校园能源监管WebGIS的设计与实现

刘天尧，刘善伟，万剑华

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580)



校园能源监管WebGIS的设计与实现

刘天尧，刘善伟，万剑华

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580)

摘要：“校园能源监管平台”作为校园能源管理的有效手段，建设形式多以信息管理系统为主，缺乏地理信息直观表达和分析能力。本文将WebGIS引入能源监管平台建设，结合Flex、ASP.NET技术，构建B/S模式的“校园能源监管WebGIS系统”。利用服务接口技术进行系统构架设计，保证对现有能源监管平台改动的最小化，通过二维三维相结合的方式对能源信息进行展示，提高能源信息地理位置的直观性，通过构管线管理和路灯控制等功能模块，有效增强能源地理信息管理和分析能力，为能源监管平台建设提供了一种新思路。

关键词：能源监管；WebGIS；路灯；管线；断面分析；三维

随着国家对高校建设力度的加大，高校逐渐成为国家重要的耗能大户，为有效管理和节约能源，各大高校相继开展“校园能源监管平台”(CEMP，Campus Energy Monitoring Platform)建设工作[1-2]。虽然CEMP具有强大的能源信息统计管理、分析和预测能力，一定程度上满足了能源监管的需要，但却忽视了能源信息的地理维度，随着时间的推移与用户使用的深入，地理直观性不强、管网和路灯等与地理位置强相关的能源监管对象无法有效表达等问题被相继提出。

为了解决上述问题，本文依托“中国石油大学(华东)能源监管平台”建设项目[3]，将WebGIS技术引入与CEMP的建设中，结合Flex、ASP.NET技术，设计和实现了基于B/S模式的“校园能源监管WebGIS系统”(CEMGIS，Campus Energy Monitoring WebGIS)，并通过服务接口技术与现有CEMP相整合，在充分利用CEMP强大的分析能力的基础上，通过三维建模技术将三维校园地图与能源信息展示相结合，增强用户交互性，提升展示效果，通过加入高精度大比例尺二维校园地图，整合校园管网图纸信息和路灯位置信息，并利用WebGIS本身强大的空间分析和管理能力，扩展了管线管理、断面分析和路灯管理等地理分析功能，为管理工作者提供更好的服务。

1系统设计

1.1数据基础

CEMGIS的数据建立在现有的CEMP数据库和校园基础地理图件两个基础之上：

1)CEMP拥有已建成的能源监管数据库，含有水、电、气、暖等能源节点的实时采集数据以及相关分析结果，为CEMGIS提供必要的能源信息数据。

2)校园基础地理图件主要包括1∶500大比例尺地形图、路灯点位实测数据、管线以及相关附属设施CAD图纸及补测数据、建筑设计与施工CAD图纸等。上述数据经过加工和处理后，为CEMGIS提供空间基础数据，处理方式如表1所示。

表1　校园基础地理图件

1.2功能模块

依据地理底图类型的不同，为CEMGIS设计“二维界面”和“三维界面”两种操作界面，各自拥有一部分独立的功能模块，同时也共同拥有一部分相同的功能模块，两种界面之间可以相互切换。出于对CEMP页面集成的需要，针对电力专题、供水专题、热力专题等三个专题，分别整合相关模块，形成三个专题子系统。功能模块划分如图1所示。

图1　功能模块组织图

由于浏览器对三维展示的局限性，目前并没有简单有效的三维WebGIS开发方式。为了满足用户对三维直观性的需要，本文利用二维WebGIS技术和斜45度校园3D渲染图构建三维界面。虽然这种方式本身是“伪三维”，存在栅格图像图层不好划分、地理精度不高、建筑物相互遮挡等固有缺点，不能进行复杂的GIS分析，但视觉冲击力强，地理信息清晰直观，特别是楼体建筑识别性强，可以很好地满足普通用户对建筑信息管理直观性的需要。

为了弥补三维界面的不足，二维界面中采用1∶500大比例尺实测地形图作为校园地理底图，地理精度高，平面精度可达厘米级，底图为矢量图，不存在遮挡问题，图层分层方便，可叠加管线、路灯等矢量数据，还可直接叠加校正后的遥感影像。在此基础之上开发管线管理、路灯管理、换热站范围查询等功能模块，以满足高级用户对复杂GIS分析功能的需要，极大提升系统对能源数据的空间分析能力。

为了与CEMP相应的专题子系统相对接，将CEMGIS中一部分子模块重新整合，形成电力专题、供水专题和热力专题等三个专题子系统。例如在电力专题中，电力管线以阀门、仪表、路灯、变电室等电力相关图层会处于直接展开的状态，进行楼体查询时也仅仅显示电力的数据，供水、热力等其他类型能源全部隐藏，满足用户对某一专题重点关注的需要。

2系统架构与技术方法

CEMGIS以ArcGIS Server为基础，利用Flex、ASP.NET等技术以B/S模式进行构建，并对现有CEMP进行了接口扩展和系统整合，系统架构如图2所示。下面分别详细介绍CEMP和CEMGIS的具体组成部分及构建方式：

图2　系统架构

1)CEMP由三部分组成：第一部分是智能电表等智能硬件设备，用于校园能源信息的采集与控制；第二部分是能源监管数据库，用于存储通过IP网络与智能抄表技术采集的各个监控仪表的原始记录信息；第三部分则是面向用户的.NET MVC开发的基于B/S构架的信息管理系统，主要用于对采集到的能源数据进行统计与分析，如通过统计某栋楼中的所有入户电表的数据，得出该楼的某时段用电量等，并通过网页的形式进行展示。为了满足CEMGIS的调用需求，最大限度的减少对CEMP的修改带来的系统整合问题，对现有.NET MVC程序进行了符合松散耦合思想的服务接口扩展，定义一套标准的XML数据规范，通过XML Schema进行约束，避免对接过程中的人为编码错误。最后将能源信息数据以URL的形式对外进行暴露，不仅可以为CEMGIS提供数据服务，也能为以后其他数字校园业务系统整合提供良好的接口[4]。

2)CEMGIS主要由四部分组成：第一部分是空间数据库，利用SQL Server数据库和ArcSDE空间数据引擎，存储和管理各类空间数据[5-8]；第二部分是地图服务发布系统，利用ArcGIS Server通过ArcSDE连接空间数据库，将其中的空间数据以REST服务的形式向外发布[9]；第三部分为网站后台系统，利用ASP.NET加载第三方模板FluorineFx进行三层架构开发，通过ADO.NET连接能源监管数据库，为前台系统提供数据库交互相关服务接口；第四部分为前台系统，通过自定义标准的XML接口获取CEMP统计分析后的能源监管数据，通过Flash Remoting连接ASP.NET后台系统获取和操作能源监管数据，通过REST接口加载地图服务发布系统发布的校园地图服务，利用Flex技术结合ArcGIS API for Flex开发包进行开发，实现能源监管中需要的全部GIS功能，最后通过权限继承和页面集成的方式与CEMP进行整合，是整个CEMGIS最核心部分。

通过大量采用服务接口设计，系统各组成部分通过服务接口进行通信，不仅可以有效减少对现有CEMP的修改，而且可以有效降低系统各部分耦合性，只要保证接口规则不变，系统某一部分的变动不会影响到其他部分，有利于系统分块开发和后续升级。采用B/S模式进行开发，可以有效避免C/S模式平台兼容性问题和软件安装的繁琐性问题，利用Flex技术开发的RIA(富互联应用程序)比传统HTML网页功能更加强大，更加适合WebGIS相关功能的实现，使开发出媲美桌面程序的CEMGIS成为可能。利用权限继承接口对CEMP与CEMGIS进行整合，保证了系统整体用户权限的统一，通过页面集成，实现了两系统相关功能的勾连和系统界面的整合，保证系统的无缝连接和用户体验的一致性。

3系统实现

3.1建筑能源管理

以建筑为单位的能源监管功能是整个能源监管系统中最常用部分，也是传统CEMP强大分析功能集中体现的部分。通过将能源信息与地理要素结合，将每个楼体作为可查询的独立要素，水电气暖的单日用量与总用量等能源最常用信息一目了然(如图3)，满足日常一般查询需求。另设“显示详情”按钮，调用CEMP分析功能，满足复杂分析的需求，如年度的每小时用水环比、年度用水同比等。

图3　三维子系统建筑信息查询界面

此功能模块数据通过CEMP的XML数据接口进行调用，CEMGIS前台Flex程序通过GET方法请求URL地址“http://服务器IP/gis/building.aspx?bid=建筑编号”，获取对应建筑的XML编码后的能源数据[10]，其XML Schema部分定义如下：

……

3.2地下管线管理

管线管理包括信息查询和横断面分析两项功能：

1)信息查询主要为水、电、气、暖等管线、仪表、阀门等信息的查询，这类信息往往属于能源监管原始数据，不需要CEMP的分析和处理。因此，为了减少对CEMP的修改，CEMGIS直接通过自身ASP.NET后台系统，连接能源监管数据库，与前台Flex程序进行交互。出于管线综合管理的需要，必要性的加入了雨水、污水、通信等非能源管线的信息展示和查询，如图4，展示了供水仪表点击查询功能的实现效果。

图4　供水仪表信息查询

图5　断面图绘制流程

图6　横断面分析界面

2)横断面分析主要用于辅助管理者进行管线施工变动规划设计，是WebGIS对传统CEMP改造的最佳体现。由于横断面计算复杂度较高，硬件资源消耗严重，为了最大程度发挥RIA的优势，有效利用客户端性能，降低服务器的负担，保证高并发时的系统可用性，将计算交由前台Flex程序完成。横断面分析需要解决两个关键问题：一是当前显示的管线与断面线的相交判断，二是断面图横纵坐标轴的动态标注[11]，断面绘制流程如图5所示。

分别构建二维数组arr_GX和一维数组layers_state，存放管线图层的图层实例和图层打开状态，通过遍历arr_GX中处于打开状态的图层的各要素的各折线段，利用跨立算法判断其与断面线是否相交，求出交点并绘制断面图，如图6所示。图层加载过程非常消耗资源，且用户不一定会加载所有图层，故采用了一种延迟加载的方式，图层实例在用户第一次使用该图层时动态加载，加载后的图层实例会一直保存在全局变量中，以达到减少加载次数，优化系统的目的。

通过鼠标绘制断面线进行断面分析，如图7所示，分析结果以平面直角坐标图和列表结合的方式进行显示，平面直角坐标图中直观地展示管线的相对位置、埋深、管径，横坐标为所绘断面线长度、纵坐标为高程，根据断面图控件的纵坐标实际的像素长度，按比例算出。通过ID号与管线详细信息列表进行关联，在保证横断面分析图直观性的同时提供详细的管线信息[12]。

3.3路灯控制

路灯控制系统中逻辑控制功能复杂，需要用户权限级别较高[13]。整个校区的路灯由7个变电站控制，根据所属变电站的不同进行分组控制，在能源监管数据库中以7条记录进行存储，通过每条记录中“状态码”的字段值，来表示所属变电站路灯的当前状态。本文将实测路灯点位以点图层的形式在CEMGIS中进行可视化表达，路灯图层加载时获取能源监管数据库中所有路灯的当前状态，并以不同颜色的路灯符号在地图上进行渲染展示，灰黑色的符号代表该路灯当前处于熄灭状态，绿色代表点亮状态，充分发挥了WebGIS的显示效果直观的优点。为确保显示状态的实时性，前台Flex程序中设置定时器进行数据库轮训。由于其消耗资源比较严重，时间过短则会使程序卡顿，影响用户体验，时间过长则无法保证实时性。通过反复试验，设置1分钟刷新一次效果最好，可以保证绝大部分普通PC机操作的流畅性。

为了充分发挥CEMP的原有功能，节省编码量，保证用户操作的一致性，CEMGIS前台Flex程序利用开源控件flex-iframe直接调用CEMP已有的路灯控制页面，通过控制面板选择相应控制命令进行路灯的调度控制。由于CEMGIS对CEMP进行了页面集成，因此可以通过共享登陆Session的方式来实现继承CEMP当前用户权限，CEMGIS不需要编写用户控制模块，在脱离整个平台单独访问时，没有任何控制权限，保证了系统的安全性。CEMGIS与CEMP集成后的路灯控制完整程序界面与流程图解，如图7所示。

图7　路灯控制

4结束语

本文将WebGIS引入校园能源监管平台的建设中，通过自定义服务接口与原有CEMP进行整合，完成了“中国石油大学(华东)能源监管平台”项目建设任务，实现了能源信息的二三维展示、管线管理和路灯控制等功能，在对CEMP最小改动的前提下，有效解决了能源信息地理维度的表达和分析问题，在长达一年的生产环境测试中表现出了良好的实用价值，受到用户广泛好评，为其他相关能源监管平台建设提供了一种新思路。

参考文献：

[1]蒋东兴，郭大勇，罗念龙，等.清华大学新一代数字校园建设规划与实践[J].厦门大学学报：自然科学版，2007，46(2)：173-178.

[2]董茜.校园能源监测与能耗分析系统的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2013.

[3]张旭东，刘善伟，刘馨泽，等.基于ArcGIS Server和Flex的校园能源监管地理信息系统[J].测绘与空间地理信息，2013，36(2):19-21.

[4]雷林辉.基于数字城市地理空间框架的GIS应用系统建设[J].测绘工程，2013，22(4)：48-51.

[5]郭范春.基础地理信息数据库管理系统的研建[J].测绘工程,2013,22(3):80-82.

[6]李正学，许捍卫.基于开源的轻量级WebGIS开发框架的研究与实现[J].测绘与空间地理信息，2015，38(5):53-55.

[7]于艳超，许捍卫.基于OGC规范的WebGIS开源平台研究[J].测绘与空间地理信息，2015，38(4)：56-58.

[8]万鲁河，卢廷玉，张羽威，等.基于WebGIS与云计算的水环境管理信息系统研究[J].测绘与空间地理信息，2015，38(3)：13-14.

[9]钟广锐.基于ArcGIS Flex API的WebGIS设计[J].测绘科学，2012，37(3)：147-149.

[10] 陈显军，魏祖宽.基于Flex的XML数据通信与应用研究[J].计算机与现代化，2008(3)：112-114.

[11] 李万辉,杨晓丽.基于GIS的城市地下管线横纵断面分析[J].测绘与空间地理信息,2010,33(3)：58-62.

[12] 韩勇,陈戈,李海涛.基于GIS的城市地下管线空间分析模型的建立与实现[J].中国海洋大学学报：自然科学版,2004,34(3)：506-512.

[13] 李秀梅，陶陶.基于ArcIMS地图服务的Web GIS研究——以南京市路灯管理信息系统为例[J].计算机工程与应用，2005(12)：209-212.

[责任编辑：路晓鸽]

Design and implementation of campus energy monitoring WebGIS

LIU Tianyao,LIU Shanwei,WAN Jianhua

(School of Earth Sciences and Technology,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Abstract：As an effective tool of energy supervising,the campus energy monitoring platform is mainly developed for data management and usually lacks the functions of geographical analysis and expression.This paper introduces WebGIS technology into the energy monitoring platform and builds a campus energy monitoring WebGIS system based on Flex and ASP.NET in B/S mode.The process uses interface service technology to reduce the modifications of the existing system.The combination of 2D and 3D in demonstrating energy information allows for a more intuitive analysis of the energy information geographic location.In ways of building function models of pipeline management and streetlights control,the geographical management and analysis abilities are enhanced effectively.This paper provides a new idea for the building of the campus energy monitoring Platform.

Key words：energy monitoring；WebGIS；street lamp；pipeline；profile analysis；3D

中图分类号：P208

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)04-0071-07

作者简介：刘天尧(1988-),男，硕士.

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(11CX04012A)

收稿日期：2015-01-09；修回日期：2015-07-12