城市地下管線綜合信息平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

譚仁春，盧丹丹，向祎

(1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430022)

城市地下管線綜合信息平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

譚仁春1，2*，盧丹丹1，2，向祎1，2

(1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430022)

近年來(lái)，全國(guó)各個(gè)城市相繼開展城市地下管線普查和信息系統(tǒng)建設(shè)。本文結(jié)合武漢市開展城市地下管線深化普查和綜合信息平臺(tái)建設(shè)工作，在開展了深入研究和大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)城市地下管線綜合信息平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，提出了一些新思路和新方法，為其他城市開展城市地下管線綜合信息平臺(tái)工作提供參考和借鑒。

城市地下管線；裝配式開發(fā)；信息平臺(tái)；空間決策

1 引 言

隨著2014年《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2014〕27號(hào))和《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于開展城市地下管線普查工作的通知》(城建[2014]179號(hào))的下發(fā)，全國(guó)各城市陸續(xù)開展了城市地下管線普查與信息系統(tǒng)建設(shè)工作。但是，目前我國(guó)城市地下管線信息系統(tǒng)的建設(shè)水平參差不齊，同時(shí)存在一些普遍性問(wèn)題：①系統(tǒng)數(shù)據(jù)未能實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)態(tài)更新；②系統(tǒng)功能僅停留在數(shù)據(jù)管理階段，成果應(yīng)用和數(shù)據(jù)挖掘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；③系統(tǒng)架構(gòu)不能滿足海量管線數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)管理與應(yīng)用。因此，突破傳統(tǒng)管線信息管理系統(tǒng)的搭建模式，構(gòu)建既能夠滿足數(shù)據(jù)資源管理，又能實(shí)現(xiàn)管線規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管應(yīng)用的城市地下管線綜合信息平臺(tái)勢(shì)在必行。

隨著新一代互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和BIM等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，地下管線信息化建設(shè)正朝著平臺(tái)化、集成化、應(yīng)用化等方向發(fā)展。本文主要結(jié)合武漢市正在開展的地下管線綜合信息平臺(tái)建設(shè)工作，重點(diǎn)針對(duì)地下管線信息平臺(tái)建設(shè)工作提出一些新的思路和方法，為國(guó)內(nèi)其他城市在開展類似工作過(guò)程中提供參考。

2 關(guān)鍵技術(shù)

城市地下管線綜合信息平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)很多，本文主要在開展了相關(guān)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合武漢市實(shí)際情況，提出如下關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

2.1基于云計(jì)算的管線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、共享與應(yīng)用技術(shù)

我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)導(dǎo)致城市地下管線數(shù)量的急劇增多，實(shí)現(xiàn)海量管線數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)處理和全面共享應(yīng)用，提供高質(zhì)量的管線信息服務(wù)是搭建管線信息系統(tǒng)或平臺(tái)的最終目標(biāo)。在傳統(tǒng)的C/S模式GIS、B/S多層模式GIS、基于Internet的分布式GIS或格網(wǎng)GIS的分布式計(jì)算模式下，存在①WebGIS仍然以單項(xiàng)服務(wù)提供為主，終端用戶無(wú)法生產(chǎn)個(gè)性化服務(wù)；②沒(méi)有充分發(fā)揮分布式計(jì)算模式的優(yōu)勢(shì)，不能挖掘分布式GIS的最大潛能；③服務(wù)器的數(shù)量和硬件的指標(biāo)是應(yīng)用系統(tǒng)的性能瓶頸等問(wèn)題[1]。

隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展與成熟，將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于管線GIS系統(tǒng)或平臺(tái)建設(shè)，能夠最大限度地解決上述問(wèn)題。具體思路為：

(1)利用云計(jì)算的計(jì)算資源自動(dòng)擴(kuò)展技術(shù)，根據(jù)實(shí)際需求增加或減少計(jì)算資源。當(dāng)虛擬機(jī)進(jìn)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，如果CPU、內(nèi)存或者其他計(jì)算資源占用過(guò)高，自動(dòng)擴(kuò)展功能可以啟動(dòng)更多的虛擬機(jī)來(lái)幫助完成任務(wù)；反之如果資源占用過(guò)低，自動(dòng)擴(kuò)展可以在保證計(jì)算的同時(shí)來(lái)關(guān)閉一部分虛擬機(jī)，從而節(jié)省計(jì)算資源。它不僅可以保證運(yùn)算時(shí)有足夠的計(jì)算資源，緩解累積的計(jì)算負(fù)擔(dān)，以支持并發(fā)請(qǐng)求；而且可以通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整來(lái)節(jié)省計(jì)算資源。

(2)利用云計(jì)算的負(fù)載均衡技術(shù)，將一項(xiàng)需要大量計(jì)算資源或時(shí)間的工作加載在兩個(gè)或多個(gè)云計(jì)算虛擬機(jī)上，從而提高運(yùn)算效率?？梢栽诙鄠€(gè)地理信息服務(wù)實(shí)例間自動(dòng)分配應(yīng)用程序的傳入流量。同時(shí)可以讓平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用程序容錯(cuò)性能，以持續(xù)提供響應(yīng)應(yīng)用程序傳入流量所需要的負(fù)載均衡容量。在負(fù)載均衡中，它可以檢測(cè)出群體里不健全的實(shí)例，并自動(dòng)更改計(jì)算配置，使其指向健全的實(shí)例，直到不健全的實(shí)例恢復(fù)為止。

武漢市將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到地下管線綜合信息平臺(tái)建設(shè)中，基于Eucalyptus云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的自動(dòng)擴(kuò)展與負(fù)載均衡，保障了管線數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)處理與共享應(yīng)用。

2.2基于圖庫(kù)一體的二維管線建庫(kù)與更新技術(shù)

傳統(tǒng)以圖形為主的CAD數(shù)據(jù)模型和以數(shù)據(jù)庫(kù)為主的GIS數(shù)據(jù)模型都存在管線圖與管線庫(kù)分別存儲(chǔ)而導(dǎo)致的圖、庫(kù)信息不一致，有圖入庫(kù)工作量大，圖庫(kù)不能實(shí)時(shí)更新等問(wèn)題。

武漢市在管線數(shù)據(jù)模型建設(shè)中，采用集幾何信息、符號(hào)信息、屬性信息于一體的圖庫(kù)一體時(shí)空地理信息數(shù)據(jù)模型，相對(duì)傳統(tǒng)的CAD和GIS數(shù)據(jù)模型，具有便于實(shí)體管理與操作，便于幾何復(fù)雜度的地理空間實(shí)體表達(dá)和便于數(shù)據(jù)更新與維護(hù)。同時(shí)，在作業(yè)流程中采用“先庫(kù)后圖、圖庫(kù)聯(lián)動(dòng)”的生產(chǎn)工藝流程，在數(shù)據(jù)庫(kù)建立的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)圖形的無(wú)損表達(dá)，圖形和屬性信息能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)編輯，實(shí)時(shí)更新，真正實(shí)現(xiàn)時(shí)空地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形建設(shè)的雙向同步聯(lián)動(dòng)。利用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管線圖與管線庫(kù)的模型、生產(chǎn)、管理、更新與產(chǎn)品一體化，如圖1所示。

圖1 “圖庫(kù)一體化”的管線數(shù)據(jù)建庫(kù)與更新流程

2.3管線的自動(dòng)化三維建模與局部更新技術(shù)

在不影響日常使用的前提下，實(shí)現(xiàn)三維管網(wǎng)模型的局部高效更新，保證了三維模型與二維屬性數(shù)據(jù)的嚴(yán)格一致，為基于三維的管線管理和分析提供高時(shí)效性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為了保證地下管線三維模型的精細(xì)化和逼真度，平臺(tái)針對(duì)地下管線建模要素特點(diǎn)，采用不同的建模方法，具體分為：

(1)針對(duì)抽象化不規(guī)則形體的管點(diǎn)：這類管點(diǎn)具有不變的幾何形態(tài)以及類似的表面材質(zhì)，三維模型可以重復(fù)利用。主要利用對(duì)象的平面、影像等資料，在建模軟件中制作完成。

(2)針對(duì)尺寸結(jié)構(gòu)由屬性驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)：這類管點(diǎn)具有明顯的底面邊界尺寸信息，是規(guī)則體元。主要利用構(gòu)造實(shí)體幾何法，通過(guò)底面尺寸、高度、位置等參數(shù)自動(dòng)生成模型。

(3)針對(duì)拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)：這類管點(diǎn)規(guī)格尺寸多樣，主要利用掃描法+格網(wǎng)造型法，通過(guò)管徑信息分別建立主管和支管模型，再運(yùn)用布爾運(yùn)算和并集剖切連接形成管點(diǎn)模型。

(4)針對(duì)管線段：這類管線段具有不同的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，可利用掃描法+格網(wǎng)造型法，將一條管線看作是整張連續(xù)的曲面進(jìn)行建模處理。

圖2 ArcGIS管線庫(kù)自動(dòng)生成三維模型庫(kù)

(5)局部更新： 通過(guò)對(duì)二維管線數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化探測(cè)，在提取到二維管網(wǎng)空間及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的更新信息后，采用掃描法+網(wǎng)格造型法(Sweep+Mesh)和布爾并集運(yùn)算，主動(dòng)在三維系統(tǒng)中進(jìn)行單體管線模型及其附屬設(shè)施的重建；因管網(wǎng)中管線的增加或減少導(dǎo)致其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，系統(tǒng)也會(huì)同步更新其拓?fù)潢P(guān)系，精細(xì)化地建立管段和拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動(dòng)的管點(diǎn)三維實(shí)體模型，如圖2所示。

2.4管線全生命周期的協(xié)同管理應(yīng)用技術(shù)

目前，全國(guó)大多數(shù)城市的地下管線信息管理系統(tǒng)或平臺(tái)多以管線數(shù)據(jù)信息管理和更新維護(hù)為主要建設(shè)目的，管線普查成果的應(yīng)用還沒(méi)有大范圍推廣。同時(shí)，由于管理體制的原因，地下管線的規(guī)劃、建設(shè)和營(yíng)運(yùn)分別由不同的管理部門監(jiān)管，各管理部門之間信息互通不足、上游管理信息不能及時(shí)完整地流轉(zhuǎn)到下游管理部門。

武漢市綜合考慮管線工程規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管全生命周期管理流程，以管線工程為管理單元，全面控制管線工程從規(guī)劃、審批、開工、施工、跟蹤、竣工和運(yùn)行監(jiān)管等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)規(guī)劃、建設(shè)和監(jiān)管三個(gè)管理部門的業(yè)務(wù)需要，開發(fā)管線規(guī)劃管理、管線建設(shè)管理和管線監(jiān)管三個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，這三個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)管線信息的流轉(zhuǎn)將管線規(guī)劃、管線建設(shè)和管線監(jiān)管等階段銜接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)管線的全生命周期管理，如圖3所示。

圖3武漢市城市地下管線綜合信息平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究，筆者已進(jìn)行了相關(guān)開發(fā)和實(shí)踐，目前研究成果已經(jīng)應(yīng)用于武漢市城市地下管線綜合信息平臺(tái)建設(shè)工作中，取得了很好的效果。圖4是武漢市城市地下管線綜合信息平臺(tái)的登錄主頁(yè)面，主要是用于登錄到基礎(chǔ)信息平臺(tái)子系統(tǒng)、3個(gè)應(yīng)用管理系統(tǒng)以及信息共享系統(tǒng)的功能模塊，如圖4所示。

圖4 武漢市地下管線綜合信息平臺(tái)登錄主頁(yè)面

圖5 集成管理系統(tǒng)主界面

圖6 展示系統(tǒng)主界面

圖5、圖6分別是綜合信息平臺(tái)中的集成管理系統(tǒng)主界面和集成展示系統(tǒng)主界面。集成管理系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)地理空間框架數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)的二三維一體化動(dòng)態(tài)管理、更新維護(hù)、自動(dòng)建模、分析應(yīng)用和輸入輸出；集成展示系統(tǒng)主要用于地理空間框架數(shù)據(jù)及地下管線等數(shù)據(jù)二三維一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、集中展示與共享應(yīng)用。

圖7、圖8是武漢市城市地下管線綜合信息平臺(tái)的三維應(yīng)用，平臺(tái)集成了武漢市中心城區(qū) 567 km范圍內(nèi)的地上三維模型和地下管線模型。地上三維模型在高程上與地下管線模型嚴(yán)格匹配，保證了各種三維空間分析的有效應(yīng)用。

圖7 管線二、三維一體化

圖8 地上地下三維一體化

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要結(jié)合武漢市地下管線綜合信息平臺(tái)建設(shè)工作，針對(duì)地下管線體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)組織與建庫(kù)、三維建模與綜合應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)提出了一些思路和方法，并進(jìn)行了針對(duì)性的研究與實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐證明是可行的。目前，全國(guó)正在大力開展城市地下管線普查與信息系統(tǒng)建設(shè)工作，本文提出的一些關(guān)鍵性技術(shù)可為其他城市提供一定的參考。

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ResearchonKeyTechnologyofInformationSystemforUrbanUndergroundPipelines

Tan Renchun1，2，Lu Dandan1，2，Xiang Yi1，2

(1.Wuhan Geometics Institue，Wuhan 430022，China； 2.Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Wuhan 430022，China)

In recent years，many cities have carried out urban underground pipelines survey and information system construction in China. Based on the deep research and extensive implement，this paper summarizes the key technologies about the construction of the information system for urban underground pipelines，and puts forward some new ideas and suggestions on the construction of the urban underground pipelines information system. Some new methods provide reference for other cities to carry out urban underground pipeline information system.

urban underground pipelines；fabricated development；information platform；special decision

1672-8262(2017)05-115-04

P208.2

A

2017—05—23

譚仁春(1978—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。

精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(PE2011-27)