基于云計算智慧城市地下管線綜合管理平臺建設探討

王桂春 佘繼紅 楊雪松 楊慶峰

1.江蘇省地質勘查技術院；2.江蘇省地礦勘查技術有限公司

以云計算、大數據、物聯網為代表的新一代信息技術的強勢發展和不斷應用，城市地下管線信息化建設工作持續推進，信息化管理正由滿足管線探測采集、管理和查詢分析等功能需求，邁向圍繞“共享、協同、智慧”為場景化管理的更高層次發展，集聚城市建設管理相關部門地上、地下空間數據資源，研究、設計和構建智慧城市地下管線綜合管理平臺，加快城市管理智慧化進程和高質量發展。

地下管線資料是城市規劃建設的重要依據，在城市建設中，新管線規劃、設計和施工、舊管線更新以及大部分土木工程的破土動工都需要準確的地下管線現狀信息。城市地下管網主要包括供水、排水、燃氣、電力、照明、通信、交通信號、視頻監控、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”[1]。隨著城市基礎建設的不斷開展，城市內澇、管線爆管、施工毀管等很多隱蔽的城市問題逐漸顯現，嚴重影響城市健康發展和威脅著居民的人身和財產安全。其主要原因是對城市地下管網缺乏科學、有效的管理。需建設一種能夠支撐城市地下管網數據管理、數據共享、專業分析、各部門協同管理的智慧化城市地下管線綜合管理平臺，高效解決目前存在的問題，促進城市管理智慧化轉型發展。

1 城市地下管線智慧化推進

2014年，國務院辦公廳在《關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》（國辦發[2014]27 號）中指出：“各城市要在普查的基礎上，建立地下管線綜合管理信息系統，滿足城市規劃、建設、運行和應急等工作需要[2]。”國家能源局等五部門聯合下發了《住房城鄉建設部等部門關于開展城市地下管線普查工作的通知》（建城[2014]179 號）[3]。管線探測和信息化建設工作基本完成，實現管線數據采集、檢查、入庫和應用服務。

但是隨著城市化建設加快推進，城建規模越來越大，地下空間的施工及生產活動愈發頻繁，現有的管線數據的更新明顯滯后，管線數據的共享仍然無法逾越涉密數據保密硬性規定要求，不同權屬單位的地下管線仍然存在行政管理上的壁壘，城市地下管線數據的全面性、準確性仍需進一步提高。

隨著物聯網、云計算、大數據、5G 等技術趨于成熟，城市管理已邁入智慧化、時空一體化型模式，基于統一時空基準2000 國家大地坐標系和1985 國家高程基準，覆蓋政務、交通、民生、公共安全等相關領域。城市智慧管線系統是城市地下空間、地下管線管理模式和服務能力升級的必經之路，是融入智慧城市服務體系的重要承載，也是城市智慧化推進的內在驅動和必然趨勢。

2 云計算助推管線智能化進程

2.1 云計算概念

云計算作為一種新一代信息技術或數字基礎設施，是政企數字化轉型的助推器，加快全球快步進入數字經濟時代。云計算技術的發展和應用程度是各國數字計劃進程的重要標識。

很多研究機構都提出了關于云計算的定義，以指導云計算的技術研究和應用推廣。美國國家技術和標準研究院(NIST，National Institute of Standards and Technology)將云計算定義為：“云計算是一個提供便捷可經過網絡訪問一個可定制計算資源共享池能力模式（計算資源包含網絡、服務器、存放、應用和服務）；這些資源能夠快速布署，并只需要極少管理工作或與服務供給商極少交互。”這一定義得到廣泛認可[4]。

2.2 云計算融合意義重大

2.2.1 資源潛力深度挖掘，強力支撐智慧管網平臺建設

隨著新一代信息技術與傳統行業的深度融合發展，圍繞硬件架構、軟件算法和應用場景等全方位技術研究和應用，云計算潛力被挖掘，極大提升硬件資源性能和運行效率，滿足數據大規模、應用高并發等現實需求，各領域對云計算融入需求更加迫切。有效解決智慧城市管網資源支撐不足、應用效率不高和服務體驗差等問題。

2.2.2 有效集成人工智能等新一代信息技術，助推城市管理智能化進程

云計算為人工智能的發展和應用提供強大的計算能力和數據資源供給能力保障，解決人工智能在深度學習領域上的性能瓶頸，提升人工智能的發展速度。在智慧城市建設方面，云計算可以統籌海量終端、按需控制、共享資源等特點，滿足智慧城市建設過程中涉及到海量的電子終端與網絡數據。

2.3 搭建云計算支撐架構

云計算架構是平臺運行滿足資源高可用、高性能計算、高并發分布式計算的重要基礎支撐。需重點考慮以下兩個方面：

（1）彈性云資源環境。基于OpenStack 框架構建基于云架構的支撐環境，利用虛擬化云存儲、負載均衡和并行計算，實現對整體硬件網絡資源的統一利用，滿足高并發、彈性的資源需求。

（2）Docker 容器化部署。利用容器化部署方式用于構建、管理和運維智慧城市地下管線平臺。將平臺運行依賴環境（環境配置、框架、庫和運行時）進行封裝至Docker 容器，使平臺程序的動態可移植，即可實現分布式高并發計算，也可滿足高性能集群計算。充分保障平臺運行高效可靠。

3 智慧城市地下管線綜合管理平臺建設

3.1 建設目標

以地下管網的空間信息和屬性信息為核心，利用地理信息系統技術、三維可視化技術、數據庫管理技術和云計算技術對城市地下管網進行綜合管理，為管理部門提供地下管網準確時空信息，構建地下管網業務數據模型，研發符合實際管線業務管理的專業分析和空間分析功能模塊，建成智慧城市地下管線綜合管理平臺，提供有效輔助決策，實現管線綜合管理的科學化、自動化和智慧化。

3.2 技術架構

系統設計采用多層服務架構（如圖1所示），結合COM和SOA 架構思想，以通用性、穩定性為主導，進行分層設計和開發，橫向以功能類別為導向，縱向以服務內容為導向，逐級設計，逐步細化各組件的顆粒度。

圖1 系統技術架構Fig.1 Technical architecture of the system

三維可視化選用Skyline 開發平臺，數據庫管理采用Postgresql+PostGIS 進行集中管理，系統開發采用Java 開發語言。管線矢量數據采用OGC 標準的WMS、WFS 協議進行發布和共享。

基于云計算架構，實現平臺部署、應用，按照平臺對計算、網絡、存儲等資源的實際需求進行彈性資源分配、虛擬資源的啟停，保障資源高效率使用和平臺運行的高效率。

3.2.1 基礎設施層

基礎設施層是信息化建設的基礎，包括硬件設備、網絡安全、基礎軟件工具等三類資源。其中硬件設備包括：服務器、存儲設備、交換設備、工作站及打印機等設備。安全機網絡設備包括病毒防御、防護沙箱、防火墻、電信聯通等寬帶網絡接入通道。基礎軟件包括基礎操作系統、數據庫管理軟件以及基礎工具軟件等。采用虛擬化技術和云管理軟件，可以充分利用硬件設施資源，定制快速分發的云系統模板，提高基礎硬件資源的利用率和保障率，減輕維護人員的維護工作量。

3.2.2 數據層

采用結構化數據、非結構化數據和空間數據的混合架構管理模式，包括基礎地理信息數據庫、統計參數庫、管線脫密，接引管線感知數據和相關統計參數數據、管線現勢庫、管線規劃庫、管線業務庫、管線資料庫、三維管線庫等數據資源。充分利用各類數據管理平臺的優勢，通過ETL 工具、抽取、轉化、調度等組件，打通各類數據之間流轉通道，構建一體化高效的管線資源管理平臺。

3.2.3 組件服務層

組件服務層采用微服務架構的方式組織編排基礎功能組件，各組件可以采用相對獨立開發技術和部署環境。組件服務層由公共微服務組件和專業微服務組件共同組成。應用服務層基于組件服務層封裝的類業務組件和公共組件，通過基于統一語義和規則的服務接口，靈活的實現各種應用的業務邏輯功能和服務發布。主要應包含通用的工作流程管理、二三維地圖管理、系統消息管理、同一用戶認證管理等基礎組件。

3.2.4 應用服務層

由管線共享交換平臺和管線數據管理服務平臺組成。管線共享交換平臺主要包含了管線統計分析成果發布、管線脫密數據發布、共享目錄及元數據和數據交換服務等應用。管線數據管理服務平臺主要包含了綜合供圖、數據動態更新、竣工匯交、管線年度計劃管理、管線供圖及竣工匯交中的檔案資料管理等功能模塊。

3.3 關鍵技術

3.3.1 多源數據三維一體化集成展示

基于Skyline 基礎三維平臺，從數據加載、渲染、壓縮傳輸等多維度，進行算法研究和模塊化開發，大大縮短響應時間和提升用戶體驗。三維模塊可直接加載大數據量城市正射影像數據進行三維場景的快速構建，具備地上的建筑物傾斜模型數據、地表影像數據、地下管線模型數據的二三維一體化高效集成、展示。同時平臺能夠兼容各類三維模型城市地下管線探測和管線數據信息化建設工數據，為主流的點云、BIM 模型等數據的加載融合，提供技術支撐接口。

3.3.2 三維管線自動化建模

研究、建立三維管線的自動化建模工作流程和技術方法。外業探測技術數據采集標準遵循各屬地相關數據庫標準，基于CAD 和Skyline 平臺，開發涵蓋外業探測管線數據匯聚管理、數據規范性檢查、屬性自動識別、二維管線成圖、幾何拓撲檢查、三維管線模型生成等建模流程環節的三維管線自動化建模工具，二維管線數據以CAD、MDB 格式進行存儲，能夠兼容和轉化Shapefile 矢量數據格式。確保三維模型數據的現實性，提升平臺應用的可靠性和高效性。

3.3.3 圖庫聯動和管線三維分析

三維管線分析功能是管線信息化的重要特點和技術優勢。按照“圖庫聯動”的思路，加強三維模型Skyline基礎平臺和PostgreSQL 數據庫的運行協同。在程序自動建模過程中，通過唯一ID 標識建立模型和數據庫關聯，實現三維自動建模，保障三維模型和數據庫屬性的數據一致性，極大提高數據讀取速度和三維模型生成、展示效率。基于“圖庫聯動”數據底座，研發高效、實用的管線專業分析功能（碰撞分析、爆管分析、剖面分析、連通性分析等）。平臺應用服務能力進一步增強。

3.4 系統功能

圍繞建設目標，梳理平臺建設需求。采用二三維基礎地理信息平臺，按照幾何建模、紋理貼圖、整合修飾等數據處理步驟，基于真實地理坐標高效、高精度、高質量地建立完全貼合城市地上建構筑物全貌和地下管網立體布局的“城市管網數據底座”，開發、構建“可視化、可對接、可共享”的智慧城市地下管線綜合管理平臺。重點突出能夠提供與智慧城市相關業務系統對接的數據服務和功能接口，且保證為其他增值業務提供良好的擴展接口，滿足未來的平臺業務擴展的需要。

按照實際需求，開發包括管線數據管理、數據共享交換、計劃管理、項目管理、應用分析、管線巡查、輔助決策、管網數據動態維護、平臺運維等功能模塊。核心功能主要包括滿足地下管線規劃設計的管線橫縱剖面分析、凈距分析、流向聯通分析，以及支撐地下管線建設施工的開挖分析、覆土分析，以及輔助管線維護的爆管分析、閥門定位分析等相關功能。

4 結論

城市綜合管線實施智慧化管理，借助云計算提供充足且彈性化云資源，構建滿足城市地下管線智慧化管理的技術架構和應用體系，重點解決數據更新實效性不強、綜合管線與專業管線融合匹配難、共享服務途徑不通、工作協同不暢、應用服務不實際、運行效率低和使用體現差等突出問題。未來，云計算、大數據及人工智能等新一代信息技術融合城市地下管線管理，必將大大加快地下管線管理智慧化進程，真正實現城市智慧化管理，促進城市健康可持續發展。