北京市南水北调工程管理基础空间数据库设计

万 烁，孙 斌，于 洋，刘双丽

（1.北京市南水北调信息中心，北京 100085；

2.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，北京 100096）

北京市南水北调工程管理基础空间数据库设计

万 烁1，孙 斌1，于 洋1，刘双丽2

（1.北京市南水北调信息中心，北京 100085；

2.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，北京 100096）

针对北京市南水北调工程管理对象持久化、数据结构复杂的特点，采用面向对象的思想，提出北京市南水北调工程管理基础空间数据库的总体设计、数据库组成及建设内容，重点从北京市南水北调工程管理对象的分类、编码和空间关系梳理等方面阐述数据库设计的关键流程，并采用 UML 建模语言进行数据库建模，为北京市南水北调工程管理提供数据支撑，为未来北京市南水北调工程业务应用的可扩展性提供基础。

南水北调工程；基础空间数据库；空间关系；对象分类；对象编码

0 引言

北京市南水北调干线工程将于 2014 年底前实现全线通水，2020 年前全面完成北京市南水北调配套工程建设任务，目前正处于北京市南水北调配套工程建设的收尾阶段，工程的建设管理已逐步转入运行维护阶段。不同阶段工程的业务管理工作，包括在建工程的工程项目的进度、质量、安全，已建工程的运维管理、工程的应急管理及工程的调水运行，均需要建立工程设施及保护区域与工程管理单位的业务关联及输水线路与附属设施之间的空间关系，这些关联关系的建立和维护需要基础空间数据库的支撑，但是工程数据的复杂多样性（包括图纸、照片、三维模型、雨量监测等海量异构数据）及各种应用要求的提高，导致信息在数量和结构上都远超传统数据库的承受范围。

面向对象数据模型作为新兴的数据模型，以更接近人的思维方式和对客观世界更有效和灵活的表达被广泛接受[1-2]，它以类为基本单元组成图结构形式，具有丰富的语义，能表达客观世界复杂的结构形式[3]，适合处理各种各样的数据类型、提高开发效率，可维护性好，正在被越来越多的使用。北京市南水北调工程管理对象具有持久化、数据结构复杂的特点，适合采用面向对象的数据库技术进行工程管理基础空间数据库建设，从而将各业务单位所管理的工程对象进行空间化、可视化的管理，全面掌握南水北调各种资源的现状及分布情况，达到高效安全地管理工程建设数据的目的，同时为北京市南水北调办公室内各业务应用系统提供规范化的工程空间资源数据库支撑。

1 设计思路

在系统开发过程中，数据库设计的好坏将直接关系到信息系统的成功与否[4]。由于面向对象数据库实现了无缝连接，能够支持非常复杂的数据模型，从而特别适用于工程设计领域[2,5]。北京市南水北调工程基础空间数据库从管理的需要出发，解决各业务处室工程管理共享基础空间数据的需求，结合工程管理对象持久化的特点，采用面向工程管理对象的思路进行数据库构建。

所谓工程管理对象即为北京市南水北调工程所需管理的每一个对象（包括实体和虚对象，如排气阀井即为工程管理的实体对象、人为划定的工程保护区即为虚对象）[6-8]，利用面向对象的思路构建数据库主要是针对对象的属性、对象之间的关系，形成对象个体的属性描述及对象间的关联关系的一种数据组织形式。

北京市南水北调工程管理对象属性通过空间和非空间属性进行描述[6]，空间属性主要是描述工程管理对象的标识和位置信息，非空间属性也即工程管理对象的基本属性（静态特征）及动态管理信息，基本属性如排气阀井的桩号、井深、阀井简介、排气阀类型、设计阀门压力、面积或长度等描述信息，动态管理信息主要描述工程或设施的多媒体信息或动态业务应用信息，如安全监测点的照片、图纸、安全监测信息、视频监测信息等。

在系统建模的过程中，类很少独立的存在，绝大多数类以某种方式与其他类协作[7]。北京市南水北调工程管理基础空间数据库建模中，工程管理对象类之间存在 2 个很重要的关系：空间关系和面向工程管理、业务应用的业务关系。空间关系主要体现为工程设施对象内部或对象之间的空间关联关系[8]（关联关系为直接关系，而对于经过推理或者间接的关系不需要构建），工程管理对象内部的空间关联关系表现为对象的空间拓扑关系，对象之间的空间关联关系表现为包含、压盖、连通等关系；业务关系主要是根据工程管理、工程运维和调水运行等业务需要建立的对象内部或对象之间的关联关系，如泵站内部的调水流向关系、管道与辅助设施之间的业务安全关系等。工程管理对象之间的关联关系为未来业务的可扩展性提供了基础，而空间关系的梳理是实现北京市南水北调工程管理对象基础空间数据共享的首要工作。

实体（要素）类的组织分别对应要素表、属性表、空间拓扑关系表、业务关系表等内容。数据模型所涵盖的实体（要素）对象和数据组织关系如图1所示。

图1 基础空间数据库对象（要素）关系

2 总体设计

北京市南水北调工程管理基础空间数据库建设通过利用面向对象的数据库设计思路，改变原有以纵向为主的建设模式，将工程管理基础空间数据与已有业务数据有机结合，建设数据准确、结构合理的北京市南水北调工程管理基础空间数据库，通过对外提供统一的、标准化的数据服务，供业务应用系统调用，提升工程基础信息资源的重用率，降低投资，提高信息化绩效。

工程管理基础空间数据库由基础地理空间库、工程基础数据库、元数据库、历史数据库、管理数据库[8]等 5 个子库组成，按照面向工程管理对象的构建思路，通过全局唯一编号进行数据管理，数据库组成及访问方式如图2 所示。

图2 数据库总体设计

1）工程管理空间数据子库。主要存储工程及工程附属设施的空间对象、属性和空间关系，如水闸所在的经纬度及水闸的空间拓扑关联关系等。北京市南水北调工程基础数据原来主要以纸质图纸的形式存放，通过规范化的数据加工流程（工程纸图预处理、扫描、配准、矢量化），进行工程数据的数字化制作[9]，并梳理工程对象的空间关系，为对象设置全局唯一编号，通过编号实现与业务数据的图属挂接。

2）业务数据子库。主要存储工程管理对象的多媒体及与业务应用信息。多媒体信息包括工程管理对象的图纸、照片、影像、视频等信息，如管道工程的工程设计图、全景照片等，目前北京市南水北调办公室内已建有雨量和视频安保监测系统，通过相应的技术方案，可以实现工程管理对象与多媒体系统内数据的整合和对接，充实和完善工程基础数据库的多媒体信息；业务属性信息包括与调水运行、工程安全、工程运维等相关的业务信息和关系，如调蓄工程的工程级别、性质、设计调蓄水量等基本属性及调蓄工程所在管理单位等关联关系。

3）基础地理空间子库。基础地理数据经过规范化的数据采集和加工进行数据建库，主要为工程基础数据提供底图数据，包括矢量和栅格数据。

4）元数据子库。工程空间数据的元数据包括矢量、影像、文件、切片等元数据，主要存储对象类、对象、属性、关系的描述信息，包括对象类定义、属性的定义域和值域、关系的种类等多种元数据信息，为资源目录及数据共享和服务提供基础的元数据信息。

3 数据库建设

面向对象的北京市南水北调工程管理基础空间数据库建设工作包括数据梳理识别、建立空间对象的分类体系，建立空间对象类之间的空间关系，抽取空间数据元数据，创建工程管理基础空间数据库。数据库建设的关键在于前期的数据分析及关系梳理，内容包括：空间工程管理对象分类、编码、各类工程管理对象的空间关系创建。

3.1 工程管理对象分类

北京市南水北调工程基础空间数据的建设内容包括基础地理和工程基础信息类，基础地理信息类按照《GB/T 13923-2006 基础地理信息要素分类与代码》进行分类，而工程基础信息类需要根据北京市南水北调工程特点和管理需要进行对象梳理和分类，共分为 7 个对象大类 40 多种对象类，如表1 所示。

3.2 工程管理对象编码

表1 北京市南水北调工程管理对象（部分）分类表

编码是给每 1 个管理对象分配 1 个唯一的标识符，通过全局唯一的编号实现空间数据、属性数据的关联，从而实现工程信息标准化存储和信息资源共享。编码时要遵循完整性和可扩充性，编码码结构应留有适当的扩充余地，以便在必要时扩充新的类别代码且不影响已有的分类和代码[10]，宜采用字母和数据混合编码，以字母作为编码开头；北京市南水北调工程附属设施编码应体现所属工程的信息，工程编码顺序按照北京市南水北调工程建设的先后顺序，如按照总干渠—团九干渠—南干渠—东干渠—密云反向输水工程—东水西调顺序进行编码；在干支渠内按南水北调输水进京方向从上游到下游、先左岸后右岸的顺时针方向进行；同类设施编码顺序应参照输水方向进行确定，且该编号不随着对象的消亡而消亡，而是通过对象的全局唯一编号记录对象的历史状态等信息，供业务使用。输水工程代码结构如图3 所示。

3.3 工程管理对象空间关系创建

对象空间关系表达了某一对象类内部 2 个对象间或者 2 个不同对象类之间的空间拓扑关系，为后续调水运行分析、缓冲分析、防汛应急等高级空间分析提供强有力的支撑。空间关系创建的核心是分析各类空间对象间的位置、属性、变化规律及与周围环境中其他对象间的相互制约、影响关系[11]，针对北京市南水北调工程管理对象具有持久化的特点对业务对象进行空间关系[9]梳理，共创建各类对象间的空间关系 6 类（包含、衔接、跨越、压盖、不相交、无关系）。

1）包含关系：同类对象之间，在空间上一个对象属于另一个对象的一部分，如空间上连通井包含蝶阀井；

2）连通关系：同层对象之间，在空间上一个对象的一端与另一个对象一端相互衔接[11]，根据调水的模式不同（正常、应急调水），对象关系存在方向性。如各段工程在空间上互相衔接，具有连通性，大宁 PCCP 管道工程与惠南庄泵站、大宁调压池之间的连通关系；

3）跨越关系：一个对象从另一个对象的上方或地下跨过去，形成立交[10-11]，对象之间存在跨越关系，如闸站、橡胶坝常建于输水工程或者河道之上；

4）压盖关系：表现为点对象落在线对象上和面对象的岸线上、不同业务维度的线对象与线对象重合，如排气阀井落在输水管道之上；

5）不相交：线与线不相交，线与面也不相交，如其他市政管线与输水工程在空间上不相交；

6）没有关系：对象之间在空间上不存在明显空间关系。

基于以上梳理的北京市南水北调工程管理对象间的空间关系，建立对象（包括部分附属设施）间空间关系 UML 模型[12-15]如图4 所示（图4 中类属、流向关系属于业务关系）。

图3 输水工程代码结构

4 结语

北京市南水北调工程基础空间数据库采用面向工程管理对象的思路进行构建，实现工程对象的精细化管理，构建对象数据的多属性描述，形成不同维度的时间关联、空间关联、业务关联等数据组合模式，并为未来业务的可扩展性提供基础。

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Design of Basic Spitial Database for South-to-North Water Diversion Project Management in Beijing

WAN Shuo1, SUN Bin1, YU Yang1, LIU Shuangli2
(1.Information center of south-to-north water diversion of Beijing, Beijing 100080, China; 2.Twenty First Century Aerospace Technology Co., Ltd, Beijing 100096, China)

According to the characteristics of management object persistence and complex data structure of South-to-North Water Diversion Project in Beijing, the article uses the object-oriented thinking, puts forward the overall design, the composition and contents of the basic spatial database of South-to-North Water Diversion Project management of Beijing, expounds the key process of the database design focus from the management object classification, object code and object spatial relationships etc, and uses UML modeling language for database modeling.It provides data support for the project management, and provides the basis for future businesss application.

South-to-North Water Diversion Project; basic spitial database; spitial relationship; object classification; object coding

图4 北京市南水北调工程对象空间关系

TV68

A

1674-9405(2014)05-0005-07

2014-07-10

万 烁（1980－），女，北京人，高级工程师，从事水利信息技术相关工作。