許飛

(德州市自然資源局,山東 德州 253000)

0 引言

地下管線資料是城市規(guī)劃建設的重要依據，在城市建設中，新管線規(guī)劃、設計和施工、舊管線更新以及大部分土木工程的破土動工都需要準確的地下管線現狀信息[1]。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷推進，各級城市的規(guī)模日益擴大，作為城市生命線的地下管網資料暴露出圖檔信息不全、現勢性差、精度不高、管理缺位等問題，由此，建立地下管線綜合管理系統顯得尤為重要。2014年，山東省德州市成為住房城鄉(xiāng)建設部指定的首個地下管線綜合管理試點城市，經過幾年的建設，其下轄的禹城市在地下管線信息系統建設方面取得了一定的成績，為政府部門在地下管線的規(guī)劃、決策、運營、服務等方面提供了重要參考。當前，在“智慧城市”建設的新背景下，原禹城市地下管線信息管理系統已經朝著三維和智慧的方向推進，三維智慧管線綜合管理系統應運而生，該系統以二三維一體化的方式來反映地下管線的空間位置關系，構建起一個集管網數據動態(tài)更新、三維綜合應用和信息共享共建于一體的GIS綜合管理系統。本系統的建設對于實現城市地下管網的規(guī)范化、科學化、數字化和智能化管理，服務于智慧城市的規(guī)劃和建設具有重要的意義[2]。本文以山東省禹城市為例,對三維智慧管線綜合管理系統的總體架構、系統數據庫及功能設計進行了介紹，重點探討了系統建設中應用到的三項關鍵技術，解決了二三維一體可視化、數據動態(tài)管理更新以及后期管線運維管理的相關問題。目前，該系統方案已通過論證即將進入實施階段。

1 系統設計

1.1 系統總體架構

禹城市三維智慧管線綜合管理系統采用層次式的技術架構，將多源、多類型的地下管網資源進行有機組織，實現管網數據的高效管理與持續(xù)更新，提供便捷、安全、跨地理信息平臺和三維應用展示平臺的在線數據服務。該系統按照層狀結構劃分為應用層、支撐層、數據層、基礎設施層，與網絡環(huán)境下(B/S)層次結構相對應[3]，直接面對不同用戶群體的需求，實現管網數據的管理、發(fā)布、決策和分析功能(圖1)。

圖1 系統總體架構

1.2 系統數據庫設計

1.2.1 數據庫總體架構

禹城市三維智慧管線綜合管理系統采用SQL Server的技術組合，基于空間數據的概念組織和管理數據，通過各種方式將空間數據、屬性數據存儲在數據庫中，使基礎空間數據庫成為城市地下管線三維應用子系統的基礎設施，成為各行業(yè)的信息系統的空間定位基礎，從而實現準確、高效以及高度共享空間數據庫的目標[4]，數據庫總體架構如圖2所示。

圖2 數據庫總體架構圖

1.2.2 數據庫建設

地下管線數據庫的數據內容包括空間地形數據、管線數據和管線屬性數據3種類型[5]?？臻g地形數據主要包括與管線相關或者相鄰的基礎地理數據；管線數據是指城市各種專業(yè)性管線及相關設施信息，主要包括給水、排水、通訊、電力、熱力、工業(yè)管道等，管線數據通過管線探測及調查得到。管線屬性數據即地下管線需要進入數據庫的相關數據，主要包括：X坐標、Y坐標、管線材料、附屬物、地面高程、井底高程、壓強/電壓、管頂高程、管底高程、埋設方式、管徑、埋深、電纜條數、光纜條數、總孔數、已用孔數、建設年代、權屬單位、連接方向、截面等屬性。

數據建庫需要按照一定的流程步驟，大體可分為幾個階段，主要包括數據清理、檢查與處理、庫制作等[6](圖3)，而在建庫的過程中還需對系統進行調試，等數據處理完善后，再將其集中進行入庫。

圖3 數據庫總體架構圖

1.3 系統功能設計

禹城市三維智慧管線綜合管理系統旨在建立一個開放、兼容、可擴展、實用、安全的城市地下管線綜合管理系統，不但能實現管線信息的地上地下一體化展示、查詢、統計、分析、智慧實時監(jiān)控等功能，同時還支持城市規(guī)劃建設管理決策，提供管網信息化管理[7]。本系統包括系統管理、數據動態(tài)管理、數據自動更新、三維綜合應用和信息共享共建5大功能模塊。

1.3.1 系統管理

對整個平臺的用戶、角色、使用權限進行配置，同時實現系統運行日志的記錄和管理[8]。通過該系統可對各個用戶進行功能權限的配置，保障系統的數據安全和運行安全，也可以對各用戶的數據權限進行配置，使得指定用戶只可以使用或管理部分數據。

1.3.2 數據動態(tài)管理

主要實現地下管線探測后，數據的自動檢查、自動生成管線圖、數據接邊處理、數據入庫、編輯整理和多種格式的輸出。該系統主要為數據管理人員使用，在數據輸入、輸出和整理過程中，后臺會自動記錄所有操作和過程數據，對現狀管線和歷史管線同時進行管理[9]。另外，還可以對整個的管線圖進行瀏覽、屬性查詢、指定區(qū)域內管線查詢統計，對管線進行多種信息的標注。

1.3.3 數據自動更新

實現地下管線數據由二維到三維的全自動更新。后臺服務器軟件會不斷檢測數據庫是否有最新管線數據進入，自動將新入庫的管線進行三維建模和更新到三維系統里，使三維場景和二維場景自動保持同步[10]。同時，系統可以將后臺數據庫的全市地下管線數據進行定期的自動備份和恢復，保障數據的安全。

1.3.4 三維綜合應用

實現三維場景的構建以及對管線的瀏覽、查詢、統計、分析和輔助決策，包括地形地貌、道路、地名，以及城市地上地下三維空間的構建。通過鼠標可以自由瀏覽三維地下管線，直觀了解地下管線分布情況和他們之間的空間位置關系。

1.3.5 信息共享共建

實現地下管線及相關基礎地理數據的發(fā)布為各相關單位共享。管線相關單位可通過瀏覽器對地下管線進行瀏覽、查詢、統計，隨時掌握地下管線信息，同時可通過網絡平臺上傳最新竣工數據，實現管線數據的動態(tài)更新，保障建設成果的長久生命力[11]。

2 關鍵技術

2.1 基于skyline的二三維一體可視化技術

Skyline軟件為網絡和非網絡環(huán)境提供了一個三維交互世界的窗口，能夠指導用戶在本地或網絡環(huán)境下進行基本數據生成、數據傳輸、數據可視化和數據分析等[12]。禹城市三維智慧管線綜合管理系統采用Skyline作為三維GIS平臺，綜合運用其三維GIS仿真技術和數據庫技術，實現了二三維一體化展示和分析。三維海量數據網絡發(fā)布是Skyline特有的專利技術，本系統充分利用該技術將不同來源、不同分辨率的多源影像和管線數據進行高效融合，整合地形模型、二維GIS圖層并添加注記、多媒體文件等其他場景要素，同時將二維空間數據與三維空間數據的平面坐標進行匹配，使二維平面信息和三維模型信息能夠基于統一的空間坐標系統進行無縫疊加和融合，能夠提供基本的放大、縮小等三維地圖瀏覽功能，實現了二三維空間的一體化展示。此外，本系統基于Skyline實現了地下管網的二三維一體化數據分析，使用戶能夠在瀏覽逼真的三維管線的同時也能實現復雜的統計分析功能，具有等高線分析、地形分析、土方量分析、地形調整等功能[13]。本系統基于skyline將二維與三維的優(yōu)勢進行互補，有效實現了二三維一體化的管線展示和分析(圖4)。

圖4 二三維一體顯示界面

2.2 基于管線全生命周期的數據動態(tài)管理更新技術

禹城市三維智慧管線綜合管理系統支持多源、多時段、多尺度、豐富屬性的海量地理信息數據資源，同時充分考慮到用戶現有數據資源的情況，能夠將各類數據進行統一管理，提供簡便的方式將客戶現有全生命周期管線數據資源進行整合并輸入系統。獨創(chuàng)的動態(tài)管理更新技術，通過調用緩存減少從較慢的數據源的加載過程，并且能夠預先創(chuàng)建緩存然后用流方式更新數據，從而能夠最大化提升系統對海量管線信息數據訪問及更新效率。本系統還通過統一對象標識編碼對地下管線全生命周期數據進行管理，對象標識指的是以實物或電子數據形式表現某一物所具有的屬性或特征的符號或標記，其所承載的信息直接反映客觀物理對象情況[14-15]。本系統通過一對象標識編碼建立了地下管線全生命周期監(jiān)管檔案，將地下管線基礎數據以及管線管控活動中產生的規(guī)劃建設數據、日常運維數據、實時監(jiān)測數據、事故及處置數據、報廢處理數據等信息進行匯總，生成管線全生命周期數據。當管線數據發(fā)生變化時，系統可對變化區(qū)域的管線數據進行數據檢查和自動更新入庫，并將廢棄的管線存入歷史數據庫，從而保證現勢庫中的數據能夠真實、準確地反映地下管線現狀[16](圖5)。

圖5 數據動態(tài)管理更新界面

圖6 爆管分析界面

2.3 基于物聯網的智能傳感與實時監(jiān)控技術

物聯網是當前流行的前沿技術，其將人、機、物通過互聯網進行互聯互通，以實現對各種物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[17]。物聯網技術的核心在于能夠獲取感知對象的全方位信息，包括對感知對象進行精準的空間定位，而且能將空間信息和其他數據信息進行傳輸并展示在物聯網管理平臺中[18]，物聯網的智能傳感與實時監(jiān)控技術在此方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。禹城市三維智慧管線綜合管理系統依托物聯網的這兩項技術實現了對管線運維及突發(fā)事件的安全管理，其通過在管線關鍵部位安裝智能傳感器，實時采集地下管網的運行數據，結合專業(yè)分析模型對采集到的數據進行處理、建模和推演，遇到爆管事故不僅能快速定位出事地點，還能對故障進行歸類和分析，生成相應的故障分析報表，方便管理部門對潛在的故障隱患和運行風險及時作出預警和應對措施。本系統具備實時監(jiān)控設備的功能，在三維場景中，用戶可監(jiān)控到設備的實時運行狀態(tài)和控制模式[19-20]，如井蓋開啟狀態(tài)、液位超限狀態(tài)、電流電壓超限狀態(tài)等信息，系統根據監(jiān)控到的數據和狀態(tài)自動進行計算分析，判斷潛在的故障隱患，如某排水管線發(fā)生爆管事故，系統則會根據爆管發(fā)生的位置，自動判斷出管線的類型進行相應的爆管效應，并搜索出離該處最近的幾個閥門加以區(qū)別顯示，從而直觀的給決策者提供爆管關閥信息(圖6)。

3 結語

根據山東省禹城市三維智慧管線綜合管理系統建設的需求，文章詳細分析了系統建設的總體架構、系統數據庫及功能設計，并重點探討了系統建設中應用到的三項關鍵技術。三維智慧管線綜合管理系統的建設實現了城市地下管線信息的集中統一管理和共建共享，為政府在城市規(guī)劃建設和日常管理方面提供了重要的依據，同時對提升政府形象、推進智慧城市的建設奠定了堅實的基礎。禹城市三維智慧管線綜合管理系統當前還處于起步建設階段，隨著“智慧禹城”建設的不斷深入，該系統將在現有成果的基礎上不斷完善，更好的帶動關聯產業(yè)的發(fā)展，更好地服務于城市的建設和社會發(fā)展。