地下管網數據一體化生產與管理應用體系的研究

劉全海，孫雪梅，潘伯鳴

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

地下管網數據一體化生產與管理應用體系的研究

劉全海*，孫雪梅，潘伯鳴

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

地下管網數據一體化生產與管理應用體系是當前管網研究的重點和難點。針對管網信息化管理過程中“多用戶、多系統、相對分散、難以共享、效率低下”的現狀，本文在分析管線規劃設計、建設、竣工、應用、運維、更新等智能管網閉合生態鏈的業務流程的基礎上，提出并建立了一套集管線采集、更新、管理、應用、共享的一體化生產與管理應用體系，推進智能管網無縫集成、協同管理和智能應用。并以常州市為例，論證該體系的科學合理性和可操作性。

智能管網；一體化生產與管理應用體系；全生命周期

1 引 言

數字城市、智慧城市方興未艾，智能管網也成為管網研究領域新熱點[1]。以智慧發展為理念，結合物聯網、云計算、大數據、移動互聯等技術支撐，智能管網要實現管網規劃、建設、運行、維護及管理、服務的智慧化，保障管網全生命期的安全、高效、智慧、綠色，進而提升城市基礎設施功能和城市運行能力。如何綜合現代信息化技術建立智能管網一體化生產與管理應用體系，推進智能管網建設已經成為管線行業的重要任務。山東正元智能管網解決方案建立了管線探測、監測、修復體系，著重管網安全運行，對各管線權屬單位管線監管維護起到了重要作用，還需建立起管線規劃、竣工、應用、運維完整生命體系[2]。靈圖智慧管網包括城市地下綜合管網解決方案及燃氣、供水等專業管網解決方案，包含數據建庫、管理、共享、三維應用、巡檢等應用[3]。超圖基于SuperMap平臺開發建設的基于標準的、開放的、可擴展、共享的信息平臺，實現數據管理、維護、共享發布，同時融合三維地下管線管理，可對復雜三維管線分布進行查看[4]。中地數碼基于MapGIS架構開發管網管理平臺，以專業管線為依托，提供供水、排水、燃氣、電力等專業管線GIS信息化管理，包含管網數據管理、巡檢、養護，為專業管線安全運維提供技術支撐[5]。

城市地下管線歸屬龐雜、種類眾多、特性各異，導致管線數據具有多種來源、多種格式和多種結構，市政行業用戶業務需求的不斷變化和拓展，市場上常見的管線產品功能各有側重點，完善的智能管網一體化生產、管理與應用體系應涉及管線從規劃設計、建設、竣工、應用、運維、更新等諸多領域[1，6]，因此建立智能管網一體化生產與管理應用體系還需深入研究。本文從智能管網全生命周期業務流程出發，分析各業務技術關鍵點，利用移動GIS、空間數據庫、三維GIS等前沿技術，建立集管線采集、更新、管理、應用、共享為一體的生產與管理應用體系，構建智能管網全生命周期業務一體化解決方案，為規劃、測繪以及管線權屬單位等諸多領域提供技術支撐。

2 智能管網全生命周期業務分析

按管線規劃建設使用劃分，城市地下管網規劃建設領域業務分類如圖1所示。

圖1 智能管網全生命周期業務“閉合環”

(1)管線輔助規劃設計流程

管線規劃設計涉及規劃部門、設計單位，需要在相關軟件中參照現狀管線設計管線，并將設計方案與施工方案、竣工方案進行對比，檢查規劃、設計方案的科學性，實際管線規劃設計中，還涉及地形、控規等基礎地理信息數據，考慮到業務部門工作習慣，輔助管線規劃設計需要基于CAD平臺，并與SDE庫雙向交互，支持多源異構地理信息數據。業務設計流程如圖2所示：

圖2 管線輔助規劃設計流程

(2)管線竣工測量

管線竣工測量涉及測繪部門，需要針對新敷設或修補測管線進行實地探測，并將探測數據數字化存入管線數據庫，是管線數據生產的必要步驟，分為外業測繪和內業數據處理兩大部分[7]。傳統管線測繪主要采用紙筆記錄，內業數據再錄入的形式獲取管線竣工數據，效率較低。智能管網研究充分利用移動地理信息應用優勢，研發基于移動端的管線采集模塊，擺脫管線傳統探測內外業分離模式，提高管線數據生產效率。數據內業處理需要契合規劃測繪部門使用習慣，與移動端采集模塊、管線空間數據庫無縫對接，提供管線可視化編輯、數據處理、數據檢查功能，有效輔助數據生產，如圖3所示。

圖3 管線竣工測量

(3)管線數據庫管理

管線管理需要針對普查及日常探測管線進行綜合性數據管理，包括管線數據、業務數據等。管線數據管理包括管線更新、備份、歷史數據管理，為方便數據統籌，均以竣工工程為依托，對管線竣工更新數據利用版本機制統一管理[8，9]，區分各工程歷史、現狀數據，還需對備份數據進行管理，維護管線數據庫的健壯、完整。業務管理則需要針對管線共享、供圖等業務數據進行管理，對業務涉及人員操作、數據范圍進行記錄，滿足業務追溯要求，如圖4所示。

圖4 管線數據庫管理

(4)管線共享交換

共享是智能管網建設的重要部分，城市規劃建設中，涉及管線業務的部門較多，管線數據管理單位需要提供相關管線數據給業務部門，管線權屬單位的竣工更新數據也要及時更新給管線數據管理單位，同時為減少各部門信息系統重復建設，常見管線分析功能也應能共享使用[10，11]。共享可分為數據共享及信息系統功能共享兩部分，數據及平臺支撐均實現共建共享，前者實現管線數據應用效益最大化，后者則將智能管網平臺應用支撐不再局限于特定應用部門，可有效推進智能管網的應用廣度及深度。

1.2.2 節約成本。植保無人機作業具有較高的精準性，藥物能夠直接作用于植物上，無論是灌溉還是在施藥過程中，均可達到控制成本的目的。例如，可節約農藥使用量50%，可節約水量90%。

(5)管線應用

在現勢管線數據的支撐下，可根據管線實際應用需求進行定制性研究。如利用管線、地形、道路等基礎地理信息數據，結合城市地下管網工程需要，通過相應統計分析功能，可以獲取管線工程決策支持信息，以此制定施工方案、確保工程安全執行。同時還可以引入三維管線[12]，實現管線二三維一體化應用，包括二三維數據融合，二三維服務管理的一體化以及二三維展示界面的無縫集成和深層次互動。還可以考慮專業管線權屬單位管線應用需求進行定制性研究。

(6)管線維護管理

智能管網的一大重要標志即為感知、物聯和智能。感知即通過傳感器感知管線及管線設施運行狀態和運行環境狀態；而感知信息利用無線網絡、通信網絡等傳輸即可實現管線設施與人交流的物聯通道，這樣就能對管線運行狀態進行智能分析預測，利用現場設備遠程智能控制[13]。廢棄管線、危舊管線預警、管線應力破壞等均需要對管線數據進行實時監控，及時提醒問題管線，降低管線事故發生概率[14]。

(7)管線數據的動態更新

管線更新是維護管線數據現勢性的重要手段，基于管線動態更新機制建立完整的動態更新流程[15，16]。基于地下管線更新管理規定辦法，城市地下管線管理部門統籌各相關單位部門，在管線普查的基礎上對修、補、改等管線工程進行動態更新。更新時，需要考慮管線接邊問題處理，根據入庫數據量選擇范圍全部更新或增量更新[17]。

3 智能管網一體化生產與管理應用體系

3.1 總體架構

智能管網數據一體化生產與管理應用體系總體架構如圖5所示。考慮不同業務依賴作業平臺，采用C/S、B/S、M/S相結合的方式，綜合Android、AutoCAD、WebGIS、移動GIS技術，模塊流程化各業務操作，并將各業務流程進行串接，從而建立以移動端管線采集系統、CAD管線應用系統、管線數據庫管理系統和管線應用系統為基礎的解決方案，以管線全生命周期業務為切入點，通過管網數據一體化生產與管理應用體系的搭建，實現了管網規劃、建設、運行、維護及管理、服務的智慧化。

圖5 智能管網數據一體化生產與管理應用體系總體架構

3.2 移動端管線采集系統

基于移動GIS開發的移動端管線采集系統主要服務于管線竣工測量外業探測階段，根據不同數據探測采集要求，管線采集系統滿足管線普測、跟測需要，代替人工繪制草圖、數據再錄入工作，提高數據采集及數據處理效率。

移動端管線采集系統通過：①可配置，依據不同管線探測需求配置相應屬性；②可檢查，針對管線數據特性進行數據檢查；③可繪制草圖，代替筆、紙傳統草圖繪制工具，在移動采集平臺上繪制概略圖；④導出數據格式為MDB形式，支持管線成圖入庫、竣工更新等業務操作，繼而實現了地下管線數據外業采集和內業處理的無縫銜接，為地下管線探測、更新提供高效服務。

3.3 地下管線CAD應用系統

管線CAD應用系統基于AutoCAD平臺進行二次開發，針對管線數據處理、竣工入庫、輔助規劃設計等業務。管線測繪采集獲取的管線數據以Access數據表形式存儲，CAD平臺上管線竣工內業數據處理流程如圖6所示。實際業務處理時，為配合竣工測量，平臺根據業務需要集成多種數據處理功能，如Excel數據展點、裸點跟測高程賦值、排水流向繪制、點號重排、重復點號修改，簡化外業探測數據到內業處理的業務操作。

圖6 管線竣工處理流程

管線數據庫的現勢、完整是保證城市地下管線管理應用的根本基礎，因此管線竣工動態更新是CAD管線管理應用系統的重要業務流程[15，17]，系統中入庫管理模塊管線動態更新流程如圖7所示。更新時，系統引入管線竣工工程概念，針對竣工工程入庫，同時存儲管線數據信息及業務信息。

圖7 管線動態更新流程

管線規劃設計部門也可以利用該平臺完成管線設計工作，并通過多種方案對比輔助規劃管理，如圖8所示。

圖8 輔助管線規劃設計流程

3.4 管線數據庫管理系統

管線數據庫管理子系統采用C/S架構基于GIS平臺研發，高效管理地下綜合管線數據庫以及實現管線信息的查詢、統計與分析、管線應急等深層應用，滿足數據庫管理及管線維護需求。

管線數據庫管理也以竣工工程范圍線為依托，對管線竣工更新數據進行統一管理，區分各工程歷史、現狀數據，并對數據庫各版本數據進行靈活回溯、清除、合并、導出，從而對管線竣工數據進行系統管理，維護管線數據庫的健壯、完整。針對具體管線維護業務需求，結合物聯網技術，對管線使用壽命、使用狀況進行動態跟蹤，對問題管線及時預警提示，減少危舊管線事故發生頻率；以城市地面沉降監測數據為基礎的管線沉降分析等功能對管線沉降進行參考性修正，維護城市管網安全，保障城市安全運行，如圖9、圖10所示。

圖9 管線數據庫管理

圖10 管線維護

3.5 管線應用系統

管線系統是基于WebGIS技術研發的B/S系統，以在線服務為主，提供便捷瀏覽操作及共享交換功能，并通過“道路透明化、管線可視化”的技術手段，實現地上地下一體化、管線二三維可視化展示。系統采用多樣靈活的共享方式，區分一般、集成應用、深度應用共享，推進地下管線信息系統在規劃、建設、管線權屬單位等各部門間的共享應用，如圖11、圖12所示。

圖11 管線共享交換模式

圖12 管線三維可視化應用

4 方案應用

通過深入理解各部門管線業務，智能管網數據一體化生產與管理應用體系突破原有一個個孤立業務功能，梳理并開創管線業務流思路，實現了管線輔助規劃設計、竣工測繪、管線竣工更新、共享交換、數據庫管理、管線應用等各項管線業務的集成管理，構建管網業務一體化作業平臺，推進城市地下管線采集數據入庫、管理、應用、更新、共享全生命周期業務操作，實現管線數據全流程無縫管理。

以常州市為例，通過智能管網數據一體化生產與管理應用體系整合基礎地形、綜合管線、規劃成果、規劃紅線、正射影像建立地下管線綜合數據庫，解決地下管線長期粗放管理現狀，為規劃局、測繪院等管線管理部門建立網絡動態化、信息動態更新、多級部門廣泛共享的現代化管線管理機制。規劃設計管理部門利用CAD平臺可以實現管線設計、方案對比；測繪部門利用移動端管線探測采集系統可以有效提高數據采集效率，利用CAD平臺進行數據內業處理、檢查入庫，將數據采集、內業處理、數據入庫進行流程化集成；管線數據管理部門可以利用管線數據庫管理系統進行數據庫統籌管理、管理應用用戶；管線權屬單位則可以充分利用共享模塊進行數據及功能服務共享，免去了數據、信息系統重復建設難題；平臺提供的管線預警維護功能則為城市管網透明化安全運行提供了技術支撐。

5 結 語

根據管線全生命周期業務分析，結合智能管網研究成果，本文研究并建立智能管網數據一體化生產與管理應用體系，實現管網全生命周期全業務流程化、一體化生產、管理、維護、應用。依托于統一的管線標準及數據庫，智能管網一體化生產與管理應用體系面向規劃建設管理，建立管線規劃設計、建設、竣工、應用、運維、更新全生命周期閉合生態鏈，符合日常管線業務工程習慣，規范和提升了城市地下管網信息化管理水平，將地下管網信息由多家封閉管理的模式變為“集中”、“協同”、“智慧”的創新管理局面，為經濟和社會發展中涉及地下管線的建設、使用、維護與應急管理提供輔助支持。

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AResearchontheIntergratedSystemofUndergroundPipeDataProduction，ManagementandApplication

Liu Quanhai1，2，Sun Xuemei1，2，Pan Boming1，2
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213003，China；2.Changzhou Geographic Information Intelligent Technology Center，Changzhou，213003，China)

The intergrated system of underground pipe data production，management and application has been the focus of pipe-related researches. There are several problems in current pipe information management，such as multi but dispersed systems and users，difficult to share and low efficiency. Based on the wisdom pipe whole-life processes of pipeline planning and design，construction，completionsurveying，application，maintenance and data update，this paper proposes an integrated system aimed at pipe data production，management and application including pipeline data collecting，updating，managing，applying and sharing，which promotes pipe process tightly intergration，collaborative management and intelligent applications. And the successful application in Changzhou has proved the system’s scientific rationality and maneuverability.

wisdom pipe；an intergrated system of production，management and application；whole-life circle

1672-8262(2017)06-5-05

P208.2

A

2017—03—18

劉全海(1972—)，男，博士，研究員級高級工程師，主要從事三維數字城市、智能測繪、時空信息共享挖掘等研究。

住房和城鄉建設部科技項目(2014-K8-010)