基于增強現實技術的地下管線智慧化管理研究

摘" 要：隨著我國城市化的快速發展，作為“城市生命線”的地下管線建設規模迅速擴張，管線管理已成為韌性城市的重要環節，采用智慧化手段提升地下管線管理效能勢在必行。該文從數據可視化、數據發布與共享等方面介紹增強現實技術在地下管線智慧化管理系統中的應用，提出突破原有傳統的單一數據管理功能，實現風險識別、預測預警、智能分析，切實推動管線運營、安全管理、隱患治理能力為目標的智慧化管理系統建設發展，為全面推進韌性城市建設提供技術支撐。

關鍵詞：地下管線；增強現實；智慧化；城市運行安全；管理系統

中圖分類號：P258" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0189-04

Abstract： With the rapid development of urbanization in China， the scale of underground pipeline construction as the \"lifeline of the city\" has expanded rapidly. Pipeline management has become an important part of resilient cities. It is imperative to use intelligent means to improve the efficiency of underground pipeline management. This paper introduces the application of augmented reality（AR） technology in the intelligent management system of underground pipelines from the aspects of data visualization， data release and sharing， and proposes to break through the original traditional single data management function， realize risk identification， prediction and early warning， and intelligent analysis， and effectively improve pipeline operation， safety management， and hidden danger management capabilities. Suggestions for the construction and development of intelligent management systems aim at providing technical support for comprehensively promoting the construction of resilient cities.

Keywords： underground pipeline; augmented reality; intelligence; urban operation safety; management system

城市地下管線作為維持城市生產生活正常運轉、確保城市可持續發展的重要基礎設施，是擔負著輸送物質、能量和傳輸信息的“城市生命線”。隨著我國城市化的快速發展，地下管線的建設規模也隨城市人口和產業聚集效應的日益突出而迅速擴張[1]。根據國家住房和城鄉建設部《2022年城鄉建設統計年鑒》[2]數據，截至2022年底，我國管線總長度達349萬km。而國內城市管理重地上、輕地下的現象一直存在，地下管線的管理因其隱蔽性一直是難點[3]，特別是我國城市發展進入城市更新重要時期以來，對于地下管線的管理更是面臨著巨大考驗。多年來，各類地下管線事故頻發，給城市管理、居民安全都帶來極大的挑戰。黨的二十大報告提出：“堅持人民城市人民建、人民城市為人民，提高城市規劃、建設、治理水平，加快轉變超大特大城市發展方式，實施城市更新行動，加強城市基礎設施建設，打造宜居、韌性、智慧城市。”可見，提高城市韌性，增強城市運行的抗風險能力，正成為現代城市建設管理的重大課題。隨著人工智能、區塊鏈、元宇宙等前沿科技在城市場域中契合賦能，城市治理的科學化、精細化和智能化水平獲得極大提升，而韌性城市建設是一個系統工程，其中地下管線智慧化管理工作，對城市管理者仍具有較大挑戰。

1" 我國地下管線智慧化管理現狀

在管線改造過程中，因歷史原因缺少有效數據，為規劃設計、施工改造等工作帶來諸多困難，而開挖過程中導致的地下管線受外力破壞引發的事故層出不窮，給管線運行安全帶來極大危害[4]。初步估算，運行超過20年的老舊管線占比不低于30%。當前，地下管線的管理工作主要面臨2方面問題：一是因管線自身結構性隱患導致的安全事故風險，如老舊管線的銹蝕、漏損；二是因施工外力破壞導致的突發事故，這類事故往往造成的損失較大，影響比較惡劣。據中國燃氣協會統計，2023年全國已經核實原因的燃氣事故中，因第三方施工外力破壞導致的天然氣管網事故占比最高，達到事故總量的85.2%。因此，通過智慧化手段提升地下管線管理水平，切實減少各類安全事故的發生勢在必行。

2014年，《國務院辦公廳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）中提出：“用10年左右時間，建成較為完善的城市地下管線體系，使地下管線建設管理水平能夠適應經濟社會發展需要，應急防災能力大幅提升。”近年來，全國地級以上城市已基本建成或正在加緊建設地下管線綜合管理系統，但是在基礎數據的完整性、可用性等方面仍存在諸多不足。一是歷史數據難以收集，地下管線建設周期長，老舊管線大多因年代問題資料缺失，而現有技術手段對一些埋深較深、PE材質的管線難以精確測量，使地下管線數據的全面準確性難以保證。二是數據共享范圍不大，而現有地下管線平臺功能單一，缺乏實用化管理工具來輔助日常養護、施工、搶修工作，地下管線養護工作還處于被動方式，當出現事故后也無法快速響應和處置。三是數據更新持續性差，隨著我國管線更新改造成為城市更新的重要組成部分，管線數據更新對信息化管理的要求非常高，很多城市早年建設了智慧管線平臺后，因數據無法及時更新而導致系統逐漸失效。

2" 增強現實技術在地下管線智慧化管理系統中的應用

傳統的信息化手段主要是通過普查探測將地下管線基礎數據進行建庫，通過城市信息模型（CIM）平臺建設，實現管線二維、三維一體化管理，但是在實際應用中往往只能看，而無法做到隨用隨取，對地下管線設計、施工、維護等管理工作也缺乏實際指導。

增強現實（AR）技術是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度，并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。隨著元宇宙產業發展以及移動終端運算能力的提升，目前AR技術的用途越來越廣[5]。基于AR技術的地下管線智慧化管理系統，就是能夠建立從管線數據管理、數據應用到數據更新的全生命周期管理模式，同時，基于增強現實等技術創新應用，發揮信息化系統對實際工作的應用價值，該系統集智能監控、管網運行、設備維護、應急操作、運行維護調度和隱患管理等多種復雜業務流程于一體的綜合體，因此，其建設應遵循安全性、可靠性、實用性、拓展性、開放性和先進性等原則。

2.1" 地下管線數據可視化

三維管線可視化，是根據其數據類型劃分為不同圖層，如供水管線、排水管管線、燃氣管線和熱力管線等，每類管線的數據結構基本相同，并且根據其特性繼續細分為管線端、管點、附屬物和特征物等，基于管線數據層次——網絡模型，形成近似為樹形結構，葉結點有所合并，有利于節省存儲空間。每種管線的管點平面坐標、埋深、顏色、半徑等為空間數據，通過這些數據實現管線建模與三維立體化。

地下管線數據庫建立是智慧化管理系統建設的核心，根據城市地下管線所包含的數據類型，包括地下管線三維空間信息和屬性信息，其數據庫結構設計主要從2方面考慮：一是要便于數據的組織、管理和應用，既能滿足規劃管理的需要，又符合專業管線單位管理的應用拓展；二是要便于管理空間分析模型的建立與實現，因為空間分析模型的建立與實現主要依賴于空間數據結構。

地下管線數據建庫的工具一般采用國產地理信息平臺（desktop），或專用數據處理工具入庫，主要包括：數據轉換、數據處理、制圖顯示、空間分析、拓撲分析、三維模型和數據建模等功能。

2.2" 地下管線數據發布與共享

基于CIM模型，以地理信息系統（GIS）為基礎，將地下管線數據融入到三維應用管理系統之中，充分利用三維可視化和AR等技術，對地下管線進行詳實的展示，既可實現對局部地區地下管線空間分布狀況的查閱，又可對城市區域地上、地下管線進行全景模擬瀏覽，另外通過可信執行環境下內嵌部分同態加密的隱私計算技術，在數據存儲與管理階段，將地下管線數據經過部分同態加密處理，允許在加密狀態下進行特定計算，確保數據隱私。

全面實現城市地下管線的三維顯示與應用管理，使本來隱藏在地下錯綜復雜的管線更加清晰明了，實現真正意義上城市決策信息資源的數字化和可視化，充分體現出輔助決策的科學性和先進性。

智慧化管理三維應用系統以其強大的功能和廣泛的應用，能夠有效解決數據共享、數據更新、數據展現等問題，切實提升城市地下管網基礎數據從規劃、設計、建設、運行和維護直到廢棄的全生命周期管理水平，從傳統效果圖、三維動畫的設計模式提升到數字技術發展的改變。另外，還能夠實現對地下管線環境從過去到未來變化狀態及趨勢進行科學的模擬、仿真和預測，通過地下管線空間數據來建立一個逼真的、立體的三維環境，為地下管線綜合管理提供全方位、立體化場景展示。

2.3" 增強現實與移動應用

通過“BIM（地理信息模型）+AR”、點云掃描、北斗定位和實時動態載波相位差分等尖端技術，為地下管網、城市管理等場景提供數據采集終端可視化應用，將地下管線數據應用場景從辦公室搬到施工現場，將平面圖紙變為真實可見的三維立體場景，實現智慧化管理系統全面升級。

以移動終端設備的攝像頭實時采集的現實環境為背景，實時疊加終端設備或網絡用戶權限的地下管線虛擬數據，并與現實環境進行即時性的匹配，實現虛實結合的瀏覽模式，幫助管理人員直觀了解地下管線的現狀、分布、走向及管線間的相互關系，如圖1所示。基于對地下管線隱蔽數據的穿透查詢，能夠進一步詳細分析各類地下管線的拓撲關系，如斷面分析、覆土分析、水平凈距和垂直凈距等，并根據管線坐標、高程、管徑以及材質等重要數據，為管線施工、應急搶險等工作提供真實準確的地下空間情況，確保施工現場的開挖安全。

3" 北京城市副中心應用實踐

北京城市副中心地下管線增強現實系統，實現了輔助定位、手動位置糾偏、增強現實引擎、識別與跟蹤、管線增強現實瀏覽、管線切換、管線穿透查詢和管線穿透分析等功能。

3.1" 管線設計與竣工測量應用

地下管線信息具有空間位置復雜、種類繁多、數據量大、更新速度快的特點，通過地下管線的空間模型建立，可以為規劃設計與工程建設人員，提供形象觀測地下管線的復雜分布和相應空間關系的立體特征，能直觀了解地下管線的類型、屬性、位置和展布方向，掌握某一特定地區的地下管線結構狀況，從而保證管線數據的準確性和可靠性，如圖2所示。移動終端應用，可以幫助設計人員在現場直觀了解地下管線分布情況，并可以在真實環境下模擬管線布設、分析管線碰撞關系。在管線竣工驗收時，將原始設計圖紙調取出來，在覆土之前與施工現場進行比對，通過真實影像比對，能夠更加準確地掌握管線施工情況。在竣工測量過程中，結合移動應用終端，將數據自動上傳，為管線更新提供更加高效便捷的通道。

3.2" 管線施工數據應用

AR技術與地下管網的結合，在地下管網改造更新、管線搶修等工作中，具有極大的施工指導意義，能夠為施工單位提供第一手準確資料，確保施工過程中的管線安全。在施工防外力破壞和隱患治理等工作中，不管是查看歷史管線與施工情況，還是與現實情況進行比對，都可以幫助施工單位做出更好的決策以避免失誤。結合AR技術，可以在任意位置、角度查看地下管網的BIM模型，如圖3所示。通過應用終端模擬管線開挖，分析管線施工區域的情況，合理制定施工方案，能夠輔助施工人員在不破壞道路表面的情況下，將埋藏于地下的地下管線顯現出來，做到隱蔽工程可視化，將曾經的不可能變為可能。讓工作人員即使是面對未知的地下世界，也可以做到對每根管線的位置了然于心，從而在管線開挖時可以對癥下藥。

4" 結束語

隨著我國從提出建設韌性城市到全面推進韌性城市建設，地下管線管理在城市經濟發展和城市安全運行中的地位愈發凸顯，基于AR技術的地下管線智慧化管理系統，將傳統的桌面端與移動端地下管線系統進行融合，更高效、低成本、無障礙地使地下管線數據資源發揮作用，從而改變傳統的GIS應用方法和建設模式，將對保障管線安全運行起到不可忽視的作用。智慧化管理系統的建設發展，應突破原有傳統的單一數據管理功能，要在管線運營、安全管理、隱患治理等工作中發揮出更大的作用，以實現對管線風險識別、預測預警、智能分析等精細化管理。從收集真實數據、擴大數據共享范圍和持續更新數據等方面尋求突破，不斷加強數據賦能，使地下管線智慧化管理系統真正發揮“智能中樞”作用。

參考文獻：

[1] 張修男.城市燃氣智慧管網技術的探究[J].智能建筑與智慧城市，2022（5）：166-168.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.2022年城鄉建設統計年鑒[Z].2022.

[3] 權鋒.市政工程勘察過程地下管線保護難點與措施分析[J].工程技術研究，2019，4（6）：219-220.

[4] 談生磊，侯天錄，姜永宏，等.基于物聯網通訊及云端服務地埋電纜防開挖破壞預警裝置[J].電力設備管理，2023（22）：229-231.

[5] 高翔，安輝，陳為，等.移動增強現實可視化綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2018，30（1）：1-8.