合肥市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

黃北新，李彬，宋超，王小飛

(1.合肥市測繪設(shè)計研究院，安徽 合肥 230001 2.合肥市地下管網(wǎng)建設(shè)管理辦公室，安徽 合肥 230001；3.廣州城市信息研究所有限公司，廣東 廣州 510070)

1 引 言

隨著城市快速發(fā)展，地下管線管理問題日益凸顯，影響了人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市運行秩序[1]。2014年，國務(wù)院提出加強城市地下管線建設(shè)管理的要求。全國各城市陸續(xù)開展了地下管線普查和信息系統(tǒng)建設(shè)工作。目前各城市地下管線信息系統(tǒng)的建設(shè)水平參差不齊，如在系統(tǒng)共建共享、綜合管廊入庫、地下管線覆土前竣工測量實時管理等方面不夠完善。因此，突破傳統(tǒng)地下管線信息系統(tǒng)搭建模式，構(gòu)建多功能的滿足各種應(yīng)用需求的城市地下管線綜合管理系統(tǒng)勢在必行。本文介紹合肥市開展全市地下管線普查，建立了城市地下管線(包括地下綜合管廊、地鐵、人防坑道、河道等)數(shù)據(jù)庫；利用云計算、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，采用開放式SOA體系架構(gòu)(Service Oriented Architecture)，開發(fā)建設(shè)1+1+1+N的地下管線綜合管理信息系統(tǒng)，即1套數(shù)據(jù)標準、1個數(shù)據(jù)中心、1個管理平臺和N個應(yīng)用，實現(xiàn)了城市地下管線綜合管理、共建共享和動態(tài)更新管理，并大力開展信息系統(tǒng)的應(yīng)用。

2 總體框架

2.1 系統(tǒng)建設(shè)思路

原有的地下管線信息資料存儲離散化、紙質(zhì)化、數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、資料不全，現(xiàn)勢性不強，信息不能共享，給地下管線建設(shè)與管理帶來挑戰(zhàn)[2，3]。本系統(tǒng)建設(shè)思路是：

(1)獲取最新地下管線資料成果。通過市區(qū)市政道路地下管線全面普查，取得市區(qū)各類地下管線、綜合管廊等資料，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，建立城市地下管線數(shù)據(jù)庫。

(2)一體化信息管理。建設(shè)地下管線空間信息一體化管理和應(yīng)用平臺，為城市地下管線建設(shè)管理、運行維護和應(yīng)急防災(zāi)提供支持。

(3)動態(tài)更新管理。開發(fā)移動端地下管線智能子系統(tǒng)，實現(xiàn)地下管線野外巡檢及覆土前竣工測量過程監(jiān)督，保障數(shù)據(jù)動態(tài)更新質(zhì)量。

(4)共建共享。管線單位和縣(區(qū))子系統(tǒng)與市地下管線信息系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)共建共享。

(5)推廣應(yīng)用。通過推廣應(yīng)用平臺成果，實現(xiàn)管線權(quán)屬或管理單位實時查詢和應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)總體框架

基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)SOA，采用C/S與B/S混合架構(gòu)模式，利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、二三維GIS技術(shù)、大型數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、工作流技術(shù)等先進技術(shù)，實現(xiàn)城市地下管線資源的高效管理和科學(xué)應(yīng)用[4]。

信息系統(tǒng)平臺分為：基礎(chǔ)設(shè)施(IaaS)層、數(shù)據(jù)層(DAAS)、平臺服務(wù)(PaaS)層、應(yīng)用(SaaS)層四層以及標準、安全和運維保障體系，如圖1所示。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS)。采用虛擬化技術(shù)，應(yīng)用軟件和基礎(chǔ)設(shè)備通過虛擬化層隔離開來減少設(shè)備依賴性。系統(tǒng)將3臺應(yīng)用服務(wù)器虛擬化為10臺虛擬服務(wù)器，支撐了整個系統(tǒng)的運行環(huán)境，使得資源得以集約使用，并實現(xiàn)環(huán)境狀況的統(tǒng)一視圖，降低了設(shè)備的運維成本。在網(wǎng)絡(luò)方面通過設(shè)備冗余和智能化的負載均衡器來為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由的智能調(diào)配，在多個服務(wù)訪問地址間進行負載均衡。并具有動態(tài)容錯檢測能力，確保任何一臺或多臺服務(wù)器出現(xiàn)故障時的服務(wù)可用性和穩(wěn)定性。

圖1系統(tǒng)總體框架示意圖

(2)數(shù)據(jù)層(DaaS)，由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、管線(管廊、人防、地鐵、河道)數(shù)據(jù)、管線安全隱患數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、管線檔案數(shù)據(jù)等組成，在Oracle數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上集成ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫、NewBulider三維數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)、互訪。

(3)平臺服務(wù)層(PaaS)，利用ArcGIS云套件，采用SOA架構(gòu)思想，將具體的功能封裝為不同粒度、具有統(tǒng)一接口的服務(wù)。系統(tǒng)既有面向數(shù)據(jù)的服務(wù)，也有面向業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)；既有通用查詢統(tǒng)計的服務(wù)，也有管線專業(yè)分析的服務(wù)；既有功能簡單的單一服務(wù)，也有面向流程的復(fù)合服務(wù)。通過業(yè)務(wù)服務(wù)化，專注于自己的業(yè)務(wù)，降低不同的子系統(tǒng)之間協(xié)作和協(xié)同的難度和復(fù)雜性。不同的子系統(tǒng)實現(xiàn)了真正意義上的數(shù)據(jù)共享與功能共用。為了與VMWare、ArcGIS等第三方私有云套件無縫融合，系統(tǒng)開發(fā)服務(wù)時采用了ArcGIS for Server的SOE擴展開發(fā)流程，使系統(tǒng)發(fā)布的十余種管線信息服務(wù)既符合SOA架構(gòu)思想，又能充分地利用ArcGIS云套件在資源調(diào)配與管理的既有體系。

(4)應(yīng)用層(SaaS)，在地下管線云平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)了各類專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，這些應(yīng)用系統(tǒng)均調(diào)用平臺發(fā)布的基礎(chǔ)空間服務(wù)和管線信息服務(wù)接口，應(yīng)用子系統(tǒng)的后臺同樣部署在系統(tǒng)的云平臺上，根據(jù)平臺的專業(yè)、區(qū)域、功能授權(quán)，這些應(yīng)用可分配給市管線管理部門、區(qū)縣管理部門、管線權(quán)屬單位及其他相關(guān)部門的用戶使用。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫總體架構(gòu)與建設(shè)內(nèi)容

在統(tǒng)一的空間定位基準上，構(gòu)建以云數(shù)據(jù)中心為主體的數(shù)據(jù)交換和入庫的總體架構(gòu)，統(tǒng)一各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的匯聚、存儲、處理、入庫和服務(wù)化，實現(xiàn)管線信息資源的有效整合，支撐共享應(yīng)用。通過云數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫功能倉庫和集成管理等方面的提升，實現(xiàn)包括二維、三維、元數(shù)據(jù)信息的各類數(shù)據(jù)存儲，為綜合管線管理提供直觀的展現(xiàn)平臺。

管線信息云數(shù)據(jù)資源中心的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括綜合地下管線(供水、電力等)數(shù)據(jù)、地下空間設(shè)施數(shù)據(jù)(人防坑道、地鐵、綜合管廊等)、專題數(shù)據(jù)(管線隱患數(shù)據(jù)、排水設(shè)施、河道設(shè)施等)、管線工程建設(shè)管理數(shù)據(jù)(管線審批數(shù)據(jù)、重點管線、施工管線等)、管線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)(后期接入)、基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)、建筑物三維模型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等?？臻g數(shù)據(jù)庫按照空間維度、時間維度、專題維度三個維度進行設(shè)計，考慮空間和屬性關(guān)聯(lián)、現(xiàn)狀與歷史關(guān)聯(lián)以及二維與三維關(guān)聯(lián)。

3.2 數(shù)據(jù)建庫

開展城市建成區(qū)市政道路下地下管線全面普查，統(tǒng)一普查探測及數(shù)據(jù)標準、統(tǒng)一項目管理、統(tǒng)一組織實施，實行工程監(jiān)理制，保障普查成果質(zhì)量。共普查市區(qū) 493 km2范圍內(nèi)各類地下管線總長度為 30 264.5 km。將CAD格式數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)化mdb格式或excel格式的標準點線表數(shù)據(jù)，對管點和線的拓撲關(guān)系、邏輯關(guān)系、元數(shù)據(jù)等進行檢查，錄入數(shù)據(jù)庫。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 軟硬件設(shè)施

包括硬件設(shè)施(機房、服務(wù)器、大屏幕、網(wǎng)絡(luò)等)、虛擬化技術(shù)、資源調(diào)度技術(shù)建設(shè)。系統(tǒng)配置1臺核心交換機、1臺負載均衡設(shè)備、1臺防火墻、1套入侵檢測系統(tǒng)、1套服務(wù)器加固系統(tǒng)等。利用vmware來搭建基礎(chǔ)設(shè)施云環(huán)境以及利用ArcGIS私有云套件來搭建平臺層的云環(huán)境，在此之上構(gòu)建信息系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

合肥市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)實現(xiàn)了包含數(shù)據(jù)監(jiān)理與入庫更新、數(shù)據(jù)管理與分析、共享交換、發(fā)布、工程管理、在線監(jiān)測等13個功能子系統(tǒng)[5]，如圖2所示。

圖2信息系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容示意圖

4.3 信息系統(tǒng)特色

(1)搭建了地下管線私有云平臺；將13個子系統(tǒng)有機組成一個整體，實現(xiàn)了系統(tǒng)資源的集成共享利用。在基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS)，采用虛擬化技術(shù)，應(yīng)用軟件和基礎(chǔ)設(shè)備通過虛擬化層隔離開來減少設(shè)備依賴性。在平臺服務(wù)層(PaaS)，系統(tǒng)采用SOA架構(gòu)思想，利用ESB服務(wù)總線，將具體的功能封裝為不同粒度、具有統(tǒng)一接口的服務(wù)。系統(tǒng)開發(fā)服務(wù)時采用了ArcGIS for Server的SOE擴展方式，利用ArcGIS云套件進行資源的調(diào)配與管理；縣(區(qū))通過網(wǎng)絡(luò)專線與市地下管理管線系統(tǒng)連接，只需建設(shè)管線子系統(tǒng)終端，即可實現(xiàn)市縣地下管線信息一體化管理，遠程共享市級系統(tǒng)功能。市縣共享網(wǎng)絡(luò)拓撲管線如圖3所示。

圖3市縣共享網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

(2)實現(xiàn)支持不同業(yè)務(wù)場景的移動終端智能巡檢。移動巡檢終端基于Andorid平臺，采用Ionic+Angularis+Cordova的Hybri dapp開發(fā)模式，融合探測單位、監(jiān)理單位、管理單位等多種業(yè)務(wù)場景用戶需求，將脫密后的地下管線圖疊加于“天地圖”上，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時查詢，分析、定位、拍照、事件上報等功能，與PC端管線工程管理系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動，能進行管線工程現(xiàn)場建庫和測量監(jiān)督的移動管理[6]，如圖4所示。

圖4 移動巡檢界面

(3)多方式搭建完善的地下管線數(shù)據(jù)安全體系。將涉密管線數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用分開。管線數(shù)據(jù)管理采用涉密計算機、涉密移動存儲介質(zhì)以及三合一插件等安全設(shè)備，處于保密管理監(jiān)管之下。管線成果應(yīng)用采用脫密后的數(shù)據(jù)，基于ojectarxmfc框架，通過AutoCAD接口對圖形文件讀取和修改，采用了位域置換技術(shù)，利用AES加密算法，實現(xiàn)了對AutoCAD數(shù)據(jù)進行水印追蹤、控制有效期、禁止編輯等加密控制。另外，還通過光纖專線、VPN建立安全傳輸通道等多種手段整體構(gòu)建了完善的數(shù)據(jù)安全體系。

(4)基于自主平臺實現(xiàn)地上、地下三維管線一體化高效管理?；贜ewbulider自主三維平臺，通過改進的空間索引算法，集成了三維模型顯示數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、地上建筑物數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)對復(fù)雜管網(wǎng)三維部件的自動建模以及地上、地下三維模型的立體化，實現(xiàn)了管線的三維可視化及查詢檢索、道路開挖、道路斷面、爆管等分析功能。

(5)將地下綜合管廊、地下人防坑道和地鐵等與地下管線相關(guān)的地下空間納入系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合管理[7]。系統(tǒng)不僅支持普通道路進行斷面分析，而且支持高架路、地下管廊、地鐵等特殊斷面分析[8]，如圖5所示。

圖5地下管廊斷面分析

5 應(yīng) 用

(1)地下管線覆土前竣工測量數(shù)據(jù)及時進行質(zhì)檢入庫，實現(xiàn)了地下管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新。一年來，合肥市區(qū)累計開展管線竣工測量964項，更新各類地下管線數(shù)據(jù)累計450余千米。

(2)通過采用涉密機與內(nèi)網(wǎng)隔離、管線數(shù)據(jù)脫密、三合一單導(dǎo)盒保密設(shè)備、數(shù)據(jù)加密軟件(水印追蹤、有效期)以及VPN傳輸通道等多種有效方式，確保了地下管線數(shù)據(jù)安全，管線數(shù)據(jù)與“天地圖”融合實現(xiàn)了移動端野外實時監(jiān)測地下管線的變化情況。

(3)實現(xiàn)了管線數(shù)據(jù)在市、縣、區(qū)、管線權(quán)屬單位的共建共享。目前已開通廬陽區(qū)、肥西縣、市排水辦等8個單位的共享專線。

(4)實現(xiàn)了管線業(yè)務(wù)在線查詢、申請、提交的高效應(yīng)用模式。一年來，利用系統(tǒng)為全市109個項目提供了查詢，累計查詢地下管線長度 25 207 km。

(5)實現(xiàn)了新建道路和道路挖掘敷設(shè)管線業(yè)務(wù)的系統(tǒng)網(wǎng)上登記、網(wǎng)上監(jiān)管。

(6)利用移動端隨時現(xiàn)場查詢管線信息，方便快捷；通過移動巡檢，突破了管線項目跟蹤測量和施工過程難以監(jiān)管的盲區(qū)，地下管線數(shù)據(jù)信息質(zhì)量和管線安全得到了保障。

6 結(jié) 語

合肥市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)在地下管線私有云平臺、市縣共享、管線移動巡檢、多方式數(shù)據(jù)安全技術(shù)等方面進行了創(chuàng)新，2017年8月，合肥市城鄉(xiāng)建委組織的驗收專家委員會驗收時評價該系統(tǒng)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、虛擬現(xiàn)實等先進技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，地下管線信息化正向平臺化、集成化和應(yīng)用化等方面發(fā)展[9]。合肥市地下管線信息化建設(shè)工作剛起步，系統(tǒng)應(yīng)用面尚需擴充，功能尚需加強，數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制尚需坐實。下一步要將住宅小區(qū)及單位內(nèi)部地下管線、地下建(構(gòu)筑)物及地質(zhì)資料等地下空間納入信息系統(tǒng)管理，逐步豐富完善信息系統(tǒng)內(nèi)涵，拓展信息系統(tǒng)外延，從而實現(xiàn)信息系統(tǒng)從單純管線管理向地下空間信息化管理的延伸。