地下管線綜合管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
——以重慶市為例

梁風海，徐占華

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 前 言

地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，擔負著城市的能源輸送、信息傳輸、污水廢液排放等功能，是城市的血管和神經，被譽為城市的“生命線”[1，2]。為貫徹落實《關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》，重慶市2015年印發(fā)了《關于進一步加強城市地下管線規(guī)劃建設和管理工作的通知》等系列文件[3，4]。但管線建設和管理存在行業(yè)數(shù)據(jù)分散、各自為政，服務對象不同導致需求不一致，大城市大農村的城市特點帶來的坐標系不一致，管理一步到位難度較大以及數(shù)據(jù)保密等問題。

針對以上問題，重慶市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)以現(xiàn)有基礎地理空間信息資料、城市地下管線設施信息和各類專業(yè)信息數(shù)據(jù)為基礎，充分運用信息科學、計算機科學的方法和手段，為城市地下管線的規(guī)劃、工程施工、故障檢測、信息查詢以及各相關部門提供多專業(yè)、多層次、多目標的綜合服務。本文重點闡述數(shù)據(jù)庫設計、系統(tǒng)設計和關鍵技術，具有參考借鑒意義。

2 數(shù)據(jù)庫設計

城市地下管線是指城市范圍內供水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、工業(yè)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”[5]。根據(jù)系統(tǒng)運行需要，地下管線綜合管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)應當包含現(xiàn)狀管線、地理框架要素數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)三類[6]，具體組織如圖1所示：

圖1地下管線綜合管理數(shù)據(jù)庫

(1)現(xiàn)狀管線由都市區(qū)現(xiàn)狀地下管線數(shù)據(jù)庫、區(qū)縣現(xiàn)狀地下管線數(shù)據(jù)庫和長輸管線數(shù)據(jù)庫組成?，F(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)以全市統(tǒng)一普查的數(shù)據(jù)成果為本底，綜合各專業(yè)管線單位匯交成果進行匯總而成。動態(tài)更新采用市場和政府相結合的長效工作機制，按照“誰引起變化誰負責更新”原則，都市區(qū)現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)在市場層面通過建設項目規(guī)劃管理建立以現(xiàn)狀地形圖(含管線圖)測量和竣工測量實施為主的動態(tài)更新。在規(guī)劃選址階段，建設單位須提交 1∶500比例尺現(xiàn)狀地形圖和管線圖；在辦理建設工程規(guī)劃竣工階段，建設單位須提交 1∶500比例尺竣工地形圖和管線圖；在政府層面，一方面定期抽取管線單位共享數(shù)據(jù)，另一方面采用年度專項更新機制，由財政投入對動態(tài)更新未覆蓋區(qū)域進行一次性更新和入庫工作，以保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和完整性[7]；區(qū)縣現(xiàn)狀地下管線數(shù)據(jù)庫參照都市區(qū)模式建設，并定期匯交入全市地下管線綜合管理數(shù)據(jù)庫；長輸管線數(shù)據(jù)庫作為專業(yè)庫存在。

因都市區(qū)和遠郊區(qū)縣之間存在坐標系統(tǒng)不一致的情況，遠郊區(qū)縣的地下管線數(shù)據(jù)經坐標轉換與都市區(qū)保持一致后再進入數(shù)據(jù)庫。由于坐標轉換導致的誤差，遠郊區(qū)縣地下管線數(shù)據(jù)僅供瀏覽和查詢相對關系，不宜應用于工程管理等工作。

(2)地理框架要素數(shù)據(jù)存儲了本系統(tǒng)空間定位和空間分析所需的基礎地理信息數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要反映和描述自然地理信息中的行政區(qū)劃、道路、水系、綠地、建筑物、地名等有關自然和社會要素的位置、形態(tài)和主要的屬性信息。其中，等高線數(shù)據(jù)只在長輸管線農村地區(qū)使用，城區(qū)不使用。

(3)系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)作為重慶市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)有效運行的必要保證，存儲了系統(tǒng)運行的相關環(huán)境配置信息、用戶權限信息和相關日志等信息。

在管線數(shù)據(jù)組織結構上，按行業(yè)進行劃分種類，按數(shù)據(jù)內容可分為管線點(點狀)、管線(線狀)、管線附屬物(面狀)、隱患信息(面狀)和工程信息五類[8]。其中，每條管線由兩個管點相連而成。管點代表實際的管線設施或者普查的測量點，如供水的閥門井、消火栓、水表、探測點和燃氣的管帽、預留口、凝水缸等。管點與管線數(shù)據(jù)庫設計的原則是實現(xiàn)管點與管線的屬性拓撲關系。例如選擇了一條管線，通過管線數(shù)據(jù)庫能夠查找到組成該管線的兩個管點。同樣，如果選擇了一個管點，通過管點數(shù)據(jù)庫能夠查找到所有與該管點相連的管線。數(shù)據(jù)庫設計遵循《重慶市地下管線數(shù)據(jù)建庫標準》，考慮到前期普查成果的利用，不包含小區(qū)內部自建管線，建設必須確保在字段設計上包含地下管線普查的全部內容，增加對建設年代、運行狀態(tài)等信息[9]。

在系統(tǒng)保密管理上，為保證數(shù)據(jù)安全性，將其部署在電子政務內網上運行，同時身份鑒別系統(tǒng)采用多方面、多級別的“認證”措施，包含用戶級別的安全認證、操作系統(tǒng)級別的安全認證、應用程序級別的安全認證、數(shù)據(jù)庫級別的安全認證等。依據(jù)管線數(shù)據(jù)使用人員的業(yè)務需求不同將各類數(shù)據(jù)庫使用者及維護者，進行了明確的權限劃分，主要分為以下四類級別：系統(tǒng)維護級、通用查詢級、行業(yè)查詢級、行業(yè)錄入級。系統(tǒng)維護級為最高權限擁有者，擁有全部權限；通用查詢級擁有的只是讀的權限，而沒有編輯的權限，主要為市級政府決策部門用戶；區(qū)域查詢級可瀏覽查詢數(shù)據(jù)庫中本行政區(qū)所有的數(shù)據(jù)庫表和圖層信息，沒有編輯權限，主要是區(qū)內各委辦局用戶；行業(yè)查詢級只有本行業(yè)數(shù)據(jù)庫信息的查詢權限，而行業(yè)錄入級包含了“本行業(yè)查詢級”，能查詢、編輯、導出本行業(yè)數(shù)據(jù)庫的全部信息，主要為行業(yè)用戶服務。

3 系統(tǒng)設計

為解決服務對象不同而帶來的應用需求差異，系統(tǒng)設計采用數(shù)據(jù)和系統(tǒng)兩個層次提供服務，數(shù)據(jù)服務是指通過政務網絡面向全市政府決策部門和專業(yè)管線單位提供地下管線數(shù)據(jù)共享服務，各部門和單位可根據(jù)自身信息化建設條件，實現(xiàn)對全市地下管線信息的整合；系統(tǒng)服務是利用平臺提供信息整合、查詢分析、統(tǒng)計分析等基礎數(shù)據(jù)分析功能，同時面向不同管理部門的特殊要求可委托定制開發(fā)輔助決策工具集，積極探索智慧化、精細化管理模式，面向各權屬單位，除提供與政府部門相同的基礎功能外，還需要提供二次開發(fā)接口、數(shù)據(jù)管理等服務。

系統(tǒng)建設主要包括綜合管網信息服務平臺、數(shù)據(jù)生產更新平臺、行業(yè)應用子系統(tǒng)、區(qū)縣應用子系統(tǒng)和基礎的軟硬件運行環(huán)境。其中，項目重點是綜合管網信息服務平臺和數(shù)據(jù)生產更新平臺的建設，行業(yè)應用子系統(tǒng)是利用綜合管網信息服務平臺提供的接口和數(shù)據(jù)資源，二次開發(fā)完成更加符合各行業(yè)應用的專業(yè)平臺，而區(qū)縣應用子系統(tǒng)參考都市區(qū)綜合管網信息服務平臺建設，并具備數(shù)據(jù)匯交功能。

3.1 綜合管網信息服務平臺

管網綜合信息服務平臺功能主要包括網站首頁、資源瀏覽、資源中心和開發(fā)中心。

網站首頁只是一個門戶入口，可完成用戶登錄和其他功能模塊的切換工作。通過輸入瀏覽器網址進入首頁，在用戶未登錄的情況下，點擊任意功能頁面鏈接或“用戶登錄”，進入重慶市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)的登錄頁面。默認情況下，登錄后進入資源瀏覽模塊。

資源瀏覽具體功能包括：地圖和管線瀏覽、管線和地名查詢定位、管線分析、管線數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。資源瀏覽頁面左側默認顯示各類型管線顯示開關，右側是地圖，地圖上方是數(shù)據(jù)查詢框，地圖右上角有空間查詢、管線分析等功能按鈕(如圖2所示)。地圖和管線瀏覽相關操作包含：地圖放大縮小、地圖漫游、底圖切換、顯示地名和圖層控制等。屬性查詢包括地名查詢、管線屬性查詢和空間屬性定位。管線分析主要包括CAD疊加、橫斷面截圖、縱斷面截圖、連通分析、開挖分析、流域分析、凈距分析和地圖導出等功能。管線數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，主要是按照“建設年代”“權屬單位”“幾何尺寸”“材質”等類別，對管線長度和數(shù)量進行統(tǒng)計。

圖2 資源瀏覽

資源中心分為資源目錄、背景地圖服務、地下管線地圖服務和管線數(shù)據(jù)信息反饋四部分(如圖3所示)。資源目錄用來發(fā)布管線各類資源元數(shù)據(jù)信息，如2015年江北電力管線。背景地圖服務是指發(fā)布背景地圖數(shù)據(jù)服務信息，如給水獨立系影像背景地圖服務。地下管線服務主要是專業(yè)管線單位發(fā)布的服務信息，如燃氣服務、電力服務等。管線數(shù)據(jù)信息反饋是指反饋管線錯誤信息和建設信息。

圖3 資源中心

開發(fā)中心分為開發(fā)指南、參考類、API日志更新和常見問題四部分(如圖4所示)。開發(fā)指南主要是指開發(fā)過程中相關開發(fā)指南資料，用戶在本頁面可查看代碼開發(fā)的相關材料。參考類是指開發(fā)過程中的相關參考類信息，包括核心類、基礎類、符號類、控件類、地圖圖層類、工具類和服務類，通過點擊目錄或頁面頂部的各個類名，可以快速跳轉到相應章節(jié)。API日志主要顯示其更新的內容。常見問題主要顯示系統(tǒng)使用或開發(fā)過程中的常見狀況，可作為知識庫為用戶服務。

圖4 開發(fā)中心

3.2 數(shù)據(jù)生產更新平臺

數(shù)據(jù)生產更新平臺是整個地下管線綜合管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的核心部分，為其提供了高效、標準的數(shù)據(jù)生產服務，主要負責數(shù)據(jù)編輯、入庫檢查、格式轉換、接邊處理、更新分發(fā)等工作(如圖5所示)。

其中，基本GIS工具包括地圖瀏覽、圖層控制、距離量測等基礎功能；主城與區(qū)縣管線數(shù)據(jù)處理功能一致，數(shù)據(jù)生產更新機制中將數(shù)據(jù)存儲劃分為歷史庫、生產成果庫、現(xiàn)狀庫、分發(fā)庫四類，首先搜集和獲取到滿足標準的數(shù)據(jù)導入歷史庫，然后使用數(shù)據(jù)檢查工具進行入庫檢查，檢查分屬性檢查和空間檢查兩大類，屬性檢查主要是值域和完整性判斷，空間檢查主要包括連通性、碰撞、流向、懸掛點、孤立點等方面內容；根據(jù)檢查產出報告進行數(shù)據(jù)編輯，將不滿足條件的屬性和空間信息修改完成并檢查合格后，進行數(shù)據(jù)接邊和入庫操作，將數(shù)據(jù)放入生產成果庫，同時系統(tǒng)提供自動和手動版本管理功能，為入庫數(shù)據(jù)打上時間戳；數(shù)據(jù)更新主要將最新的生產成果庫與發(fā)布服務進行同步至現(xiàn)狀庫，保證外部調用的現(xiàn)勢性；當與外部單位交換矢量數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)提供按分類、范圍等條件分發(fā)指定坐標系管線數(shù)據(jù)功能，并將提取數(shù)據(jù)輸出至分發(fā)庫。

圖5 數(shù)據(jù)生產更新平臺

4 關鍵技術

為提高系統(tǒng)使用便利性和運行速度，完善保密機制，服務不同用戶使用的定制化，系統(tǒng)主要采用了單點登錄SSO(Single Sign On)技術、地圖預生成和實時渲染技術結合、反向代理技術和Web Service技術等。其中，地圖預生成是針對長期固定的數(shù)據(jù)，采用靜態(tài)預生成柵格圖的方式處理，加快用戶使用時的速度，實時渲染技術主要應用于變化頻次較快的數(shù)據(jù)，展現(xiàn)給用戶的是兩種技術疊加后的效果，既滿足大數(shù)據(jù)量展示性能，又滿足業(yè)務數(shù)據(jù)實時變動需要。WebService技術是對涉及的功能接口進行封裝，發(fā)揮技術低耦合、高復用特性，使系統(tǒng)方便集成現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)，也方便完成自身升級改造，為各委辦局等用戶提供集成便利。

4.1 單點登錄SSO技術

重慶市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)提供了地圖服務、要素服務和其他查詢分析服務，這些服務分別架設于不同的服務器或者應用空間中，服務本身并不提供權限認證等功能，出于對系統(tǒng)運行效率和服務穩(wěn)定性等方面的考慮，同時也方便后續(xù)應用服務系統(tǒng)的接入，系統(tǒng)將采用基于Token-based模式的SSO認證。

單點登錄的實質就是安全上下文(Security Context)或憑證(Credential)在多個應用系統(tǒng)之間的傳遞或共享。當用戶登錄系統(tǒng)時，客戶端根據(jù)用戶的憑證(例如用戶名和密碼)為用戶建立一個安全上下文，安全上下文包含用于驗證用戶的安全信息，系統(tǒng)用這個安全上下文和安全策略來判斷用戶是否具有訪問系統(tǒng)資源的權限。相關流程如圖6所示。

圖6 單點登錄服務流程

4.2 反向代理技術

系統(tǒng)建設過程中，將利用ArcServer進行WMS和WFS的發(fā)布，但由于ArcServer本身對WMS和WFS并不具有細粒度的權限管理功能，為保障系統(tǒng)訪問的保密性，采用反向代理技術進行功能管理。反向代理(Reverse Proxy)方式是指以代理服務器來接受網絡上的連接請求，然后將請求轉發(fā)給內部網絡上的服務器，并將從服務器上得到的結果返回給網絡上請求連接的客戶端，此時代理服務器對外就表現(xiàn)為一個反向代理服務器。具體模式如圖7所示：

圖7 反向代理技術

5 結 語

重慶市地下管線綜合管理信息系統(tǒng)的建成，實現(xiàn)了地下管網數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理和共建共享，為城市規(guī)劃、建設、管理以及應急搶險提供服務，切實提升了城市規(guī)劃建設和管理的水平和城市防災減災能力。系統(tǒng)構建過程中，形成了《重慶市地下管線基礎信息普查技術規(guī)程》《重慶市地下管線數(shù)據(jù)共享與服務標準》等一批標準規(guī)范，發(fā)布了《重慶市城市管線條例》《重慶市地下管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新管理辦法》等系列法律規(guī)范，為系統(tǒng)長久生命力提供政策保障。同時，隨著BIM(Building Information Model)技術在管線綜合中的應用日益廣泛，探討城市三維地下綜合管線系統(tǒng)應用，并與生產管理相結合，也是未來重要的發(fā)展方向[10]。