江 楠,張萬(wàn)輝,馬 揚(yáng),王韓納,潘靖陽(yáng)
(廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500)
排水管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,其任務(wù)是收集、輸送、處理和排放工業(yè)廢水、生活污水和雨水,具有保證城市正常運(yùn)行、保護(hù)環(huán)境和城市減災(zāi)的多重功能,是確保城市發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著城市化進(jìn)程的加快,現(xiàn)有地下管網(wǎng)資料未能及時(shí)更新,導(dǎo)致與排水管網(wǎng)相關(guān)的城市內(nèi)澇、地面塌陷、水環(huán)境污染、挖斷地下管線等問(wèn)題頻發(fā),亟需防控預(yù)警及治理手段。我國(guó)現(xiàn)有的地下管網(wǎng)資料大多以紙質(zhì)材料記錄,工作效率低下,因此加強(qiáng)城市排水管網(wǎng)的信息化管理具有十分重要意義[1]。與排水管網(wǎng)相關(guān)的GIS技術(shù)、水力模型、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等,伴隨著近幾年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,在排水管網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。目前,眾多學(xué)者從智慧排水系統(tǒng)的概念、建設(shè)方法、框架體系、GIS 技術(shù)、水力模型、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面展開(kāi)深入研究。本文就地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)與智慧排水系統(tǒng)的研究進(jìn)行評(píng)述,闡述智慧排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐探索并對(duì)其主要涉及的領(lǐng)域進(jìn)行研究,梳理智慧排水系統(tǒng)的研究脈絡(luò),指出未來(lái)的研究方向。
我國(guó)地下管網(wǎng)信息化建設(shè)已有十余年時(shí)間,許多城市都進(jìn)行了實(shí)踐探索,各地的經(jīng)驗(yàn)表明,建立起完整、準(zhǔn)確、科學(xué)的地下管網(wǎng)信息系統(tǒng),能夠?yàn)槌鞘幸?guī)劃和管理提供準(zhǔn)確的相關(guān)信息[2],但同時(shí)也存在各方面的缺陷與不足。
隨著城市化進(jìn)程的加快,傳統(tǒng)排水系統(tǒng)難以適應(yīng)新的城市格局,排水管網(wǎng)系統(tǒng)使用和管理效率低下、事故頻發(fā)等問(wèn)題不斷出現(xiàn),阻礙了國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。建立智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)是解決上述問(wèn)題,進(jìn)行城市規(guī)劃、建設(shè)及管理的一項(xiàng)根本保障工作。然而現(xiàn)有智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)仍存在諸多不足,普遍存在以下問(wèn)題。
地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)介質(zhì)上可劃分為紙質(zhì)數(shù)據(jù)和電子數(shù)據(jù),部分地區(qū)主要依靠紙質(zhì)圖紙進(jìn)行管網(wǎng)分析已經(jīng)顯得蒼白無(wú)力[3]。紙質(zhì)數(shù)據(jù)數(shù)字化工作滯后,使得智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)無(wú)法反映排水管網(wǎng)實(shí)際情況,不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求。
排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)分散于多個(gè)不同管理部門,缺乏統(tǒng)一管理體制,從項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收,到后期的保養(yǎng)維護(hù)等工作,主要是管線單位內(nèi)部運(yùn)行[4]。各管線單位按照自身需求建立獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù),給排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)帶來(lái)了巨大困難。
早在2016年,住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局便發(fā)布了《城市排水防澇設(shè)施數(shù)據(jù)采集與維護(hù)技術(shù)規(guī)范:GB/T 51187—2016》,提出了規(guī)范化的城市排水防澇設(shè)施采集與維護(hù)要求,為構(gòu)建格式統(tǒng)一、信息完整的城市排水防澇設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)制定了建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),從而確保測(cè)繪成果在數(shù)據(jù)庫(kù)中準(zhǔn)確錄入。
由于城市內(nèi)缺乏統(tǒng)一的智慧排水管網(wǎng)管理平臺(tái),易形成多個(gè)排水管網(wǎng)管理系統(tǒng)“各自為政”的局面,各個(gè)系統(tǒng)覆蓋范圍小、功能單一,信息內(nèi)容不夠豐富,造成碎片化管理,智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)法在城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、分析等方面發(fā)揮相應(yīng)作用。
排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理部門,其建設(shè)與相關(guān)部門的需求密切相關(guān),系統(tǒng)建設(shè)未考慮“一張網(wǎng)”的整體設(shè)計(jì)與規(guī)劃。隨著各個(gè)部門用戶的逐漸加入,需求不斷變化和增加,系統(tǒng)變得龐大無(wú)序,數(shù)據(jù)格式混亂,難以服務(wù)于各部門。
從管網(wǎng)數(shù)據(jù)探測(cè),到管網(wǎng)病害檢測(cè)和管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè),目前管網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)未覆蓋全部過(guò)程,各項(xiàng)工作由不同的團(tuán)隊(duì)完成。管網(wǎng)數(shù)據(jù)測(cè)繪完成后需專人將數(shù)據(jù)錄入,造成工作重復(fù)、效率低下,工作量增加等問(wèn)題。
城市內(nèi)澇、地面塌陷、水環(huán)境污染如圖1所示。
圖1 城市內(nèi)澇、地面塌陷、水環(huán)境污染Fig.1 Urban Waterlogging,Ground Subsidence,Water Environment Pollution
智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)由管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和管網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)兩部分組成。管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)是構(gòu)建智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。作為平臺(tái)基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管網(wǎng)的基本信息,包含屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)[5],其中屬性數(shù)據(jù)包含埋深、規(guī)格、材質(zhì)、走向、鋪設(shè)時(shí)間和權(quán)屬等數(shù)據(jù),空間數(shù)據(jù)包含點(diǎn)線面要素的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺(tái)建立于數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)之上,通過(guò)操縱數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)可視化展示、分析、管理、判斷和編輯等功能。
數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代,在過(guò)去的50多年里,形成了成熟的理論體系和應(yīng)用產(chǎn)品,并擴(kuò)展到越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域。數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展分別經(jīng)歷了層次模型[6]、網(wǎng)狀模型[7]、關(guān)系模型[8]3個(gè)階段,目前數(shù)據(jù)庫(kù)主要使用關(guān)系模型。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS(Database Management System)和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)3個(gè)組成部分。
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)僅能存儲(chǔ)屬性數(shù)據(jù),隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和更新?lián)Q代[9],出現(xiàn)了滿足特定需要的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng),如移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)和地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)等。為實(shí)現(xiàn)智慧排水管網(wǎng)的數(shù)字化管理,要求數(shù)據(jù)庫(kù)能夠存儲(chǔ)、管理各類管網(wǎng)的屬性信息和空間要素信息,目前針對(duì)屬性信息和空間要素信息的存儲(chǔ)主要有以下2種解決方案[10]:
⑴對(duì)常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展。將屬性信息和空間要素信息作為不同字段存儲(chǔ)在統(tǒng)一的DBMS 中,實(shí)現(xiàn)兩者的集成。比較有代表性的系統(tǒng)是Oracle Spatial。
⑵在常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上添加一層空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。該模式也將屬性信息和空間要素信息作為不同字段存儲(chǔ)在統(tǒng)一的DBMS 中,但在標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系庫(kù)之上增加空間數(shù)據(jù)管理層。代表性的系統(tǒng)是ESRI 的ArcSDE。
比較以上2種數(shù)據(jù)模型,ArcSDE 對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)效率比Oracle Spatial 要高,是GIS 專用空間數(shù)據(jù)引擎,對(duì)于實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)較為方便,2種數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)際應(yīng)用中均有使用。如2009 年施廷東[11]分析了ESRI 公司的空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎ArcSDE 中將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集成在數(shù)據(jù)庫(kù)中的這一關(guān)鍵技術(shù),并應(yīng)用ArcSDE 空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)合的管理方法。2015 年楊日黎[12]通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行管線數(shù)據(jù)的加載,建立了濟(jì)南市市政管網(wǎng)三維可視化管理系統(tǒng)。2019 年梅偉長(zhǎng)[13]建立了長(zhǎng)春市地下管網(wǎng)管理系統(tǒng),該系統(tǒng)使用ArcSDE數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的成果展示和全過(guò)程信息化管理。
2.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
隨著地理信息系統(tǒng)(Geography Information System,GIS)的誕生和發(fā)展,許多研究人員采用GIS 軟件進(jìn)行排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)應(yīng)用的研究。2001 年,Booth等人[14]認(rèn)為應(yīng)該利用GIS管理地下管線,從而提高管理效率。2002 年Smith[15]指出,利用GIS 能夠在預(yù)測(cè)管道事故中取得較好效果。2010 年奧地利開(kāi)展了Smart Cities[16]項(xiàng)目的研究,以建立地表和地下統(tǒng)一的數(shù)字化模型,用于市政管線規(guī)劃等工程項(xiàng)目管理等。同時(shí)國(guó)外利用GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的管網(wǎng)應(yīng)用軟件,如英國(guó)的Wallingford 水務(wù)管理軟件,美國(guó)的SWMM 水利模型軟件等,這些軟件可對(duì)管網(wǎng)徑流進(jìn)行模擬,實(shí)時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)系統(tǒng)[17]。
2.2.2 國(guó)內(nèi)研究
2004 年李金平等人[18]采用Visual Basic 為編程語(yǔ)言、MapX 為開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)信息的科學(xué)化管理。2005年馬民濤等人[19]詳細(xì)闡述了利用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維展示地下管網(wǎng)的方法,將管線間的空間位置關(guān)系以直觀的形式進(jìn)行表達(dá)。2007 年余慧明[20]研究了面向?qū)ο蟮木C合地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型,研究了城市地下管網(wǎng)綜合地理信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)。2008 年周旭東等人[21]在蘇州市建立地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng),探索了利用GIS 應(yīng)對(duì)地下管網(wǎng)突發(fā)事件的方法,論述了處置過(guò)程、應(yīng)用原理和實(shí)現(xiàn)方法。2013 年蕭潔敏[22]介紹了GIS 系統(tǒng)在供水檔案管理中的應(yīng)用,未應(yīng)用系統(tǒng)之前,管線信息錄入方法滯后,統(tǒng)計(jì)缺乏科學(xué)性,查閱比較麻煩。而應(yīng)用GIS 系統(tǒng)之后,錄入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和工作效率得到很大提高。2017 年閆曉濤等人[23]提出在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立智慧水務(wù)應(yīng)用的方法,實(shí)現(xiàn)智能化的城市污水處理調(diào)度與協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)城市污水的有效治理。2018年吳?。?4]論述了智慧水務(wù)的重要性,分析了其在城市供水的應(yīng)用中帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。2019 年趙偉等人[25]提出智慧水務(wù)的總體要求,綜合運(yùn)用各種信息技術(shù),探索了構(gòu)建智慧水務(wù)的總體框架和思路。
智慧排水管網(wǎng)是指采用先進(jìn)的信息技術(shù),對(duì)城市水務(wù)運(yùn)行進(jìn)行智能化的管理,是城市管理信息化水平的重要標(biāo)志[26]。智慧排水管網(wǎng)是智慧城市發(fā)展的一個(gè)重要組成部分,在排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)預(yù)警等方面,發(fā)揮重要的作用,利用它可以更便捷高效地管理城市中的水資源[27]。目前,智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)因受制各方面因素,難以達(dá)到智慧排水要求。
智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)在各個(gè)城市的實(shí)踐表明,管網(wǎng)的信息化不僅能為城市管理提供科學(xué)的決策,并且為城市正常運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)、應(yīng)急搶險(xiǎn)等提供強(qiáng)大的信息平臺(tái)。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)[28],近幾年來(lái)我國(guó)智慧水務(wù)業(yè)務(wù)規(guī)模逐漸增長(zhǎng),2019 年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)100 億元,預(yù)計(jì)2020 年將達(dá)126 億元。隨著人們對(duì)信息化和數(shù)字化管理手段的意識(shí)提高和新技術(shù)的發(fā)展,智慧排水管網(wǎng)將具有廣闊的應(yīng)用前景。
地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)是構(gòu)建智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。分析現(xiàn)有研究與實(shí)踐[29-31],智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為3 層,底層為數(shù)據(jù)庫(kù)支撐體系,數(shù)據(jù)來(lái)源有歷史數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪獲取,歷史數(shù)據(jù)從管網(wǎng)權(quán)屬單位獲得,測(cè)繪數(shù)據(jù)通過(guò)外業(yè)人員測(cè)得。底層數(shù)據(jù)庫(kù)包含了空間數(shù)據(jù)庫(kù)與屬性數(shù)據(jù)庫(kù),獲取數(shù)據(jù)后需將屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中,最終形成具有拓?fù)潢P(guān)系的節(jié)點(diǎn)、管線、區(qū)域成果表,其中屬性數(shù)據(jù)包括材質(zhì)、類別、直徑、建設(shè)年代、施工單位、設(shè)計(jì)單位等,空間數(shù)據(jù)包括平面坐標(biāo)位置及起始兩點(diǎn)的標(biāo)高;中間層為以GIS平臺(tái)為主的軟件支持平臺(tái),可對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行操控和編輯,包含了GIS 平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),其運(yùn)行依賴于底層數(shù)據(jù)庫(kù)提供的數(shù)據(jù);頂層為智慧水務(wù)應(yīng)用平臺(tái),其運(yùn)行于GIS平臺(tái)基礎(chǔ)上,可對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行操控和編輯,實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)信息化查詢、編輯、模擬等功能。
由于探測(cè)數(shù)據(jù)需人工錄入,不可避免存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,在錄入數(shù)據(jù)庫(kù)之前,通常還需人工對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核、處理等工作。中間數(shù)據(jù)錄入環(huán)節(jié)提高了出錯(cuò)率,為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)錄入流程,許多學(xué)者研究了數(shù)據(jù)外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理入庫(kù)一體化系統(tǒng)。2013 年郭鵬等人[32]提出基于Android 和移動(dòng)GIS 的地下管線信息采集系統(tǒng),利用規(guī)范的地下管線外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明該方法能夠較好地提高數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量。2016年范娟娟等人[33]研究了基于Android系統(tǒng)的移動(dòng)GIS 管線采集更新系統(tǒng),通過(guò)規(guī)范的地下管網(wǎng)外業(yè)采集流程,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè),能夠滿足城市管理中及時(shí)更新管網(wǎng)信息的需要。2019 年宣兆新等人[34]開(kāi)發(fā)了一套移動(dòng)端數(shù)據(jù)外業(yè)采集系統(tǒng),并在北京的地下管網(wǎng)基礎(chǔ)信息普查中得到有效應(yīng)用。
國(guó)外發(fā)展與建設(shè)地下管網(wǎng)已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史,積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方案[35]。美國(guó)于20 世紀(jì)90 年代提出了數(shù)字化管道的概念[36],利用管道信息管理系統(tǒng),能夠獲取各類管道的圖形和屬性信息。為減少重復(fù)挖掘,減少管線事故,英國(guó)貿(mào)易產(chǎn)業(yè)部于2006 年聯(lián)合多家大學(xué)和公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了可以減少道路作業(yè)的地下設(shè)施可視化集成信息平臺(tái)。
2000 年以后國(guó)內(nèi)智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)如雨后春筍般建立起來(lái),天津[37]、昆明[38]、寧波[39]、東莞[40]等地分別建設(shè)了各種地下綜合管網(wǎng)管理信息平臺(tái),2012 年,廈門市建立了基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎技術(shù)并符合該市實(shí)際情況的綜合管網(wǎng)管理系統(tǒng)。2013年,常州市在全市范圍內(nèi)建立地下管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。2015年,河北省完成全省的地下管網(wǎng)信息普查,建立覆蓋全省的多種類型的管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)有效管理的綜合地下管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。
本文歸納了智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題,包括數(shù)據(jù)不完善、數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、覆蓋范圍小、缺少全面頂層設(shè)計(jì)和缺少一體化的系統(tǒng)平臺(tái)。研究了地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和智慧排水管網(wǎng)的研究現(xiàn)狀,針對(duì)屬性信息和空間要素信息,主要有常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)功能擴(kuò)展、常規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)上添加空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎2 種存儲(chǔ)方法,后者為地下智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用的方法。智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)研究中,主要利用了GIS處理空間數(shù)據(jù)并提高地下管網(wǎng)管理效率。分析了市場(chǎng)需求及國(guó)內(nèi)外智慧排水系統(tǒng)的發(fā)展情況,并針對(duì)一體化采集平臺(tái)調(diào)研,總結(jié)了現(xiàn)有的信息采集一體化平臺(tái)研究工作,提出建立地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)一體化平臺(tái)的必要性。智慧排水管理系統(tǒng)充分發(fā)揮了GIS平臺(tái)技術(shù)的功能性,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等,可為相關(guān)人員提供豐富、即時(shí)的城市排水信息,能夠?yàn)樯a(chǎn)、決策提供數(shù)據(jù)。但目前智慧排水管理系統(tǒng)還存在很多不足,應(yīng)建立基于“一張圖”的數(shù)據(jù)外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理入庫(kù)一體化作業(yè)平臺(tái),并密切關(guān)注最新前沿技術(shù),從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)平臺(tái)的適應(yīng)性和工作效率。