城鎮(zhèn)埋地市政管線檔案數(shù)字化及其應用

程霞

1 城鎮(zhèn)埋地市政管線及其檔案的現(xiàn)狀

在我們居住的城市地下，可謂是星羅棋布，縱橫交錯。廣泛分布著燃氣管道、供水管道、消防管道、污水管道、通訊電纜、電力電纜等等等等，不一而足。而這些管道、線纜等的設計圖紙往往分散于各主管部門，即使這些設計圖紙統(tǒng)一管理，往往也是分門別類地保存，一般沒有進行綜合設計，也就是沒有在一張圖紙上分別標記各類管道、線纜等，使人通過一張圖紙就能明了某一路段的管道、線纜等的敷設情況，做到一目了然。

在新項目的設計階段，設計人員需要借閱各部門的相關設計圖紙，由于不同設計人員的習慣、各部門的設計規(guī)范不盡相同，也造成諸如圖紙比例、圖標等的不一致，給新項目的設計造成困擾，或者之前項目施工過程中的變更沒有體現(xiàn)在圖紙上，不得不通過實地測量才能提供相對完整的設計資料，造成人力、物力和財力的浪費，貽誤工期時有發(fā)生。

在新項目的施工階段，施工人員對施工路段地下的管線情況不能完全掌握，甚至不清楚管線的種類、距離地面的深度等重要信息，盲目施工，造成一些無法預料的狀況。比如時有發(fā)生的供水管道、燃氣管道等被施工人員挖斷，輕則影響居民的出行和正常生活，重則危及居民的生命財產的安全。

2 城鎮(zhèn)埋地市政管線檔案數(shù)字化的方法及特點

紙質檔案在使用保存過程中存在容易損壞，占用空間大，保存成本高，使用不方便等特點，檔案的電子化刻不容緩。

2.1 掃描保存

利用計算機系統(tǒng)直接把紙質檔案進行掃描，以JPG格式保存到計算機硬盤或者刻入光盤中。工作簡單，易于實現(xiàn)，但只是紙質檔案的復制品，使用不便，要求存儲空間大。是檔案電子化的初級形式。

2.2 平面電子化

把分散到各單位的圖紙檔案按道路區(qū)段通過計算機圖形處理系統(tǒng)人工整合到一張平面圖上，以DWG格式保存到計算機硬盤或者刻入光盤中。工作復雜，人員技術水平要求高，在某一區(qū)段使用比較方便，要求存儲空間比較大。

2.3 三維數(shù)字化

根據(jù)輸入的管線的起終點坐標、管徑等基本信息由計算機自動生成三維渲染圖以及各個角度的剖面圖，以數(shù)據(jù)庫方式進行存儲。工作簡單，人員技術要求不高，使用方便，修改簡單，存儲空間要求小。是檔案使用與保存的最佳形式。

3 城鎮(zhèn)埋地市政管線檔案的三維數(shù)字化設計思路

城市地下管線檔案數(shù)字化設計，將依托數(shù)據(jù)庫技術、虛擬化技術、無線傳輸技術、全球定位技術，采用服務器端、客戶端與移動客戶端相結合的方式，在服務器端對數(shù)據(jù)進行維護管理，在客戶端提供錄入、查詢、修改、統(tǒng)計等功能接口，提供三維展示、剖面圖生成等應用功能，移動客戶端主要為現(xiàn)場施工提供地下管線信息。

3.1 數(shù)據(jù)庫設計

在數(shù)據(jù)庫中，應至少包括以下幾項主要信息：

管線的種類，用A、B、C、…標示，分別表示燃氣管道、供水管道、電力電纜等，在三維渲染圖和剖面圖等功能中可以選擇以不同顏色進行表示；已經廢棄但仍埋于地下的管線用Z標示，在三維渲染圖和剖面圖中以黑色進行表示；已經廢棄并且從地下清理掉的管線數(shù)據(jù)移入歷史數(shù)據(jù)庫中保存，不再保存于生產數(shù)據(jù)庫中，在三維渲染圖和剖面圖中不再顯示；

每段管線的起始點、終止點三維坐標以及管徑等信息，坐標采用該點的經度、維度和海拔高度進行標示，保證點位的唯一性和確定性；

彎管的標示，采用起始點、終止點坐標，彎曲半徑等信息進行標示，坐標采用經緯度和海拔高度進行標示；

閥門信息，包括三維坐標、管徑等信息。

還可以包括材料的生產商、施工方、監(jiān)理方、建設方、安裝時間、預期更換時間、檢修情況等警示、提示、管理等輔助信息，方便對管線的自動化管理，防患于未然。

3.2 客戶端設計

在客戶端提供錄入、查詢、修改、統(tǒng)計等功能接口；能夠自動提示警示信息，采用聲光報警等方式進行提示；在錄入、修改模塊提供“所見即所得”功能，即錄入、修改確認后即時在三維渲染圖上予以明顯顯示（明暗相間的閃爍）；根據(jù)所選路段或者所選區(qū)域自動提供三維渲染圖展示，根據(jù)要求自動生成剖面圖，并提供打印輸出等功能。

3.3 移動客戶端設計

移動客戶端主要應用于施工現(xiàn)場，通過4G/5G/城市WiFi等無線通訊技術與服務器端連接。除了具有客戶端的功能之外，其重點是利用我國自主知識產權的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)厘米級的精度優(yōu)勢，自動獲知移動終端所處位置的經緯度精確信息，通過指定搜索區(qū)域，通過服務器端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，生成區(qū)域三維渲染圖和剖面圖，為施工現(xiàn)場提供準確翔實的地下管線信息，指導現(xiàn)場施工。

4 城鎮(zhèn)埋地市政管線檔案的三維數(shù)字化系統(tǒng)建設與數(shù)據(jù)建設

4.1 服務器端建設

在服務器端，主要是采用VMWare等虛擬化集群技術對服務器進行計算資源和存儲資源池化；利用應用級負載均衡設備對應用需求進行均衡分配，保證應用的及時處理和反饋；通過對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)化，提升服務器系統(tǒng)的運行效率；建立雙活數(shù)據(jù)中心或者兩地三中心（同城雙活數(shù)據(jù)中心+異地災備中心），構建高安全性、高可用性、高可靠性、快速方便的服務器集群系統(tǒng)，為客戶端的應用提供及時便捷的在線服務。軟件的建設，采用B/S、C/S和APP相結合的架構，服務器端實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的清洗、管理與檢查，為客戶端提供接口和用于生成三維渲染圖的數(shù)據(jù)信息。

4.2 客戶端建設

在客戶端展現(xiàn)三維渲染效果，對客戶端的硬件要求較高，尤其是內存和顯存。為顯示三維渲染圖，需要安裝AutoCAD之類三維渲染軟件，需要開發(fā)數(shù)據(jù)庫信息與三維渲染軟件的數(shù)據(jù)接口。客戶端軟件主要采用B/S和C/S方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、修改、統(tǒng)計等功能；自動顯示提示、警示、管理等信息；實現(xiàn)數(shù)據(jù)變化自動地直接反映到三維渲染圖中，并且對不符合設計標準或規(guī)范的自動予以警示；根據(jù)所選路段或者所選區(qū)域自動提供三維渲染圖展示，并根據(jù)要求自動生成剖面圖，提供多種輸出功能。

4.3 移動客戶端建設

移動客戶端不同于客戶端的，只是利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的全球定位功能，獲取移動客戶端所在位置的精確經緯度信息，通過無線網絡技術，實時顯示該位置的指定區(qū)域內的地下管線的三維渲染圖，猶如大型CT設備對地球內部的掃描。在軟件開發(fā)方面，需要將北斗定位系統(tǒng)自動獲取的位置信息傳輸?shù)椒掌鞫耍垣@取某一范圍內的地下管線數(shù)據(jù)信息，生成三維渲染圖和剖面圖。

4.4 數(shù)據(jù)建設

整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是至關重要的環(huán)節(jié)，沒有數(shù)據(jù)就沒有應用。數(shù)據(jù)的來源：一是，對于現(xiàn)存的地下管線，需要各單位分別將各自管理的管線信息輸入本系統(tǒng)；二是，對于新建的地下管線，由各單位直接通過本系統(tǒng)進行設計，由本系統(tǒng)自動生成三維渲染圖和剖面圖供施工使用；三是，對于現(xiàn)存于地下但資料不完整的管線，可以采用現(xiàn)場勘察等方式，將數(shù)據(jù)輸入本系統(tǒng)。

4.5 標準規(guī)范建設

為最大限度地實現(xiàn)自動化功能，減少人為錯誤，需要量化各部門的有關設計標準和設計規(guī)范，增加到本系統(tǒng)中，使系統(tǒng)能夠自動進行檢查，對不符合設計要求的予以自動警示，系統(tǒng)真正成為設計人員的不可或缺的助手和資料庫。比如地下中壓燃氣管道與電力電纜之間的直埋水平距離不應小于0.5米，如果設計過程中達不到該要求，系統(tǒng)就會自動給出警示。

5 城鎮(zhèn)埋地市政管線三維數(shù)字化檔案在工作中的應用

本系統(tǒng)的應用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

5.1 設計階段

在設計階段，提供了由管線的坐標、管徑等信息自動生成三維渲染圖和剖面圖的功能，并且對于不符合設計規(guī)范的情況自動予以提示，直到修改符合設計規(guī)范為止。由圖紙設計變?yōu)樾畔⒌妮斎耄档土藙趧訌姸龋岣吡斯ぷ餍省?/p>

5.2 施工階段

系統(tǒng)提供了根據(jù)路段或區(qū)域自動生成三維渲染圖和剖面圖的功能，在施工中可以直接輸出使用。尤其是采用移動客戶端時，自動獲知位置信息，自動生成該區(qū)域的三維渲染圖和剖面圖。指導施工，避免故障。

5.3 維護階段

系統(tǒng)中存儲了諸如材料的供應商、使用期限、施工方等各類信息，在各個階段系統(tǒng)都會有自動信息提示，比如使用期限到期之前會有更換提示。還能夠根據(jù)系統(tǒng)的記錄追究不合格供應商、施工方等的責任，具有自助管理功能。

6 城鎮(zhèn)埋地市政管線檔案的制度建設

城市地下管線檔案分散于各個部門，要建設好本系統(tǒng)服務于城市建設，必須制定完備的規(guī)章制度或者地方法規(guī)，各部門齊抓共管、嚴格執(zhí)行才能取得好的應用效果。

一是，做好權限劃分，哪個部門的檔案由哪個部門負責錄入、修改、維護，其他部門只有查看的權限。

二是，各部門現(xiàn)存的檔案必須全部錄入本系統(tǒng)，包括已經廢棄但仍埋于地下的管線的檔案。

三是，新的地下管線的設計直接使用本系統(tǒng)生成，不再在圖紙上進行設計。

四是，設計修改必須在本系統(tǒng)中進行修改。

五是，驗收必須以本系統(tǒng)生成的三位渲染圖和剖面圖為依據(jù)；驗收合格之后，管線的信息不得隨意更改。

......

7 城鎮(zhèn)埋地市政管線檔案三維數(shù)字化的優(yōu)勢總結

7.1 位置準確

本系統(tǒng)采用經緯度標記坐標，能保證位置的準確性。過去經常被采用的特殊參照物標記法，經常會因為參照物的滅失或者移動造成位置不明確的問題。

7.2 設計方便

本系統(tǒng)通過管線信息的輸入自動生成三維渲染圖和剖面圖，減少了設計強度，提高了設計效率，降低了對人員的技術要求，節(jié)省成本。

7.3 自動化程度高

本系統(tǒng)可以自動生成三維渲染圖和剖面圖，自動檢查設計規(guī)范的符合性，自動給予提示、警示信息，自動獲取位置信息等等。

7.4 所見即所得

本系統(tǒng)在對地下管線信息進行輸入、修改的同時，能夠直接反映到三維渲染圖中，直觀方便，實現(xiàn)所見即所得的功能。

7.5 指導施工

本系統(tǒng)移動客戶端自動獲取所在位置的地下管線信息，能有效避免諸如挖斷供水管道、通訊電纜甚至燃氣管道的情況，輕則避免經濟損失，重則保護了城市居民的生命財產的安全。

7.6 指導維護

本系統(tǒng)包含大量維護資料，能夠及時提示，防患于未然。

7.7 提升管理水平

本系統(tǒng)既提供設計、施工應用，又提供運行維護功能，大大提升了城市地下管線的管理能力，同時還提供設計、施工、監(jiān)理、建設等各方面的信息，方便對建設過程的考核。

7.8 決策支持

本系統(tǒng)能夠為將來的地下管線、地下鐵路建設等提供決策依據(jù)。比如根據(jù)地下管線的具體分布情況，可以確定地鐵建設的深度、地鐵由地下到地上過渡的區(qū)域等等信息。死檔案變成了活素材。

8 結語

李克強總理2016年5月24日考察武漢中央商務區(qū)地下綜合管廊時強調，我們的城市地上空間高樓林立，發(fā)展勢頭很好，但在地下空間利用的深度廣度上，與發(fā)達國家還有較大差距。有效避免城市路面動輒“開膛破肚”，消除“馬路拉鏈”。地下空間不僅是城市的“里子”，更是巨大潛在資源。發(fā)展地下管廊是城市品質提升的重要舉措。

城市地下管線三維數(shù)字化系統(tǒng)的建設是智慧城市建設的重要組成部分。通過對城市地下管線三維數(shù)字化系統(tǒng)的建設應用，能夠大量減少重復測繪的人力物力投入和對交通的影響，有效避免盲目施工造成的對城市交通和城市居民的財物甚至人身安全的影響，必將大力提高城市的管理水平和宜居水平，提升城市的軟實力。不但具有巨大的社會效益，從投入產出的角度分析，也必將具有巨大的經濟效益。功在當代，利在千秋。

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