城市排水管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫與智慧排水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

江 楠，張萬輝，馬 揚，王韓納，潘靖陽

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州510500）

0 引言

排水管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其任務(wù)是收集、輸送、處理和排放工業(yè)廢水、生活污水和雨水，具有保證城市正常運行、保護環(huán)境和城市減災(zāi)的多重功能，是確保城市發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著城市化進程的加快，現(xiàn)有地下管網(wǎng)資料未能及時更新，導致與排水管網(wǎng)相關(guān)的城市內(nèi)澇、地面塌陷、水環(huán)境污染、挖斷地下管線等問題頻發(fā)，亟需防控預(yù)警及治理手段。我國現(xiàn)有的地下管網(wǎng)資料大多以紙質(zhì)材料記錄，工作效率低下，因此加強城市排水管網(wǎng)的信息化管理具有十分重要意義［1］。與排水管網(wǎng)相關(guān)的GIS技術(shù)、水力模型、在線監(jiān)測技術(shù)等，伴隨著近幾年來計算機技術(shù)的快速發(fā)展，在排水管網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。目前，眾多學者從智慧排水系統(tǒng)的概念、建設(shè)方法、框架體系、GIS 技術(shù)、水力模型、在線監(jiān)測技術(shù)等方面展開深入研究。本文就地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫與智慧排水系統(tǒng)的研究進行評述，闡述智慧排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和實踐探索并對其主要涉及的領(lǐng)域進行研究，梳理智慧排水系統(tǒng)的研究脈絡(luò)，指出未來的研究方向。

我國地下管網(wǎng)信息化建設(shè)已有十余年時間，許多城市都進行了實踐探索，各地的經(jīng)驗表明，建立起完整、準確、科學的地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)，能夠為城市規(guī)劃和管理提供準確的相關(guān)信息［2］，但同時也存在各方面的缺陷與不足。

1 智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題

隨著城市化進程的加快，傳統(tǒng)排水系統(tǒng)難以適應(yīng)新的城市格局，排水管網(wǎng)系統(tǒng)使用和管理效率低下、事故頻發(fā)等問題不斷出現(xiàn)，阻礙了國家社會經(jīng)濟發(fā)展。建立智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)是解決上述問題，進行城市規(guī)劃、建設(shè)及管理的一項根本保障工作。然而現(xiàn)有智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)仍存在諸多不足，普遍存在以下問題。

1.1 資料不齊全，信息滯后

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)從存儲介質(zhì)上可劃分為紙質(zhì)數(shù)據(jù)和電子數(shù)據(jù)，部分地區(qū)主要依靠紙質(zhì)圖紙進行管網(wǎng)分析已經(jīng)顯得蒼白無力［3］。紙質(zhì)數(shù)據(jù)數(shù)字化工作滯后，使得智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)無法反映排水管網(wǎng)實際情況，不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

1.2 管理體制混亂，未按統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫標準建設(shè)

排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)分散于多個不同管理部門，缺乏統(tǒng)一管理體制，從項目的設(shè)計、施工、竣工驗收，到后期的保養(yǎng)維護等工作，主要是管線單位內(nèi)部運行［4］。各管線單位按照自身需求建立獨立的數(shù)據(jù)庫，給排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的更新和維護帶來了巨大困難。

早在2016年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局便發(fā)布了《城市排水防澇設(shè)施數(shù)據(jù)采集與維護技術(shù)規(guī)范：GB/T 51187—2016》，提出了規(guī)范化的城市排水防澇設(shè)施采集與維護要求，為構(gòu)建格式統(tǒng)一、信息完整的城市排水防澇設(shè)施數(shù)據(jù)庫制定了建設(shè)標準，從而確保測繪成果在數(shù)據(jù)庫中準確錄入。

1.3 系統(tǒng)覆蓋范圍小

由于城市內(nèi)缺乏統(tǒng)一的智慧排水管網(wǎng)管理平臺，易形成多個排水管網(wǎng)管理系統(tǒng)“各自為政”的局面，各個系統(tǒng)覆蓋范圍小、功能單一，信息內(nèi)容不夠豐富，造成碎片化管理，智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)無法在城市管網(wǎng)監(jiān)測、分析等方面發(fā)揮相應(yīng)作用。

1.4 缺少全面頂層設(shè)計

排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于設(shè)計、建設(shè)和管理部門，其建設(shè)與相關(guān)部門的需求密切相關(guān)，系統(tǒng)建設(shè)未考慮“一張網(wǎng)”的整體設(shè)計與規(guī)劃。隨著各個部門用戶的逐漸加入，需求不斷變化和增加，系統(tǒng)變得龐大無序，數(shù)據(jù)格式混亂，難以服務(wù)于各部門。

1.5 缺少數(shù)據(jù)采集與建庫作業(yè)一體化系統(tǒng)平臺

從管網(wǎng)數(shù)據(jù)探測，到管網(wǎng)病害檢測和管網(wǎng)運行監(jiān)測，目前管網(wǎng)系統(tǒng)平臺未覆蓋全部過程，各項工作由不同的團隊完成。管網(wǎng)數(shù)據(jù)測繪完成后需專人將數(shù)據(jù)錄入，造成工作重復(fù)、效率低下，工作量增加等問題。

城市內(nèi)澇、地面塌陷、水環(huán)境污染如圖1所示。

圖1 城市內(nèi)澇、地面塌陷、水環(huán)境污染Fig.1 Urban Waterlogging，Ground Subsidence，Water Environment Pollution

2 地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫與智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)由管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫和管網(wǎng)系統(tǒng)平臺兩部分組成。管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。作為平臺基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫存儲管網(wǎng)的基本信息，包含屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)［5］，其中屬性數(shù)據(jù)包含埋深、規(guī)格、材質(zhì)、走向、鋪設(shè)時間和權(quán)屬等數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)包含點線面要素的空間坐標數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺建立于數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上，通過操縱數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化展示、分析、管理、判斷和編輯等功能。

2.1 地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫研究

數(shù)據(jù)庫技術(shù)誕生于20世紀60年代，在過去的50多年里，形成了成熟的理論體系和應(yīng)用產(chǎn)品，并擴展到越來越廣泛的領(lǐng)域。數(shù)據(jù)庫的發(fā)展分別經(jīng)歷了層次模型［6］、網(wǎng)狀模型［7］、關(guān)系模型［8］3個階段，目前數(shù)據(jù)庫主要使用關(guān)系模型。一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS（Database Management System）和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)3個組成部分。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)僅能存儲屬性數(shù)據(jù)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和更新?lián)Q代［9］，出現(xiàn)了滿足特定需要的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如移動數(shù)據(jù)庫和地理空間數(shù)據(jù)庫等。為實現(xiàn)智慧排水管網(wǎng)的數(shù)字化管理，要求數(shù)據(jù)庫能夠存儲、管理各類管網(wǎng)的屬性信息和空間要素信息，目前針對屬性信息和空間要素信息的存儲主要有以下2種解決方案［10］：

⑴對常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行功能擴展。將屬性信息和空間要素信息作為不同字段存儲在統(tǒng)一的DBMS 中，實現(xiàn)兩者的集成。比較有代表性的系統(tǒng)是Oracle Spatial。

⑵在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上添加一層空間數(shù)據(jù)庫引擎。該模式也將屬性信息和空間要素信息作為不同字段存儲在統(tǒng)一的DBMS 中，但在標準關(guān)系庫之上增加空間數(shù)據(jù)管理層。代表性的系統(tǒng)是ESRI 的ArcSDE。

比較以上2種數(shù)據(jù)模型，ArcSDE 對空間數(shù)據(jù)庫的訪問效率比Oracle Spatial 要高，是GIS 專用空間數(shù)據(jù)引擎，對于實現(xiàn)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的存儲較為方便，2種數(shù)據(jù)庫在實際應(yīng)用中均有使用。如2009 年施廷東［11］分析了ESRI 公司的空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE 中將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集成在數(shù)據(jù)庫中的這一關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用ArcSDE 空間數(shù)據(jù)庫引擎實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結(jié)合的管理方法。2015 年楊日黎［12］通過Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管線數(shù)據(jù)的加載，建立了濟南市市政管網(wǎng)三維可視化管理系統(tǒng)。2019 年梅偉長［13］建立了長春市地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用ArcSDE數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的成果展示和全過程信息化管理。

2.2 智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的研究

2.2.1 國外研究現(xiàn)狀

隨著地理信息系統(tǒng)（Geography Information System，GIS）的誕生和發(fā)展，許多研究人員采用GIS 軟件進行排水管網(wǎng)的設(shè)計及相關(guān)應(yīng)用的研究。2001 年，Booth等人［14］認為應(yīng)該利用GIS管理地下管線，從而提高管理效率。2002 年Smith［15］指出，利用GIS 能夠在預(yù)測管道事故中取得較好效果。2010 年奧地利開展了Smart Cities［16］項目的研究，以建立地表和地下統(tǒng)一的數(shù)字化模型，用于市政管線規(guī)劃等工程項目管理等。同時國外利用GIS技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)的管網(wǎng)應(yīng)用軟件，如英國的Wallingford 水務(wù)管理軟件，美國的SWMM 水利模型軟件等，這些軟件可對管網(wǎng)徑流進行模擬，實時監(jiān)控管網(wǎng)系統(tǒng)［17］。

2.2.2 國內(nèi)研究

2004 年李金平等人［18］采用Visual Basic 為編程語言、MapX 為開發(fā)工具進行城市地下管網(wǎng)信息系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了地下管網(wǎng)信息的科學化管理。2005年馬民濤等人［19］詳細闡述了利用OpenGL技術(shù)實現(xiàn)三維展示地下管網(wǎng)的方法，將管線間的空間位置關(guān)系以直觀的形式進行表達。2007 年余慧明［20］研究了面向?qū)ο蟮木C合地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型，研究了城市地下管網(wǎng)綜合地理信息系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能實現(xiàn)。2008 年周旭東等人［21］在蘇州市建立地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)，探索了利用GIS 應(yīng)對地下管網(wǎng)突發(fā)事件的方法，論述了處置過程、應(yīng)用原理和實現(xiàn)方法。2013 年蕭潔敏［22］介紹了GIS 系統(tǒng)在供水檔案管理中的應(yīng)用，未應(yīng)用系統(tǒng)之前，管線信息錄入方法滯后，統(tǒng)計缺乏科學性，查閱比較麻煩。而應(yīng)用GIS 系統(tǒng)之后，錄入數(shù)據(jù)的準確度和工作效率得到很大提高。2017 年閆曉濤等人［23］提出在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立智慧水務(wù)應(yīng)用的方法，實現(xiàn)智能化的城市污水處理調(diào)度與協(xié)調(diào)，實現(xiàn)城市污水的有效治理。2018年吳巍［24］論述了智慧水務(wù)的重要性，分析了其在城市供水的應(yīng)用中帶來的經(jīng)濟效益。2019 年趙偉等人［25］提出智慧水務(wù)的總體要求，綜合運用各種信息技術(shù)，探索了構(gòu)建智慧水務(wù)的總體框架和思路。

3 智慧排水管網(wǎng)的需求與應(yīng)用

3.1 智慧排水管網(wǎng)的國內(nèi)需求

智慧排水管網(wǎng)是指采用先進的信息技術(shù)，對城市水務(wù)運行進行智能化的管理，是城市管理信息化水平的重要標志［26］。智慧排水管網(wǎng)是智慧城市發(fā)展的一個重要組成部分，在排水管網(wǎng)監(jiān)測、危險預(yù)警等方面，發(fā)揮重要的作用，利用它可以更便捷高效地管理城市中的水資源［27］。目前，智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)因受制各方面因素，難以達到智慧排水要求。

智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)在各個城市的實踐表明，管網(wǎng)的信息化不僅能為城市管理提供科學的決策，并且為城市正常運行、環(huán)境保護、應(yīng)急搶險等提供強大的信息平臺。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計［28］，近幾年來我國智慧水務(wù)業(yè)務(wù)規(guī)模逐漸增長，2019 年市場規(guī)模達100 億元，預(yù)計2020 年將達126 億元。隨著人們對信息化和數(shù)字化管理手段的意識提高和新技術(shù)的發(fā)展，智慧排水管網(wǎng)將具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。分析現(xiàn)有研究與實踐［29-31］，智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為3 層，底層為數(shù)據(jù)庫支撐體系，數(shù)據(jù)來源有歷史數(shù)據(jù)或現(xiàn)場測繪獲取，歷史數(shù)據(jù)從管網(wǎng)權(quán)屬單位獲得，測繪數(shù)據(jù)通過外業(yè)人員測得。底層數(shù)據(jù)庫包含了空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫，獲取數(shù)據(jù)后需將屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫中，最終形成具有拓撲關(guān)系的節(jié)點、管線、區(qū)域成果表，其中屬性數(shù)據(jù)包括材質(zhì)、類別、直徑、建設(shè)年代、施工單位、設(shè)計單位等，空間數(shù)據(jù)包括平面坐標位置及起始兩點的標高；中間層為以GIS平臺為主的軟件支持平臺，可對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行操控和編輯，包含了GIS 平臺和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其運行依賴于底層數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)；頂層為智慧水務(wù)應(yīng)用平臺，其運行于GIS平臺基礎(chǔ)上，可對管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行操控和編輯，實現(xiàn)地下管網(wǎng)信息化查詢、編輯、模擬等功能。

由于探測數(shù)據(jù)需人工錄入，不可避免存在數(shù)據(jù)錯誤，在錄入數(shù)據(jù)庫之前，通常還需人工對數(shù)據(jù)進行校核、處理等工作。中間數(shù)據(jù)錄入環(huán)節(jié)提高了出錯率，為簡化數(shù)據(jù)錄入流程，許多學者研究了數(shù)據(jù)外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理入庫一體化系統(tǒng)。2013 年郭鵬等人［32］提出基于Android 和移動GIS 的地下管線信息采集系統(tǒng)，利用規(guī)范的地下管線外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程，通過現(xiàn)場測試表明該方法能夠較好地提高數(shù)據(jù)采集的效率和質(zhì)量。2016年范娟娟等人［33］研究了基于Android系統(tǒng)的移動GIS 管線采集更新系統(tǒng)，通過規(guī)范的地下管網(wǎng)外業(yè)采集流程，實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化作業(yè)，能夠滿足城市管理中及時更新管網(wǎng)信息的需要。2019 年宣兆新等人［34］開發(fā)了一套移動端數(shù)據(jù)外業(yè)采集系統(tǒng)，并在北京的地下管網(wǎng)基礎(chǔ)信息普查中得到有效應(yīng)用。

3.3 智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用

國外發(fā)展與建設(shè)地下管網(wǎng)已經(jīng)有了較長的歷史，積累了很多寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)方案［35］。美國于20 世紀90 年代提出了數(shù)字化管道的概念［36］，利用管道信息管理系統(tǒng)，能夠獲取各類管道的圖形和屬性信息。為減少重復(fù)挖掘，減少管線事故，英國貿(mào)易產(chǎn)業(yè)部于2006 年聯(lián)合多家大學和公司聯(lián)合開發(fā)了可以減少道路作業(yè)的地下設(shè)施可視化集成信息平臺。

2000 年以后國內(nèi)智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)如雨后春筍般建立起來，天津［37］、昆明［38］、寧波［39］、東莞［40］等地分別建設(shè)了各種地下綜合管網(wǎng)管理信息平臺，2012 年，廈門市建立了基于空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)并符合該市實際情況的綜合管網(wǎng)管理系統(tǒng)。2013年，常州市在全市范圍內(nèi)建立地下管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。2015年，河北省完成全省的地下管網(wǎng)信息普查，建立覆蓋全省的多種類型的管網(wǎng)，實現(xiàn)有效管理的綜合地下管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。

4 總結(jié)

本文歸納了智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題，包括數(shù)據(jù)不完善、數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)庫標準不統(tǒng)一、覆蓋范圍小、缺少全面頂層設(shè)計和缺少一體化的系統(tǒng)平臺。研究了地下管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫和智慧排水管網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，針對屬性信息和空間要素信息，主要有常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能擴展、常規(guī)數(shù)據(jù)庫上添加空間數(shù)據(jù)庫引擎2 種存儲方法，后者為地下智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)普遍采用的方法。智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)研究中，主要利用了GIS處理空間數(shù)據(jù)并提高地下管網(wǎng)管理效率。分析了市場需求及國內(nèi)外智慧排水系統(tǒng)的發(fā)展情況，并針對一體化采集平臺調(diào)研，總結(jié)了現(xiàn)有的信息采集一體化平臺研究工作，提出建立地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)一體化平臺的必要性。智慧排水管理系統(tǒng)充分發(fā)揮了GIS平臺技術(shù)的功能性，結(jié)合計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，可為相關(guān)人員提供豐富、即時的城市排水信息，能夠為生產(chǎn)、決策提供數(shù)據(jù)。但目前智慧排水管理系統(tǒng)還存在很多不足，應(yīng)建立基于“一張圖”的數(shù)據(jù)外業(yè)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理入庫一體化作業(yè)平臺，并密切關(guān)注最新前沿技術(shù)，從而進一步提高系統(tǒng)平臺的適應(yīng)性和工作效率。