排水管網(wǎng)健康度動態(tài)維護系統(tǒng)建設(shè)研究

范江

(福州市勘測院，福建 福州 350000)

1 引 言

地下管線如同城市的“血管”，負責(zé)城市的“能量運輸”與“廢物排出”，是城市安全運行的“生命線”，而排水管網(wǎng)是現(xiàn)代化城市建設(shè)運營中不可或缺的重要組成部分，其安全運行直接關(guān)系到城市的公共安全和環(huán)境保護，是城市水環(huán)境污染防治和防洪排澇的重要控制措施，是城市的“大動脈”[1～3]。而近年來，排水管網(wǎng)的病害問題引起的城市日常雨、污水排放，在極端環(huán)境下引發(fā)的城市內(nèi)澇、環(huán)境污染等次生問題甚至地面塌陷等城市災(zāi)害頻頻發(fā)生，給城市的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行產(chǎn)生了極大影響，如深圳2013年～2015年的地面坍塌事故有57.4%是由排水管道破損導(dǎo)致[4，5]。因此，國家對城市排水管網(wǎng)的清淤、排查、修復(fù)工作日益重視，2013年10月，國務(wù)院頒布了《城鎮(zhèn)排水與污水處理條例》，明確提到，加強對城鎮(zhèn)排水設(shè)施的管理和河道防護、整治，因地制宜地采取定期清淤疏浚等措施，確保雨水排放暢通，共同做好城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治工作[6]。因此，本文采用GIS技術(shù)，引用數(shù)據(jù)安全訪問控制技術(shù)，結(jié)合CCTV管道檢測數(shù)據(jù)[7]，將排水管網(wǎng)清淤、排查、修復(fù)等管網(wǎng)養(yǎng)護業(yè)務(wù)結(jié)合，研究建設(shè)排水管網(wǎng)健康度動態(tài)維護系統(tǒng)，旨在對排水管道內(nèi)部的功能性缺陷和結(jié)構(gòu)性缺陷的病害情況進行動態(tài)維護管理，盡量減少或避免由其引發(fā)的污水四溢、道路積水和塌陷甚至強降雨引發(fā)的城市內(nèi)澇等問題，構(gòu)建新型城市排水管網(wǎng)健康度動態(tài)維護模式。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體框架

鑒于管道破壞后搶修費用比主動維護高50%，而周期性管道維護的投資極大減少管道事故的經(jīng)濟損失[8，9]，因此排水管網(wǎng)健康度動態(tài)維護系統(tǒng)通過維護計劃制定、采集上報、一張圖及統(tǒng)計分析，以涉密專網(wǎng)系統(tǒng)運行為主，以安全控制移動查看、采集上報相結(jié)合的方式，實現(xiàn)排水管網(wǎng)健康度的動態(tài)維護管理，其總體框架設(shè)計如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)施層：由服務(wù)器、存儲設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、基礎(chǔ)軟件等云計算平臺構(gòu)成，提供系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境。

數(shù)據(jù)資源層：由排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)、健康度數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等構(gòu)成，是系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)保障。

業(yè)務(wù)支撐層：包含工作流引擎、GIS引擎、表單服務(wù)、多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)等，是系統(tǒng)提供應(yīng)用服務(wù)的中間支撐。

應(yīng)用服務(wù)層：在安全控制和運維管理基礎(chǔ)上，搭建排水管網(wǎng)維護計劃管理、排水管網(wǎng)健康度統(tǒng)計分析、排水管網(wǎng)健康度一張圖、排水管網(wǎng)維護采集上報App等應(yīng)用服務(wù)，其中排水管網(wǎng)維護采集上報App在安全控制下提供移動端服務(wù)。

用戶層：包含排水管網(wǎng)維護的管理部門、施工部門和監(jiān)管部門。

運維保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系分別包含保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行和維護的管理機制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)、健康度多媒體數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)成。

(1)排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)

排水管網(wǎng)包含雨水、污水管網(wǎng)，因此其空間數(shù)據(jù)由雨水管點、雨水管線、污水管點、污水管線以及相應(yīng)的管網(wǎng)缺陷數(shù)據(jù)構(gòu)成。

(2)健康度多媒體數(shù)據(jù)

以管網(wǎng)為單位的健康度評價和CCTV檢測視頻、圖片等信息。

(3)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

排水管網(wǎng)維護管理過程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包含維護計劃、巡查、排淤、修復(fù)等。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 排水管網(wǎng)維護計劃管理

提供排水管網(wǎng)健康度維護施工的計劃管理功能，提供排水管網(wǎng)清淤、排水管網(wǎng)排查、排水管網(wǎng)修復(fù)在內(nèi)的任務(wù)計劃的創(chuàng)建、更改、刪除管理。同時提供計劃審核、計劃下達，查看計劃上報結(jié)果和計劃完成情況等功能。

2.3.2 排水管網(wǎng)健康度統(tǒng)計分析

提供按時間范圍、計劃定制的管網(wǎng)長度、任務(wù)上報的管網(wǎng)長度等對管網(wǎng)清淤進度、管網(wǎng)排查進度、管網(wǎng)缺陷、管網(wǎng)修復(fù)進度、總體完成情況等統(tǒng)計分析，并以圖表的形式展示統(tǒng)計分析結(jié)果，同時提供統(tǒng)計時間范圍內(nèi)的每日、每周、每月完成情況或發(fā)現(xiàn)的缺陷情況。

2.3.3 排水管網(wǎng)健康度一張圖

以一張圖的方式，根據(jù)選擇的時間、圖層顯示管網(wǎng)缺陷健康度信息、管網(wǎng)清淤施工完成情況、管網(wǎng)排查施工情況、管網(wǎng)修復(fù)施工情況。同時提供管網(wǎng)橫斷面綜合分析、管網(wǎng)生命周期時間軸分析，并提供管線健康度表單和CCTV檢測視頻圖片等多媒體信息查看。

2.3.4 排水管網(wǎng)維護采集上報App

提供排水管網(wǎng)巡查、清淤、修復(fù)等維護計劃的查看以及實施情況的采集上報，并配套提供排水管網(wǎng)的地圖服務(wù)和App更新服務(wù)。其中：

(1)維護計劃實施情況的采集上報包含計劃完成情況的表單填寫、管網(wǎng)選擇、照片上傳等。

(2)排水管網(wǎng)的地圖服務(wù)提供排水管網(wǎng)加密數(shù)據(jù)在離線狀態(tài)下的查看以及道路、井蓋等查詢檢索，為維護計劃實施情況提供地圖定位與輔助。

(3)App更新服務(wù)提供聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下程序檢查更新和排水管網(wǎng)加密數(shù)據(jù)的下載更新。

2.3.5 安全控制

提供數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加解密控制等安全控制服務(wù)。

(1)數(shù)字水?。禾峁┡潘芫W(wǎng)空間數(shù)據(jù)嵌入版權(quán)單位信息，并可追蹤不同用戶使用數(shù)據(jù)的行為，預(yù)防數(shù)據(jù)泄密或侵權(quán)盜用。

(2)數(shù)據(jù)加解密控制：通過對數(shù)據(jù)范圍和操作權(quán)限進行加密，在認證通過的用戶和設(shè)備環(huán)境下方可解密使用排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時在數(shù)據(jù)到期或被惡意修改后自動銷毀，實現(xiàn)排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)在離線情況下指定用戶指定平臺環(huán)境下使用，避免數(shù)據(jù)非法聯(lián)網(wǎng)和泄露。

2.3.6 運維管理

提供系統(tǒng)用戶、權(quán)限管理以及系統(tǒng)參數(shù)的配置，系統(tǒng)運行監(jiān)控等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 排水管網(wǎng)健康度全息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

排水管網(wǎng)健康度數(shù)據(jù)包含排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)、CCTV檢測視頻和圖片數(shù)據(jù)、健康度評價數(shù)據(jù)等，如何將這些多源數(shù)據(jù)進行融合呈現(xiàn)排水管網(wǎng)健康度的全息信息是本系統(tǒng)建設(shè)研究需解決的關(guān)鍵問題。本文使用基于管點(或管線起止點)坐標(biāo)生成的編碼(GDHCode)作為管線數(shù)據(jù)與健康度數(shù)據(jù)對應(yīng)的唯一編碼，并結(jié)合缺陷位置，實現(xiàn)排水管網(wǎng)健康度多源數(shù)據(jù)的融合，全息呈現(xiàn)每一段排水管網(wǎng)從起點到終點的健康度情況，如圖2所示：

圖2 排水管網(wǎng)健康度全息呈現(xiàn)

3.2 排水管網(wǎng)健康度全生命周期管理

排水管網(wǎng)從建設(shè)投入使用到最終廢棄會經(jīng)歷較長的使用時間，可能存在多次的巡查、清淤、修復(fù)等維護工程，只有對排水管網(wǎng)的材質(zhì)、建設(shè)時間、埋設(shè)情況等基本信息進行記錄，并對每一次巡查養(yǎng)護情況進行跟蹤，才能對維護計劃的制定提供指導(dǎo)與參考，因而對排水管網(wǎng)從“出生”到“消亡”的全生命周期健康度情況的管理，是開展排水管網(wǎng)健康度管理的關(guān)鍵。本文以每段排水管網(wǎng)為單元，以時間軸的方式，記錄其每一次排查、清淤、修復(fù)的所有健康度數(shù)據(jù)(如圖3所示)，形成排水管網(wǎng)的全生命周期的健康度狀況管理，不僅實現(xiàn)排水管網(wǎng)健康度“家底清”，而且為后續(xù)排水管網(wǎng)重點隱患部位的監(jiān)測以及維護計劃的制定實施提供參考。

圖3 排水管網(wǎng)健康度全生命周期管理

3.3 排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)使用安全控制策略

隨著信息技術(shù)、移動、5G等技術(shù)的快速發(fā)展，矢量數(shù)據(jù)的獲取、復(fù)制、傳播越來越方便，應(yīng)用越來越廣泛，排水管網(wǎng)作為一種涉密的矢量數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生泄密、盜版、竊取等安全事故，將會對國家安全和人民生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生重要影響[10，11]，因此排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全使用控制是本系統(tǒng)建設(shè)需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)移動端排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)安全使用：基于數(shù)據(jù)水印、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)訪問控制等安全控制技術(shù)[12，13]，根據(jù)用戶權(quán)限、設(shè)備使用環(huán)境、使用范圍和時限、操作行為等構(gòu)建排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)的安全控制規(guī)則，即只有授權(quán)用戶方能在離線環(huán)境下、在指定時限內(nèi)對規(guī)范范圍內(nèi)的排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)進行帶水印的解密訪問，一旦任一約束條件發(fā)生改變，排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)會自動加密存儲拒絕訪問。

(2)系統(tǒng)安全管控：本系統(tǒng)主體在涉密網(wǎng)環(huán)境下部署使用，數(shù)據(jù)使用策略示意圖如圖4所示，排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)包加密后通過安全網(wǎng)關(guān)在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下轉(zhuǎn)發(fā)，移動端用戶在授權(quán)認證通過的情況下在線聯(lián)網(wǎng)下下載加密的排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)包，在離線斷網(wǎng)下解密排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)并在App上提供相應(yīng)的地圖服務(wù)，在地圖服務(wù)參考下，基于管網(wǎng)編號填寫排水管網(wǎng)維護采集的健康度數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在聯(lián)網(wǎng)情況下(地圖服務(wù)自動斷開)將健康度數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回流至涉密網(wǎng)中的排水管網(wǎng)健康度動態(tài)維護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用策略示意圖

4 結(jié) 論

俗語有言“三分建、七分養(yǎng)”，排水管網(wǎng)的后期維護管理非常重要，本文通過GIS技術(shù)和安全訪問控制技術(shù)，結(jié)合CCTV檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)排水管網(wǎng)健康度數(shù)據(jù)的全生命周期管理和維護業(yè)務(wù)參與各方的全流程管理，為排水管網(wǎng)的維護計劃制定與實施提供參考依據(jù)。同時，本系統(tǒng)通過排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)加密傳輸、離線使用與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在線上報相結(jié)合的方式，保障排水管網(wǎng)健康度數(shù)據(jù)的安全使用，為排水管網(wǎng)的維護作業(yè)提供了安全有效的解決方案。然而，隨著排水管網(wǎng)信息化的進一步推進，新型智慧城市的深化建設(shè)，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測在排水管網(wǎng)維護中的結(jié)合應(yīng)用等方面開展進一步的研究工作。