三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究
——以山東省禹城市為例

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(jù)，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(xiàn)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(wǎng)資料暴露出圖檔信息不全、現(xiàn)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(tǒng)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(jīng)過幾年的建設，其下轄的禹城市在地下管線信息系統(tǒng)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(tǒng)已經(jīng)朝著三維和智慧的方向推進，三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)應運而生，該系統(tǒng)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(gòu)建起一個集管網(wǎng)數(shù)據(jù)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(tǒng)。本系統(tǒng)的建設對于實現(xiàn)城市地下管網(wǎng)的規(guī)范化、科學化、數(shù)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(tǒng)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及功能設計進行了介紹，重點探討了系統(tǒng)建設中應用到的三項關鍵技術(shù)，解決了二三維一體可視化、數(shù)據(jù)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(tǒng)方案已通過論證即將進入實施階段。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)采用層次式的技術(shù)架構(gòu)，將多源、多類型的地下管網(wǎng)資源進行有機組織，實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)服務。該系統(tǒng)按照層狀結(jié)構(gòu)劃分為應用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎設施層，與網(wǎng)絡環(huán)境下(B/S)層次結(jié)構(gòu)相對應[3]，直接面對不同用戶群體的需求，實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理、發(fā)布、決策和分析功能(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

1.2.1 數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)

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

圖2 數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)圖

1.2.2 數(shù)據(jù)庫建設

地下管線數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括空間地形數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)和管線屬性數(shù)據(jù)3種類型[5]。空間地形數(shù)據(jù)主要包括與管線相關或者相鄰的基礎地理數(shù)據(jù)；管線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過管線探測及調(diào)查得到。管線屬性數(shù)據(jù)即地下管線需要進入數(shù)據(jù)庫的相關數(shù)據(jù)，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(shù)、光纜條數(shù)、總孔數(shù)、已用孔數(shù)、建設年代、權(quán)屬單位、連接方向、截面等屬性。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)進行調(diào)試，等數(shù)據(jù)處理完善后，再將其集中進行入庫。

圖3 數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)功能設計

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)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(tǒng)，不但能實現(xiàn)管線信息的地上地下一體化展示、查詢、統(tǒng)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(wǎng)信息化管理[7]。本系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)動態(tài)管理、數(shù)據(jù)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(tǒng)管理

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

1.3.2 數(shù)據(jù)動態(tài)管理

主要實現(xiàn)地下管線探測后，數(shù)據(jù)的自動檢查、自動生成管線圖、數(shù)據(jù)接邊處理、數(shù)據(jù)入庫、編輯整理和多種格式的輸出。該系統(tǒng)主要為數(shù)據(jù)管理人員使用，在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對現(xiàn)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(nèi)管線查詢統(tǒng)計，對管線進行多種信息的標注。

1.3.3 數(shù)據(jù)自動更新

實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫是否有最新管線數(shù)據(jù)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(tǒng)里，使三維場景和二維場景自動保持同步[10]。同時，系統(tǒng)可以將后臺數(shù)據(jù)庫的全市地下管線數(shù)據(jù)進行定期的自動備份和恢復，保障數(shù)據(jù)的安全。

1.3.4 三維綜合應用

實現(xiàn)三維場景的構(gòu)建以及對管線的瀏覽、查詢、統(tǒng)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(gòu)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(xiàn)地下管線及相關基礎地理數(shù)據(jù)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(tǒng)計，隨時掌握地下管線信息，同時可通過網(wǎng)絡平臺上傳最新竣工數(shù)據(jù)，實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，保障建設成果的長久生命力[11]。

2 關鍵技術(shù)

2.1 基于skyline的二三維一體可視化技術(shù)

Skyline軟件為網(wǎng)絡和非網(wǎng)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(wǎng)絡環(huán)境下進行基本數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)分析等[12]。禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)采用Skyline作為三維GIS平臺，綜合運用其三維GIS仿真技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實現(xiàn)了二三維一體化展示和分析。三維海量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)布是Skyline特有的專利技術(shù)，本系統(tǒng)充分利用該技術(shù)將不同來源、不同分辨率的多源影像和管線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與三維空間數(shù)據(jù)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(tǒng)一的空間坐標系統(tǒng)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(xiàn)了二三維空間的一體化展示。此外，本系統(tǒng)基于Skyline實現(xiàn)了地下管網(wǎng)的二三維一體化數(shù)據(jù)分析，使用戶能夠在瀏覽逼真的三維管線的同時也能實現(xiàn)復雜的統(tǒng)計分析功能，具有等高線分析、地形分析、土方量分析、地形調(diào)整等功能[13]。本系統(tǒng)基于skyline將二維與三維的優(yōu)勢進行互補，有效實現(xiàn)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(shù)據(jù)動態(tài)管理更新技術(shù)

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)支持多源、多時段、多尺度、豐富屬性的海量地理信息數(shù)據(jù)資源，同時充分考慮到用戶現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的情況，能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，提供簡便的方式將客戶現(xiàn)有全生命周期管線數(shù)據(jù)資源進行整合并輸入系統(tǒng)。獨創(chuàng)的動態(tài)管理更新技術(shù)，通過調(diào)用緩存減少從較慢的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，從而能夠最大化提升系統(tǒng)對海量管線信息數(shù)據(jù)訪問及更新效率。本系統(tǒng)還通過統(tǒng)一對象標識編碼對地下管線全生命周期數(shù)據(jù)進行管理，對象標識指的是以實物或電子數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)以及管線管控活動中產(chǎn)生的規(guī)劃建設數(shù)據(jù)、日常運維數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、事故及處置數(shù)據(jù)、報廢處理數(shù)據(jù)等信息進行匯總，生成管線全生命周期數(shù)據(jù)。當管線數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)可對變化區(qū)域的管線數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)檢查和自動更新入庫，并將廢棄的管線存入歷史數(shù)據(jù)庫，從而保證現(xiàn)勢庫中的數(shù)據(jù)能夠真實、準確地反映地下管線現(xiàn)狀[16](圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)動態(tài)管理更新界面

圖6 爆管分析界面

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感與實時監(jiān)控技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是當前流行的前沿技術(shù)，其將人、機、物通過互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)互通，以實現(xiàn)對各種物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[17]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)據(jù)信息進行傳輸并展示在物聯(lián)網(wǎng)管理平臺中[18]，物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感與實時監(jiān)控技術(shù)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(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)的這兩項技術(shù)實現(xiàn)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(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)分析模型對采集到的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)根據(jù)監(jiān)控到的數(shù)據(jù)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(tǒng)則會根據(jù)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(jié)語

根據(jù)山東省禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)建設的需求，文章詳細分析了系統(tǒng)建設的總體架構(gòu)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及功能設計，并重點探討了系統(tǒng)建設中應用到的三項關鍵技術(shù)。三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)的建設實現(xiàn)了城市地下管線信息的集中統(tǒng)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(jù)，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(tǒng)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(tǒng)將在現(xiàn)有成果的基礎上不斷完善，更好的帶動關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更好地服務于城市的建設和社會發(fā)展。