城市地下管線綜合信息平臺關鍵技術研究

譚仁春，盧丹丹，向祎

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430022)

城市地下管線綜合信息平臺關鍵技術研究

譚仁春1，2*，盧丹丹1，2，向祎1，2

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430022)

近年來，全國各個城市相繼開展城市地下管線普查和信息系統建設。本文結合武漢市開展城市地下管線深化普查和綜合信息平臺建設工作，在開展了深入研究和大量實踐的基礎上，針對城市地下管線綜合信息平臺建設的關鍵技術進行了總結，提出了一些新思路和新方法，為其他城市開展城市地下管線綜合信息平臺工作提供參考和借鑒。

城市地下管線；裝配式開發；信息平臺；空間決策

1 引 言

隨著2014年《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》(國辦發〔2014〕27號)和《住房城鄉建設部等部門關于開展城市地下管線普查工作的通知》(城建[2014]179號)的下發，全國各城市陸續開展了城市地下管線普查與信息系統建設工作。但是，目前我國城市地下管線信息系統的建設水平參差不齊，同時存在一些普遍性問題：①系統數據未能實現有效動態更新；②系統功能僅停留在數據管理階段，成果應用和數據挖掘遠遠不夠；③系統架構不能滿足海量管線數據的協調管理與應用。因此，突破傳統管線信息管理系統的搭建模式，構建既能夠滿足數據資源管理，又能實現管線規劃、建設和監管應用的城市地下管線綜合信息平臺勢在必行。

隨著新一代互聯網、虛擬現實、云計算、物聯網和BIM等先進技術的快速發展，地下管線信息化建設正朝著平臺化、集成化、應用化等方向發展。本文主要結合武漢市正在開展的地下管線綜合信息平臺建設工作，重點針對地下管線信息平臺建設工作提出一些新的思路和方法，為國內其他城市在開展類似工作過程中提供參考。

2 關鍵技術

城市地下管線綜合信息平臺的關鍵技術很多，本文主要在開展了相關研究與實踐的基礎上，結合武漢市實際情況，提出如下關鍵技術，以供參考。

2.1基于云計算的管線數據存儲、處理、共享與應用技術

我國城鎮化建設的持續推進導致城市地下管線數量的急劇增多，實現海量管線數據的高效存儲處理和全面共享應用，提供高質量的管線信息服務是搭建管線信息系統或平臺的最終目標。在傳統的C/S模式GIS、B/S多層模式GIS、基于Internet的分布式GIS或格網GIS的分布式計算模式下，存在①WebGIS仍然以單項服務提供為主，終端用戶無法生產個性化服務；②沒有充分發揮分布式計算模式的優勢，不能挖掘分布式GIS的最大潛能；③服務器的數量和硬件的指標是應用系統的性能瓶頸等問題[1]。

隨著云計算技術的發展與成熟，將云計算技術應用于管線GIS系統或平臺建設，能夠最大限度地解決上述問題。具體思路為：

(1)利用云計算的計算資源自動擴展技術，根據實際需求增加或減少計算資源。當虛擬機進行計算任務時，如果CPU、內存或者其他計算資源占用過高，自動擴展功能可以啟動更多的虛擬機來幫助完成任務；反之如果資源占用過低，自動擴展可以在保證計算的同時來關閉一部分虛擬機，從而節省計算資源。它不僅可以保證運算時有足夠的計算資源，緩解累積的計算負擔，以支持并發請求；而且可以通過動態調整來節省計算資源。

(2)利用云計算的負載均衡技術，將一項需要大量計算資源或時間的工作加載在兩個或多個云計算虛擬機上，從而提高運算效率。可以在多個地理信息服務實例間自動分配應用程序的傳入流量。同時可以讓平臺實現更大的應用程序容錯性能，以持續提供響應應用程序傳入流量所需要的負載均衡容量。在負載均衡中，它可以檢測出群體里不健全的實例，并自動更改計算配置，使其指向健全的實例，直到不健全的實例恢復為止。

武漢市將云計算技術應用到地下管線綜合信息平臺建設中，基于Eucalyptus云平臺實現計算資源的自動擴展與負載均衡，保障了管線數據的高效存儲處理與共享應用。

2.2基于圖庫一體的二維管線建庫與更新技術

傳統以圖形為主的CAD數據模型和以數據庫為主的GIS數據模型都存在管線圖與管線庫分別存儲而導致的圖、庫信息不一致，有圖入庫工作量大，圖庫不能實時更新等問題。

武漢市在管線數據模型建設中，采用集幾何信息、符號信息、屬性信息于一體的圖庫一體時空地理信息數據模型，相對傳統的CAD和GIS數據模型，具有便于實體管理與操作，便于幾何復雜度的地理空間實體表達和便于數據更新與維護。同時，在作業流程中采用“先庫后圖、圖庫聯動”的生產工藝流程，在數據庫建立的同時能夠實現圖形的無損表達，圖形和屬性信息能實現聯動編輯，實時更新，真正實現時空地理信息數據庫和圖形建設的雙向同步聯動。利用該技術能夠實現管線圖與管線庫的模型、生產、管理、更新與產品一體化，如圖1所示。

圖1 “圖庫一體化”的管線數據建庫與更新流程

2.3管線的自動化三維建模與局部更新技術

在不影響日常使用的前提下，實現三維管網模型的局部高效更新，保證了三維模型與二維屬性數據的嚴格一致，為基于三維的管線管理和分析提供高時效性的數據基礎。

為了保證地下管線三維模型的精細化和逼真度，平臺針對地下管線建模要素特點，采用不同的建模方法，具體分為：

(1)針對抽象化不規則形體的管點：這類管點具有不變的幾何形態以及類似的表面材質，三維模型可以重復利用。主要利用對象的平面、影像等資料，在建模軟件中制作完成。

(2)針對尺寸結構由屬性驅動的管點：這類管點具有明顯的底面邊界尺寸信息，是規則體元。主要利用構造實體幾何法，通過底面尺寸、高度、位置等參數自動生成模型。

(3)針對拓撲連接關系驅動的管點：這類管點規格尺寸多樣，主要利用掃描法+格網造型法，通過管徑信息分別建立主管和支管模型，再運用布爾運算和并集剖切連接形成管點模型。

(4)針對管線段：這類管線段具有不同的空間運動軌跡，可利用掃描法+格網造型法，將一條管線看作是整張連續的曲面進行建模處理。

圖2 ArcGIS管線庫自動生成三維模型庫

(5)局部更新： 通過對二維管線數據進行自動化探測，在提取到二維管網空間及屬性數據庫的更新信息后，采用掃描法+網格造型法(Sweep+Mesh)和布爾并集運算，主動在三維系統中進行單體管線模型及其附屬設施的重建；因管網中管線的增加或減少導致其拓撲結構發生變化，系統也會同步更新其拓撲關系，精細化地建立管段和拓撲連接關系驅動的管點三維實體模型，如圖2所示。

2.4管線全生命周期的協同管理應用技術

目前，全國大多數城市的地下管線信息管理系統或平臺多以管線數據信息管理和更新維護為主要建設目的，管線普查成果的應用還沒有大范圍推廣。同時，由于管理體制的原因，地下管線的規劃、建設和營運分別由不同的管理部門監管，各管理部門之間信息互通不足、上游管理信息不能及時完整地流轉到下游管理部門。

武漢市綜合考慮管線工程規劃、建設和監管全生命周期管理流程，以管線工程為管理單元，全面控制管線工程從規劃、審批、開工、施工、跟蹤、竣工和運行監管等關鍵環節，針對規劃、建設和監管三個管理部門的業務需要，開發管線規劃管理、管線建設管理和管線監管三個應用系統，這三個應用系統通過管線信息的流轉將管線規劃、管線建設和管線監管等階段銜接起來，實現管線的全生命周期管理，如圖3所示。

圖3武漢市城市地下管線綜合信息平臺邏輯結構

3 應用實例

針對上述關鍵技術的研究，筆者已進行了相關開發和實踐，目前研究成果已經應用于武漢市城市地下管線綜合信息平臺建設工作中，取得了很好的效果。圖4是武漢市城市地下管線綜合信息平臺的登錄主頁面，主要是用于登錄到基礎信息平臺子系統、3個應用管理系統以及信息共享系統的功能模塊，如圖4所示。

圖4 武漢市地下管線綜合信息平臺登錄主頁面

圖5 集成管理系統主界面

圖6 展示系統主界面

圖5、圖6分別是綜合信息平臺中的集成管理系統主界面和集成展示系統主界面。集成管理系統主要用于實現地理空間框架數據、地下管線數據的二三維一體化動態管理、更新維護、自動建模、分析應用和輸入輸出；集成展示系統主要用于地理空間框架數據及地下管線等數據二三維一體化網絡發布、集中展示與共享應用。

圖7、圖8是武漢市城市地下管線綜合信息平臺的三維應用，平臺集成了武漢市中心城區 567 km范圍內的地上三維模型和地下管線模型。地上三維模型在高程上與地下管線模型嚴格匹配，保證了各種三維空間分析的有效應用。

圖7 管線二、三維一體化

圖8 地上地下三維一體化

4 結 語

本文主要結合武漢市地下管線綜合信息平臺建設工作，針對地下管線體系架構、數據組織與建庫、三維建模與綜合應用的關鍵技術提出了一些思路和方法，并進行了針對性的研究與實現，實踐證明是可行的。目前，全國正在大力開展城市地下管線普查與信息系統建設工作，本文提出的一些關鍵性技術可為其他城市提供一定的參考。

[1] 方雷. 撒基于云計算的土地資源服務高效處理平臺關鍵技術探索與研究[D]. 杭州：浙江大學，2011：5～33.

[2] 丁鵬輝，李志剛，董紹環等. 城市地下管線信息系統關鍵技術研究[J]. 測繪通報，2015(11)：92～95.

[3] 肖建華，王厚之，彭清山等. 武漢市城市地下管線綜合信息平臺設計與實現[J]. 辦公自動化，2014(10)：64～66.

[4] 袁遠明. 智慧城市信息系統關鍵技術研究[D]. 武漢：武漢大學，2012.

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[7] 江貽芳. 我國城市地下管線信息化建設工作進展[J]. 測繪通報，2007(12)：1～4.

[8] 陶迎春，鄭國江，楊伯鋼. 三維城市地下管線規劃輔助系統研究[J]. 測繪通報，2013(10)：95～98.

ResearchonKeyTechnologyofInformationSystemforUrbanUndergroundPipelines

Tan Renchun1，2，Lu Dandan1，2，Xiang Yi1，2

(1.Wuhan Geometics Institue，Wuhan 430022，China； 2.Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Wuhan 430022，China)

In recent years，many cities have carried out urban underground pipelines survey and information system construction in China. Based on the deep research and extensive implement，this paper summarizes the key technologies about the construction of the information system for urban underground pipelines，and puts forward some new ideas and suggestions on the construction of the urban underground pipelines information system. Some new methods provide reference for other cities to carry out urban underground pipeline information system.

urban underground pipelines；fabricated development；information platform；special decision

1672-8262(2017)05-115-04

P208.2

A

2017—05—23

譚仁春(1978—)，男，高級工程師，主要研究方向為地理信息系統研發與應用。

精密工程與工業測量國家測繪局重點實驗室開放基金項目(PE2011-27)