基于時空信息云平臺的城市管線智能化系統設計

張鵬程，何華貴，張秀英，陳鵬

(廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州　510060)

1　引　言

統一時空基準、豐富時空大數據、構建時空云平臺、搭建云環境、開展智慧應用等內容，是《智慧城市時空大數據與云平臺建設技術大綱》[1](以下簡稱《技術大綱》)對智慧城市時空大數據與云平臺的主要要求，廣州市作為國家測繪地理信息局開展智慧城市時空信息云平臺的首批三個試點城市之一，在平臺設計中選擇了城市地下管線智能化系統作為其應用示范之一：城市地下管線不僅作為重要的市政基礎設施，與百姓生活息息相關，同時也是城市安全與繁榮的根基，而且地下管線的管理涉及不同部門間的協同，此外，隨著物聯網、傳感器等技術或工具的廣泛應用，實時獲取如燃氣管線的壓力、溫度、流量、氣體濃度等參數[2，3]，對管線的安全運行和預警監測具有重要意義，因此，選取城市地下管線智能化系統作為其應用示范，不僅契合了《技術大綱》要求應用示范要體現市政基礎設施領域這一主題，而且能達到應用示范要體現跨部門協同以及“智慧”的預期目標。

2　時空云平臺主要內容

智慧廣州時空信息云平臺的建設內容主要包括時空大數據和時空信息云平臺。

2.1　時空大數據

時空大數據主要包括歷史與現狀的基礎地理信息數據(地理實體數據、影像數據、高程模型數據、地名地址數據、三維模型數據和新興測繪產品數據)、歷史與現狀的公共專題數據(包括法人數據、人口數據、宏觀經濟數據和民生興趣點數據)、智能感知的實時數據(內容包括采用空、天、地一體化對地觀測傳感網實時獲取的基礎地理信息數據和依托專業傳感器感知的可共享的行業專題實時數據)、空間規劃數據(由城市發改、國土、規劃、環保等不同行業部門制定的發展藍圖，如主體功能區規劃、城鄉總體規劃、土地利用規劃、生態環境規劃等)。

2.2　時空信息云平臺

時空信息云平臺主要包括五大服務、五大引擎以及云服務系統建設。

五大服務包括：

(1)數據服務6類：①地理實體數據服務；②影像數據和高程模型數據服務；③智能感知實時數據服務；④三維模型數據服務；⑤地名地址數據服務；⑥新型測繪產品數據服務。

(2)功能服務4類：①地圖必選功能；②地圖專業功能；③地圖可選功能；④非地圖類功能。

(3)接口服務11類：包括基本API、地圖類API、事件類API、控件類API、數據解析類API、三維類API、專業API、物聯網API、歷史分析API、比對分析API、模擬推演API等接口。

(4)基礎設施服務4類：包括云GIS集群服務、云GIS數據庫服務、云GIS桌面服務、云GIS服務器服務。

(5)知識服務3個層次：面向單一專題的時空分布、面向多專題的關聯分析、面向某一主題的深度挖掘。

五大引擎包括：

(1)地名址引擎——幫助用戶完成專題數據在線空間化：地名址引擎是空間信息與其他信息之間的橋梁，能夠實現大數據在全空間信息模型上的精確定位。

(2)業務流引擎——幫助用戶完成業務定制可視化，業務流引擎是將業務流程中的工作，按照邏輯和規則以恰當的模型進行表示并對其實施計算，實現工作業務的自動化處理。

(3)知識化引擎——幫助用戶完成在線大數據分析：知識化引擎是通過提供不同層次能力的大數據分析工具，幫助用戶完成對數據的深度挖掘，進而獲取有價值的知識。

(4)物聯網引擎——幫助用戶獲取行業專題的實時數據：通過傳感器接入技術、組網技術、利用技術的研究，實現云平臺實時讀取RFID、視頻、溫濕度器、PM2.5等傳感器數據；

(5)服務引擎——幫助用戶在線調用現成服務和知識：服務引擎是指以靈活的方式實現服務彼此通信和轉換的連接中樞，并且這種連結與開發環境、編程語言、編程模型或者消息格式等無關，包括服務地址編目規則、服務地址轉換與編目、服務通信、服務圍欄等功能。

通過云服務系統，將上述五大服務、五大引擎提供的相關功能或服務，以統一的門戶對外提供服務，包括入口門戶、基本服務功能、按需服務能力、運維管理能力、數據同步服務能力等。

3　示范應用與平臺融合

廣州市地下管線智能化系統作為智慧廣州時空云平臺的典型應用示范之一，示范項目在已有工作的基礎上，充分利用時空云平臺中的云環境、數據引擎、物聯網引擎、業務流引擎、知識化引擎等現有成果，整合地下管線空間數據、屬性數據、運行狀態與實時監測等信息，面向管線規劃、建設、運維、信息與檔案管理等部門，開發相應的應用系統，從而實現地下管線的大數據整合、動態更新、共享交換、安全預警、應急決策等服務，二者的融合如圖1所示。

圖1云平臺在地下管線智能化工程中的應用框架

(1)基于時空云平臺中的云環境，可為地下管線智能化系統提供統一的基礎設施服務：時空云平臺通過云計算和GIS技術的融合，可為管線的各個部門、各個用戶提供網絡資源、計算資源、存儲資源、內存資源等服務，而且各種資源服務能夠根據用戶業務應用的實際使用需求，動態的調整GIS Server站點內的計算和存貯節點的個數。

(2)基于時空云平臺提供的數據服務引擎，廣州市地下管線智能化系統通過調用時空云平臺中的地理實體數據的要素服務WFS、地圖服務WMS、目錄服務CSW，影像數據的地圖服務WMS、覆蓋服務WCS，新型測繪產品數據如實景影像的地圖服務WMS、目錄服務CSW等，與排水、給水、燃氣、電力、通信、熱力、石油、工業等空間數據和屬性數據融合，形成二維管線地圖服務；通過調用時空云平臺中三維模型數據的模型數據服務3D-WMS、地形數據服務3D-WTRS、紋理數據服務3D-WTTS、矢量要素服務3D-WFS、目錄服務3D-CSW等，與排水、給水、燃氣、電力、通信、熱力、石油、工業等三維數據融合，形成管線三維場景服務，從而可實現城市海量的地上(建筑物、道路等)、地表(地形、地貌數據)、地下(管線、地鐵等)等數據的一體化存儲、查詢、瀏覽、統計、分析、決策等[4，5]，如圖2所示。

圖2　地下管線系統調用云平臺中的數據服務引擎

(3)基于時空云平臺提供的物聯網引擎，在地下管線二、三維地圖或場景展示服務的基礎上，讀取并解譯敷設于地下管線中(在管線相關權屬單位配合下，通過在覆土前埋設壓力、溫度、濃度、流速、流量等傳感器，圖3為在排水管網中埋設水位、流量計和組網示意)的壓力、濃度、流速、流量、溫度等各類管線傳感器，并通過有線網絡、無線網絡等介質的傳輸，實現地下管線運行狀況和健康狀態等信息的實時監測，從而實現如電力管線的電流、電壓、功率監測，排水管線的水壓、流量、流速監測，熱力管線的氣壓、流量、溫度監測，燃氣管線的壓力、溫度、流量、氣體濃度監測，給水管線的水壓、流量、流速監測，工業管線的壓力、流量、溫度監測等，通過地下管線傳感器和物聯網融合，解決城市管線的實時、在線的安全監控、監測預警、應急處置等，圖4為燃氣管線監測信息的實時顯示示意圖。

圖3排水管線中敷設水位、流速傳感器及組網示意

(4)基于時空云平臺提供的業務流引擎，在全面梳理地下管線從設計階段、審批階段、公示階段、批后監管階段、施工階段、竣工驗收階段和檔案歸檔階段等業務流程的基礎上，開發面向廣州市住房和城鄉建設委、廣州市國土資源和規劃管理委員會、廣州市城管委等多部門的管線業務審批系統，以基于城市地下管線全生命周期的審批流程為驅動，實現管線規劃、報建、道路挖掘、竣工測量、規劃驗收等各環節的閉環管理，確保管線數據庫的現勢性，真正解決地下管線的數據動態更新問題。

圖4　燃氣管線實時監測示意

(5)建立管線三維建模規則庫[6](抽象化不規則形體的管點實體模型、尺寸結構屬性驅動的管點實體模型、拓撲連接關系驅動的管點實體模型、結構化的管線段實體模型等)、管線三維可視化算法模型(實時遮擋數據裁剪算法、四叉樹結構的細節層次(LOD)模型、數據實時動態裝載技術等)、規劃設計檢測模型庫(水平凈距檢測、垂直凈距檢測、覆土深度檢測、道路開挖檢測等)、安全預警規則庫(包括預警級別、類別、起始時間、可能影響范圍、危害程度、緊急程度和發展態勢、警示事項以及應采取的相關措施等)等，形成與地下管線相關的知識化引擎，并在智慧廣州時空云平臺的資源池中注冊，便于其他相關單位的申請、調用。

(6)基于智慧廣州時空大數據與云平臺，通過構建專業化、個性化平臺，滿足各部門的業務管理需求：廣州市地下管線智能化系統將針對城市綜合管線與各專業管線在數據來源、數據精度、數據分類、空間幾何、數據語義等方面的差異，面向廣州市城鄉建設主管部門、城鄉規劃主管部門、管線行業主管部門、管線權屬單位、管線建設單位等不同部門的數據和業務需求，采用企業服務總線(ESB)、SOA架構、服務式GIS、信息化映射等技術，實現管線空間圖形與屬性信息、業務運行信息、健康狀態等信息的共享，解決城市管線在不同部門之間的共享交換問題。

4　示范應用的目標效果

(1)管線大數據的整合：整合時空云平臺數據引擎中的基礎地理信息數據和物聯網引擎中實時抽取的管線實時監測信息，實現管線大數據(空間信息、屬性信息、運行維護信息)的二、三維一體化存儲更新、查詢瀏覽、統計分析等。

(2)管線信息共享與交換：實現地下綜合管線與各專業管線、管線空間圖形、屬性數據、運維數據等在各管線部門間的共享與交換。

(3)管線業務審批全覆蓋：基于時空云平臺提供的業務流引擎，搭建涵蓋管線規劃、管線報建、管線施工、竣工驗收、檔案歸檔等業務審批流程，為實現管線信息的全生命周期管理提供支撐。

(4)管線數據的動態更新：在管線信息共享與交換、管線業務審批全覆蓋的基礎上，綜合利用普查修測、竣工驗收、專業管線匯交等方式，實現管線數據的動態更新，確保管線數據的現勢性。

(5)安全監測與應急管理：通過物聯網、GIS、云計算等技術，實現城市地下管線的實時、在線的安全監控、監測預警、應急處置等，為城市的安全與應急管理提供服務。

5　結　語

(1)城市地下管線作為重要的市政基礎設施之一，與百姓的生活密切相關，選擇城市地下管線智能化系統作為智慧城市時空信息云平臺的應用示范，契合了《技術大綱》中要求示范應用要體現“市政基礎設施”、“民生”等領域。

(2)通過時空云平臺提供的數據服務引擎，可實現城市二、三維基礎地理數據在各管線應用部門中的共享，避免了重復建設。

(3)通過時空云平臺提供的業務流引擎，可實現管線業務審批的全生命周期管理，體現了智慧城市時空云平臺應用示范中要體現“跨部門協同”的特點。

(4)隨著壓力、溫度、濃度、流速、流量等管線傳感器的逐漸普及，通過時空云平臺提供的物聯網引擎，可實時讀取管線的運行狀態信息，體現了智慧城市時空云平臺應用示范中要體現“智慧”的特點。