譚仁春，盧丹丹，向祎

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430022)

城市地下管線綜合信息平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

譚仁春1，2*，盧丹丹1，2，向祎1，2

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430022)

近年來，全國各個城市相繼開展城市地下管線普查和信息系統(tǒng)建設(shè)。本文結(jié)合武漢市開展城市地下管線深化普查和綜合信息平臺建設(shè)工作，在開展了深入研究和大量實踐的基礎(chǔ)上，針對城市地下管線綜合信息平臺建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出了一些新思路和新方法，為其他城市開展城市地下管線綜合信息平臺工作提供參考和借鑒。

城市地下管線；裝配式開發(fā)；信息平臺；空間決策

1 引 言

隨著2014年《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)〔2014〕27號)和《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于開展城市地下管線普查工作的通知》(城建[2014]179號)的下發(fā)，全國各城市陸續(xù)開展了城市地下管線普查與信息系統(tǒng)建設(shè)工作。但是，目前我國城市地下管線信息系統(tǒng)的建設(shè)水平參差不齊，同時存在一些普遍性問題：①系統(tǒng)數(shù)據(jù)未能實現(xiàn)有效動態(tài)更新；②系統(tǒng)功能僅停留在數(shù)據(jù)管理階段，成果應(yīng)用和數(shù)據(jù)挖掘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；③系統(tǒng)架構(gòu)不能滿足海量管線數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)管理與應(yīng)用。因此，突破傳統(tǒng)管線信息管理系統(tǒng)的搭建模式，構(gòu)建既能夠滿足數(shù)據(jù)資源管理，又能實現(xiàn)管線規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管應(yīng)用的城市地下管線綜合信息平臺勢在必行。

隨著新一代互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和BIM等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，地下管線信息化建設(shè)正朝著平臺化、集成化、應(yīng)用化等方向發(fā)展。本文主要結(jié)合武漢市正在開展的地下管線綜合信息平臺建設(shè)工作，重點(diǎn)針對地下管線信息平臺建設(shè)工作提出一些新的思路和方法，為國內(nèi)其他城市在開展類似工作過程中提供參考。

2 關(guān)鍵技術(shù)

城市地下管線綜合信息平臺的關(guān)鍵技術(shù)很多，本文主要在開展了相關(guān)研究與實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢市實際情況，提出如下關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

2.1基于云計算的管線數(shù)據(jù)存儲、處理、共享與應(yīng)用技術(shù)

我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)導(dǎo)致城市地下管線數(shù)量的急劇增多，實現(xiàn)海量管線數(shù)據(jù)的高效存儲處理和全面共享應(yīng)用，提供高質(zhì)量的管線信息服務(wù)是搭建管線信息系統(tǒng)或平臺的最終目標(biāo)。在傳統(tǒng)的C/S模式GIS、B/S多層模式GIS、基于Internet的分布式GIS或格網(wǎng)GIS的分布式計算模式下，存在①WebGIS仍然以單項服務(wù)提供為主，終端用戶無法生產(chǎn)個性化服務(wù)；②沒有充分發(fā)揮分布式計算模式的優(yōu)勢，不能挖掘分布式GIS的最大潛能；③服務(wù)器的數(shù)量和硬件的指標(biāo)是應(yīng)用系統(tǒng)的性能瓶頸等問題[1]。

隨著云計算技術(shù)的發(fā)展與成熟，將云計算技術(shù)應(yīng)用于管線GIS系統(tǒng)或平臺建設(shè)，能夠最大限度地解決上述問題。具體思路為：

(1)利用云計算的計算資源自動擴(kuò)展技術(shù)，根據(jù)實際需求增加或減少計算資源。當(dāng)虛擬機(jī)進(jìn)行計算任務(wù)時，如果CPU、內(nèi)存或者其他計算資源占用過高，自動擴(kuò)展功能可以啟動更多的虛擬機(jī)來幫助完成任務(wù)；反之如果資源占用過低，自動擴(kuò)展可以在保證計算的同時來關(guān)閉一部分虛擬機(jī)，從而節(jié)省計算資源。它不僅可以保證運(yùn)算時有足夠的計算資源，緩解累積的計算負(fù)擔(dān)，以支持并發(fā)請求；而且可以通過動態(tài)調(diào)整來節(jié)省計算資源。

(2)利用云計算的負(fù)載均衡技術(shù)，將一項需要大量計算資源或時間的工作加載在兩個或多個云計算虛擬機(jī)上，從而提高運(yùn)算效率?？梢栽诙鄠€地理信息服務(wù)實例間自動分配應(yīng)用程序的傳入流量。同時可以讓平臺實現(xiàn)更大的應(yīng)用程序容錯性能，以持續(xù)提供響應(yīng)應(yīng)用程序傳入流量所需要的負(fù)載均衡容量。在負(fù)載均衡中，它可以檢測出群體里不健全的實例，并自動更改計算配置，使其指向健全的實例，直到不健全的實例恢復(fù)為止。

武漢市將云計算技術(shù)應(yīng)用到地下管線綜合信息平臺建設(shè)中，基于Eucalyptus云平臺實現(xiàn)計算資源的自動擴(kuò)展與負(fù)載均衡，保障了管線數(shù)據(jù)的高效存儲處理與共享應(yīng)用。

2.2基于圖庫一體的二維管線建庫與更新技術(shù)

傳統(tǒng)以圖形為主的CAD數(shù)據(jù)模型和以數(shù)據(jù)庫為主的GIS數(shù)據(jù)模型都存在管線圖與管線庫分別存儲而導(dǎo)致的圖、庫信息不一致，有圖入庫工作量大，圖庫不能實時更新等問題。

武漢市在管線數(shù)據(jù)模型建設(shè)中，采用集幾何信息、符號信息、屬性信息于一體的圖庫一體時空地理信息數(shù)據(jù)模型，相對傳統(tǒng)的CAD和GIS數(shù)據(jù)模型，具有便于實體管理與操作，便于幾何復(fù)雜度的地理空間實體表達(dá)和便于數(shù)據(jù)更新與維護(hù)。同時，在作業(yè)流程中采用“先庫后圖、圖庫聯(lián)動”的生產(chǎn)工藝流程，在數(shù)據(jù)庫建立的同時能夠?qū)崿F(xiàn)圖形的無損表達(dá)，圖形和屬性信息能實現(xiàn)聯(lián)動編輯，實時更新，真正實現(xiàn)時空地理信息數(shù)據(jù)庫和圖形建設(shè)的雙向同步聯(lián)動。利用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管線圖與管線庫的模型、生產(chǎn)、管理、更新與產(chǎn)品一體化，如圖1所示。

圖1 “圖庫一體化”的管線數(shù)據(jù)建庫與更新流程

2.3管線的自動化三維建模與局部更新技術(shù)

在不影響日常使用的前提下，實現(xiàn)三維管網(wǎng)模型的局部高效更新，保證了三維模型與二維屬性數(shù)據(jù)的嚴(yán)格一致，為基于三維的管線管理和分析提供高時效性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為了保證地下管線三維模型的精細(xì)化和逼真度，平臺針對地下管線建模要素特點(diǎn)，采用不同的建模方法，具體分為：

(1)針對抽象化不規(guī)則形體的管點(diǎn)：這類管點(diǎn)具有不變的幾何形態(tài)以及類似的表面材質(zhì)，三維模型可以重復(fù)利用。主要利用對象的平面、影像等資料，在建模軟件中制作完成。

(2)針對尺寸結(jié)構(gòu)由屬性驅(qū)動的管點(diǎn)：這類管點(diǎn)具有明顯的底面邊界尺寸信息，是規(guī)則體元。主要利用構(gòu)造實體幾何法，通過底面尺寸、高度、位置等參數(shù)自動生成模型。

(3)針對拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動的管點(diǎn)：這類管點(diǎn)規(guī)格尺寸多樣，主要利用掃描法+格網(wǎng)造型法，通過管徑信息分別建立主管和支管模型，再運(yùn)用布爾運(yùn)算和并集剖切連接形成管點(diǎn)模型。

(4)針對管線段：這類管線段具有不同的空間運(yùn)動軌跡，可利用掃描法+格網(wǎng)造型法，將一條管線看作是整張連續(xù)的曲面進(jìn)行建模處理。

圖2 ArcGIS管線庫自動生成三維模型庫

(5)局部更新： 通過對二維管線數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化探測，在提取到二維管網(wǎng)空間及屬性數(shù)據(jù)庫的更新信息后，采用掃描法+網(wǎng)格造型法(Sweep+Mesh)和布爾并集運(yùn)算，主動在三維系統(tǒng)中進(jìn)行單體管線模型及其附屬設(shè)施的重建；因管網(wǎng)中管線的增加或減少導(dǎo)致其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，系統(tǒng)也會同步更新其拓?fù)潢P(guān)系，精細(xì)化地建立管段和拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動的管點(diǎn)三維實體模型，如圖2所示。

2.4管線全生命周期的協(xié)同管理應(yīng)用技術(shù)

目前，全國大多數(shù)城市的地下管線信息管理系統(tǒng)或平臺多以管線數(shù)據(jù)信息管理和更新維護(hù)為主要建設(shè)目的，管線普查成果的應(yīng)用還沒有大范圍推廣。同時，由于管理體制的原因，地下管線的規(guī)劃、建設(shè)和營運(yùn)分別由不同的管理部門監(jiān)管，各管理部門之間信息互通不足、上游管理信息不能及時完整地流轉(zhuǎn)到下游管理部門。

武漢市綜合考慮管線工程規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管全生命周期管理流程，以管線工程為管理單元，全面控制管線工程從規(guī)劃、審批、開工、施工、跟蹤、竣工和運(yùn)行監(jiān)管等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管三個管理部門的業(yè)務(wù)需要，開發(fā)管線規(guī)劃管理、管線建設(shè)管理和管線監(jiān)管三個應(yīng)用系統(tǒng)，這三個應(yīng)用系統(tǒng)通過管線信息的流轉(zhuǎn)將管線規(guī)劃、管線建設(shè)和管線監(jiān)管等階段銜接起來，實現(xiàn)管線的全生命周期管理，如圖3所示。

圖3武漢市城市地下管線綜合信息平臺邏輯結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實例

針對上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，筆者已進(jìn)行了相關(guān)開發(fā)和實踐，目前研究成果已經(jīng)應(yīng)用于武漢市城市地下管線綜合信息平臺建設(shè)工作中，取得了很好的效果。圖4是武漢市城市地下管線綜合信息平臺的登錄主頁面，主要是用于登錄到基礎(chǔ)信息平臺子系統(tǒng)、3個應(yīng)用管理系統(tǒng)以及信息共享系統(tǒng)的功能模塊，如圖4所示。

圖4 武漢市地下管線綜合信息平臺登錄主頁面

圖5 集成管理系統(tǒng)主界面

圖6 展示系統(tǒng)主界面

圖5、圖6分別是綜合信息平臺中的集成管理系統(tǒng)主界面和集成展示系統(tǒng)主界面。集成管理系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)地理空間框架數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)的二三維一體化動態(tài)管理、更新維護(hù)、自動建模、分析應(yīng)用和輸入輸出；集成展示系統(tǒng)主要用于地理空間框架數(shù)據(jù)及地下管線等數(shù)據(jù)二三維一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、集中展示與共享應(yīng)用。

圖7、圖8是武漢市城市地下管線綜合信息平臺的三維應(yīng)用，平臺集成了武漢市中心城區(qū) 567 km范圍內(nèi)的地上三維模型和地下管線模型。地上三維模型在高程上與地下管線模型嚴(yán)格匹配，保證了各種三維空間分析的有效應(yīng)用。

圖7 管線二、三維一體化

圖8 地上地下三維一體化

4 結(jié) 語

本文主要結(jié)合武漢市地下管線綜合信息平臺建設(shè)工作，針對地下管線體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織與建庫、三維建模與綜合應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)提出了一些思路和方法，并進(jìn)行了針對性的研究與實現(xiàn)，實踐證明是可行的。目前，全國正在大力開展城市地下管線普查與信息系統(tǒng)建設(shè)工作，本文提出的一些關(guān)鍵性技術(shù)可為其他城市提供一定的參考。

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ResearchonKeyTechnologyofInformationSystemforUrbanUndergroundPipelines

Tan Renchun1，2，Lu Dandan1，2，Xiang Yi1，2

(1.Wuhan Geometics Institue，Wuhan 430022，China； 2.Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Wuhan 430022，China)

In recent years，many cities have carried out urban underground pipelines survey and information system construction in China. Based on the deep research and extensive implement，this paper summarizes the key technologies about the construction of the information system for urban underground pipelines，and puts forward some new ideas and suggestions on the construction of the urban underground pipelines information system. Some new methods provide reference for other cities to carry out urban underground pipeline information system.

urban underground pipelines；fabricated development；information platform；special decision

1672-8262(2017)05-115-04

P208.2

A

2017—05—23

譚仁春(1978—)，男，高級工程師，主要研究方向為地理信息系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。

精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點(diǎn)實驗室開放基金項目(PE2011-27)