢量数据是MapGis格式数据，使用MapGis可以很方便地对其进行编辑、投影变换与拼接，并可以输出为其它格式：

2.6.2　ArcView具有很强的地理空间资料的管理和分析能力，并可以接受多种数据；它可以利用SOL调用数据库；用户可以根据实际情况用ArcView显示、查询、分析和組织数据库；

2.6.3　ArcView提供面向对象的编程语言Avenue，用于建立符合用户需求的图形接口和二次开发。并且ArcView的图形接口稍作修改就可以生成用户的图形接口，其中的编程量较小；

2.6.4　使用ASP.Net，Visual Basic可以方便而又快速地建立强大的数据库应用程序；此外，在系统的开发过程中，还使用了ARC／INFO，Maplnfo，MapGis等软件对图形数据进行编辑和修改。

本系统的硬件配置可采用满足以上软件环境要求的微机、工作站等。服务器配置：PentiumⅢ以上，内存2G以上，硬盘容量大于160G；客户端配置：Pen-tium Ⅱ以上，内存1G以上，硬盘容量大于120G。

GPS车载台，GPRS、GSM网络终端设备通过串口与数据采集单片机相连。

3　系统开发方法与关键技术

3.1　系统管理子系统　利用VB进行开发。在数据库中设计用户权限表，对不同的用户赋予不同身份；用户登录时首先进行用户权限检测，根据不同权限，进入系统时所具有的功能不同。本子系统可以对系统用户进行增减，并可以对用户权限进行更改，从而可以保证系统的安全性。

关键技术：模块化管理集成。登录系统后，在系统主界面下可以进入不同模块，如选择属性库管理，则进入属性库管理子系统，选择图形库管理，则可以进入图形库管理子系统等。在VB开发环境下，可以方便地集成各应用模块，并可以利用DDE(动态数据交换)、RPC(远端过程调用)、DLL(动态链接库)等进行函数调用及数据传输。

3.2　属性数据管理子系统　利用VB进行开发。该系统可将研究区域新的时段的机井基本情况、水文数据、井管数据、过滤管数据、配套设施投资数据、效益数据、水质数据、机井电测曲线数据、相关属性数据等多源数据进行采集输入。同时，还可以就已经录入的属性数据进行编辑、查询并且直接更新。

关键技术：电测曲线显示。机井电测曲线是Auto-cad的dwq格式文件，可以在电测曲线表中设置一个字段，利用OLE技术将电测曲线存入数据库。需显示时，只需双击该字段即可。在空间库中，选择某一眼机井，若选择显示其电测曲线，也可以方便地从数据库中调出显示。

3.3　空间数据管理子系统　利用Mapgis、Arc／Info等软件进行图件处理，最后在ArcView下集成，可以对野外调查成果即基础地理地图专题地图遥感图像进行编辑以及空间与属性查询；通过空间位置与属性数据的对应分析可以动对机井数据进行核查，并给出误差报告；基于GIS的空间分析，具有专题分析能力，可以根据机井所的行政区、井深以及用途等分别生成不同的专题件：可以进行缓冲区分析，从而可以了解居民地、道以及河流等地物周边机井分布状况；可以对选定区机井井深作回归分析，从而可以在一定程度上预测来十年左右的井深：可以对选定的任意多机井进行表统计，从而可以为政府部门提供决策依据。

3.4　统计与报表子系统　用VisualBasic的DataReport控件进行开发，设计出多种实用报表。

关键技术：总体报表与任意机井报表相结合。既可以通过单独的报表模块对各区机井进行统计，也可以利用GIS功能，对任意选择的机井进行报表统计，从而实现GIS管理数据的实用功能。

3.5　帮助系统　利用相关软件，将帮助文档由HTML格式制作成流行的CHM格式帮助文件，从而方便使用。

4　总结

利用模块化开发形式，我们将该系统开发为一套基于GPS、GPRS、GSM、GIS技术的机井管理信息系统，实现了C／S(Client／Server)模式下基于空间位置对全市机井的实时监控管理，点击机井可显示相应属性，并可以生成各种专题图与统计报表。此外，系统将表格型的机井数据变成直观的专题图或统计图进行显示，形象生动，有利于向各应用部门发布、提供相关信息服务。主要的界面分别有：系统登录主界面、系统管理主界面、元数据管理子系统主界面、属性库管理子系统主界面、属性录入主界面、图形库管理子系统主界面、全市机井密度分布专题图、全市机井水文地质分区图、机井深度分布预测图、机井用途分布专题图及柱状图等等。

其中GIS与其它传统意义上的信息系统的根本差异在于，它不仅能够存储、分析和表达现实世界中各种对象的属性信息，而且能够处理其空间定位特征，将其空间和属性信息有机地结合起来，从空间和属性两个方面对现实对象进行查询、检索和分析，并将结果以各种直观的形式，形象而不失精确地表达出来。因此，采用GIS技术建立机井信息管理系统，从对现实世界对象表达和分析手段的丰富性和有效性来看，是较传统意义上的形象系统更为高级的系统，是水利部门信息化建设的重要内容之一。

而通过无线技术的应用对各种分布设施进行统一管理，则可以实现集中监控，降低整个系统的维护成本，提高整个系统的运行效率，使其可以满足控制方式的多样性和灵活性。通过监控管理系统可以对远程设备进行实时监控，出现故障及时处理，不仅可以节省大量人力物力，还能大大提高系统的整体性能和效率。

中国移动GSM、GPRS业务运营无疑给城市无线监控管理系统提供了一种十分理想的通讯方式。GPRS和GSM向用户提供了以分组方式接入数据网络的能力，非常适合突发数据应用业务，能高效利用信道资源，信号覆盖范围广阔，特别适合于大范围大区域的水利监控管理系统。

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