基于GIS的地下綜合管線占壓辨識方法研究

楊艷梅，羅潔瀅，陳 勇，胡本剛

(1.西南石油大學 土木工程與建筑學院，四川 成都 610500；2.重慶工商職業學院 城市工程建設學院，重慶 400052； 3.國家測繪地理信息局 第六地形測量隊，四川 成都 610500)

0 引言

伴隨著城市化進程的加快，地下管線作為城市重要的基礎設施，城市運行和公眾生活對其的依賴程度越來越強[1-2]。但城市建設不斷加快，地下管線違章占壓情況也不斷出現，影響管線的安全運行，困擾著管線運營企業的正常生產和經營，對管線沿線的人民生命、財產安全構成了嚴重威脅。因此，對城市地下管線占壓隱患進行排查和評估具有重大的現實意義。

目前，地下管線占壓的研究主要有占壓隱患排查和治理[3-5]、占壓作用下管道力學性能[6-8]、管土相互作用機理[9]等研究。針對管道占壓隱患風險及方法的分析還較少，牛亞楠等人[10-11]采用模糊綜合評價法對占壓隱患進行了風險評價，建立了占壓隱患的模糊綜合評價模型；劉朝峰等人[12]綜合運用屬性層次模型和數理統計方法，建立了城市埋地管道占壓風險評估實用方法。二者均對隱患的影響因素進行了分析且對隱患等級進行了劃分，但未從占壓隱患類型的角度進行研究。盡管《城市燃氣設計規范》(GB 50028-2006)[13]等標準有禁止城市地下管網直接占壓和安全間距的要求，但是在實際設計和施工環節往往出現近線占壓甚至直接占壓的情況，目前缺乏有效、準確的技術手段來辨識、發現這些問題。本文基于GIS空間分析的思路，從占壓的類型出發，建立地下管線占壓隱患辨識數學模型，識別不同占壓隱患類型和位置，建立占壓分析技術流程，綜合利用城市地下管線和地面建(構)筑物空間數據，實現城市地下管線占壓隱患評價，為地下管線安全評價提供管理基礎和信息化工具，旨在從一個新的角度探索管線安全與城市發展的關系，為相關部門的工作提供指導和建議。

1 占壓辨識方法

管線占壓隱患可以劃分為壓線隱患和近線隱患2類。如圖1所示，壓線隱患是指建(構)筑物直接占壓在管道的上方，占壓物體邊界的投影與管道在投影面上交叉的隱患。近線隱患是指建(構)筑物沒有直接占壓在管道的上方，占壓物體邊界的投影在管道的一側，但管道與占壓物的凈距沒有滿足規范中相關要求的隱患[10]。

圖1 占壓類型Fig.1 The type of occupying

進行地下管線占壓分析時，首先確定地下管線與建(構)筑物的位置關系，平面上管線與建(構)筑物輪廓線的位置關系有3種：包含、相交和相離。對于前兩種，建筑物對管線構成壓線占壓，后一種則可能會構成近線占壓。

1.1 壓線占壓辨識數學模型

為了提高計算效率，首先排除遠離建(構)筑物邊線的管段，可以做建(構)筑物多邊形的最小外接矩形[14]，保留與外接矩形相交或在外接矩形內部的管線段，其具體方法如下：

比較多邊形各頂點坐標的大小，求出其X與Y坐標的最大最小值Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，則多邊形的最小外接矩形左下角在(Xmin,Ymin)，右上角在(Xmax,Ymax)，如圖2所示。

如果管段至少有1個端點坐標(XP,YP)使得式(1)成立，則管段可能與多邊形有交點或者包含于多邊形內，如管段l1，l2，l3，l4，繼續判定是否壓線占壓，否則，該管段必然與多邊形相離，如管段l5，繼續判定是否近線占壓。

(1)

1.1.1 管線與建(構)筑物邊線有重疊部分判定

圖2 建(構)筑物邊線的外接矩形Fig.2 External rectangle of the edge of building

圖3 管線與建(構)筑物重疊示意Fig.3 Sketch Map ofpipeline and building edges overlap

(2)

(3)

則管段l1與建(構)筑物邊線MN共線，此時，若起點較小的管段(邊線)終點大于等于起點較大的邊線(管段)起點，則判定有重合部分。因此，管線l1一定被建(構)筑物壓線占壓。

1.1.2 管線與建(構)筑物邊線有相交部分判定

如果管線與建(構)筑物邊線不相交的情況比較多，為了提高計算效率可先做快速過濾處理：將管線和建(構)筑物邊線視為2個矩形的對角線，并構造出這2個矩形。如果構造的2個矩形沒有重疊部分，如表1圖(c)所示，即可判定為不相交。

表1 排斥跨立實驗

如果向量關系滿足式(4)：

(4)

如果向量關系滿足式(5)：

(5)

則P3在建(構)筑物邊線CD上。

因此，當向量關系滿足式(6)：

(6)

此時，可判定管線l2與建(構)筑物邊線CD有交點，此時，管線l2一定被建(構)筑物壓線占壓。

1.1.3 管線在建(構)筑物邊線內部判定

上述判斷已經進行過重疊和相交的判定，因此，管線和建(構)筑物位置關系僅剩管線在建(構)筑物多邊形內部或者外部，如圖4所示。

圖4 管線在建(構)筑物邊線內部判定Fig.4 The judgement of pipeline inside the building

在進行重疊和相交判斷后，管線和建(構)筑物多邊形位置關系僅有包含和相離兩種。判斷管段是否在建(構)筑物內部，僅需判斷管段上任意一點是否在建(構)筑物多邊形內，為了方便，取管線任一端點，如圖4所示，作多邊形各個頂點與Y軸的垂線，它的每條邊(如HI)與Y軸上對應垂點的連線(如H′I′)之間形成一個梯形區域(如HIH′I′)。如表2所示，統計端點在梯形區域出現的次數(N)的奇偶性即可判斷端點與多邊形的位置，從而確定管線與建(構)筑物的位置關系。管線l4的端點P6僅在梯形HIH′I′中，則N=1，可以判定P6在多邊形內部，因此，管段l4在多邊形內部，建(構)筑物對其必然構成壓線占壓。P5在多邊形中出現的次數N=0，因此，管線l3在多邊形外部，建(構)筑物對一定不構成壓線占壓，是否構成近線占壓還需進一步判定。

表2 N與管線的位置關系

1.2 近線占壓辨識數學模型

近線占壓判別是判斷管線與建(構)筑物輪廓線的最短距離是否滿足工程管線與建(構)筑物間的最小凈距要求[15]。

如圖5所示，以管線與建(構)筑物的最小安全距離為半徑R，在管線周圍建立緩沖區，將該緩沖區多邊形圖層(b)與建(構)筑物圖層(a)進行疊置分析，得到圖層(c)，建筑物1，2，4與管線緩沖區有重疊部分，該管線存在近線占壓安全隱患。經過1.1節的判定，建筑物4對管線構成壓線占壓，因此，除建筑物4對管線構成壓線占壓外，建筑物1和建筑物2還對管線構成了近線占壓。

圖5 管線與建(構)筑物邊線近線占壓Fig.5 The edge of the building is near line occupying the pipeline

2 占壓辨識技術流程

如圖6所示，占壓分析是利用地下管線數據、地上建(構)筑物數據等數據，通過GIS的緩沖區分析、疊加分析、多邊形生成、空間統計分析等方法，實現管線占壓隱患點的提取和統計分析。流程如下：

1)數據處理與提取。分別從城市基礎地理信息數據和地下管網數據中提取的地上建(構)筑物、地下管線數據。

2)確定隱患最大范圍。以給水管線占壓分析為例，以給水管線(線)為中心，以給水管線到建(構)筑物的最小安全凈距為緩沖區半徑，建立緩沖區。將建(構)筑物圖層與該緩沖區多邊形圖層進行疊置分析，過濾位于緩沖區多邊形外的建(構)筑物，留下緩沖區內和與緩沖區有交叉的建筑物。

3)壓線占壓隱患識別。提取上一步分析留下的建(構)筑物邊線，進行最小外接矩形生成，排除最小外接矩形外的給水管線，將余下的管線與建筑物邊線進行重疊、相交、包含分析，識別壓線占壓管線。

4)近線占壓隱患識別。步驟2)中外接矩形外的管線以及矩形內不屬于壓線占壓的管線都具有近線占壓隱患，記錄為近線占壓。

5)分別對每類管線重復上述分析。

6)統計與建(構)筑物間不滿足安全凈距要求的管線點，記錄其位置、類型、嚴重程度等信息，將分析結果儲存在數據庫中。

7)對分析結果進行整理和總結，并將結果可視化輸出。

圖6 占壓分析流程Fig.6 The flow chart of occupying analysis

3 實例應用

在收集研究區域綜合管網普查數據的基礎上，采用上述辨識模型對區域內2013年和2014年的管線近線占壓和壓線占壓等狀況進行分析，得到各類隱患信息以及隱患變化情況，利用ArcGIS軟件將分析結果可視化輸出，實現研究區域地下管線的占壓隱患分析。

3.1 區域概況

W市是我國西南地區重要的科技、商貿、金融中心和交通、通訊樞紐，其城市發展正逐漸走向配套設施與主體功能日益完善的階段，地下管線作為重要的基礎設施其發展也蓬勃迅速。因此，在W市選擇某10 km2的區域為研究對象具有代表性，該區域的地下管線包含給水、排水、燃氣、通訊、電力、熱力和工業等7類，共有13 974段，總長約507.42 km。

3.2 占壓隱患分析

根據第2節的分析流程，提取地面房屋建筑物信息、地下管線的類型、權屬、幾何位置等信息，采用上述占壓辨識數學模型和技術流程，實現占壓隱患管線點的提取與統計分析，得到研究區域2013年和2014年的占壓隱患管段的數量、類型、嚴重程度等信息，參照區域控制性詳細規劃分區圖對輸出數據進行分區統計，得到占壓隱患統計數據，如表4和表5所示。

根據分析結果繪制研究區域2 a的地下管線占壓隱患空間分布圖，由于時間間隔較短，2 a內隱患變化較小，繪制的區域地下管線占壓隱患空間分布圖類似。因此，這里僅給出2013年的分布圖，如圖7所示。根據2 a的占壓隱患數據，得到2014年較2013年隱患新增或減少信息(表6、圖7)。

3.3 分析與討論

由表4和圖7中可以得到：2013年試驗區有占壓隱患的管段495處，占全部管段的3.54%，每km管長占壓隱患數量為0.98處，其中壓線占壓有209處，近線占壓有286處。按片區統計，B片區相對較好，有11處，占研究區域占壓隱患的2.22%；E片區最嚴重，有146處，占29.49%；G片區次之，有115處，占23.23%。

表4 2013年占壓管線數據統計

表5 2014年占壓管線數據統計

表6 2013-2014年管線新增占壓隱患數據統計

經調查，E片區地下管線占壓情況相對嚴重的原因是：近年來，E片區正著力打造區域“商貿之都”，片區內大規模的建設項目眾多，且許多已有的地下管線設施并沒有因此重新規劃，導致不少已有地下管線被新修建的建(構)筑物占壓。G片區較嚴重的原因是：該區正處建設時期，片區內地下管線多次鋪設，施工各自為政，缺乏統一的規劃管理，同時區內現有3號、7號2條在建地鐵，施工作業使得片區內原有地下管線空間布局被破壞。

由表6和圖7得到，2014年相比2013年試點區只存在新增壓線占壓隱患1處位于G片區，無改進隱患情況，試驗區內2 a情況變化不大。經調查2013年到2014年間，區域內沒有進行大規模的修建，管線新建、拆除以及改遷等情況較少。

圖7 2013年研究區域占壓隱患以及2014年新增隱患分布Fig.7 Analysisresults of hidden danger in the research area in 2013 and the new hidden danger in 2014

4 結論

1)構建了城市地下管線占壓辨識數學模型，設計了分析流程方法，為地下管網占壓隱患辨識提供了1套信息化的評價方法和工具；試驗區分析結果經提交相應城市規劃部門，經核實符合試點區實際情況。

2)成果推廣應用可為規劃部門提供科學、量化、空間化的地下管線占壓隱患信息，為城市地下管網規劃、建設、維護改造、監管方案制定提供科學依據。

[1] 朱偉, 翁文國, 劉克會.城市地下管線運行安全風險評估[M]. 北京：科學出版社, 2016.

[2] 朱偉. 地下管線安全與城市發展[J].現代職業安全, 2014(4):14-15.

ZHU Wei. Underground pipeline safety and urban development[J]. Modern Occupational Safety, 2014(4):14-15.

[3] 李存蓮. 淺談違章占壓燃氣管線的綜合治理[J]. 科技情報開發與經濟, 2009,19(31):194-195.

LI Cunlian. Talking about the comprehensive treatments of illegally occupying the burning line[J]. Sci-Tech Information Development & Economy, 2009, 19(31):194-195.

[4] 何悟忠, 何流, 吳運強.東北管道違章占壓現狀及治理對策[J]. 防腐保溫技術, 2011, 19(1):13-16.

HE Wuzhong, HE Liu, WU Yunqiang.Countermeasures to controlthe illegal occupation of the right of way of northeast trunk pipeline[J]. Anticorrosion Insulation Technology, 2011, 19(1):13-16.

[5] 唐寧. 淺談占壓管安全整治對策及研究[J]. 上海煤氣,2008(5):33-35.

TANG Ning. Briefly discuss illegal possession pipe security treatment countermeasure and research[J]. Shanghai Gas,2008(5):33-35.

[6] 帥健,王曉霖,葉遠錫,等. 地面占壓荷載作用下的管道應力分析[J]. 中國石油大學學報(自然科學版),2009,33(2):99-103, 108.

SHUAI Jian, WANG Xiaolin, YE Yuanxi, et al. Stressanalysisofpipelinesubjecttosurfaceload[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum,2009,33(2):99-103, 108.

[7] MoghaddasTafreshi, S N, Khalaj, O．Analysis of repeated-load laboratory test on buried plastic pipes in sand[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2011, 31(1):1-15.

[8] 劉全林.地埋管道與土相互作用平面分析與計算方法[J].巖土力學, 2007, 28(1):83-88.

LIU Quanlin. Calculating method and analysis of plane strain ques-tion of interaction between buried pipe and soil[J].Rock and SoilMechanics, 2007, 28(1):83-88.

[9] 鄭津洋, 魯順利, 馬津津,等．占壓下埋地聚乙烯管力學響應的數值模擬[J].中國塑料, 2014, 28(1):60-64.

ZHENG Jinyang, LU Shunli, MA Jinjin, et al. Numericalsimulationofmechanicalresponseofburiedpolyethylenepipesunder surface load[J]. China Plastics, 2014, 28(1):60-64.

[10] 牛亞楠, 張曉松, 福鵬,等. 城市天然氣管道占壓隱患的模糊綜合評價[J]. 煤氣與熱力, 2010,30(6):71-75.

NIU Yanan, ZHANG Xiaosong, FU Peng, et al. Fuzzy comprehensive assessment on hidden danger of encroachmenton city natural gas pipelines[J]. Gas & Heat, 2010, 30(6):71-75.

[11] 張曉松, 牛亞楠, 李永威,等. 城鎮天然氣管道占壓隱患現狀調研與處理方法[J]. 煤氣與熱力, 2010,30(9):64-68.

ZHANG Xiaosong, NIU Ya’nan, LI Yongwei, et al. Current investigation and treatment methods of hidden dangerof encroachment on city natural gas pipelines[J]. Gas & Heat, 2010, 30(9):64-68.

[12] 劉朝峰,姜力本,王威,等. 城市埋地管道占壓風險評估實用方法研究[J]. 中國安全生產科學技術,2017,13(2):188-192.

LIU Chaofeng, JIANG Liben, WANG Wei, et al. Research on practical method for occupying risk assessment of urban buried pipelines[J]. Journal of Safety Science and Technology,2017,13(2):188-192.

[13] 中華人民共和國建設部.鎮燃氣設計規范：GB 50028—2006[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[14] 王澤根. 射線法判定點與多邊形包含關系的改進[J]. 測繪科學技術學報, 1999,16(2):54-56.

WANG Zegen. The Improvement of method of the ray to judge the relation of polygon and point[J]. Journal of the PLA Institute of Surveying and Mapping, 1999,16(2):54-56.

[15] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市工程管線綜合規劃規范：GB 50289—2016[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.