三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究
——以山東省禹城市為例

許飛

(德州市自然資源局,山東 德州 253000)

0 引言

地下管線資料是城市規(guī)劃建設(shè)的重要依據(jù)，在城市建設(shè)中，新管線規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工、舊管線更新以及大部分土木工程的破土動(dòng)工都需要準(zhǔn)確的地下管線現(xiàn)狀信息[1]。近年來，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，各級(jí)城市的規(guī)模日益擴(kuò)大，作為城市生命線的地下管網(wǎng)資料暴露出圖檔信息不全、現(xiàn)勢(shì)性差、精度不高、管理缺位等問題，由此，建立地下管線綜合管理系統(tǒng)顯得尤為重要。2014年，山東省德州市成為住房城鄉(xiāng)建設(shè)部指定的首個(gè)地下管線綜合管理試點(diǎn)城市，經(jīng)過幾年的建設(shè)，其下轄的禹城市在地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)方面取得了一定的成績(jī)，為政府部門在地下管線的規(guī)劃、決策、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)等方面提供了重要參考。當(dāng)前，在“智慧城市”建設(shè)的新背景下，原禹城市地下管線信息管理系統(tǒng)已經(jīng)朝著三維和智慧的方向推進(jìn)，三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)以二三維一體化的方式來反映地下管線的空間位置關(guān)系，構(gòu)建起一個(gè)集管網(wǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新、三維綜合應(yīng)用和信息共享共建于一體的GIS綜合管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)城市地下管網(wǎng)的規(guī)范化、科學(xué)化、數(shù)字化和智能化管理，服務(wù)于智慧城市的規(guī)劃和建設(shè)具有重要的意義[2]。本文以山東省禹城市為例,對(duì)三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)探討了系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)用到的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，解決了二三維一體可視化、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理更新以及后期管線運(yùn)維管理的相關(guān)問題。目前，該系統(tǒng)方案已通過論證即將進(jìn)入實(shí)施階段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)采用層次式的技術(shù)架構(gòu)，將多源、多類型的地下管網(wǎng)資源進(jìn)行有機(jī)組織，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效管理與持續(xù)更新，提供便捷、安全、跨地理信息平臺(tái)和三維應(yīng)用展示平臺(tái)的在線數(shù)據(jù)服務(wù)。該系統(tǒng)按照層狀結(jié)構(gòu)劃分為應(yīng)用層、支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)設(shè)施層，與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下(B/S)層次結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)[3]，直接面對(duì)不同用戶群體的需求，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理、發(fā)布、決策和分析功能(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)總體架構(gòu)

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)采用SQL Server的技術(shù)組合，基于空間數(shù)據(jù)的概念組織和管理數(shù)據(jù)，通過各種方式將空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)成為城市地下管線三維應(yīng)用子系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，成為各行業(yè)的信息系統(tǒng)的空間定位基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效以及高度共享空間數(shù)據(jù)庫(kù)的目標(biāo)[4]，數(shù)據(jù)庫(kù)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)總體架構(gòu)圖

1.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括空間地形數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)和管線屬性數(shù)據(jù)3種類型[5]。空間地形數(shù)據(jù)主要包括與管線相關(guān)或者相鄰的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；管線數(shù)據(jù)是指城市各種專業(yè)性管線及相關(guān)設(shè)施信息，主要包括給水、排水、通訊、電力、熱力、工業(yè)管道等，管線數(shù)據(jù)通過管線探測(cè)及調(diào)查得到。管線屬性數(shù)據(jù)即地下管線需要進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括：X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、管線材料、附屬物、地面高程、井底高程、壓強(qiáng)/電壓、管頂高程、管底高程、埋設(shè)方式、管徑、埋深、電纜條數(shù)、光纜條數(shù)、總孔數(shù)、已用孔數(shù)、建設(shè)年代、權(quán)屬單位、連接方向、截面等屬性。

數(shù)據(jù)建庫(kù)需要按照一定的流程步驟，大體可分為幾個(gè)階段，主要包括數(shù)據(jù)清理、檢查與處理、庫(kù)制作等[6](圖3)，而在建庫(kù)的過程中還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，等數(shù)據(jù)處理完善后，再將其集中進(jìn)行入庫(kù)。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)總體架構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)旨在建立一個(gè)開放、兼容、可擴(kuò)展、實(shí)用、安全的城市地下管線綜合管理系統(tǒng)，不但能實(shí)現(xiàn)管線信息的地上地下一體化展示、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、智慧實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，同時(shí)還支持城市規(guī)劃建設(shè)管理決策，提供管網(wǎng)信息化管理[7]。本系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理、數(shù)據(jù)自動(dòng)更新、三維綜合應(yīng)用和信息共享共建5大功能模塊。

1.3.1 系統(tǒng)管理

對(duì)整個(gè)平臺(tái)的用戶、角色、使用權(quán)限進(jìn)行配置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行日志的記錄和管理[8]。通過該系統(tǒng)可對(duì)各個(gè)用戶進(jìn)行功能權(quán)限的配置，保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和運(yùn)行安全，也可以對(duì)各用戶的數(shù)據(jù)權(quán)限進(jìn)行配置，使得指定用戶只可以使用或管理部分?jǐn)?shù)據(jù)。

1.3.2 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理

主要實(shí)現(xiàn)地下管線探測(cè)后，數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢查、自動(dòng)生成管線圖、數(shù)據(jù)接邊處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)、編輯整理和多種格式的輸出。該系統(tǒng)主要為數(shù)據(jù)管理人員使用，在數(shù)據(jù)輸入、輸出和整理過程中，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)記錄所有操作和過程數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)狀管線和歷史管線同時(shí)進(jìn)行管理[9]。另外，還可以對(duì)整個(gè)的管線圖進(jìn)行瀏覽、屬性查詢、指定區(qū)域內(nèi)管線查詢統(tǒng)計(jì)，對(duì)管線進(jìn)行多種信息的標(biāo)注。

1.3.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)更新

實(shí)現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)由二維到三維的全自動(dòng)更新。后臺(tái)服務(wù)器軟件會(huì)不斷檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)是否有最新管線數(shù)據(jù)進(jìn)入，自動(dòng)將新入庫(kù)的管線進(jìn)行三維建模和更新到三維系統(tǒng)里，使三維場(chǎng)景和二維場(chǎng)景自動(dòng)保持同步[10]。同時(shí)，系統(tǒng)可以將后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的全市地下管線數(shù)據(jù)進(jìn)行定期的自動(dòng)備份和恢復(fù)，保障數(shù)據(jù)的安全。

1.3.4 三維綜合應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的構(gòu)建以及對(duì)管線的瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和輔助決策，包括地形地貌、道路、地名，以及城市地上地下三維空間的構(gòu)建。通過鼠標(biāo)可以自由瀏覽三維地下管線，直觀了解地下管線分布情況和他們之間的空間位置關(guān)系。

1.3.5 信息共享共建

實(shí)現(xiàn)地下管線及相關(guān)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的發(fā)布為各相關(guān)單位共享。管線相關(guān)單位可通過瀏覽器對(duì)地下管線進(jìn)行瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)，隨時(shí)掌握地下管線信息，同時(shí)可通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上傳最新竣工數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新，保障建設(shè)成果的長(zhǎng)久生命力[11]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于skyline的二三維一體可視化技術(shù)

Skyline軟件為網(wǎng)絡(luò)和非網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了一個(gè)三維交互世界的窗口，能夠指導(dǎo)用戶在本地或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行基本數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)分析等[12]。禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)采用Skyline作為三維GIS平臺(tái)，綜合運(yùn)用其三維GIS仿真技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了二三維一體化展示和分析。三維海量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布是Skyline特有的專利技術(shù)，本系統(tǒng)充分利用該技術(shù)將不同來源、不同分辨率的多源影像和管線數(shù)據(jù)進(jìn)行高效融合，整合地形模型、二維GIS圖層并添加注記、多媒體文件等其他場(chǎng)景要素，同時(shí)將二維空間數(shù)據(jù)與三維空間數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)進(jìn)行匹配，使二維平面信息和三維模型信息能夠基于統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行無縫疊加和融合，能夠提供基本的放大、縮小等三維地圖瀏覽功能，實(shí)現(xiàn)了二三維空間的一體化展示。此外，本系統(tǒng)基于Skyline實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)的二三維一體化數(shù)據(jù)分析，使用戶能夠在瀏覽逼真的三維管線的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析功能，具有等高線分析、地形分析、土方量分析、地形調(diào)整等功能[13]。本系統(tǒng)基于skyline將二維與三維的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，有效實(shí)現(xiàn)了二三維一體化的管線展示和分析(圖4)。

圖4 二三維一體顯示界面

2.2 基于管線全生命周期的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理更新技術(shù)

禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)支持多源、多時(shí)段、多尺度、豐富屬性的海量地理信息數(shù)據(jù)資源，同時(shí)充分考慮到用戶現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的情況，能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供簡(jiǎn)便的方式將客戶現(xiàn)有全生命周期管線數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合并輸入系統(tǒng)。獨(dú)創(chuàng)的動(dòng)態(tài)管理更新技術(shù)，通過調(diào)用緩存減少?gòu)妮^慢的數(shù)據(jù)源的加載過程，并且能夠預(yù)先創(chuàng)建緩存然后用流方式更新數(shù)據(jù)，從而能夠最大化提升系統(tǒng)對(duì)海量管線信息數(shù)據(jù)訪問及更新效率。本系統(tǒng)還通過統(tǒng)一對(duì)象標(biāo)識(shí)編碼對(duì)地下管線全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對(duì)象標(biāo)識(shí)指的是以實(shí)物或電子數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)某一物所具有的屬性或特征的符號(hào)或標(biāo)記，其所承載的信息直接反映客觀物理對(duì)象情況[14-15]。本系統(tǒng)通過一對(duì)象標(biāo)識(shí)編碼建立了地下管線全生命周期監(jiān)管檔案，將地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及管線管控活動(dòng)中產(chǎn)生的規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)、日常運(yùn)維數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、事故及處置數(shù)據(jù)、報(bào)廢處理數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行匯總，生成管線全生命周期數(shù)據(jù)。當(dāng)管線數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)變化區(qū)域的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和自動(dòng)更新入庫(kù)，并將廢棄的管線存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，從而保證現(xiàn)勢(shì)庫(kù)中的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映地下管線現(xiàn)狀[16](圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理更新界面

圖6 爆管分析界面

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感與實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前流行的前沿技術(shù)，其將人、機(jī)、物通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)互通，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[17]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心在于能夠獲取感知對(duì)象的全方位信息，包括對(duì)感知對(duì)象進(jìn)行精準(zhǔn)的空間定位，而且能將空間信息和其他數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸并展示在物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)中[18]，物聯(lián)網(wǎng)的智能傳感與實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在此方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)的這兩項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)管線運(yùn)維及突發(fā)事件的安全管理，其通過在管線關(guān)鍵部位安裝智能傳感器，實(shí)時(shí)采集地下管網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)分析模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模和推演，遇到爆管事故不僅能快速定位出事地點(diǎn)，還能對(duì)故障進(jìn)行歸類和分析，生成相應(yīng)的故障分析報(bào)表，方便管理部門對(duì)潛在的故障隱患和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)作出預(yù)警和應(yīng)對(duì)措施。本系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的功能，在三維場(chǎng)景中，用戶可監(jiān)控到設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和控制模式[19-20]，如井蓋開啟狀態(tài)、液位超限狀態(tài)、電流電壓超限狀態(tài)等信息，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)控到的數(shù)據(jù)和狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，判斷潛在的故障隱患，如某排水管線發(fā)生爆管事故，系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)爆管發(fā)生的位置，自動(dòng)判斷出管線的類型進(jìn)行相應(yīng)的爆管效應(yīng)，并搜索出離該處最近的幾個(gè)閥門加以區(qū)別顯示，從而直觀的給決策者提供爆管關(guān)閥信息(圖6)。

3 結(jié)語

根據(jù)山東省禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)建設(shè)的需求，文章詳細(xì)分析了系統(tǒng)建設(shè)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)及功能設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)探討了系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)用到的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了城市地下管線信息的集中統(tǒng)一管理和共建共享，為政府在城市規(guī)劃建設(shè)和日常管理方面提供了重要的依據(jù)，同時(shí)對(duì)提升政府形象、推進(jìn)智慧城市的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。禹城市三維智慧管線綜合管理系統(tǒng)當(dāng)前還處于起步建設(shè)階段，隨著“智慧禹城”建設(shè)的不斷深入，該系統(tǒng)將在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上不斷完善，更好的帶動(dòng)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更好地服務(wù)于城市的建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。