淺析城市地下管線三維數據的共享使用

張志春

前言

改革開放以來，隨著中國城市空間的快速擴大和城鎮人口大量集中，諸多城市出現了配套基礎設施建設和管理明顯滯后于發展要求的現象，經常出現局部內澇、挖斷供水管道引起地面坍塌、燃氣管道火災及熱力管道泄漏和專用通信光纜被挖斷等事件。

城市地下管網設施（簡稱地下管網）是城市基礎設施的重要組成部分，具有埋在地下不易被發現、投運后維護較少、維護檢查難度大、周邊環境變化大、原始資料記錄不準確等特點，較少被社會治理方重點關注，但是此類管網發生事故后果比較嚴重，如2013年11月22日山東黃島輸油管道爆炸造成62人死亡、136人受傷的特別重大事故。據析，導致地下管網各種事故不斷發生的關鍵因素之一是缺乏完整的、準確度滿足相關方使用要求的地下管網三維數據，也沒有對數據實現共享使用。本文就地下管網三維數據如何實現共享使用進行探討。

地下管網分類、時空特征及其管理概況

圖1 某地下管廊局部圖

地下管網主要包括給水及排水管網（包括給水管網、污水管網、雨水管網、工業專用回水（包括冷凝水）管網、再生水管網、中水管網、直飲水管網等）、供熱管網（包括蒸汽和熱水）、燃料管網（包括氣體和液體類化學物料）、電力電纜管網、通信電纜管網和光纜管網、有線廣播電視網絡、真空垃圾管網等。《城市地下管線探測技術規程》（GJJ61—2017）中地下管線指敷設于地下，用于傳送能源、信息和排泄廢物等的管道（溝、廊）、線纜等及其附屬設施。按功能可分為給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、工業等，包括長輸管線和城市管線。圖1為某地下管廊局部圖。

從生命周期管理的角度出發，地下管網主要包括規劃、建設、運維、報廢、再規劃階段，具有多個時態；從各實體的屬性（如類別、位置、形狀、大小等）及其與相鄰實體之間的空間關系出發，地下管網有多個屬性，包含多個關系（如距離關系、包含關系、相交關系和連通關系）。從管理的責任角度出發，地下管網由不同職能部門、不同專業進行規劃、設計、施工和運維管理等。以某地級市的實際現狀來看，主要涉及發展和改革、自然資源、住房和城鄉建設、交通運輸、水利等政府部門和管線權屬單位、勘察設計單位、施工單位。圖2為地下管網管理特征圖。

圖2 地下管網管理特征

地下管網三維數據庫、探測技術、可視化表達及建設中存在的問題

地下管網三維數據庫是在信息技術（計算機軟件、硬件、數據庫和網絡技術）的支持下，對地下管線及相關設備和附屬設施的各種數據，按照既定標準或要求進行實地測繪，取得準確數據，依據特定模式完成數據處理（輸入、存儲、查詢、統計、分析、維護、更新、輸出和共享應用等），主要包含按照管線類別分別存儲的管點數據表、管線段數據表和管線建構（筑）物邊界數據表等，其基礎數據主要通過查詢規劃資料、查詢竣工驗收測量資料、探測管線等方式獲取。管線探測成果數據庫是地下管網三維建模的主要數據來源，常見的基礎信息包括類別、本體信息、管內介質信息、埋深斷面尺寸、附屬建筑、線路布局、埋藏位置、埋藏深度、地理信息、權屬及管理單位信息等。

地下管網數據信息探測方法主要包括電磁感應法、探地雷達法、聽音法和相關法、管道CCTV檢測法、管線電子標識系統法、管線狀態傳感器法等（圖3、圖4）。

三維可視化使得數據結果的表達更加直觀，滿足人們從不同幾何角度的視覺需求，可歸納為二維圖形圖像學方法、三維圖形圖像學方法、三維表達及虛擬現實技術、三維表達與增強現實技術、時空可視化技術等。

北京市、廣州市等已經建立了以城市地下管網三維數據庫為主要技術支撐的信息平臺，可實現部分數據共享。近年來建設的地下綜合管廊也大部分實現了地下管網數據共享使用。也有部分中小城市（如十堰市、南宮市、石家莊市等）已經初步實現了地下管網數據共享使用（圖5）。但仍然有大量數據信息沒有輸入系統而無法查詢和使用。大部分管網權屬公司也建設了自己的管網GIS系統，但主要用于管理自己的數據，對于其他權屬單位的管線數據，因為各種原因（主要是沒有獲取其他管線數據的渠道，或者已經獲取的其他類型的管線數據不能滿足本單位系統要求）而無法入庫。

現有地下管網及其信息平臺建設和數據共享使用方面存在以下問題：

同一地區的不同管網工程缺乏統一安排，經常反復開挖建設；工程建設各環節各行其是，基礎數據沒有實現統一精準管理，竣工驗收實測結果常與竣工圖出現較大差異；已投運管網沒有進行過全面系統化測繪和數據整理，記錄與實際狀況出入較大；權屬單位對各自掌握信息共享使用在認識上有較大差異、現有檔案資料查詢方法相對落后也不實用、無法確認不同來源資料記錄結果的準確度；缺乏統一的數據制作標準與規范；未建立數據交換通道以保證數據標準的一致性；沒有形成標準化的方法（或者形成統一技術聯盟等）對各自提供資料記錄結果的準確性從基礎技術層面統一認證；事故后責任追究中沒有引入對原始數據準確性及有關責任的核查，導致權屬單位不愿意擔負應有的責任，不愿意共享使用；數據的更新效率低下，沒有實現定期更新、竣工測量更新、共享交換更新；權屬單位只著眼于自己的應用而在數據格式、組織結構、命名、建模方法等方面各不相同，導致建成的系統之間存在語法和語義異構，不能實現跨領域或跨部門的信息共享與互操作；事故發生時無法形成政府、企業和社會三位一體的應急聯動格局；現有平臺不能夠全面支撐數據探測、會診、治理、養護、動態監管等，不能實現全面共享使用。

圖3 探地雷達探測法

圖4 管道CCTV檢測法

圖5 三維地下管網綜合管理信息系統應用

目前我國在地下空間三維模型的使用方法方面開展的研究較少，研究程度也較淺，現有系統也較難實現信息的整體査詢、分析、空間推理等，阻礙了三維數據的現實應用。國內已出臺《管線信息系統建設技術規范》《城市綜合地下管線信息系統技術規范》對管線信息系統從技術方面進行規范。三維可視化功能、空間分析能力都強的軟件缺乏。現有二維通用GIS平臺工具由于視覺效果不直觀，使用受限。3D-GIS和建筑信息模型技術（BIM）可為決策、規劃和研究、管理提供全面技術支撐，正在成為管線管理基本研究工具。

盡管國內近年來已經開展了一些研究，但能夠將各種管網的各種屬性數據統一輸入一個數據庫并進行三維可視化表達的非常少見。在技術層面，這還需要國內的所有管網權屬單位、其他有關方和研究者共同研究，真正實現填補空白才能實現共享使用。

地下管網三維數據共享使用的利弊分析

數據共享使用的好處主要表現在統一由政府有關部門帶頭組織獲取和共享地下管網三維數據能優化社會治理。先進的信息處理技術能提高管理效率，能促進各權屬單位自身管理，能真正促進落實工程“五方”有關責任，能提升工程整體安全水平，能精確服務于應急處置。實踐表明云計算等諸多新技術給以往攜帶大量信息、涉及多部門的復雜社會問題的解決指明了出路。地下管網的管理也一樣，只要創建一定的前提條件（如統計基礎數據采集采用的坐標系、統一數據輸入和輸出格式、統一數據測繪標準、統一數據制作標準、統一數據屬性標準等），就可大幅度提高共享使用綜合管理效率和質量。

共享使用也可能帶來數據泄密引起連鎖突發事件、使用帶有較大誤差的數據及錯誤使用數據引起局部地區作業安全程度降低、數據管理的內容及程序逐漸復雜化、數據協作處理不當引起工程整體作業風險增加等弊端。

地下管網三維數據庫共享使用的方法

地下管網數據共享使用的原理可以描述為在統一制定數據輸入格式、數據誤差、數據輸出格式、數據測繪方法和基礎數據采集方法及數據制作方法等基礎上，由數據輸入方采集滿足相關方一致要求的真實數據，再通過最大程度公開數據，最終實現使用方對數據的充分、高效地使用。其中數據共享中特別重要的兩個方面，一是數據屬性元素的確定，二是數據誤差的引入與準確性分析。

如果將數據輸入方的數據全部屬性表示為集合A，將數據使用方的數據全部屬性表示為集合B，那么我們需要的結果就可以用A與B的交集C表示，C中各元素盡可能具有以下特征：屬性元素組成基本相同，屬性元素包括通用屬性元素、專有屬性元素兩部分；每一項屬性元素代表能夠反映提供方和需求方對數據的真實要求，而且越細化越好。

誤差是一個量的觀測值或計算值與其真實值之差。數據提供方在獲得原始數據、制作數據的過程中會產生誤差。如果傳遞后的誤差不受控制將影響后期使用。在共享應用中誤差無處不在，但是可以通過一定的方法來降低誤差。首先誤差的產生應該做標記，在數據輸出的格式中明確表示誤差的來源，而且誤差標簽也應該能夠實現不斷傳遞，并用一定的附加格式標簽表示，方便數據使用方快速查找誤差的來源，消除對自己使用的影響。使用方在使用中會將原來數據的誤差帶入自己的工作中，產生誤差的傳遞。A與B的交集中各元素的誤差、誤差傳遞、誤差標簽的管理應滿足以下要求：輸入數據要標注誤差，而且要攜帶誤差標簽；誤差傳遞需要使用方專門管理，對自己得到的新數據用誤差及其標簽（誤差標簽和誤差傳遞標簽）標注。

綜合以上分析制定三條共享使用的基本做法如下：

①數據的輸入方（制造方、提供方）在給第三方數據管理機構的信息平臺輸入數據時必須給出每一個數據的誤差及誤差標簽；②數據使用方在數據使用中產生的新數據，也必須給出每一個數據的誤差及誤差標簽；③第三方數據管理機構的信息平臺出具數據結果時，必須給出每一個數據的誤差、誤差標簽、誤差傳遞標簽。

這種做法可用于事故后迅速降低數據查找所需要耗費的時間，也可用于事故之前提前判斷是否采用此類數據以及如何規避數據本身帶來的影響。

結論與建議

為了預防地下管網建設、運行帶來的事故，需對其數據在有關方之間進行充分共享使用。采取合適的方法并建立相應的規章制度進行綜合管理是共享使用的基本要求，加大共享使用的范圍和深度，保持共享使用數據的可靠性和準確性以及通用性是今后的方向。未來建議在以下幾個方面進一步開展工作。

1.建立信息共享使用強制性管理細則，主要內容包括有關方（如政府負有管理職能的部門、管網權屬單位、設計單位、勘察單位、施工單位、監理單位）及其共享使用的責任、共享使用的方法、共享使用的信息平臺管理、事故發生后對各方責任的劃分以及有關證據的獲取、對相關方共享使用情況的監督管理、保密責任等；

2.由所在地地市級政府主導組織、管網權屬單位共同出資建設地下管網信息共享平臺；信息平臺委托第三方機構管理，由第三方機構履行輸入審核、輸出備份以及單獨備案管理；所有管網數據均強制要求接入地下管網信息平臺；

3.出臺共享使用的原始數據調查、測繪、制作、入庫、出庫等標準；出臺統一的適用于各個權屬單位的通用的數據格式和與內容有關的標準與規范；

4.管網權屬單位實行事故直接責任主導、間接責任輔助的管網生命周期相關事項決策管理，即每一次自身數據的輸入和更新都將記入后期事故后責任追究之中；

5.明確規定輸出數據的可視化表達標準要求，從開發程序、輸入原始數據、確定計算方法、輸出結果等方面進行強制規范管理，統一采用兼容性強的開發工具；把數據的統一可視化表達作為今后數據庫用于決策方面的重點內容進行拓展和開發并大量運用于工程項目的實際管理中。