物聯(lián)網(wǎng)和GIS 的地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)分析

李士武 劉 旭 陳曉爽

（正元地理信息集團股份有限責(zé)任公司，中國 北京 100000）

0 前言

當(dāng)前，在城市現(xiàn)代化建設(shè)工作中，城市的地下空間開發(fā)與利用得到了越來越多人的關(guān)注。因為在當(dāng)前的城市發(fā)展建設(shè)中，給排水系統(tǒng)、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視以及工業(yè)等諸多部門的管線及其附屬設(shè)施都被設(shè)置在地下，可以說，城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)是保障一個城市運行最重要的基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”，與廣大市民日常的生活及工作息息相關(guān)。 隨著技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)的城市地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。

1 物聯(lián)網(wǎng)與GIS 技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助現(xiàn)代智能感知技術(shù)、無線通信技術(shù)等實現(xiàn)對物品的自動識別及信息的互聯(lián)共享。 在物聯(lián)網(wǎng)中，每一個物品都有著自己的位置， 這個位置是傳感信息和執(zhí)行信息的重要內(nèi)容，如果在物聯(lián)網(wǎng)中缺少了位置信息，就會影響到事情的處理，導(dǎo)致信息雜亂無序，無法及時有效的進行處理和響應(yīng)。此外，在物聯(lián)網(wǎng)中，因為傳感器采集到的信息數(shù)據(jù)量較大，類型較為復(fù)雜，且具有高度的動態(tài)性和時空特性，因此對數(shù)據(jù)的存儲預(yù)處理要求極高。

1.2 GIS 技術(shù)概述

GIS 技術(shù)是一種立足于地理科學(xué)的具有較高綜合性的技術(shù)。在實際運用中，該技術(shù)可以借助現(xiàn)代電子信息技術(shù)，建立某一區(qū)域的地理空間數(shù)據(jù)庫，并對該區(qū)域的實際地理狀況進行實時的模擬。 目前，GIS 技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事以及建筑等領(lǐng)域。在城市發(fā)展建設(shè)中，隨著地下管網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，GIS 技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到城市地下管網(wǎng)的實時監(jiān)控當(dāng)中。

2 當(dāng)前我國城市地下管網(wǎng)建設(shè)中存在的瓶頸分析

2.1 更新修復(fù)工作不力

隨著城市的發(fā)展，很多城市的道路交通系統(tǒng)、地面建筑布局都發(fā)生了巨大的變化， 而城市早期修建的地下管網(wǎng)系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)安排上無法與之相匹配，部分城市還存在著地下管網(wǎng)嚴重老化而出現(xiàn)攬水的現(xiàn)象， 甚至還有的城市地下管網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生爆裂現(xiàn)象， 使得城市道路出現(xiàn)嚴重的“拉鏈”問題。而且，這些問題還嚴重影響到城市的排水安全， 一旦發(fā)生特大強降雨或持續(xù)性極端天氣，這些城市就會發(fā)生嚴重的內(nèi)澇現(xiàn)象，出現(xiàn)“看?！钡臓顟B(tài)。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近年來，我國有多個省區(qū)市發(fā)生洪澇災(zāi)害，受影響的人口超過千萬人，特別是今年雨季，受到持續(xù)強降雨和上游來水疊加影響，南方多個省市發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，受災(zāi)人口超過千萬。

2.2 污水管網(wǎng)質(zhì)量不高

城市污水管網(wǎng)是地下管網(wǎng)系統(tǒng)重要的組成部分。當(dāng)前，我國很多城市的地下污水管網(wǎng)在質(zhì)量方面參差不齊，很多污水管網(wǎng)的管材質(zhì)量存在著問題，導(dǎo)致在運行中頻頻發(fā)生管線破漏的現(xiàn)象，一旦發(fā)生污水管線破漏，就會導(dǎo)致污水進入城市的河水、地表水及地下水當(dāng)中，造成清污混雜，不但會污染城市清水系統(tǒng)，還會造成城市土壤污染，形成城市黑臭水體。 甚至有時候，污水管網(wǎng)破裂，還會發(fā)生污水帶走大量土壤泥沙導(dǎo)致城市地面出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象，嚴重威脅城市居民的生命和財產(chǎn)安全。

2.3 管理單位缺乏有效的協(xié)調(diào)

在城市地下管網(wǎng)建設(shè)過程中，大多數(shù)的管線系統(tǒng)都是循著城市的路網(wǎng)進行設(shè)計的，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，給排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視以及工業(yè)等地下管網(wǎng)權(quán)屬單位存在著明顯的各自為政的現(xiàn)象，缺乏統(tǒng)籌管理。在施工過程中，部分權(quán)屬單位的管線敷設(shè)工作沒有與城市道路建設(shè)工作同步進行，導(dǎo)致城市道路被反復(fù)開挖，出現(xiàn)嚴重的“馬路拉鏈”現(xiàn)象， 不僅影響到了城市的面貌以及市民的正常生活，同時也造成了嚴重的資源浪費現(xiàn)象，甚至有時候還會危害到城市道路及地下管線的安全運行，導(dǎo)致出現(xiàn)路面塌陷或者管道破裂等事故，為人民群眾的生命和財產(chǎn)安全帶來威脅。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS 技術(shù)的城市地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 城市地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)的目標介紹

當(dāng)前我國城市地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)的目標，是進一步增強城市的地下管網(wǎng)建設(shè)能力，能夠全面、翔實地掌握地下管網(wǎng)的屬性信息情況，高效、準確地管理城市地下各種不同類型的管線，進而構(gòu)建出兼具安全、可行及實用等特點的信息化管控系統(tǒng)。 利用該監(jiān)控系統(tǒng)， 城市職能部門工作人員可以實時查看、統(tǒng)計、搜索并分析相關(guān)的地下管線信息，同時能夠完成相關(guān)信息的輸入與編輯、改進與更新等操作，從而提高對城市不同管線信息的額管理監(jiān)控效果，增強城市對于災(zāi)害的防控與救援工作服務(wù)質(zhì)量，并最終達到自動化管控管網(wǎng)運行的設(shè)計、分析以及維護的效果。

3.2 城市地下管網(wǎng)三維實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能分析

基于城市地下管網(wǎng)三位實時監(jiān)控系統(tǒng)的目標，其功能主要體現(xiàn)在如下幾個方面：首先，監(jiān)控地下管網(wǎng)的連通性，并就其連通性進行分析的功能；其次，監(jiān)控城市地下管網(wǎng)的爆管等災(zāi)害問題， 并及時進行處理。在遇到城市地下管網(wǎng)出現(xiàn)爆管等事故時，工作人員可以借助三維實時監(jiān)控系統(tǒng)， 對于需要緊急關(guān)閉的閥門、管線以及遭受干擾的用戶信息加以分析，為具體搶修工作提供準確的數(shù)據(jù)支持；最后，還要對各種管線的橫截面進行監(jiān)控并分析，全面監(jiān)控相關(guān)管線的埋深以及各種不同類型管線之間存在的位置關(guān)聯(lián)。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)與GIS 技術(shù)的城市地下管網(wǎng)三維監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

在構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)的城市地下管網(wǎng)三維監(jiān)控系統(tǒng)時， 采用了基于SOA 框架技術(shù)的微服務(wù)架構(gòu)，其設(shè)計兼顧技術(shù)框架與規(guī)劃業(yè)務(wù)框架，符合當(dāng)前城市管網(wǎng)三維可視化管理及物聯(lián)網(wǎng)集成技術(shù)的需求。 其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)的城市地下管網(wǎng)三維監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

在設(shè)計過程中，三維實時監(jiān)控系統(tǒng)的框架采用了分層化的設(shè)計，第一層為應(yīng)用層，主要包括三維漫游、管網(wǎng)屬性查詢、事故應(yīng)急、輔助決策、信息共享以及實時監(jiān)測信息查詢等信息化應(yīng)用軟件； 第二層是平臺層，包括軟件支撐和數(shù)據(jù)中心層，其中軟件支撐負責(zé)信息系統(tǒng)基礎(chǔ)、通用以及專業(yè)業(yè)務(wù)的協(xié)同運行、相關(guān)數(shù)據(jù)的專業(yè)處理與應(yīng)用，是整個信息系統(tǒng)運行的技術(shù)核心。 而綜合數(shù)據(jù)中心則是整個信息系統(tǒng)的資源核心，由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、檔案數(shù)據(jù)以及元數(shù)據(jù)等組成；第三層是網(wǎng)絡(luò)層，是提供感知信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)途徑，主要包括通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)；第四層是感知層， 制信息采集的主要渠道， 利用GPS、RFID、傳感器等信息感知設(shè)備進行信息的采集。

4 結(jié)語

綜上所述，在我國城市化建設(shè)的過程中，為了更好地實施智慧城市的建設(shè)，地方政府應(yīng)積極開展基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)的城市地下管網(wǎng)三維監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，促使城市地下各類型的管網(wǎng)從外業(yè)采集到內(nèi)頁數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)管理的自動化。 其中物聯(lián)網(wǎng)為GIS技術(shù)進行數(shù)據(jù)的采集和處理，而GIS 技術(shù)則為物聯(lián)網(wǎng)提供了分析和展示，實現(xiàn)了對城市地下管網(wǎng)的動態(tài)監(jiān)控，對潛在的事故危險及時預(yù)警定位，從而有效提高城市地下管網(wǎng)這一生命線的公共安全應(yīng)急能力，促進城市的健康發(fā)展。