南京市城市綜合地下管線信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧曉紅,馮劍橋,周 靜

(1.南京市城市地下管線數(shù)字化管理中心，江蘇 南京 210000；2.江蘇省測(cè)繪地理信息局，江蘇 南京 210000)

0 引 言

城市空間內(nèi)分布的各類管線擔(dān)負(fù)著信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)、廢物排棄等功能，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是支撐城市正常運(yùn)作的紐帶，是城市生存和發(fā)展的“血脈”[1]。但城市管線管理存在諸多問題，包括管線設(shè)施敷設(shè)較為隨意，檔案管理也主要靠圖紙；各類管線信息分散在多家產(chǎn)權(quán)部門，主體各異、條塊交叉、多頭管理、各自為陣[2]；地下管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，數(shù)據(jù)內(nèi)容分散化和異構(gòu)化。在實(shí)現(xiàn)城市綜合地下管線信息化管理的過程中，存在諸多困難。

針對(duì)上述問題，本文提出綜合運(yùn)用GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、專題應(yīng)用模型等，充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)整合其他資源的特有優(yōu)勢(shì)，以城市地下綜合管線為管理對(duì)象，建立實(shí)用、可靠的南京市城市地下管線地理空間信息系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下綜合管線信息的收集、管理、分析、更新、利用。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體思路

根據(jù)城市地下管線信息管理需要，構(gòu)建城市綜合地下管線信息系統(tǒng)需結(jié)合管線信息入庫(kù)查詢、管線供圖審批、數(shù)據(jù)更新利用及基礎(chǔ)信息公開共享等工作要求[3]。系統(tǒng)以GIS技術(shù)為支撐，采用SOA(面向服務(wù))架構(gòu)，以 C/S與B/S相結(jié)合、B/S為主的部署體系，建立靈活可配置的擴(kuò)展機(jī)制(圖1)。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1.1.1 系統(tǒng)核心思想

(1)建設(shè)數(shù)據(jù)中心。建立全市統(tǒng)一的綜合管線數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)具有時(shí)態(tài)特征的一體化綜合管線數(shù)據(jù)的管理、更新、共享和專業(yè)應(yīng)用。

(3)實(shí)現(xiàn)協(xié)同共享?；凇熬€上共享、線下交換”的共享協(xié)同新模式，建立深層次的共享協(xié)同機(jī)制。信息管理部門負(fù)責(zé)維護(hù)空間信息，權(quán)屬單位負(fù)責(zé)提供可公開的管理信息。

1.1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)以ArcEditor 10.2、ArcGIS Server 10.2為軟件平臺(tái)，ArcGIS SDE作為空間數(shù)據(jù)管理引擎，Geodatabases為空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，以O(shè)racle 11g為數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行二次開發(fā)，形成數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用、運(yùn)維配置及移動(dòng)端應(yīng)用四個(gè)子系統(tǒng)，涵蓋管線編輯、管線質(zhì)檢、審批供圖、系統(tǒng)運(yùn)維、巡查、管線三維可視化等30多個(gè)模塊200多項(xiàng)功能。

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)、管理、服務(wù)、應(yīng)用相分離為原則，采用空間數(shù)據(jù)交換、真三維、高精度定位等技術(shù)，集海量數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)空間信息共享、服務(wù)管理、資源監(jiān)控等功能于一體，構(gòu)建城市地下綜合管線信息化管理數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流、服務(wù)流的閉環(huán)，以實(shí)現(xiàn)管線信息管理“內(nèi)外業(yè)一體化、地上地下一體化、圖庫(kù)一體化、二三維一體化、綜合專業(yè)一體化”的目標(biāo)。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

基于地下管線類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle來組織、存儲(chǔ)和管理二維管線數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過程中，按照數(shù)據(jù)特點(diǎn)將其分為地下管線數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)三大類[4]，并滿足如下要求：① 管線與管線點(diǎn)統(tǒng)一編碼；② 數(shù)據(jù)冗余要求盡量小；③ 圖形與屬性有機(jī)結(jié)合；④ 分層存儲(chǔ)不同類別的要素；⑤ 便于數(shù)據(jù)修改、更新與擴(kuò)充。

管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和組織上，采用點(diǎn)表和線表相結(jié)合的方式。點(diǎn)表中記錄管線點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)、地面高程、埋深、坐標(biāo)、管類、管點(diǎn)特征、附屬物和新舊管線連接關(guān)系等屬性信息；線表中記錄管線的連接關(guān)系、材質(zhì)、管徑、埋設(shè)方式、埋設(shè)日期、電纜條數(shù)、套管尺寸、流向、壓力值、道路名稱、權(quán)屬單位等屬性信息。

圖2中,A為腔體外導(dǎo)體;B為諧振桿;C為調(diào)諧螺桿,用來微調(diào)諧振頻率。在HFSS中建模并對(duì)各尺寸變量設(shè)置掃描范圍進(jìn)行優(yōu)化[4],從而使單腔仿真Q值及諧振頻率差ΔF=re(Mode(2))-re(Mode(1))值最大。式中re(Mode(1))整體代表諧振頻率,re(Mode(2))代表二次諧振頻率,兩者相減則為頻率差。優(yōu)化得到較理想的一組參數(shù)值為:R_cav=11.8 mm;h_cav=15 mm;R_res=3.8 mm;h_res=8 mm;R_scr=1.5 mm。此時(shí)的單腔Q值可以達(dá)到5 300,諧振頻率差ΔF能夠達(dá)到4.5 GHz。

城市綜合地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，將各類管線數(shù)據(jù)通過處理、質(zhì)檢等過程，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系集中到平臺(tái)上，將各個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)錄入、實(shí)時(shí)調(diào)取、實(shí)時(shí)更新等操作，使管線數(shù)據(jù)管理更為高效、可靠(圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)連接關(guān)系圖

1.3 管線數(shù)據(jù)建庫(kù)和發(fā)布

數(shù)據(jù)建庫(kù)就是將管線數(shù)據(jù)成果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、檢查、糾錯(cuò)和更新，形成具有拓?fù)潢P(guān)系的地下管線點(diǎn)數(shù)據(jù)表和線數(shù)據(jù)表。其流程包括：將探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)檢，合格后進(jìn)行信息入管線庫(kù)；從管線庫(kù)中提取專業(yè)管線數(shù)據(jù)，進(jìn)行二三維數(shù)據(jù)服務(wù)同步發(fā)布，并注冊(cè)到平臺(tái)中，以供應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用；同時(shí)進(jìn)行二維可視化管線入庫(kù)比對(duì)，以支持歷史數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)下載等(圖3)。

圖3 管線數(shù)據(jù)入庫(kù)和發(fā)布流程

2 系統(tǒng)主要功能模塊及功能描述

2.1 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

采用C/S模式建成，主要面向數(shù)據(jù)普查、監(jiān)理、入庫(kù)和數(shù)據(jù)管理人員[5]，實(shí)現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)的收集、整理、更新提供與成果數(shù)據(jù)管理等功能。

2.1.1 數(shù)據(jù)入庫(kù)

探測(cè)的管線數(shù)據(jù)格式有MDB、DWG。通過數(shù)據(jù)完整性檢查、空間檢查、屬性檢查、邏輯檢查、圖庫(kù)一致性檢查等，按照系統(tǒng)規(guī)定的管線數(shù)據(jù)組織方法，自動(dòng)添加至管線數(shù)據(jù)庫(kù)。通過CAD、GIS平臺(tái)的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)探測(cè)—質(zhì)檢—入庫(kù)—利用—現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)—修補(bǔ)測(cè)—更新入庫(kù)的閉環(huán)式業(yè)務(wù)流程。

2.1.2 數(shù)據(jù)更新

根據(jù)數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的不同，將數(shù)據(jù)更新流程分解為項(xiàng)目報(bào)建、非報(bào)建項(xiàng)目(規(guī)劃編制、竣工測(cè)量、前期研究、行業(yè)研究)、匯交案件(匯交案件來源于非報(bào)建項(xiàng)目已辦結(jié)的狀態(tài))的業(yè)務(wù)管理流程。以項(xiàng)目報(bào)建為例(圖4)，通過工作流實(shí)現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。

圖4 報(bào)建項(xiàng)目流程圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面向?qū)嶓w的更新以及二三維數(shù)據(jù)的同步增量式實(shí)時(shí)更新。通過入庫(kù)時(shí)要素更新類型的判斷和面向?qū)嶓w的歷史庫(kù)建立，可以方便的回溯某根管線的歷史變化情況，也減少了歷史庫(kù)的數(shù)據(jù)量。

2.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用子系統(tǒng)

采用面向服務(wù)(SOA)的軟件結(jié)構(gòu)，提供數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、輔助分析、二三維聯(lián)動(dòng)等功能，實(shí)現(xiàn)地上地下一體化瀏覽。

2.2.1 查詢統(tǒng)計(jì)

查詢包括屬性查詢、管線常用查詢和SQL查詢?nèi)?。通過道路名稱、門牌號(hào)碼等多種方式的便捷查詢與定位，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的快捷效果。在獲得查詢結(jié)果的基礎(chǔ)上，可以在二三維場(chǎng)景中，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行管線綜合統(tǒng)計(jì)并生成統(tǒng)計(jì)圖表。

2.2.2 分析功能

主要包括連通性分析、斷面分析(圖5)、覆土分析、凈距分析、關(guān)閥分析、流向分析、溯源分析、巡檢、開挖分析等功能，為系統(tǒng)用戶提供準(zhǔn)確、快捷、可靠的決策支持方案。

圖5 管線縱斷面分析

2.2.3 三維管線生成

針對(duì)地下管線，如三通、彎頭、變徑、消防栓、閥門、配電柜等，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，無需人工干預(yù)，自動(dòng)生成。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用管線編譯工具編譯生成三維管線，編譯成果發(fā)布到三維服務(wù)器上進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)SDK和RunTime統(tǒng)一，提供豐富的基于COM組件的二次開發(fā)接口、管線任意角度的三維展示(圖6)、三維視角下的查詢統(tǒng)計(jì)、專業(yè)分析以及二三維聯(lián)動(dòng)等功能。

圖6 地下綜合管線的三維可視化效果

2.3 運(yùn)維管理子系統(tǒng)

用于系統(tǒng)功能配置、服務(wù)管理等，包括服務(wù)管理、部門管理、角色管理、用戶管理、日志管理 、自動(dòng)備份、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)監(jiān)控等功能。

2.3.1 服務(wù)管理的個(gè)性化定制

依據(jù)用戶不同的角色及權(quán)限的，定制功能菜單，包括地圖服務(wù)、功能服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、日志服務(wù)等；提供日志查詢檢索功能，并為其他系統(tǒng)調(diào)用提供日志、用戶和權(quán)限服務(wù)。

2.3.2 細(xì)粒度權(quán)限管理

對(duì)系統(tǒng)提供的服務(wù)功能都做了細(xì)粒度的權(quán)限控制，可滿足不同層面用戶的需求，并保證了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性。

2.4 移動(dòng)端應(yīng)用子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)手持移動(dòng)端基本操作功能，同時(shí)具備管線數(shù)據(jù)的離線瀏覽、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和范圍查詢、緩沖區(qū)查詢、管點(diǎn)類型統(tǒng)計(jì)等查詢統(tǒng)計(jì)等功能。

2.4.1 高精度實(shí)時(shí)定位

開發(fā)了一種GNSS接收機(jī)串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸裝置，用于將GNSS接收機(jī)中數(shù)據(jù)通過串口輸出到該裝置，再以藍(lán)牙通信方式傳輸?shù)揭苿?dòng)終端中。解決了移動(dòng)終端定位精度差的問題，使便攜式移動(dòng)終端定位精度可以達(dá)到專業(yè)測(cè)繪儀器同等精度的水平。

2.4.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

通過移動(dòng)終端攝像頭將獲取的實(shí)際影像顯示在屏幕中，形成動(dòng)態(tài)影像層，作為現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；在獲取高精度實(shí)時(shí)坐標(biāo)后，以點(diǎn)的形式將所在位置顯示在屏幕中。調(diào)取管線數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)位置的管線數(shù)據(jù)后，疊加顯示在屏幕中，形成綜合管線信息層，作為虛擬場(chǎng)景。通過調(diào)節(jié)各圖層的關(guān)系與透明度，使虛擬場(chǎng)景疊加于實(shí)際場(chǎng)景之上，最終形成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的顯示效果(圖7)。

圖7 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

3 結(jié) 語

南京市城市地下管線地理空間信息系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行，為城市的公共安全、規(guī)劃建設(shè)和管理快速提供地下管線信息，為管線設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、管理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為建設(shè)主管部門的管理和決策提供服務(wù)。有利于降低各種管線的維護(hù)費(fèi)用和重復(fù)投資，減少、減輕管線災(zāi)害事故發(fā)生的經(jīng)濟(jì)損失，為避免管線事故的發(fā)生提供可靠的依據(jù)，最終將實(shí)現(xiàn)城市管線的政府監(jiān)管、有序建設(shè)和方便管理。

未來有待依托系統(tǒng)建設(shè)成果，數(shù)據(jù)共享和大數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榛A(chǔ)，為各類專業(yè)用戶和管理用戶提供更加豐富和多樣化的信息資源，為城市規(guī)劃、管理、建設(shè)、應(yīng)急響應(yīng)、專業(yè)運(yùn)營(yíng)等各領(lǐng)域逐步開展更加個(gè)性化和專業(yè)的應(yīng)用服務(wù)。