1. 引言
随着地方国有水务资产的重组，各地方水务企业大都通过集约化管理的模式成立了水务集团，统一管理多个供水企业。
供水GIS系统是水务信息化核心性平台系统之一 [1] ，具有独特的可视化表达与分析能力，可以有效提升原业务系统效率，整个水务80%+的业务信息都与空间位置相关、管网GIS是整合水务从源头到龙头全业务链条数据的最有效工具 [2] 。目前供水管网GIS系统的搭建方式通常是使用专业软件，如ArcGIS、Mapinfo、超图，或基于GIS引擎二次开发构建，成本较高 [3] 。此外，如果水务集团下属的各供水企业都去自建自身的管网GIS系统，会导致重复搭建成本高，运行维护难度也增大。
本文探讨以SaaS模式、OGCWebService和地理计算服务理论构建基于SaaS模式的集团级GIS综合服务平台，满足水务集团对管网GIS系统集团化低成本部署的需求，提高企业的科学管理水平。
2. 应用背景
宁夏水务投资集团有限公司日供水能力超200万吨，年供水量近3亿吨，供水范围覆盖全区大部分市县区，服务人口超400万，在固原市、吴忠市、中卫市和银川市推进城乡供水一体化管理，是全区城乡供水一体化建设和运维的中坚力量。
宁夏水务投资集团在管网管理业务域面临的痛难点主要有：
(1) 实时的资产盘点，统一的运维监管难。集团层面无法准确掌握各子公司的管网资产的基本情况，管理层对实现GIS资产盘点、管网运维情况不能完整掌握；
(2) 管网数据格式、标准不统一。集团旗下子公司之间管网管理信息化发展不平衡，建设进度不一，管网数据标准、数据格式不统一，统一管理难度大；
(3) 没有统一GIS服务、管网专题服务共享。没有将一些共性的GIS应用需求整理成服务API的形式，从集团层面暂为建立起为下属子公司提供GIS通用服务的能力；
(4) 建设成本高、周期长、见效慢。各子公司单独建设GIS系统时申请单独的GIS地图服务器资源，存在资源浪费。
3. 系统设计
1) SaaS的模式选择
SaaS (Software as a Service)是近年来兴起的一种新的软件模式，由软件服务商提供基于网络的软件服务，并完全负责维护软件服务所需的软硬件平台等后台工作，而用户则采用租赁的方式租用软件服务供应商提供的软件服务，并通过网络使用这些服务 [4] 。在SaaS模式下，智慧水务应用可统一部署在水务集团(网络中心)服务器，租户(水务企业)无需考虑软件的运营维护和软件运行的基础设施。
SaaS模式通过同一套系统向多个客户提供在线服务(多租户模式)，根据其成熟度可分为定制型、可配置型、可配置的多租户架构型和可扩展型四级 [3] 。根据水务集团管网GIS管理的需求、硬件和运营成本等多因素考虑，系统采用可配置的多租户架构型，即所有租户运行同一套代码，通过不同的配置来满足不同租户的个性化需求，通过安全性策略隔离租户数据，不仅减少了传统的软件授权费用，而且免除了最终用户的服务器硬件、网络安全设备和软件升级维护的支出，最大化发挥应用的规模效应。
2) 系统总体设计
SaaS模式下的GIS服务平台采用WebGIS主流的分层式瓦片地图结构 [5] ，浏览器端的JavaScript引擎运行地图模块，从服务器端获取地图瓦片并组织成为地图，同时响应用户的缩放、拖动、标记等各种操作；服务器端提供地图服务、瓦片服务、要素服务以及各种应用服务。为满足SaaS系统的多用户及用户的不同需求，该模式下的GIS服务平台既要能满足租户的共同需求，又要具备系统可定制性能力，可根据用户自己的需要，对业务逻辑、用户界面、数据结构进行定制，满足个性化需求，并且不同的用户之间不能互相影响。对于租户的众多差异化需求，如果都在服务器端运行，服务器的负载会大幅增加，运行性能则大幅降低。为了降低服务器的运行负载，将实现共性需求的服务在服务器端实现，对应差异化需求的服务在浏览器端实现。
3) 系统架构
基于SaaS的模式，结合OGCWebService和地理计算服务理论，设计了SaaS模式下的GIS服务平台，其结构如下图1。
Figure 1. GIS service platform system architecture diagram in SaaS mode
图1. SaaS模式下的GIS服务平台系统架构图
系统基于微服务架构搭建，通过标准的REST API公开平台内的接口及服务，提供对应的系统说明微服务的接口功能，并能够基于springcloud的相关组件进行微服务管理。系统采用前后端分离架构，后端集成了SpringBoot、Mybatis、nacos等，前端集成了Vue+AntDesign，数据库集成MySQL。
访问层和WEB层包含用户访问系统的途径，用户可以通过PC端、移动APP、其它平台应用WEB端访问系统。
接口层Gateway网关对访问请求进行统一处理，实现服务注册、负载均衡、弹力设计功能，拥有高安全性、高性能、高可用性。
服务层提供了通信服务(基于RPC调用、HTTP请求等方式)、GIS服务、服务管理(配置管理、监控报警、日志管理、注册发现)。GIS服务平台提供通用的GIS业务组件、GIS数据接口、GIS服务接口，为上层的GIS业务应用提供接口和功能支撑。同时提供了资产总览服务、管网GIS服务、管网运维服务、分区计量等业务服务。
资源层提供对服务层服务的支持，使用MySQL数据库主要存储关系型数据，使用PostgreSQL数据库主要存储空间GIS数据，使用Redis数据库存储缓存数据，使用MongoDB数据库主要存储文件数据和非结构型数据。
4) 系统功能模块设计
(1) 集团层面
GIS服务在集团公司层面主要包含GIS服务管理平台和资产总览系统。其中GIS服务平台，通过数据同步、文件导入等方式，集中存储旗下公司的GIS数据，统一管理维护、统一发布。资产总览系统，可汇聚展示子公司的供水概括、资产汇总、管网运维、分区计量等信息，方便集团统一查看、了解旗下水司管网情况。
(2) 子公司层面
集团GIS服务平台在旗下水司层面主要包含三大子系统，WebGIS系统、管网运维系统和分区计量系统。
WebGIS系统中主要提供包括空间查询统计、空间定位、地图量算、要素服务、地图服务、打印输出等基础地图操作；同时能够支持空间分析、爆管分析、横断面分析、纵断面分析、连通分析等空间分析能力，并且包含服务管理，方便用户更好的进行各类的数据统计分析。
管网运维系统面向供水管网运维领域实现巡线、轨迹、管网抢维修等业务的数字化、流程化、标准化、精细化管理，提供巡检分区管理、巡检计划管理、外业人员管理、实时位置管理、历史轨迹管理、任务管理与执行、事件上报、处置与反馈、工作评价等模块。
分区计量是以供水管网分布数据、用水户及各类仪表为基础，将供水用户分成若干个仪表区域，在GIS技术下，实现新建分区、数据接入、数据分析、报警通知及报警处置的闭环管理。在此基础上，以水平衡分析为理论支撑，按照用水性质的区别，形成DMA、大用户，散户和主干管网等管理单元，结合总分分析法和夜间最小流量，快速准确地判断出漏点的位置，减少漏损，达到对漏点的精细控制 [6] 。系统主要包括分区总览、分区地图、异常报警、统计分析、报表中心、台账管理和分区管理七大主要功能。
5) 系统部署
结合宁夏水务集团GIS基础及其对子公司的管理现状，本项目在集团集中部署SaaS版GIS服务平台和管网管理系统，对于已建设管网GIS系统的集团成员企业保持不变，对于未建设管网GIS系统的集团成员企业直接使用集团SaaS系统。如图2，系统采用iServer集群部署，一个分子公司对应一个工作空间，工作空间内配置了该子公司的资产数据集，每个工作空间发布为地图和数据服务。
Figure 2. Ningxia Water Group’s SaaS-based GIS service platform deployment method
图2. 宁夏水务集团基于SaaS的GIS服务平台部署方式
6) 数据管理及更新
系统提供管网地理信息从数据采集、数据编辑、数据校验、查询统计、综合分析、制图打印等多项专业化管网管理功能，覆盖水务集团管网管理业务场景的全部需求。
系统数据架构根据管网系统数据的特性划分为3个部分：公共数据、共建数据服务、管网数据库。
公共数据是指各租户管网数据库的基础配置以及数据字典，各类数据表结构的初始化信息。
空间数据服务是以各种地图数据、遥感影像、DEM数据、三维数据和地图数据服务作为GIS数据支撑，使组织内所有相关职能部门能够在统一的时空数据平台上动态及时地共享地图信息资源，该部分数据部署在应用服务端。
管网业务数据库管网业务数据库存储了管网资产数据、相关业务数据、与其他系统的集成数据等。
对于已建设GIS系统的集团分子公司，可利用本系统的数据同步工具，对同步到指定目录下的数据进行清洗和坐标转换，并存入集团级的GIS服务器。后续数据可采用增量的方式进行同步，减轻服务器和网络带宽压力。
4. 建设成效
本系统已在在宁夏水务投资集团及其下属分子公司进行部署，实现了集团下属12家子公司单系统数据全接入，实现GIS空间数据的同步完善累积数据模型1095个，实现一个数据中心目标，取得非常显著的社会效益和经济效益。
系统整合了宁夏水头集团及其下属子公司GIS数据，GIS数据服务器集团统一建设，数据集中存储和开放，减少了重复投入。如图3，通过水务一张图，结合GIS强大的空间查询和分析能力，对集团的水务业务资源和水务要素进行全面的综合展示分析。通过二次开发，定制集团专有GIS共享服务门户，对集团整体的GIS资源进行整合汇聚，提供资源展示、资源检索、数据目录列表、接口目录列表、开发组件目录列表、数据订阅量展示等功能，基于建设的集团GIS共享服务平台，赋能于上层集团业务应用。
Figure 3. Ningxia Water Group GIS service platform
图3. 宁夏水务集团GIS服务平台
本系统的使用让宁夏水务集团精准掌握管网资产的分布情况，管网运维、漏损情况。如图4，系统提供了丰富的数据查询、统计、分析、专题展示、打印输出功能，解决了现有模式下管网资产难以清算难题，实现了管网资产的有效管理；通过专业的分析工具，摆脱人工经验，提高抢修效率，提升企业服务质量。为管网的规划、设计、施工、运营、评估提供数据和功能支撑，为管网的正常运行提供一套科学有效的管理工具。本项目的实施具体为业主解决了以下难点：
Figure 4. Ningxia Water Group Water supply pipe network management platform
图4. 宁夏水务集团供水管网管理平台
1) 解决管网资产查询、统计困难的问题。系统提供多种数据格式的导入功能，包括CAD、外业点线表、shp的数据格式，通过向导式的操作，快速完成数据入库工作。系统提供丰富的编辑功能，操作界面简单，方便数据管理人员快速录入数据。
2) 解决了人工管理资料效率不高，无法及时更新的问题。对各类管网数据进行统一整合，形成统一格式、统一空间参照、样式、图例、统一数据分类和编码标准的管网数据库。为今后集团和子公司信息化建设，实现各类信息共享，消除信息孤岛打下坚实的基础。系统使用图形化、易操作的管理方式，使对管网资料的管理更加方便与精细化，可视化的展示使得各业务的开展更加的直观。
3) 针对爆管等管网事故的处置提供信息支持，系统可自动分析生成关阀指导方案，提升管网事故应急处置效率，并通过短信等通信方式，第一时间通知受影响用户，提升公众服务满意度。
把GIS服务作为水务信息化的基础服务与相关业务便捷融合 [6] ，避免在管网及地理信息服务方面重复投资，构建宁夏水务投资集团统一的GIS服务平台。如与财务系统对接集成，便捷查询分析管网资产，专题展示重点管网资产，分析管网资产变化，与同期数据进行对比，及时了解当前管网资产情况，较同期增长更新情况，废弃管网数量等，可生成管网历史变化动态图，宏观了解管网演变，形成资产统计报表。
5. 结论
本文采用SaaS模式，结合OGCWebService和地理计算服务理论和技术，构建GIS服务平台，实现管网资产、管网运维、分区计量等功能模块。通过宁夏水投集团及其下属子公司的应用实效，证明了该系统的先进性和实用性，为满足多组织水务集团建设统筹监管与业务应用的双层管理需求智慧水务提供了技术参考和实践经验。