城市地下管道信息服務平臺建設探討

一、引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展、城市化步伐的加快以及城市規(guī)模的擴大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，城市地上環(huán)境日趨整潔，作為城市重要基礎的城市地下空間設施規(guī)模越來越龐大、密集，種類越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復雜，城市管理部門需要管理的設施已由單一、簡單的形式發(fā)展到包括給水、排水（雨水、污水、雨污合流）、燃氣、熱力、電力、通訊（電信、移動、聯(lián)通、鐵通、網(wǎng)通、長途傳輸）、有線電視、地下管廊、工業(yè)管道、地鐵、人防空間、過街地道、地下車庫、地下商城等多類別、多權(quán)屬且布局復雜的地下空間設施。

城市地下管道是城市的“生命線”，城市地下管道如同人體內(nèi)的“血管”和“神經(jīng)”，日夜擔負著輸送物質(zhì)、能量和傳輸信息的功能，是現(xiàn)代化城市高效率、高質(zhì)量運轉(zhuǎn)的保證。城市地下管道現(xiàn)狀資料是城市規(guī)劃、建設和管理的基礎資料，也是電力、電信、燃氣、自來水、交通等各行業(yè)地下管線及設施安全運行的保證。盡快、全面、系統(tǒng)地管理好城市地下管道信息，是合理開發(fā)利用地下空間，保障各行業(yè)業(yè)務安全可靠運轉(zhuǎn)，以及城市進一步進行規(guī)劃、設計、施工及運行管理的信息基礎。

二、我國地下管道管理現(xiàn)狀、問題和趨勢

在我國城市發(fā)展的沿革中，由于歷史的種種原因，各種地下管道的圖紙和檔案繁多且不完整、不準確，圖檔管理維護手段落后，查詢、轉(zhuǎn)繪圖檔等工作效率低，圖檔的更新和歸檔不能做到迅速及時，遺漏、破損、老化、信息重復等問題較多，特別是數(shù)據(jù)采集不能跟上城市的發(fā)展進程，“現(xiàn)狀”反映滯后，庫存管理信息資源利用率低，且不方便。更為嚴重的是，城市多種地下管道資料的綜合利用非常困難，從而造成各類工程建設時，屢屢發(fā)生管線的意外事故，并進一步導致停水、停電、停氣、通訊中斷，甚至引起災害事故。在緊急災害事件發(fā)生時，更是無法同時準確的提供多種、多幅管線資料，進而造成調(diào)度、指揮、決策遲緩，以致直接和間接的經(jīng)濟損失嚴重。

國外發(fā)達國家大都完成了城市化進程，城市地下管道布局基本穩(wěn)定，也基本實現(xiàn)利用信息技術(shù)有效管理地下管道資料。而我國正處于高速城鎮(zhèn)化發(fā)展時期，城市面貌日新月異，城市地形地貌、用地、規(guī)劃布局不斷發(fā)生變化，新建、改建、擴建項目不斷增加，地下管道的資料采集、整理等工作需要跟上城市更新的步伐。然而，我國城市地下管道具有的多管理部門、多權(quán)屬部門的特點，使得城市綜合地下管網(wǎng)資料往往處于較為嚴重的分散狀況，地下管道的規(guī)劃審批在規(guī)劃部門，建設管理在城建部門、管道資料移交到城建檔案館，給水、燃氣、熱力、電力等專業(yè)管線都有各自的權(quán)屬單位，并且權(quán)屬單位一般都是國有企業(yè)性質(zhì)，這些單位根據(jù)自身業(yè)務需要掌握部分數(shù)據(jù)，因此，即便有電子化的地下管道數(shù)據(jù)，那也是分散各處、標準不一、無法整合、無法共享。

由于地下管線信息存儲的離散性，缺少地下管線信息共享的法規(guī)約束和共享激勵政策，以及沒有統(tǒng)一的地下管線信息共享支撐平臺，決定了地下管線信息需求者利用地下管線信息時，需要到多個單位和部門。[2]要改變這種狀況，就應查清城市地下管道的現(xiàn)狀，建立科學、準確、完整，動態(tài)的城市地下管道管理信息服務平臺，從而提高城市管理的水平，滿足城市規(guī)劃、建設、管理、運行和服務的需要。

通過建立城市地下管道信息服務平臺，制定城市地下管道相關政策、標準和規(guī)范，將地下管道普查成果作為信息平臺初始化建庫的數(shù)據(jù)來源，建立城市地下管道各政府部門和各權(quán)屬單位間數(shù)據(jù)采集、處理、移交、管理、利用的動態(tài)管理機制，確保及時獲取各類專業(yè)管線敷設、變更、廢棄等信息，為政府部門更好的規(guī)劃和管理城市地下空間服務，為權(quán)屬單位更好的開展專業(yè)管線工程的設計和安全施工提供便捷的服務。

三、城市地下管道信息服務平臺應用分析

（一）建立城市完整的地下管道綜合數(shù)據(jù)庫，解決數(shù)據(jù)分散和不精確的問題

建立完整準確的城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫，掌握城市給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信、工業(yè)等各類專業(yè)管道的基礎數(shù)據(jù)，包括管道空間位置、空間走向、網(wǎng)絡拓撲、管道材質(zhì)、埋設類型、管道結(jié)構(gòu)、抗震強度、權(quán)屬單位、建設年代、承載業(yè)務等基礎屬性信息，以及周邊地鐵、地下停車場、地下倉儲、防空防災設施等基本信息。同時支持各類專業(yè)管道運行狀態(tài)檢測和定位所需的擴展屬性信息，例如管道重點地段的狀態(tài)監(jiān)測設備和類型，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用諸如RFID等手段，對地下管道乃至管線進行標識，從而為管道管線的實時狀態(tài)分析和定位勘測提供基礎，方便地下管道管線的查找、維護和應急處置。

（二）建立城市地下管道數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制，解決數(shù)據(jù)缺乏現(xiàn)勢性的問題

城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫建設需要完整的、精確的數(shù)據(jù)來源，地下管道普查工作可以重新勘測獲取城市歷史的地下管道完整和精確的數(shù)據(jù)，這可以解決城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫的初始化工作。我國城市普遍處于快速更新和擴展的情況，如果地下管道的變更和新增情況無法及時獲取，必然造成已經(jīng)普查數(shù)據(jù)缺乏現(xiàn)勢性，而且開展地下管道普查是需要投入極大的人力、物力和財力，各地財政難以承受一輪一輪的普查資金投入，因此迫切需要建立城市地下管道數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制。

動態(tài)更新機制建立需要充分將相關政府部門和權(quán)屬單位的日常工作機制相結(jié)合，一方面加強地下管道竣工測量和成果備案管理、地下管道竣工測量成果移交規(guī)范和數(shù)據(jù)標準，及時獲取市政工程項目對地下管道變更情況和標準化數(shù)據(jù)并入庫；另一方面建立與各權(quán)屬單位地下管道數(shù)據(jù)庫的對接和協(xié)調(diào)機制，獲取各權(quán)屬單位自行施工調(diào)整或敷設管線的符合入庫標準的最新數(shù)據(jù)。

（三）建立城市地下管道數(shù)據(jù)有限共享機制，解決權(quán)屬單位積極性的問題

城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫的建設需要整合各政府部門和權(quán)屬單位現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，按照“共建共享、共享共建”的思想，才能建成城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫并持續(xù)保持現(xiàn)勢性。

為了提高各專業(yè)管道權(quán)屬單位提供數(shù)據(jù)的積極性，經(jīng)過匯總、整理和處理的城市綜合管道數(shù)據(jù)需要進行有共享，由于我國城市綜合地下管道的數(shù)據(jù)管理是屬于秘密級，不能全面對權(quán)屬單位進行開放，因此要建立有限共享的機制，建立完善綜合地下管道數(shù)據(jù)的區(qū)塊申請、審核和調(diào)用流程，在保障綜合地下管道數(shù)據(jù)安全性的前提下為權(quán)屬單位和施工單位提供較為準確的數(shù)據(jù)，可以有效減少由于信息缺失導致的地下管線損壞和各類后繼事故。

（四）實現(xiàn)城市地下管道運行狀態(tài)監(jiān)測，解決故障事前難以預判的問題

城市地下管道規(guī)模龐大、錯綜復雜，負擔著城市生產(chǎn)、生活所需能源的輸送及廢物、廢料輸出和通信信息資源傳送的工作，是城市基礎設施的重要組成部分，是城市賴以生存和發(fā)展的基礎。地下管道的安全運行和日常養(yǎng)護，對于城市的正常運轉(zhuǎn)來說非常重要，一旦出現(xiàn)故障，同時帶來停水、停電、停氣、通訊中斷、城市內(nèi)澇，燃氣管道的故障甚至可能帶來災害性事故。

各專業(yè)管道權(quán)屬單位通過安裝狀態(tài)監(jiān)測設備，實現(xiàn)對地下管道關鍵地段的溫度、濕度、煙霧、圖像、異響、有毒氣體等監(jiān)測，實現(xiàn)管道防火、防洪、防爆等自動化監(jiān)測。在此基礎上，各專業(yè)管道權(quán)屬單位開發(fā)建立管道故障預測、定位和搶修系統(tǒng)，實現(xiàn)管道故障的早期征兆捕獲預警、故障的實時定位、搶修隊伍的快速指揮等管理功能。同時，基于城市地下管道信息服務平臺之上開發(fā)地下管道綜合運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)和事故影響分析決策系統(tǒng)，根據(jù)管道的事故發(fā)生位置，加上空間信息和管道拓撲信息，實時分析其影響區(qū)域，結(jié)合所影響區(qū)域相關社會信息，以地理分布圖的形式顯示，能清楚地發(fā)現(xiàn)和分析因管道事故帶來的其它影響，為事故應急處理提供決策數(shù)據(jù)。

（五）支持城市地下管道的規(guī)劃設計，解決地下空間難以科學規(guī)劃的問題

在建立了城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫以及動態(tài)更新機制的前提下，掌握了較為完整和精確的城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于城市地下管道信息服務平臺，開發(fā)城市地下管道規(guī)劃設計系統(tǒng)實現(xiàn)管道的工程輔助設計，根據(jù)國家規(guī)范和其它標準以及現(xiàn)狀管道之間的關系，限定規(guī)劃管道的布設界限，并提供方便的管道圖形建立、編輯工具。同時，基于城市地下管道信息服務平臺開展城市地下綜合管廊的經(jīng)濟分析，實現(xiàn)地下管道乃至地下空間的科學規(guī)劃。

四、城市地下管道信息服務平臺基本架構(gòu)

城市地下管道信息服務平臺是一個符合城市現(xiàn)代化管理要求的分布式、開放式、模塊化、可擴充的信息化管理與服務平臺，能夠安全、可靠地為各協(xié)作單位提供數(shù)據(jù)和應用服務，同時在該平臺之上可運行多個相對獨立的綜合應用系統(tǒng)。

（一）平臺應用模式

城市地下管道信息平臺是在管道相關管理部門、權(quán)屬單位和工程建設單位等之間建立起一個城市地下管道數(shù)據(jù)采集、更新、處理、利用的順暢機制，圖1是城市地下管道信息平臺的基本應用模式：

地下管道信息服務平臺緊緊圍繞“公用基礎設施信息服務”這個核心來設計，在一個或者多個行業(yè)之間建立管道信息共享和應用服務的平臺，以消除信息孤島，防止重復建設，提高國家公用事業(yè)的運行效率。通過該平臺的建設，逐步消除各行業(yè)目前存在的地下管道數(shù)據(jù)冗余、重復、沖突等現(xiàn)象，最終實現(xiàn)準確、高效的地下管道統(tǒng)一管理。在設計上，充分考慮將來建立城市地下空間地理信息系統(tǒng)的需求，采用標準化、開放式的架構(gòu)，以實現(xiàn)將來進一步的擴展。

1、為地下管道管理部門提供的應用服務

城市規(guī)劃部門向平臺提供城市主干道地下管道普查數(shù)據(jù)，城建檔案部門向平臺提供城市小區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)，平臺向規(guī)劃、市政建設、市政管理、路政管理、交通管理、水利部門、城建檔案等政府部門提供綜合管道數(shù)據(jù)，提升各自業(yè)務管理能力。

2、為地下管道權(quán)屬單位提供的應用服務

各地下管道權(quán)屬單位向平臺提供管道承載主要業(yè)務信息、自行調(diào)整或敷設的管道數(shù)據(jù)，從平臺申請獲取某一區(qū)域綜合地下管道數(shù)據(jù)，提高其工程設計合理性和施工的安全性。

圖1 城市地下管道信息服務平臺應用模式

3、為工程建設相關單位提供的應用服務

工程建設單位向城建檔案部門查詢調(diào)出施工區(qū)域綜合地下管道數(shù)據(jù)，為管道合理設計和安全施工提供數(shù)據(jù)支持。工程建設單位、施工單位、監(jiān)理單位按照地下管道工程竣工成果移交規(guī)范及其竣工測量數(shù)據(jù)標準，及時移交城建檔案部門，由城建檔案部門將工程區(qū)域地下管道數(shù)據(jù)進行更新。

4、為市政府綜合管理部門提供的應用服務

基于城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫和城市地下管道信息服務平臺，開發(fā)地下管道規(guī)劃設計、地下管道運行狀態(tài)檢測、地下管道事故影響決策等系統(tǒng)，為城市地下管道的規(guī)劃、建設、運行及事故快速響應提供服務。

（二）平臺業(yè)務架構(gòu)

城市地下管道信息服務平臺整個體系結(jié)構(gòu)分為三層：數(shù)據(jù)層（包括數(shù)據(jù)獲取、存儲和維護等）、平臺層（包括信息總線服務、交換服務和元子功能服務等）、應用層（包括基于應用單元的綜合應用、管理部門應用和權(quán)屬單位應用等），見圖2。

1、數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是城市地下管道信息服務平臺的基石，缺乏完整準確的數(shù)據(jù)，難以開展各類數(shù)據(jù)分析、挖掘和專題建模，并為各類應用提供服務。數(shù)據(jù)層一般采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫作為關系或空間數(shù)據(jù)存儲，采用企業(yè)級GIS軟件進行空間數(shù)據(jù)的管理。主要存儲有城市地理空間數(shù)據(jù)（矢量、遙感等）和包含各類管道的地下管道數(shù)據(jù)庫，地下管道數(shù)據(jù)庫包括地下管道空間數(shù)據(jù)、地下管道屬性數(shù)據(jù)、地下管道服務數(shù)據(jù)、管道實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、管道監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)等。其中管道實時監(jiān)測數(shù)據(jù)從安裝的地下管道狀態(tài)監(jiān)測設備獲取，或者從各專業(yè)管道權(quán)屬單位數(shù)據(jù)庫中獲取。

2、平臺層

圖2 城市地下管道信息服務平臺業(yè)務架構(gòu)

平臺層主要由城市空間信息服務平臺、城市地下管道數(shù)據(jù)交換服務、城市地下管道信息服務總線和各元子功能服務組成。城市空間信息服務平臺基于GIS的管網(wǎng)建模與拓撲分析模塊提供了一個以管道應用為中心的面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型建立與維護工具，在這一模塊的基礎上，為應用層提供管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的分析功能。城市地下管道數(shù)據(jù)交換服務通過開放數(shù)據(jù)接口適配器，獲取各專業(yè)管道權(quán)屬單位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如電力電纜管理系統(tǒng)、電信光纜管理系統(tǒng)、燃氣管道管理系統(tǒng)等。城市地下管道信息服務總線是城市地下管道信息服務平臺的內(nèi)部信息通道，將各元子功能服務進行聯(lián)通。元子功能服務是為地下管道應用層提供支持的功能最小單元，主要數(shù)據(jù)功能服務、數(shù)據(jù)操作可視服務、管網(wǎng)拓撲分析服務、管網(wǎng)建模服務等。

3、應用層

應用層是基于城市地下管道綜合數(shù)據(jù)庫和信息服務平臺之上，開展面向政府管理部門、權(quán)屬單位的管道業(yè)務和分析應用。提供基礎應用單元、管道業(yè)務應用單元和管道分析應用單元，由這些應用單元，可以組合成城市地下管道綜合應用、管理部門應用和權(quán)屬單位應用。城市地下管道信息服務平臺是分布式、開放式、模塊化、可擴充的信息化管理與服務平臺，綜合應用、管理部門應用和權(quán)屬單位應用在物理上是可分布在各部門或單位，但在邏輯上是互聯(lián)互通的。

五、地下管道管理需要充分運用技術(shù)集成

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，城市地下管道管理服務平臺及其應用可以充分運用技術(shù)集成，為城市地下管道的科學規(guī)劃、設計、建設和安全運行提供更好的支持，下面舉幾個可集成應用的技術(shù)。

（一）運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行管道標識

地下信息的不可見性是地下管道信息管理面臨最大的難題，以RFID為基礎的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為該問題的解決提供了部分方案。通過在管道內(nèi)部以及管線上安置RFID標簽，實現(xiàn)管道及其內(nèi)各管線的準確標識，有利于將來對管道內(nèi)單元的快速辨識。由于RFID標簽可以進行遠距離射頻識別，可以幫助地面施工時對地下情況進行快速勘測，避免管道和管線破壞事故的發(fā)生。

（二）以拓撲為核心的數(shù)據(jù)建模方案

傳統(tǒng)的空間信息平臺往往以位置信息或者地學信息作為數(shù)據(jù)模型的基礎，而對于管道管理而言，管網(wǎng)拓撲及建立在拓撲之上的拓撲分析上才是解決問題的關鍵。以地下管網(wǎng)拓撲作為數(shù)據(jù)建模的核心，能夠很好地解決以連通性為基礎的管道管理問題。尤其是在共同溝（地下管廊）作為地下管道管理發(fā)展趨勢的情況下，地下管道及其內(nèi)管線的拓撲管理，將成為解決未來地下管道問題的關鍵。

（三）以移動互聯(lián)網(wǎng)為信息基礎架構(gòu)

地下管道具備地理沿布的特點，工程的勘測、施工、維護都需要人員大范圍的移動，而大型城市的地下工程更是規(guī)模龐大、錯綜復雜。采用移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，能夠?qū)⑿畔l(fā)布到任何計算機終端、手持設備、通信工具上，從而使工程人員具備隨時隨地管理網(wǎng)絡的能力。

（四）采用微型機器人進行數(shù)據(jù)勘測

微型機器人與平臺數(shù)據(jù)中心相配合，能夠?qū)Φ叵鹿艿肋M行勘測，自動傳回管道的位置、走向，并在人工指引下進行攝影、攝像、安裝RFID芯片、部署監(jiān)測傳感器等工作，從而部分解決地下管道勘測難、施工難的問題。

六、城市地下管道信息服務平臺實施策略

按照“統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施”的策略，城市地下管道信息服務平臺的建設分為如下幾個主要階段，根據(jù)各城市現(xiàn)有基礎和條件，各階段工作不一定是順序開展。

階段一：地下管道信息標準化

城市地下管道的管理牽涉到多個行業(yè)，是一項復雜的系統(tǒng)工程。在整個工程開展過程中，需要有一套科學、可行的工程實施步驟，以保證管道數(shù)據(jù)準確無誤，而首當其沖的是建立符合國家和各行業(yè)規(guī)范的數(shù)據(jù)標準和普查標準。尤其需要制定《地下管道普查與信息系統(tǒng)工程總方案》、《地下管道普查技術(shù)規(guī)程》、《地下管道信息系統(tǒng)總體設計》、《綜合地下管道數(shù)據(jù)建庫標準》《地下管道普查工程監(jiān)理規(guī)定》、《地下管道工程竣工成果移交規(guī)范》、《地下管道動態(tài)管理建議實施方案》、《地下管道數(shù)據(jù)共享交換標準》等一系列規(guī)范和標準，以保證數(shù)據(jù)的準確性和統(tǒng)一性。

階段二：信息化基礎設施建設

在標準的指導下，建設整個平臺信息化軟硬件系統(tǒng)，開發(fā)相應的服務器和客戶端軟件，實現(xiàn)管道信息的建模、監(jiān)測實時數(shù)據(jù)接入等基礎功能。各專業(yè)管道權(quán)屬單位和管理部門已建業(yè)務系統(tǒng)根據(jù)標準進行局部改造，或通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換適配器程序為接入統(tǒng)一平臺做好準備。

階段三：地下管道信息普查

在標準的指導下，采用工程竣工資料和實地勘測相結(jié)合的方式，對數(shù)據(jù)進行摸底和錄入。在政府協(xié)調(diào)下，取得各專業(yè)管線工程單位的配合，獲得相關管道竣工資料，按照數(shù)據(jù)標準進行格式轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)錄入。現(xiàn)場勘測工程人員配備相關移動設備，并攜帶機器人對管道進行情況摸底，必要時同時為管道部署RFID芯片和監(jiān)測傳感器。

階段四：建立地下管道動態(tài)更新機制

在平臺的支持下，建立起地下管道規(guī)劃、設計、運行、維護的統(tǒng)一管理流程并加以信息化，實現(xiàn)城市地下管道管理部門、權(quán)屬單位、建設單位共建共享和協(xié)作，實現(xiàn)城市綜合地下管道數(shù)據(jù)的及時更新和動態(tài)管理。

七、小結(jié)

城市地下管道信息服務平臺是未來城市地下空間地理信息平臺建設的基礎，也是實現(xiàn)城市精細化管理不可或缺的一部分。通過地下管道信息服務平臺的建設，為將來城市地下空間及設施的運行和發(fā)展提供可靠的基礎數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，具有重要的意義。