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市政公用基础设施时空信息集成管理技术研究

张忠贵  
【摘要】:供水、排水、燃气、道桥等市政公用基础设施是支撑城市经济稳定发展和社会和谐的重要基础保障,具有典型的时空特征。市政公用基础设施时空信息的集成管理,是市政公用行业实行精细化管理和提高综合运营水平基础,是建立健全市政公用基础设施安全运行保障体系的关键环节,也是市政公用行业应当履行的职责。 面对日益复杂的运营条件,反映运营与运行状态的市政公用基础设施时空信息愈显重要。本文结合国家“十二五”科技支撑计划重点项目:地理空间信息处理分析与服务工具集研发(2011BAH06B04)和“十一五”科技支撑计划项目:城市市政基础设施管理与运营关键技术研究与示范(2006BAJ15B03)中的相关研究内容,针对市政公用基础设施时空信息难以有效组织、难以集成管理等问题,采用理论与应用研究相结合的研究方法,以时空对象模型、网络时空数据模型、基于主题的增量时空信息表达模型的构建等科学问题为突破口,对时空数据模型、时空信息集成等理论方法及其在市政公用领域的应用进行了探索性研究: (1)考虑到时空语义的复杂性,本文通过时空对象认知分析,给出了属性对象、空间对象、时间对象、时态对象、时空对象的形式化定义,明确了时空对象的语义,并建立了通用的时空对象模型。 (2)构建了一种通用的网络时空数据模型,完整表达网络空间、属性、拓扑的时空语义。网络时空数据模型采用“历史拓扑关系与属性紧耦合,现状拓扑关系几何网络和逻辑网络松耦合,拓扑关系紧耦合表达网络模型向拓扑关系松耦合网络模型映射”的策略处理和恢复网络拓扑时空信息,实现网络时空信息的统一存储和回溯。 (3)总结了当前市政领域中数据模型研究中“偏空间、偏现状”的问题,提炼出市政公用基础设施的共性时空特征,提出了市政公用基础设施时空数据模型(MISTDM, Municipal Infrastructure Spatiotemporal Data Model),能够综合表达市政公用基础设施的建设、维护、运行情况,完整表达设施要素、工程、维护、运行监测等信息之间的时空语义关系,实现了设施运营时态数据与设施要素空间数据的历史与现状时空信息的有序组织,从而更贴近市政公用行业集成管理与综合运营的需求。MISTDM给出了设施要素、设施工程、运行监测、外业监控、事件要素等时空对象的时空关系、概念形式化定义以及详细的数据结构,设计了市政公用基础设施时空数据库的组织结构、表关系、表结构,实现了基于关系型数据库的时空信息的物理组织和储存。 (4)提出了基于主题的增量时空信息表达模型,基于GML的市政设施多主题的增量时空信息表达模式,为市政设施时空信息集成提供一个开放、中立的框架,可保证集成的一致性、规范性、通用性。 (5)指出了市政公用基础设施信息集成管理从“重建设轻运营”的设施空间信息集成管理到以“建设与运营并重”的时空信息集成管理的发展趋势。基于MISTDM,研究了市政公用基础设施时空信息集成技术(MISTIIT,Municipal Infrastructure Spatiotemporal Information Integration Technology),主要包括:研究了市政公用基础设施时空信息编码规则、集成模式,分析了业务需求、数据特点、网络环境,提出了综合集成方法,保障了可行性;实现了紧耦合到松耦合的拓扑关系表达方式映射,并在此基础上提出了市政设施时空信息增量更新算法,保障增量更新的网络拓扑关系的一致性;提出了可扩展的信息服务框架,设计并实现了设施要素时空信息、设施工程时空信息、设施维护时空信息、设施运行监测时空信息的集成服务,体现了全面性。 (6)结合市政设施时空演变可视化、投诉事件高发区域分析、市政设施运行状态时空演变分析等集成管理应用场景,研究市政公用领域通用的分析算法,提取市政设施时空信息隐含的深层语义。提出了网络布局时空演变分析算法,可回溯任意时刻的市政设施空间布局形态,可视化展现市政设施空间布局的时空变化规律。提出了基于DBSCAN的网络事件时空聚类算法,给出了市政公用领域算法参数的确定原则和范围,解决簇形态与实际分类不符、以及参数难以确定导致的算法稳定性的问题,可应用于市政等具有网络特征的事件高发区域的发现。设计了运行监测信息时空一致性分析算法,将具有时间邻近、上下游等时空关系的多时间尺度的运行监测数据相互印证,保障运行监测数据的准确性和真实性。设计了一种顾及形态的网络等值线绘制算法,给出了网络形态控制点确定策略,使网络等值线更准确地契合网络设施监测数据的变化情况。 (7)以“常州市政公用业务集成系统”工程为例,研究行业级市政设施时空信息综合集成、企业级市政设施综合运营调度的应用技术,验证研究成果的实用性和应用价值。 本文的研究成果可促进市政公用行业运营与服务水平提升,推动市政公用基础设施运行安全保障技术体系健全,推动时空数据模型、时空信息集成理论方法发展,可为时空数据模型、时空信息集成在相关领域应用研究提供参考。


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