地下管線綜合管理信息系統設計與實現
——以重慶市為例

梁風海，徐占華

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 前 言

地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，擔負著城市的能源輸送、信息傳輸、污水廢液排放等功能，是城市的血管和神經，被譽為城市的“生命線”[1，2]。為貫徹落實《關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》，重慶市2015年印發了《關于進一步加強城市地下管線規劃建設和管理工作的通知》等系列文件[3，4]。但管線建設和管理存在行業數據分散、各自為政，服務對象不同導致需求不一致，大城市大農村的城市特點帶來的坐標系不一致，管理一步到位難度較大以及數據保密等問題。

針對以上問題，重慶市地下管線綜合管理信息系統以現有基礎地理空間信息資料、城市地下管線設施信息和各類專業信息數據為基礎，充分運用信息科學、計算機科學的方法和手段，為城市地下管線的規劃、工程施工、故障檢測、信息查詢以及各相關部門提供多專業、多層次、多目標的綜合服務。本文重點闡述數據庫設計、系統設計和關鍵技術，具有參考借鑒意義。

2 數據庫設計

城市地下管線是指城市范圍內供水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業等管線及其附屬設施，是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”[5]。根據系統運行需要，地下管線綜合管理信息系統數據應當包含現狀管線、地理框架要素數據和系統支撐數據三類[6]，具體組織如圖1所示：

圖1地下管線綜合管理數據庫

(1)現狀管線由都市區現狀地下管線數據庫、區縣現狀地下管線數據庫和長輸管線數據庫組成。現狀管線數據以全市統一普查的數據成果為本底，綜合各專業管線單位匯交成果進行匯總而成。動態更新采用市場和政府相結合的長效工作機制，按照“誰引起變化誰負責更新”原則，都市區現狀管線數據在市場層面通過建設項目規劃管理建立以現狀地形圖(含管線圖)測量和竣工測量實施為主的動態更新。在規劃選址階段，建設單位須提交 1∶500比例尺現狀地形圖和管線圖；在辦理建設工程規劃竣工階段，建設單位須提交 1∶500比例尺竣工地形圖和管線圖；在政府層面，一方面定期抽取管線單位共享數據，另一方面采用年度專項更新機制，由財政投入對動態更新未覆蓋區域進行一次性更新和入庫工作，以保證數據的現勢性和完整性[7]；區縣現狀地下管線數據庫參照都市區模式建設，并定期匯交入全市地下管線綜合管理數據庫；長輸管線數據庫作為專業庫存在。

因都市區和遠郊區縣之間存在坐標系統不一致的情況，遠郊區縣的地下管線數據經坐標轉換與都市區保持一致后再進入數據庫。由于坐標轉換導致的誤差，遠郊區縣地下管線數據僅供瀏覽和查詢相對關系，不宜應用于工程管理等工作。

(2)地理框架要素數據存儲了本系統空間定位和空間分析所需的基礎地理信息數據，該數據主要反映和描述自然地理信息中的行政區劃、道路、水系、綠地、建筑物、地名等有關自然和社會要素的位置、形態和主要的屬性信息。其中，等高線數據只在長輸管線農村地區使用，城區不使用。

(3)系統支撐數據作為重慶市地下管線綜合管理信息系統有效運行的必要保證，存儲了系統運行的相關環境配置信息、用戶權限信息和相關日志等信息。

在管線數據組織結構上，按行業進行劃分種類，按數據內容可分為管線點(點狀)、管線(線狀)、管線附屬物(面狀)、隱患信息(面狀)和工程信息五類[8]。其中，每條管線由兩個管點相連而成。管點代表實際的管線設施或者普查的測量點，如供水的閥門井、消火栓、水表、探測點和燃氣的管帽、預留口、凝水缸等。管點與管線數據庫設計的原則是實現管點與管線的屬性拓撲關系。例如選擇了一條管線，通過管線數據庫能夠查找到組成該管線的兩個管點。同樣，如果選擇了一個管點，通過管點數據庫能夠查找到所有與該管點相連的管線。數據庫設計遵循《重慶市地下管線數據建庫標準》，考慮到前期普查成果的利用，不包含小區內部自建管線，建設必須確保在字段設計上包含地下管線普查的全部內容，增加對建設年代、運行狀態等信息[9]。

在系統保密管理上，為保證數據安全性，將其部署在電子政務內網上運行，同時身份鑒別系統采用多方面、多級別的“認證”措施，包含用戶級別的安全認證、操作系統級別的安全認證、應用程序級別的安全認證、數據庫級別的安全認證等。依據管線數據使用人員的業務需求不同將各類數據庫使用者及維護者，進行了明確的權限劃分，主要分為以下四類級別：系統維護級、通用查詢級、行業查詢級、行業錄入級。系統維護級為最高權限擁有者，擁有全部權限；通用查詢級擁有的只是讀的權限，而沒有編輯的權限，主要為市級政府決策部門用戶；區域查詢級可瀏覽查詢數據庫中本行政區所有的數據庫表和圖層信息，沒有編輯權限，主要是區內各委辦局用戶；行業查詢級只有本行業數據庫信息的查詢權限，而行業錄入級包含了“本行業查詢級”，能查詢、編輯、導出本行業數據庫的全部信息，主要為行業用戶服務。

3 系統設計

為解決服務對象不同而帶來的應用需求差異，系統設計采用數據和系統兩個層次提供服務，數據服務是指通過政務網絡面向全市政府決策部門和專業管線單位提供地下管線數據共享服務，各部門和單位可根據自身信息化建設條件，實現對全市地下管線信息的整合；系統服務是利用平臺提供信息整合、查詢分析、統計分析等基礎數據分析功能，同時面向不同管理部門的特殊要求可委托定制開發輔助決策工具集，積極探索智慧化、精細化管理模式，面向各權屬單位，除提供與政府部門相同的基礎功能外，還需要提供二次開發接口、數據管理等服務。

系統建設主要包括綜合管網信息服務平臺、數據生產更新平臺、行業應用子系統、區縣應用子系統和基礎的軟硬件運行環境。其中，項目重點是綜合管網信息服務平臺和數據生產更新平臺的建設，行業應用子系統是利用綜合管網信息服務平臺提供的接口和數據資源，二次開發完成更加符合各行業應用的專業平臺，而區縣應用子系統參考都市區綜合管網信息服務平臺建設，并具備數據匯交功能。

3.1 綜合管網信息服務平臺

管網綜合信息服務平臺功能主要包括網站首頁、資源瀏覽、資源中心和開發中心。

網站首頁只是一個門戶入口，可完成用戶登錄和其他功能模塊的切換工作。通過輸入瀏覽器網址進入首頁，在用戶未登錄的情況下，點擊任意功能頁面鏈接或“用戶登錄”，進入重慶市地下管線綜合管理信息系統的登錄頁面。默認情況下，登錄后進入資源瀏覽模塊。

資源瀏覽具體功能包括：地圖和管線瀏覽、管線和地名查詢定位、管線分析、管線數據統計等。資源瀏覽頁面左側默認顯示各類型管線顯示開關，右側是地圖，地圖上方是數據查詢框，地圖右上角有空間查詢、管線分析等功能按鈕(如圖2所示)。地圖和管線瀏覽相關操作包含：地圖放大縮小、地圖漫游、底圖切換、顯示地名和圖層控制等。屬性查詢包括地名查詢、管線屬性查詢和空間屬性定位。管線分析主要包括CAD疊加、橫斷面截圖、縱斷面截圖、連通分析、開挖分析、流域分析、凈距分析和地圖導出等功能。管線數據統計分析，主要是按照“建設年代”“權屬單位”“幾何尺寸”“材質”等類別，對管線長度和數量進行統計。

圖2 資源瀏覽

資源中心分為資源目錄、背景地圖服務、地下管線地圖服務和管線數據信息反饋四部分(如圖3所示)。資源目錄用來發布管線各類資源元數據信息，如2015年江北電力管線。背景地圖服務是指發布背景地圖數據服務信息，如給水獨立系影像背景地圖服務。地下管線服務主要是專業管線單位發布的服務信息，如燃氣服務、電力服務等。管線數據信息反饋是指反饋管線錯誤信息和建設信息。

圖3 資源中心

開發中心分為開發指南、參考類、API日志更新和常見問題四部分(如圖4所示)。開發指南主要是指開發過程中相關開發指南資料，用戶在本頁面可查看代碼開發的相關材料。參考類是指開發過程中的相關參考類信息，包括核心類、基礎類、符號類、控件類、地圖圖層類、工具類和服務類，通過點擊目錄或頁面頂部的各個類名，可以快速跳轉到相應章節。API日志主要顯示其更新的內容。常見問題主要顯示系統使用或開發過程中的常見狀況，可作為知識庫為用戶服務。

圖4 開發中心

3.2 數據生產更新平臺

數據生產更新平臺是整個地下管線綜合管理信息系統設計與實現的核心部分，為其提供了高效、標準的數據生產服務，主要負責數據編輯、入庫檢查、格式轉換、接邊處理、更新分發等工作(如圖5所示)。

其中，基本GIS工具包括地圖瀏覽、圖層控制、距離量測等基礎功能；主城與區縣管線數據處理功能一致，數據生產更新機制中將數據存儲劃分為歷史庫、生產成果庫、現狀庫、分發庫四類，首先搜集和獲取到滿足標準的數據導入歷史庫，然后使用數據檢查工具進行入庫檢查，檢查分屬性檢查和空間檢查兩大類，屬性檢查主要是值域和完整性判斷，空間檢查主要包括連通性、碰撞、流向、懸掛點、孤立點等方面內容；根據檢查產出報告進行數據編輯，將不滿足條件的屬性和空間信息修改完成并檢查合格后，進行數據接邊和入庫操作，將數據放入生產成果庫，同時系統提供自動和手動版本管理功能，為入庫數據打上時間戳；數據更新主要將最新的生產成果庫與發布服務進行同步至現狀庫，保證外部調用的現勢性；當與外部單位交換矢量數據時，系統提供按分類、范圍等條件分發指定坐標系管線數據功能，并將提取數據輸出至分發庫。

圖5 數據生產更新平臺

4 關鍵技術

為提高系統使用便利性和運行速度，完善保密機制，服務不同用戶使用的定制化，系統主要采用了單點登錄SSO(Single Sign On)技術、地圖預生成和實時渲染技術結合、反向代理技術和Web Service技術等。其中，地圖預生成是針對長期固定的數據，采用靜態預生成柵格圖的方式處理，加快用戶使用時的速度，實時渲染技術主要應用于變化頻次較快的數據，展現給用戶的是兩種技術疊加后的效果，既滿足大數據量展示性能，又滿足業務數據實時變動需要。WebService技術是對涉及的功能接口進行封裝，發揮技術低耦合、高復用特性，使系統方便集成現有業務系統，也方便完成自身升級改造，為各委辦局等用戶提供集成便利。

4.1 單點登錄SSO技術

重慶市地下管線綜合管理信息系統提供了地圖服務、要素服務和其他查詢分析服務，這些服務分別架設于不同的服務器或者應用空間中，服務本身并不提供權限認證等功能，出于對系統運行效率和服務穩定性等方面的考慮，同時也方便后續應用服務系統的接入，系統將采用基于Token-based模式的SSO認證。

單點登錄的實質就是安全上下文(Security Context)或憑證(Credential)在多個應用系統之間的傳遞或共享。當用戶登錄系統時，客戶端根據用戶的憑證(例如用戶名和密碼)為用戶建立一個安全上下文，安全上下文包含用于驗證用戶的安全信息，系統用這個安全上下文和安全策略來判斷用戶是否具有訪問系統資源的權限。相關流程如圖6所示。

圖6 單點登錄服務流程

4.2 反向代理技術

系統建設過程中，將利用ArcServer進行WMS和WFS的發布，但由于ArcServer本身對WMS和WFS并不具有細粒度的權限管理功能，為保障系統訪問的保密性，采用反向代理技術進行功能管理。反向代理(Reverse Proxy)方式是指以代理服務器來接受網絡上的連接請求，然后將請求轉發給內部網絡上的服務器，并將從服務器上得到的結果返回給網絡上請求連接的客戶端，此時代理服務器對外就表現為一個反向代理服務器。具體模式如圖7所示：

圖7 反向代理技術

5 結 語

重慶市地下管線綜合管理信息系統的建成，實現了地下管網數據的集中統一管理和共建共享，為城市規劃、建設、管理以及應急搶險提供服務，切實提升了城市規劃建設和管理的水平和城市防災減災能力。系統構建過程中，形成了《重慶市地下管線基礎信息普查技術規程》《重慶市地下管線數據共享與服務標準》等一批標準規范，發布了《重慶市城市管線條例》《重慶市地下管線數據動態更新管理辦法》等系列法律規范，為系統長久生命力提供政策保障。同時，隨著BIM(Building Information Model)技術在管線綜合中的應用日益廣泛，探討城市三維地下綜合管線系統應用，并與生產管理相結合，也是未來重要的發展方向[10]。