城市地下管線管理系統(tǒng)架構(gòu)與數(shù)據(jù)組織設(shè)計(jì)研究

查寧

摘 要：該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套城市綜合地下管線信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)管線的輔助設(shè)計(jì)、規(guī)劃審批、竣工測(cè)量、數(shù)據(jù)入庫(kù)與保存、數(shù)據(jù)維護(hù)等整個(gè)流程來(lái)設(shè)計(jì)，采用的軟件和開(kāi)發(fā)工具比較先進(jìn)流行，技術(shù)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)建立了管線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，很好地解決了城市管線普查數(shù)據(jù)的管理、使用問(wèn)題，并在近年來(lái)各種管線規(guī)劃、施工過(guò)程中發(fā)揮了積極作用。

關(guān)鍵詞：城市綜合地下管線 管理系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 原則 問(wèn)題 數(shù)據(jù)組織

中圖分類(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0039-02

1 城市綜合地下管線管理系統(tǒng)建立的意義

傳統(tǒng)的管線資料管理手段大多采用文該文件或者數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)管線的屬性數(shù)據(jù)，用DWG圖形文件來(lái)存儲(chǔ)管線的圖形數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)完全分離，管線資料管理混亂，資料更新速度慢，跟不上現(xiàn)代城市建設(shè)的步伐，不能保證資料的現(xiàn)勢(shì)性和正確性。因此，同步建立地下綜合管線管理信息系統(tǒng)是確保地下管線普查使用目的的實(shí)現(xiàn)與廣泛應(yīng)用的最佳方法。

（1）使用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)管線信息大大縮小了存儲(chǔ)空間；一個(gè)城市的紙介質(zhì)圖紙可多達(dá)幾十噸，而使用計(jì)算機(jī)僅用若干磁盤(pán)或光盤(pán)就可以存放全部信息；（2）提高了檢索查詢(xún)速度。利用計(jì)算機(jī)查詢(xún)某一個(gè)區(qū)域、某一地點(diǎn)或某種特征的管線信息僅需要一個(gè)命令或者按鈕既可以完成，這是常規(guī)管理辦法的人工查找無(wú)法比擬的；（3）圖形顯示更加直觀。通過(guò)三維顯示技術(shù)，真實(shí)再現(xiàn)地下管線二維布局結(jié)構(gòu)；（4）可以實(shí)現(xiàn)管線資料的動(dòng)態(tài)更新和管線工程的動(dòng)態(tài)跟蹤，提高了管理的水平；（5）便于資料的網(wǎng)絡(luò)共享。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成及其作用

根據(jù)管線數(shù)據(jù)的生命周期、分類(lèi)等特點(diǎn)，系統(tǒng)由五個(gè)子系統(tǒng)組成，并分為核心與外圍兩大部分。其中核心部分包括管線信息管理子系統(tǒng)和地下管線輔助設(shè)計(jì)規(guī)劃審核與竣工驗(yàn)收子系統(tǒng)，主要用于管線信息管理、制圖、設(shè)計(jì)方案審查、管線竣工驗(yàn)收等；其它為外圍部分，主要用于了解與管線相關(guān)的地形、道路、地名、單位、電話(huà)號(hào)碼等信息，為管線的輔助設(shè)計(jì)提供一些分析參數(shù)和在Internet/Intranet上對(duì)管線信息的查詢(xún)。

2.2 地下管線信息管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)具有下列功能：（1）以帶狀基礎(chǔ)地形圖為背景，在城市規(guī)劃道路的骨架之下，融合地下管線信息，為城市的總體規(guī)劃布局提供輔助決策功能；（2）全市規(guī)劃區(qū)內(nèi)的所有干管的總體布置分布；（3）縱橫斷面圖的生成與功能分析、地下管線的三維立體顯示等；（4）具有拓?fù)浞治?、最短路徑分析、管線事故（如爆管）分析、統(tǒng)計(jì)分析等分析功能；（5）常用的GIS功能；（6）多種查詢(xún)功能，可按圖號(hào)、道路名稱(chēng)、單位名、區(qū)域范圍等形成多種查詢(xún)表格；（7）在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)入庫(kù)的過(guò)程中，具有數(shù)據(jù)查錯(cuò)和預(yù)防功能等（表1）。

2.3 管線設(shè)計(jì)規(guī)劃審核與竣工驗(yàn)收子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)是針對(duì)綜合管線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，編制特定程序，輔助完成綜合管線的基本設(shè)計(jì)，包括道路平面與縱橫剖面設(shè)計(jì)、綜合管線平面與橫剖面設(shè)計(jì)、管線的規(guī)劃審核與竣工驗(yàn)收等四方面；具有管線工程的輔助設(shè)計(jì)、最小覆土深度、管線間的最小水平距離及管線交叉處的最小垂直距離計(jì)算、方案比較等功能。利用該子系統(tǒng)，各管線部門(mén)在進(jìn)行管線報(bào)件時(shí)，可使管線設(shè)計(jì)更合理，審批更嚴(yán)格科學(xué)，能充分地利用地下有限的空間。施工管線測(cè)量驗(yàn)收是將設(shè)計(jì)坐標(biāo)值與實(shí)地測(cè)量的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，驗(yàn)收管線工程施工質(zhì)量，確保管線施工嚴(yán)格按照規(guī)劃審批的要求進(jìn)行。

3 數(shù)據(jù)組織與系統(tǒng)集成

3.1 地下管線數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

城市地下管線信息與地形、城鎮(zhèn)地籍、房產(chǎn)信息同為城市中最具代表性的空間信息。與其他三者相比，管線數(shù)據(jù)有自身的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

（1）數(shù)據(jù)量大，定位精度要求高；（2）涉及的管線權(quán)屬單位和信息使用部門(mén)多，信息收集及管理難度大；（3）從中心城區(qū)向周邊方向，管線數(shù)據(jù)的重要性和使用頻率逐漸降低，在空間形態(tài)分布上呈不均勻性；（4）市政管線空間數(shù)據(jù)范圍相對(duì)固定，多在規(guī)劃道路的下面；（5）在同一空間位置上，依附的管線屬性信息多且復(fù)雜。不同的用戶(hù)其關(guān)心的對(duì)象各不相同；（6）管線埋設(shè)于地下，具有隱蔽性，采集困難；（7）時(shí)間屬性至關(guān)重要，是一個(gè)四維、動(dòng)態(tài)的空間信息源；（8）管線信息的連通關(guān)系要求特別高。

由于上述特點(diǎn)，城市地下管線數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞和數(shù)據(jù)完整性一致是地下管線信息系統(tǒng)的建立瓶頸問(wèn)題之一；同時(shí)，開(kāi)發(fā)一個(gè)具有實(shí)用性、先進(jìn)性、可靠性、安全性、網(wǎng)絡(luò)化的綜合管線信息系統(tǒng)，也具有一定的難度。因此，許多城市管線信息系統(tǒng)建立都和管線普查聯(lián)在一起。

3.2 管線數(shù)據(jù)的信息結(jié)構(gòu)

根據(jù)管線數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征，將管線實(shí)體劃細(xì)分為計(jì)算機(jī)可以表達(dá)的點(diǎn)、線數(shù)據(jù)類(lèi)。

（1）管線點(diǎn)：包括管線附屬設(shè)施點(diǎn)、特征點(diǎn)、建（構(gòu)）筑物中心點(diǎn)等，用一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)表示；（2）管段：為兩相鄰管線點(diǎn)之間的連線；用二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)表示，為直線段；（3）管線串：若干具有同一屬性的管段的集合，多個(gè)坐標(biāo)值構(gòu)成；（4）管網(wǎng)：同一類(lèi)性質(zhì)的管線串及管線點(diǎn)的集合，一種性質(zhì)的管線只有一個(gè)管網(wǎng)，且在同一層，具有有序的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。管網(wǎng)有樹(shù)狀和網(wǎng)狀兩種結(jié)構(gòu)。

圖1中，A到G為管線特征點(diǎn)，AB、BC、CD、BF等為管段，BEFG為管線串。

數(shù)據(jù)是任何GIS系統(tǒng)的核心，所有的GIS功能都需要以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)才能表現(xiàn)出來(lái)。因此，數(shù)據(jù)的完整性、一致性和質(zhì)量的好壞很大程度上決定了一個(gè)系統(tǒng)的好壞。

3.3 地下管線數(shù)據(jù)的獲取

地下管線數(shù)據(jù)獲取的方法有地下管線普查和地下管線竣工測(cè)量?jī)煞N。

3.3.1 地下管線普查

城市地下管線普查是指在一定時(shí)期內(nèi)，按照城市規(guī)劃管理的要求，根據(jù)城市具有的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)能力，采取最經(jīng)濟(jì)和科學(xué)合理的方法，查明城市建成區(qū)或城市規(guī)劃發(fā)展區(qū)內(nèi)的地下管線現(xiàn)狀，獲取準(zhǔn)確的管線有關(guān)數(shù)據(jù)，編繪管線圖，建立管線數(shù)據(jù)庫(kù)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上做好檔案與動(dòng)態(tài)管理。城市地下管線普查作業(yè)方法：

（1）地下管線現(xiàn)狀調(diào)繪。

城市地下管線現(xiàn)狀調(diào)繪是指在開(kāi)展地下管線探查作業(yè)前，根據(jù)已有的地下管線竣工資料、施工資料、設(shè)計(jì)資料等，將己有地下管線現(xiàn)況標(biāo)繪在1： 500的地形圖上，作為野外探測(cè)的作業(yè)的參考，減少實(shí)地探查作業(yè)的盲目性，提高野外探查作業(yè)的質(zhì)量和作業(yè)效率。同時(shí)，為地下管線探查作業(yè)提供有關(guān)地下管線的屬性數(shù)據(jù)（如管徑、管材、埋設(shè)年代等）

（2）城市地下管線探查。

城市地下管線探查是在現(xiàn)狀調(diào)繪的基礎(chǔ)上采用實(shí)體調(diào)查和儀器探查相結(jié)合的方法，查明地下管線的敷設(shè)狀況、在地面上的投影位置和埋深、管線的相關(guān)位置和走向、地下管線的屬性，如管線類(lèi)型、性質(zhì)、規(guī)格、材質(zhì)、載體特征等。并在地面上設(shè)置地下管線投影中心標(biāo)志和明顯管線點(diǎn)標(biāo)志，以提供下工序測(cè)繪的依據(jù)。

（3）地下管線測(cè)繪。

地下管線測(cè)量是指在城市等級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)和等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的圖根控制測(cè)量、地下管線點(diǎn)平面和高程位置連測(cè)及相關(guān)地形測(cè)量。

3.3.2 地下管線竣工測(cè)量

地下管線竣工測(cè)量應(yīng)在地下管線敷設(shè)以后、覆土以前進(jìn)行。其任務(wù)是測(cè)定地下管線的平面位置、高程；量測(cè)地下管線的埋深、規(guī)格以及規(guī)劃審批的定位尺寸；記錄地下管線的性質(zhì)、材質(zhì)、走向、埋設(shè)時(shí)間和全書(shū)單位等。并繪制地下管線竣工平面圖和編制地下管線成果表，同時(shí)按要求填寫(xiě)地下管線工程竣工測(cè)量驗(yàn)收記錄冊(cè)。

3.4 地下管線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型

3.4.1 地下管線管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組成

地下管線管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括地下管線、管點(diǎn)圖形和屬性數(shù)據(jù)，坐標(biāo)分幅、道路網(wǎng)圖、城市地形圖、建筑物、地塊、注記等輔助要素，其具體數(shù)據(jù)構(gòu)成如圖2。

3.4.2 管線數(shù)據(jù)模型

管線數(shù)據(jù)由管點(diǎn)和管線組成，每一種管線包括一個(gè)管線數(shù)據(jù)表和一個(gè)管點(diǎn)數(shù)據(jù)表，一條管線由兩個(gè)管點(diǎn)組成，即管線的起點(diǎn)和管線的終點(diǎn)。

3.5 數(shù)據(jù)編碼

每一個(gè)信息系統(tǒng)都有編碼系統(tǒng)。為便于數(shù)據(jù)交換和共享，制訂了城市地下管線綜合信息系統(tǒng)編碼方案及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案。

（1）管線類(lèi)別編碼，分十類(lèi)。代碼分別為給水（J）、雨水（Y）、污水（含雨污合排）（P）、煤氣（M）、交警信號(hào)燈（T）、路燈（R）、供電（L）、電信（X）、道路中心點(diǎn)（C）、人防特征點(diǎn)（F）。

（2）街道編號(hào)：將城市所有街道進(jìn)行編號(hào)，用4位整數(shù)順序編號(hào)（0001—9999）。

（3）管線點(diǎn)編號(hào)：用10位字符串編號(hào)。前6位為1∶500比例尺圖號(hào)，第7位為管線類(lèi)別碼，后3位為管點(diǎn)順序號(hào)。在數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)管線點(diǎn)號(hào)帶有圖幅號(hào)，在圖面注記、顯示時(shí)只有后4位。此種方式既保證了編號(hào)唯一，又使圖面注記簡(jiǎn)潔。

（4）管線編碼：為6位。第1位為大寫(xiě)字母P，用于同其它基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)編碼方案區(qū)分；第2位管線類(lèi)別碼；第3位為每類(lèi)管線的子類(lèi)型碼；第4位為要素類(lèi)型碼，從1到5分別表示中心線、管線特征點(diǎn)及附屬物、管線地面建筑物中心點(diǎn)、管線輔助要素、管線注記；第5位按順序排列的要素序號(hào)；第6位暫保留。

（5）管段由管線特征點(diǎn)結(jié)構(gòu)表中相關(guān)字段產(chǎn)生，沒(méi)有編碼。

管網(wǎng)要素的屬性信息主要包括線屬性和點(diǎn)屬性，分別對(duì)應(yīng)管線（中心線）要素和管線點(diǎn)狀要素。對(duì)于管線輔助要素（管線地面建筑物、依比例尺管線邊界等）無(wú)相關(guān)屬性表，其屬性分別由對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)和中心線表示。

3.6 數(shù)據(jù)組織

在城市地下管線綜合信息系統(tǒng)中，所有管線信息都為要素，可有零至多項(xiàng)屬性值。系統(tǒng)采用混合數(shù)據(jù)模型，將圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開(kāi)保存。要素的圖形數(shù)據(jù)存放在地圖文件中，利用MicroStation的DGN圖形文件；屬性數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle。圖形元素中具有要素標(biāo)識(shí)和屬性標(biāo)識(shí)。另外，由于整個(gè)城市的地下管線數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)按1∶5000比例尺分區(qū)存放在不同的設(shè)計(jì)文件中，對(duì)應(yīng)地與不同的數(shù)據(jù)庫(kù)表連接；在DGN圖形文件中，其符號(hào)和線型均按1∶500比例尺存放，可按需要縮編為其它任意比例尺；文本注記放在點(diǎn)狀要素中處理。在數(shù)據(jù)庫(kù)中保存所有數(shù)據(jù)的描述信息，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)表來(lái)描述和管理所有數(shù)據(jù)，系統(tǒng)用工程來(lái)組織數(shù)據(jù)集。

3.7 數(shù)據(jù)入庫(kù)和更新

（1）地下管線數(shù)據(jù)一般來(lái)源于：以圖紙和成果表形式保存的歷史數(shù)據(jù)；通過(guò)外業(yè)探測(cè)采集的數(shù)據(jù)；存在于其它管線信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)；其他形式的數(shù)據(jù)等。對(duì)上面各種形式的數(shù)據(jù)編寫(xiě)特定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)處理；（2）GIS的數(shù)據(jù)更新是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，地下管線系統(tǒng)同樣如此，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新主要采用：根據(jù)更新的范圍半自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中裁剪數(shù)據(jù)，并定義特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)保存此數(shù)據(jù)；新的管線竣工測(cè)量數(shù)據(jù)與周邊數(shù)據(jù)通過(guò)人工編輯完全融合聯(lián)成一體。歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的替換過(guò)程可相互轉(zhuǎn)換，以便于歷史資料的恢復(fù)與查詢(xún)。

3.8 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成包括數(shù)據(jù)集成、各子系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊的集成、各子系統(tǒng)間集成三個(gè)方面的內(nèi)容。在數(shù)據(jù)集成中，將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，包括管線信息、地形信息、城市基礎(chǔ)信息、輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、地名信息與電話(huà)號(hào)碼信息等，按管線信息管理與管線工程業(yè)務(wù)工作的需要，整合為一個(gè)相互關(guān)聯(lián)信息庫(kù)。數(shù)據(jù)集成的內(nèi)容主要包括：一是建立不同比例尺圖形數(shù)據(jù)間的索引關(guān)系，包括建立1∶500管線圖與1∶5000管線圖，1∶500地形圖與1∶25000城市基礎(chǔ)地形圖間的索引關(guān)系；二是建立屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括管線要素屬性數(shù)據(jù)與管線圖的關(guān)聯(lián)，城市基礎(chǔ)圖與道路名、地名的關(guān)聯(lián)，單位分布圖形與電話(huà)號(hào)碼的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)管線圖形與設(shè)計(jì)管線屬性的關(guān)聯(lián)等。數(shù)據(jù)集成為數(shù)據(jù)的有效利用提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

城市地下管線管理系統(tǒng)是數(shù)字城市的核心應(yīng)用系統(tǒng)之一，可以實(shí)現(xiàn)管線信息的動(dòng)態(tài)管理，從而為城市規(guī)劃和建設(shè)提供服務(wù)。它不僅能夠更好地管理各種主干線信息，及時(shí)對(duì)各種專(zhuān)業(yè)管線數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、維護(hù)，保證管線數(shù)據(jù)地準(zhǔn)確性和現(xiàn)勢(shì)性，而且能夠?yàn)楣芾聿块T(mén)的宏觀決策提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的管線信息，為城市的防災(zāi)、搶險(xiǎn)等提供決策服務(wù)，為保障城市地下生命線的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。該文深度探討了城市地下管線管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，相信對(duì)同行有所裨益。

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