摘" 要：隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，作為“城市生命線”的地下管線建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)張，管線管理已成為韌性城市的重要環(huán)節(jié)，采用智慧化手段提升地下管線管理效能勢(shì)在必行。該文從數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)發(fā)布與共享等方面介紹增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地下管線智慧化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出突破原有傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、預(yù)測(cè)預(yù)警、智能分析，切實(shí)推動(dòng)管線運(yùn)營(yíng)、安全管理、隱患治理能力為目標(biāo)的智慧化管理系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，為全面推進(jìn)韌性城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：地下管線；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；智慧化；城市運(yùn)行安全；管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P258" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）01-0189-04

Abstract： With the rapid development of urbanization in China， the scale of underground pipeline construction as the \"lifeline of the city\" has expanded rapidly. Pipeline management has become an important part of resilient cities. It is imperative to use intelligent means to improve the efficiency of underground pipeline management. This paper introduces the application of augmented reality（AR） technology in the intelligent management system of underground pipelines from the aspects of data visualization， data release and sharing， and proposes to break through the original traditional single data management function， realize risk identification， prediction and early warning， and intelligent analysis， and effectively improve pipeline operation， safety management， and hidden danger management capabilities. Suggestions for the construction and development of intelligent management systems aim at providing technical support for comprehensively promoting the construction of resilient cities.

Keywords： underground pipeline; augmented reality; intelligence; urban operation safety; management system

城市地下管線作為維持城市生產(chǎn)生活正常運(yùn)轉(zhuǎn)、確保城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是擔(dān)負(fù)著輸送物質(zhì)、能量和傳輸信息的“城市生命線”。隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，地下管線的建設(shè)規(guī)模也隨城市人口和產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)的日益突出而迅速擴(kuò)張[1]。根據(jù)國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《2022年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[2]數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國(guó)管線總長(zhǎng)度達(dá)349萬(wàn)km。而國(guó)內(nèi)城市管理重地上、輕地下的現(xiàn)象一直存在，地下管線的管理因其隱蔽性一直是難點(diǎn)[3]，特別是我國(guó)城市發(fā)展進(jìn)入城市更新重要時(shí)期以來(lái)，對(duì)于地下管線的管理更是面臨著巨大考驗(yàn)。多年來(lái)，各類地下管線事故頻發(fā)，給城市管理、居民安全都帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。黨的二十大報(bào)告提出：“堅(jiān)持人民城市人民建、人民城市為人民，提高城市規(guī)劃、建設(shè)、治理水平，加快轉(zhuǎn)變超大特大城市發(fā)展方式，實(shí)施城市更新行動(dòng)，加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造宜居、韌性、智慧城市。”可見，提高城市韌性，增強(qiáng)城市運(yùn)行的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，正成為現(xiàn)代城市建設(shè)管理的重大課題。隨著人工智能、區(qū)塊鏈、元宇宙等前沿科技在城市場(chǎng)域中契合賦能，城市治理的科學(xué)化、精細(xì)化和智能化水平獲得極大提升，而韌性城市建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，其中地下管線智慧化管理工作，對(duì)城市管理者仍具有較大挑戰(zhàn)。

1" 我國(guó)地下管線智慧化管理現(xiàn)狀

在管線改造過(guò)程中，因歷史原因缺少有效數(shù)據(jù)，為規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工改造等工作帶來(lái)諸多困難，而開挖過(guò)程中導(dǎo)致的地下管線受外力破壞引發(fā)的事故層出不窮，給管線運(yùn)行安全帶來(lái)極大危害[4]。初步估算，運(yùn)行超過(guò)20年的老舊管線占比不低于30%。當(dāng)前，地下管線的管理工作主要面臨2方面問(wèn)題：一是因管線自身結(jié)構(gòu)性隱患導(dǎo)致的安全事故風(fēng)險(xiǎn)，如老舊管線的銹蝕、漏損；二是因施工外力破壞導(dǎo)致的突發(fā)事故，這類事故往往造成的損失較大，影響比較惡劣。據(jù)中國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2023年全國(guó)已經(jīng)核實(shí)原因的燃?xì)馐鹿手?，因第三方施工外力破壞?dǎo)致的天然氣管網(wǎng)事故占比最高，達(dá)到事故總量的85.2%。因此，通過(guò)智慧化手段提升地下管線管理水平，切實(shí)減少各類安全事故的發(fā)生勢(shì)在必行。

2014年，《國(guó)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(guó)辦發(fā)〔2014〕27號(hào)）中提出：“用10年左右時(shí)間，建成較為完善的城市地下管線體系，使地下管線建設(shè)管理水平能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，應(yīng)急防災(zāi)能力大幅提升?！苯陙?lái)，全國(guó)地級(jí)以上城市已基本建成或正在加緊建設(shè)地下管線綜合管理系統(tǒng)，但是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性、可用性等方面仍存在諸多不足。一是歷史數(shù)據(jù)難以收集，地下管線建設(shè)周期長(zhǎng)，老舊管線大多因年代問(wèn)題資料缺失，而現(xiàn)有技術(shù)手段對(duì)一些埋深較深、PE材質(zhì)的管線難以精確測(cè)量，使地下管線數(shù)據(jù)的全面準(zhǔn)確性難以保證。二是數(shù)據(jù)共享范圍不大，而現(xiàn)有地下管線平臺(tái)功能單一，缺乏實(shí)用化管理工具來(lái)輔助日常養(yǎng)護(hù)、施工、搶修工作，地下管線養(yǎng)護(hù)工作還處于被動(dòng)方式，當(dāng)出現(xiàn)事故后也無(wú)法快速響應(yīng)和處置。三是數(shù)據(jù)更新持續(xù)性差，隨著我國(guó)管線更新改造成為城市更新的重要組成部分，管線數(shù)據(jù)更新對(duì)信息化管理的要求非常高，很多城市早年建設(shè)了智慧管線平臺(tái)后，因數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)更新而導(dǎo)致系統(tǒng)逐漸失效。

2" 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地下管線智慧化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的信息化手段主要是通過(guò)普查探測(cè)將地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫(kù)，通過(guò)城市信息模型（CIM）平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)管線二維、三維一體化管理，但是在實(shí)際應(yīng)用中往往只能看，而無(wú)法做到隨用隨取，對(duì)地下管線設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等管理工作也缺乏實(shí)際指導(dǎo)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度，并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。隨著元宇宙產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及移動(dòng)終端運(yùn)算能力的提升，目前AR技術(shù)的用途越來(lái)越廣[5]?；贏R技術(shù)的地下管線智慧化管理系統(tǒng)，就是能夠建立從管線數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)更新的全生命周期管理模式，同時(shí)，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，發(fā)揮信息化系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工作的應(yīng)用價(jià)值，該系統(tǒng)集智能監(jiān)控、管網(wǎng)運(yùn)行、設(shè)備維護(hù)、應(yīng)急操作、運(yùn)行維護(hù)調(diào)度和隱患管理等多種復(fù)雜業(yè)務(wù)流程于一體的綜合體，因此，其建設(shè)應(yīng)遵循安全性、可靠性、實(shí)用性、拓展性、開放性和先進(jìn)性等原則。

2.1" 地下管線數(shù)據(jù)可視化

三維管線可視化，是根據(jù)其數(shù)據(jù)類型劃分為不同圖層，如供水管線、排水管管線、燃?xì)夤芫€和熱力管線等，每類管線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本相同，并且根據(jù)其特性繼續(xù)細(xì)分為管線端、管點(diǎn)、附屬物和特征物等，基于管線數(shù)據(jù)層次——網(wǎng)絡(luò)模型，形成近似為樹形結(jié)構(gòu)，葉結(jié)點(diǎn)有所合并，有利于節(jié)省存儲(chǔ)空間。每種管線的管點(diǎn)平面坐標(biāo)、埋深、顏色、半徑等為空間數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管線建模與三維立體化。

地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)建立是智慧化管理系統(tǒng)建設(shè)的核心，根據(jù)城市地下管線所包含的數(shù)據(jù)類型，包括地下管線三維空間信息和屬性信息，其數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從2方面考慮：一是要便于數(shù)據(jù)的組織、管理和應(yīng)用，既能滿足規(guī)劃管理的需要，又符合專業(yè)管線單位管理的應(yīng)用拓展；二是要便于管理空間分析模型的建立與實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭臻g分析模型的建立與實(shí)現(xiàn)主要依賴于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

地下管線數(shù)據(jù)建庫(kù)的工具一般采用國(guó)產(chǎn)地理信息平臺(tái)（desktop），或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)處理工具入庫(kù)，主要包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、制圖顯示、空間分析、拓?fù)浞治?、三維模型和數(shù)據(jù)建模等功能。

2.2" 地下管線數(shù)據(jù)發(fā)布與共享

基于CIM模型，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎(chǔ)，將地下管線數(shù)據(jù)融入到三維應(yīng)用管理系統(tǒng)之中，充分利用三維可視化和AR等技術(shù)，對(duì)地下管線進(jìn)行詳實(shí)的展示，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部地區(qū)地下管線空間分布狀況的查閱，又可對(duì)城市區(qū)域地上、地下管線進(jìn)行全景模擬瀏覽，另外通過(guò)可信執(zhí)行環(huán)境下內(nèi)嵌部分同態(tài)加密的隱私計(jì)算技術(shù)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理階段，將地下管線數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)部分同態(tài)加密處理，允許在加密狀態(tài)下進(jìn)行特定計(jì)算，確保數(shù)據(jù)隱私。

全面實(shí)現(xiàn)城市地下管線的三維顯示與應(yīng)用管理，使本來(lái)隱藏在地下錯(cuò)綜復(fù)雜的管線更加清晰明了，實(shí)現(xiàn)真正意義上城市決策信息資源的數(shù)字化和可視化，充分體現(xiàn)出輔助決策的科學(xué)性和先進(jìn)性。

智慧化管理三維應(yīng)用系統(tǒng)以其強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用，能夠有效解決數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等問(wèn)題，切實(shí)提升城市地下管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)直到廢棄的全生命周期管理水平，從傳統(tǒng)效果圖、三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)模式提升到數(shù)字技術(shù)發(fā)展的改變。另外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地下管線環(huán)境從過(guò)去到未來(lái)變化狀態(tài)及趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)的模擬、仿真和預(yù)測(cè)，通過(guò)地下管線空間數(shù)據(jù)來(lái)建立一個(gè)逼真的、立體的三維環(huán)境，為地下管線綜合管理提供全方位、立體化場(chǎng)景展示。

2.3" 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與移動(dòng)應(yīng)用

通過(guò)“BIM（地理信息模型）+AR”、點(diǎn)云掃描、北斗定位和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分等尖端技術(shù)，為地下管網(wǎng)、城市管理等場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)采集終端可視化應(yīng)用，將地下管線數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景從辦公室搬到施工現(xiàn)場(chǎng)，將平面圖紙變?yōu)檎鎸?shí)可見的三維立體場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)智慧化管理系統(tǒng)全面升級(jí)。

以移動(dòng)終端設(shè)備的攝像頭實(shí)時(shí)采集的現(xiàn)實(shí)環(huán)境為背景，實(shí)時(shí)疊加終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)用戶權(quán)限的地下管線虛擬數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行即時(shí)性的匹配，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的瀏覽模式，幫助管理人員直觀了解地下管線的現(xiàn)狀、分布、走向及管線間的相互關(guān)系，如圖1所示。基于對(duì)地下管線隱蔽數(shù)據(jù)的穿透查詢，能夠進(jìn)一步詳細(xì)分析各類地下管線的拓?fù)潢P(guān)系，如斷面分析、覆土分析、水平凈距和垂直凈距等，并根據(jù)管線坐標(biāo)、高程、管徑以及材質(zhì)等重要數(shù)據(jù)，為管線施工、應(yīng)急搶險(xiǎn)等工作提供真實(shí)準(zhǔn)確的地下空間情況，確保施工現(xiàn)場(chǎng)的開挖安全。

3" 北京城市副中心應(yīng)用實(shí)踐

北京城市副中心地下管線增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輔助定位、手動(dòng)位置糾偏、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引擎、識(shí)別與跟蹤、管線增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)瀏覽、管線切換、管線穿透查詢和管線穿透分析等功能。

3.1" 管線設(shè)計(jì)與竣工測(cè)量應(yīng)用

地下管線信息具有空間位置復(fù)雜、種類繁多、數(shù)據(jù)量大、更新速度快的特點(diǎn)，通過(guò)地下管線的空間模型建立，可以為規(guī)劃設(shè)計(jì)與工程建設(shè)人員，提供形象觀測(cè)地下管線的復(fù)雜分布和相應(yīng)空間關(guān)系的立體特征，能直觀了解地下管線的類型、屬性、位置和展布方向，掌握某一特定地區(qū)的地下管線結(jié)構(gòu)狀況，從而保證管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，如圖2所示。移動(dòng)終端應(yīng)用，可以幫助設(shè)計(jì)人員在現(xiàn)場(chǎng)直觀了解地下管線分布情況，并可以在真實(shí)環(huán)境下模擬管線布設(shè)、分析管線碰撞關(guān)系。在管線竣工驗(yàn)收時(shí)，將原始設(shè)計(jì)圖紙調(diào)取出來(lái)，在覆土之前與施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)真實(shí)影像比對(duì)，能夠更加準(zhǔn)確地掌握管線施工情況。在竣工測(cè)量過(guò)程中，結(jié)合移動(dòng)應(yīng)用終端，將數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，為管線更新提供更加高效便捷的通道。

3.2" 管線施工數(shù)據(jù)應(yīng)用

AR技術(shù)與地下管網(wǎng)的結(jié)合，在地下管網(wǎng)改造更新、管線搶修等工作中，具有極大的施工指導(dǎo)意義，能夠?yàn)槭┕挝惶峁┑谝皇譁?zhǔn)確資料，確保施工過(guò)程中的管線安全。在施工防外力破壞和隱患治理等工作中，不管是查看歷史管線與施工情況，還是與現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行比對(duì)，都可以幫助施工單位做出更好的決策以避免失誤。結(jié)合AR技術(shù)，可以在任意位置、角度查看地下管網(wǎng)的BIM模型，如圖3所示。通過(guò)應(yīng)用終端模擬管線開挖，分析管線施工區(qū)域的情況，合理制定施工方案，能夠輔助施工人員在不破壞道路表面的情況下，將埋藏于地下的地下管線顯現(xiàn)出來(lái)，做到隱蔽工程可視化，將曾經(jīng)的不可能變?yōu)榭赡?。讓工作人員即使是面對(duì)未知的地下世界，也可以做到對(duì)每根管線的位置了然于心，從而在管線開挖時(shí)可以對(duì)癥下藥。

4" 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)從提出建設(shè)韌性城市到全面推進(jìn)韌性城市建設(shè)，地下管線管理在城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市安全運(yùn)行中的地位愈發(fā)凸顯，基于AR技術(shù)的地下管線智慧化管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的桌面端與移動(dòng)端地下管線系統(tǒng)進(jìn)行融合，更高效、低成本、無(wú)障礙地使地下管線數(shù)據(jù)資源發(fā)揮作用，從而改變傳統(tǒng)的GIS應(yīng)用方法和建設(shè)模式，將對(duì)保障管線安全運(yùn)行起到不可忽視的作用。智慧化管理系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，應(yīng)突破原有傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)管理功能，要在管線運(yùn)營(yíng)、安全管理、隱患治理等工作中發(fā)揮出更大的作用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管線風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、預(yù)測(cè)預(yù)警、智能分析等精細(xì)化管理。從收集真實(shí)數(shù)據(jù)、擴(kuò)大數(shù)據(jù)共享范圍和持續(xù)更新數(shù)據(jù)等方面尋求突破，不斷加強(qiáng)數(shù)據(jù)賦能，使地下管線智慧化管理系統(tǒng)真正發(fā)揮“智能中樞”作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張修男.城市燃?xì)庵腔酃芫W(wǎng)技術(shù)的探究[J].智能建筑與智慧城市，2022（5）：166-168.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2022年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒[Z].2022.

[3] 權(quán)鋒.市政工程勘察過(guò)程地下管線保護(hù)難點(diǎn)與措施分析[J].工程技術(shù)研究，2019，4（6）：219-220.

[4] 談生磊，侯天錄，姜永宏，等.基于物聯(lián)網(wǎng)通訊及云端服務(wù)地埋電纜防開挖破壞預(yù)警裝置[J].電力設(shè)備管理，2023（22）：229-231.

[5] 高翔，安輝，陳為，等.移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化綜述[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2018，30（1）：1-8.