王桂春 佘繼紅 楊雪松 楊慶峰

1.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院；2.江蘇省地礦勘查技術(shù)有限公司

以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)的強勢發(fā)展和不斷應用，城市地下管線信息化建設(shè)工作持續(xù)推進，信息化管理正由滿足管線探測采集、管理和查詢分析等功能需求，邁向圍繞“共享、協(xié)同、智慧”為場景化管理的更高層次發(fā)展，集聚城市建設(shè)管理相關(guān)部門地上、地下空間數(shù)據(jù)資源，研究、設(shè)計和構(gòu)建智慧城市地下管線綜合管理平臺，加快城市管理智慧化進程和高質(zhì)量發(fā)展。

地下管線資料是城市規(guī)劃建設(shè)的重要依據(jù)，在城市建設(shè)中，新管線規(guī)劃、設(shè)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(xiàn)狀信息。城市地下管網(wǎng)主要包括供水、排水、燃氣、電力、照明、通信、交通信號、視頻監(jiān)控、廣播電視、工業(yè)等管線及其附屬設(shè)施，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]。隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷開展，城市內(nèi)澇、管線爆管、施工毀管等很多隱蔽的城市問題逐漸顯現(xiàn)，嚴重影響城市健康發(fā)展和威脅著居民的人身和財產(chǎn)安全。其主要原因是對城市地下管網(wǎng)缺乏科學、有效的管理。需建設(shè)一種能夠支撐城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、專業(yè)分析、各部門協(xié)同管理的智慧化城市地下管線綜合管理平臺，高效解決目前存在的問題，促進城市管理智慧化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 城市地下管線智慧化推進

2014年，國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導意見》（國辦發(fā)[2014]27 號）中指出：“各城市要在普查的基礎(chǔ)上，建立地下管線綜合管理信息系統(tǒng)，滿足城市規(guī)劃、建設(shè)、運行和應急等工作需要[2]?！眹夷茉淳值任宀块T聯(lián)合下發(fā)了《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》（建城[2014]179 號）[3]。管線探測和信息化建設(shè)工作基本完成，實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)采集、檢查、入庫和應用服務(wù)。

但是隨著城市化建設(shè)加快推進，城建規(guī)模越來越大，地下空間的施工及生產(chǎn)活動愈發(fā)頻繁，現(xiàn)有的管線數(shù)據(jù)的更新明顯滯后，管線數(shù)據(jù)的共享仍然無法逾越涉密數(shù)據(jù)保密硬性規(guī)定要求，不同權(quán)屬單位的地下管線仍然存在行政管理上的壁壘，城市地下管線數(shù)據(jù)的全面性、準確性仍需進一步提高。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G 等技術(shù)趨于成熟，城市管理已邁入智慧化、時空一體化型模式，基于統(tǒng)一時空基準2000 國家大地坐標系和1985 國家高程基準，覆蓋政務(wù)、交通、民生、公共安全等相關(guān)領(lǐng)域。城市智慧管線系統(tǒng)是城市地下空間、地下管線管理模式和服務(wù)能力升級的必經(jīng)之路，是融入智慧城市服務(wù)體系的重要承載，也是城市智慧化推進的內(nèi)在驅(qū)動和必然趨勢。

2 云計算助推管線智能化進程

2.1 云計算概念

云計算作為一種新一代信息技術(shù)或數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，是政企數(shù)字化轉(zhuǎn)型的助推器，加快全球快步進入數(shù)字經(jīng)濟時代。云計算技術(shù)的發(fā)展和應用程度是各國數(shù)字計劃進程的重要標識。

很多研究機構(gòu)都提出了關(guān)于云計算的定義，以指導云計算的技術(shù)研究和應用推廣。美國國家技術(shù)和標準研究院(NIST，National Institute of Standards and Technology)將云計算定義為：“云計算是一個提供便捷可經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)訪問一個可定制計算資源共享池能力模式（計算資源包含網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存放、應用和服務(wù)）；這些資源能夠快速布署，并只需要極少管理工作或與服務(wù)供給商極少交互?！边@一定義得到廣泛認可[4]。

2.2 云計算融合意義重大

2.2.1 資源潛力深度挖掘，強力支撐智慧管網(wǎng)平臺建設(shè)

隨著新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合發(fā)展，圍繞硬件架構(gòu)、軟件算法和應用場景等全方位技術(shù)研究和應用，云計算潛力被挖掘，極大提升硬件資源性能和運行效率，滿足數(shù)據(jù)大規(guī)模、應用高并發(fā)等現(xiàn)實需求，各領(lǐng)域?qū)υ朴嬎闳谌胄枨蟾悠惹?。有效解決智慧城市管網(wǎng)資源支撐不足、應用效率不高和服務(wù)體驗差等問題。

2.2.2 有效集成人工智能等新一代信息技術(shù)，助推城市管理智能化進程

云計算為人工智能的發(fā)展和應用提供強大的計算能力和數(shù)據(jù)資源供給能力保障，解決人工智能在深度學習領(lǐng)域上的性能瓶頸，提升人工智能的發(fā)展速度。在智慧城市建設(shè)方面，云計算可以統(tǒng)籌海量終端、按需控制、共享資源等特點，滿足智慧城市建設(shè)過程中涉及到海量的電子終端與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

2.3 搭建云計算支撐架構(gòu)

云計算架構(gòu)是平臺運行滿足資源高可用、高性能計算、高并發(fā)分布式計算的重要基礎(chǔ)支撐。需重點考慮以下兩個方面：

（1）彈性云資源環(huán)境。基于OpenStack 框架構(gòu)建基于云架構(gòu)的支撐環(huán)境，利用虛擬化云存儲、負載均衡和并行計算，實現(xiàn)對整體硬件網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一利用，滿足高并發(fā)、彈性的資源需求。

（2）Docker 容器化部署。利用容器化部署方式用于構(gòu)建、管理和運維智慧城市地下管線平臺。將平臺運行依賴環(huán)境（環(huán)境配置、框架、庫和運行時）進行封裝至Docker 容器，使平臺程序的動態(tài)可移植，即可實現(xiàn)分布式高并發(fā)計算，也可滿足高性能集群計算。充分保障平臺運行高效可靠。

3 智慧城市地下管線綜合管理平臺建設(shè)

3.1 建設(shè)目標

以地下管網(wǎng)的空間信息和屬性信息為核心，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和云計算技術(shù)對城市地下管網(wǎng)進行綜合管理，為管理部門提供地下管網(wǎng)準確時空信息，構(gòu)建地下管網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型，研發(fā)符合實際管線業(yè)務(wù)管理的專業(yè)分析和空間分析功能模塊，建成智慧城市地下管線綜合管理平臺，提供有效輔助決策，實現(xiàn)管線綜合管理的科學化、自動化和智慧化。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計采用多層服務(wù)架構(gòu)（如圖1所示），結(jié)合COM和SOA 架構(gòu)思想，以通用性、穩(wěn)定性為主導，進行分層設(shè)計和開發(fā)，橫向以功能類別為導向，縱向以服務(wù)內(nèi)容為導向，逐級設(shè)計，逐步細化各組件的顆粒度。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture of the system

三維可視化選用Skyline 開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫管理采用Postgresql+PostGIS 進行集中管理，系統(tǒng)開發(fā)采用Java 開發(fā)語言。管線矢量數(shù)據(jù)采用OGC 標準的WMS、WFS 協(xié)議進行發(fā)布和共享。

基于云計算架構(gòu)，實現(xiàn)平臺部署、應用，按照平臺對計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源的實際需求進行彈性資源分配、虛擬資源的啟停，保障資源高效率使用和平臺運行的高效率。

3.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，包括硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全、基礎(chǔ)軟件工具等三類資源。其中硬件設(shè)備包括：服務(wù)器、存儲設(shè)備、交換設(shè)備、工作站及打印機等設(shè)備。安全機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括病毒防御、防護沙箱、防火墻、電信聯(lián)通等寬帶網(wǎng)絡(luò)接入通道。基礎(chǔ)軟件包括基礎(chǔ)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理軟件以及基礎(chǔ)工具軟件等。采用虛擬化技術(shù)和云管理軟件，可以充分利用硬件設(shè)施資源，定制快速分發(fā)的云系統(tǒng)模板，提高基礎(chǔ)硬件資源的利用率和保障率，減輕維護人員的維護工作量。

3.2.2 數(shù)據(jù)層

采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的混合架構(gòu)管理模式，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計參數(shù)庫、管線脫密，接引管線感知數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)數(shù)據(jù)、管線現(xiàn)勢庫、管線規(guī)劃庫、管線業(yè)務(wù)庫、管線資料庫、三維管線庫等數(shù)據(jù)資源。充分利用各類數(shù)據(jù)管理平臺的優(yōu)勢，通過ETL 工具、抽取、轉(zhuǎn)化、調(diào)度等組件，打通各類數(shù)據(jù)之間流轉(zhuǎn)通道，構(gòu)建一體化高效的管線資源管理平臺。

3.2.3 組件服務(wù)層

組件服務(wù)層采用微服務(wù)架構(gòu)的方式組織編排基礎(chǔ)功能組件，各組件可以采用相對獨立開發(fā)技術(shù)和部署環(huán)境。組件服務(wù)層由公共微服務(wù)組件和專業(yè)微服務(wù)組件共同組成。應用服務(wù)層基于組件服務(wù)層封裝的類業(yè)務(wù)組件和公共組件，通過基于統(tǒng)一語義和規(guī)則的服務(wù)接口，靈活的實現(xiàn)各種應用的業(yè)務(wù)邏輯功能和服務(wù)發(fā)布。主要應包含通用的工作流程管理、二三維地圖管理、系統(tǒng)消息管理、同一用戶認證管理等基礎(chǔ)組件。

3.2.4 應用服務(wù)層

由管線共享交換平臺和管線數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺組成。管線共享交換平臺主要包含了管線統(tǒng)計分析成果發(fā)布、管線脫密數(shù)據(jù)發(fā)布、共享目錄及元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)交換服務(wù)等應用。管線數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺主要包含了綜合供圖、數(shù)據(jù)動態(tài)更新、竣工匯交、管線年度計劃管理、管線供圖及竣工匯交中的檔案資料管理等功能模塊。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 多源數(shù)據(jù)三維一體化集成展示

基于Skyline 基礎(chǔ)三維平臺，從數(shù)據(jù)加載、渲染、壓縮傳輸?shù)榷嗑S度，進行算法研究和模塊化開發(fā)，大大縮短響應時間和提升用戶體驗。三維模塊可直接加載大數(shù)據(jù)量城市正射影像數(shù)據(jù)進行三維場景的快速構(gòu)建，具備地上的建筑物傾斜模型數(shù)據(jù)、地表影像數(shù)據(jù)、地下管線模型數(shù)據(jù)的二三維一體化高效集成、展示。同時平臺能夠兼容各類三維模型城市地下管線探測和管線數(shù)據(jù)信息化建設(shè)工數(shù)據(jù)，為主流的點云、BIM 模型等數(shù)據(jù)的加載融合，提供技術(shù)支撐接口。

3.3.2 三維管線自動化建模

研究、建立三維管線的自動化建模工作流程和技術(shù)方法。外業(yè)探測技術(shù)數(shù)據(jù)采集標準遵循各屬地相關(guān)數(shù)據(jù)庫標準，基于CAD 和Skyline 平臺，開發(fā)涵蓋外業(yè)探測管線數(shù)據(jù)匯聚管理、數(shù)據(jù)規(guī)范性檢查、屬性自動識別、二維管線成圖、幾何拓撲檢查、三維管線模型生成等建模流程環(huán)節(jié)的三維管線自動化建模工具，二維管線數(shù)據(jù)以CAD、MDB 格式進行存儲，能夠兼容和轉(zhuǎn)化Shapefile 矢量數(shù)據(jù)格式。確保三維模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)實性，提升平臺應用的可靠性和高效性。

3.3.3 圖庫聯(lián)動和管線三維分析

三維管線分析功能是管線信息化的重要特點和技術(shù)優(yōu)勢。按照“圖庫聯(lián)動”的思路，加強三維模型Skyline基礎(chǔ)平臺和PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫的運行協(xié)同。在程序自動建模過程中，通過唯一ID 標識建立模型和數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)三維自動建模，保障三維模型和數(shù)據(jù)庫屬性的數(shù)據(jù)一致性，極大提高數(shù)據(jù)讀取速度和三維模型生成、展示效率?；凇皥D庫聯(lián)動”數(shù)據(jù)底座，研發(fā)高效、實用的管線專業(yè)分析功能（碰撞分析、爆管分析、剖面分析、連通性分析等）。平臺應用服務(wù)能力進一步增強。

3.4 系統(tǒng)功能

圍繞建設(shè)目標，梳理平臺建設(shè)需求。采用二三維基礎(chǔ)地理信息平臺，按照幾何建模、紋理貼圖、整合修飾等數(shù)據(jù)處理步驟，基于真實地理坐標高效、高精度、高質(zhì)量地建立完全貼合城市地上建構(gòu)筑物全貌和地下管網(wǎng)立體布局的“城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)底座”，開發(fā)、構(gòu)建“可視化、可對接、可共享”的智慧城市地下管線綜合管理平臺。重點突出能夠提供與智慧城市相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接的數(shù)據(jù)服務(wù)和功能接口，且保證為其他增值業(yè)務(wù)提供良好的擴展接口，滿足未來的平臺業(yè)務(wù)擴展的需要。

按照實際需求，開發(fā)包括管線數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享交換、計劃管理、項目管理、應用分析、管線巡查、輔助決策、管網(wǎng)數(shù)據(jù)動態(tài)維護、平臺運維等功能模塊。核心功能主要包括滿足地下管線規(guī)劃設(shè)計的管線橫縱剖面分析、凈距分析、流向聯(lián)通分析，以及支撐地下管線建設(shè)施工的開挖分析、覆土分析，以及輔助管線維護的爆管分析、閥門定位分析等相關(guān)功能。

4 結(jié)論

城市綜合管線實施智慧化管理，借助云計算提供充足且彈性化云資源，構(gòu)建滿足城市地下管線智慧化管理的技術(shù)架構(gòu)和應用體系，重點解決數(shù)據(jù)更新實效性不強、綜合管線與專業(yè)管線融合匹配難、共享服務(wù)途徑不通、工作協(xié)同不暢、應用服務(wù)不實際、運行效率低和使用體現(xiàn)差等突出問題。未來，云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)融合城市地下管線管理，必將大大加快地下管線管理智慧化進程，真正實現(xiàn)城市智慧化管理，促進城市健康可持續(xù)發(fā)展。