基于云計算智慧城市地下管線綜合管理平臺建設(shè)探討

王桂春 佘繼紅 楊雪松 楊慶峰

1.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院；2.江蘇省地礦勘查技術(shù)有限公司

以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)的強(qiáng)勢發(fā)展和不斷應(yīng)用，城市地下管線信息化建設(shè)工作持續(xù)推進(jìn)，信息化管理正由滿足管線探測采集、管理和查詢分析等功能需求，邁向圍繞“共享、協(xié)同、智慧”為場景化管理的更高層次發(fā)展，集聚城市建設(shè)管理相關(guān)部門地上、地下空間數(shù)據(jù)資源，研究、設(shè)計和構(gòu)建智慧城市地下管線綜合管理平臺，加快城市管理智慧化進(jìn)程和高質(zhì)量發(fā)展。

地下管線資料是城市規(guī)劃建設(shè)的重要依據(jù)，在城市建設(shè)中，新管線規(guī)劃、設(shè)計和施工、舊管線更新以及大部分土木工程的破土動工都需要準(zhǔn)確的地下管線現(xiàn)狀信息。城市地下管網(wǎng)主要包括供水、排水、燃?xì)?、電力、照明、通信、交通信號、視頻監(jiān)控、廣播電視、工業(yè)等管線及其附屬設(shè)施，是保障城市運行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”[1]。隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷開展，城市內(nèi)澇、管線爆管、施工毀管等很多隱蔽的城市問題逐漸顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響城市健康發(fā)展和威脅著居民的人身和財產(chǎn)安全。其主要原因是對城市地下管網(wǎng)缺乏科學(xué)、有效的管理。需建設(shè)一種能夠支撐城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享、專業(yè)分析、各部門協(xié)同管理的智慧化城市地下管線綜合管理平臺，高效解決目前存在的問題，促進(jìn)城市管理智慧化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1 城市地下管線智慧化推進(jìn)

2014年，國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)[2014]27 號）中指出：“各城市要在普查的基礎(chǔ)上，建立地下管線綜合管理信息系統(tǒng)，滿足城市規(guī)劃、建設(shè)、運行和應(yīng)急等工作需要[2]?！眹夷茉淳值任宀块T聯(lián)合下發(fā)了《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》（建城[2014]179 號）[3]。管線探測和信息化建設(shè)工作基本完成，實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)采集、檢查、入庫和應(yīng)用服務(wù)。

但是隨著城市化建設(shè)加快推進(jìn)，城建規(guī)模越來越大，地下空間的施工及生產(chǎn)活動愈發(fā)頻繁，現(xiàn)有的管線數(shù)據(jù)的更新明顯滯后，管線數(shù)據(jù)的共享仍然無法逾越涉密數(shù)據(jù)保密硬性規(guī)定要求，不同權(quán)屬單位的地下管線仍然存在行政管理上的壁壘，城市地下管線數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步提高。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、5G 等技術(shù)趨于成熟，城市管理已邁入智慧化、時空一體化型模式，基于統(tǒng)一時空基準(zhǔn)2000 國家大地坐標(biāo)系和1985 國家高程基準(zhǔn)，覆蓋政務(wù)、交通、民生、公共安全等相關(guān)領(lǐng)域。城市智慧管線系統(tǒng)是城市地下空間、地下管線管理模式和服務(wù)能力升級的必經(jīng)之路，是融入智慧城市服務(wù)體系的重要承載，也是城市智慧化推進(jìn)的內(nèi)在驅(qū)動和必然趨勢。

2 云計算助推管線智能化進(jìn)程

2.1 云計算概念

云計算作為一種新一代信息技術(shù)或數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，是政企數(shù)字化轉(zhuǎn)型的助推器，加快全球快步進(jìn)入數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代。云計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用程度是各國數(shù)字計劃進(jìn)程的重要標(biāo)識。

很多研究機(jī)構(gòu)都提出了關(guān)于云計算的定義，以指導(dǎo)云計算的技術(shù)研究和應(yīng)用推廣。美國國家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究院(NIST，National Institute of Standards and Technology)將云計算定義為：“云計算是一個提供便捷可經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)訪問一個可定制計算資源共享池能力模式（計算資源包含網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存放、應(yīng)用和服務(wù)）；這些資源能夠快速布署，并只需要極少管理工作或與服務(wù)供給商極少交互?！边@一定義得到廣泛認(rèn)可[4]。

2.2 云計算融合意義重大

2.2.1 資源潛力深度挖掘，強(qiáng)力支撐智慧管網(wǎng)平臺建設(shè)

隨著新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的深度融合發(fā)展，圍繞硬件架構(gòu)、軟件算法和應(yīng)用場景等全方位技術(shù)研究和應(yīng)用，云計算潛力被挖掘，極大提升硬件資源性能和運行效率，滿足數(shù)據(jù)大規(guī)模、應(yīng)用高并發(fā)等現(xiàn)實需求，各領(lǐng)域?qū)υ朴嬎闳谌胄枨蟾悠惹小Ｓ行Ы鉀Q智慧城市管網(wǎng)資源支撐不足、應(yīng)用效率不高和服務(wù)體驗差等問題。

2.2.2 有效集成人工智能等新一代信息技術(shù)，助推城市管理智能化進(jìn)程

云計算為人工智能的發(fā)展和應(yīng)用提供強(qiáng)大的計算能力和數(shù)據(jù)資源供給能力保障，解決人工智能在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域上的性能瓶頸，提升人工智能的發(fā)展速度。在智慧城市建設(shè)方面，云計算可以統(tǒng)籌海量終端、按需控制、共享資源等特點，滿足智慧城市建設(shè)過程中涉及到海量的電子終端與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

2.3 搭建云計算支撐架構(gòu)

云計算架構(gòu)是平臺運行滿足資源高可用、高性能計算、高并發(fā)分布式計算的重要基礎(chǔ)支撐。需重點考慮以下兩個方面：

（1）彈性云資源環(huán)境?；贠penStack 框架構(gòu)建基于云架構(gòu)的支撐環(huán)境，利用虛擬化云存儲、負(fù)載均衡和并行計算，實現(xiàn)對整體硬件網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一利用，滿足高并發(fā)、彈性的資源需求。

（2）Docker 容器化部署。利用容器化部署方式用于構(gòu)建、管理和運維智慧城市地下管線平臺。將平臺運行依賴環(huán)境（環(huán)境配置、框架、庫和運行時）進(jìn)行封裝至Docker 容器，使平臺程序的動態(tài)可移植，即可實現(xiàn)分布式高并發(fā)計算，也可滿足高性能集群計算。充分保障平臺運行高效可靠。

3 智慧城市地下管線綜合管理平臺建設(shè)

3.1 建設(shè)目標(biāo)

以地下管網(wǎng)的空間信息和屬性信息為核心，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和云計算技術(shù)對城市地下管網(wǎng)進(jìn)行綜合管理，為管理部門提供地下管網(wǎng)準(zhǔn)確時空信息，構(gòu)建地下管網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型，研發(fā)符合實際管線業(yè)務(wù)管理的專業(yè)分析和空間分析功能模塊，建成智慧城市地下管線綜合管理平臺，提供有效輔助決策，實現(xiàn)管線綜合管理的科學(xué)化、自動化和智慧化。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計采用多層服務(wù)架構(gòu)（如圖1所示），結(jié)合COM和SOA 架構(gòu)思想，以通用性、穩(wěn)定性為主導(dǎo)，進(jìn)行分層設(shè)計和開發(fā)，橫向以功能類別為導(dǎo)向，縱向以服務(wù)內(nèi)容為導(dǎo)向，逐級設(shè)計，逐步細(xì)化各組件的顆粒度。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture of the system

三維可視化選用Skyline 開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫管理采用Postgresql+PostGIS 進(jìn)行集中管理，系統(tǒng)開發(fā)采用Java 開發(fā)語言。管線矢量數(shù)據(jù)采用OGC 標(biāo)準(zhǔn)的WMS、WFS 協(xié)議進(jìn)行發(fā)布和共享。

基于云計算架構(gòu)，實現(xiàn)平臺部署、應(yīng)用，按照平臺對計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等資源的實際需求進(jìn)行彈性資源分配、虛擬資源的啟停，保障資源高效率使用和平臺運行的高效率。

3.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，包括硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全、基礎(chǔ)軟件工具等三類資源。其中硬件設(shè)備包括：服務(wù)器、存儲設(shè)備、交換設(shè)備、工作站及打印機(jī)等設(shè)備。安全機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括病毒防御、防護(hù)沙箱、防火墻、電信聯(lián)通等寬帶網(wǎng)絡(luò)接入通道。基礎(chǔ)軟件包括基礎(chǔ)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理軟件以及基礎(chǔ)工具軟件等。采用虛擬化技術(shù)和云管理軟件，可以充分利用硬件設(shè)施資源，定制快速分發(fā)的云系統(tǒng)模板，提高基礎(chǔ)硬件資源的利用率和保障率，減輕維護(hù)人員的維護(hù)工作量。

3.2.2 數(shù)據(jù)層

采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的混合架構(gòu)管理模式，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計參數(shù)庫、管線脫密，接引管線感知數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)數(shù)據(jù)、管線現(xiàn)勢庫、管線規(guī)劃庫、管線業(yè)務(wù)庫、管線資料庫、三維管線庫等數(shù)據(jù)資源。充分利用各類數(shù)據(jù)管理平臺的優(yōu)勢，通過ETL 工具、抽取、轉(zhuǎn)化、調(diào)度等組件，打通各類數(shù)據(jù)之間流轉(zhuǎn)通道，構(gòu)建一體化高效的管線資源管理平臺。

3.2.3 組件服務(wù)層

組件服務(wù)層采用微服務(wù)架構(gòu)的方式組織編排基礎(chǔ)功能組件，各組件可以采用相對獨立開發(fā)技術(shù)和部署環(huán)境。組件服務(wù)層由公共微服務(wù)組件和專業(yè)微服務(wù)組件共同組成。應(yīng)用服務(wù)層基于組件服務(wù)層封裝的類業(yè)務(wù)組件和公共組件，通過基于統(tǒng)一語義和規(guī)則的服務(wù)接口，靈活的實現(xiàn)各種應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯功能和服務(wù)發(fā)布。主要應(yīng)包含通用的工作流程管理、二三維地圖管理、系統(tǒng)消息管理、同一用戶認(rèn)證管理等基礎(chǔ)組件。

3.2.4 應(yīng)用服務(wù)層

由管線共享交換平臺和管線數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺組成。管線共享交換平臺主要包含了管線統(tǒng)計分析成果發(fā)布、管線脫密數(shù)據(jù)發(fā)布、共享目錄及元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)交換服務(wù)等應(yīng)用。管線數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺主要包含了綜合供圖、數(shù)據(jù)動態(tài)更新、竣工匯交、管線年度計劃管理、管線供圖及竣工匯交中的檔案資料管理等功能模塊。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 多源數(shù)據(jù)三維一體化集成展示

基于Skyline 基礎(chǔ)三維平臺，從數(shù)據(jù)加載、渲染、壓縮傳輸?shù)榷嗑S度，進(jìn)行算法研究和模塊化開發(fā)，大大縮短響應(yīng)時間和提升用戶體驗。三維模塊可直接加載大數(shù)據(jù)量城市正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維場景的快速構(gòu)建，具備地上的建筑物傾斜模型數(shù)據(jù)、地表影像數(shù)據(jù)、地下管線模型數(shù)據(jù)的二三維一體化高效集成、展示。同時平臺能夠兼容各類三維模型城市地下管線探測和管線數(shù)據(jù)信息化建設(shè)工數(shù)據(jù)，為主流的點云、BIM 模型等數(shù)據(jù)的加載融合，提供技術(shù)支撐接口。

3.3.2 三維管線自動化建模

研究、建立三維管線的自動化建模工作流程和技術(shù)方法。外業(yè)探測技術(shù)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)遵循各屬地相關(guān)數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)，基于CAD 和Skyline 平臺，開發(fā)涵蓋外業(yè)探測管線數(shù)據(jù)匯聚管理、數(shù)據(jù)規(guī)范性檢查、屬性自動識別、二維管線成圖、幾何拓?fù)錂z查、三維管線模型生成等建模流程環(huán)節(jié)的三維管線自動化建模工具，二維管線數(shù)據(jù)以CAD、MDB 格式進(jìn)行存儲，能夠兼容和轉(zhuǎn)化Shapefile 矢量數(shù)據(jù)格式。確保三維模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)實性，提升平臺應(yīng)用的可靠性和高效性。

3.3.3 圖庫聯(lián)動和管線三維分析

三維管線分析功能是管線信息化的重要特點和技術(shù)優(yōu)勢。按照“圖庫聯(lián)動”的思路，加強(qiáng)三維模型Skyline基礎(chǔ)平臺和PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫的運行協(xié)同。在程序自動建模過程中，通過唯一ID 標(biāo)識建立模型和數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)三維自動建模，保障三維模型和數(shù)據(jù)庫屬性的數(shù)據(jù)一致性，極大提高數(shù)據(jù)讀取速度和三維模型生成、展示效率?；凇皥D庫聯(lián)動”數(shù)據(jù)底座，研發(fā)高效、實用的管線專業(yè)分析功能（碰撞分析、爆管分析、剖面分析、連通性分析等）。平臺應(yīng)用服務(wù)能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

3.4 系統(tǒng)功能

圍繞建設(shè)目標(biāo)，梳理平臺建設(shè)需求。采用二三維基礎(chǔ)地理信息平臺，按照幾何建模、紋理貼圖、整合修飾等數(shù)據(jù)處理步驟，基于真實地理坐標(biāo)高效、高精度、高質(zhì)量地建立完全貼合城市地上建構(gòu)筑物全貌和地下管網(wǎng)立體布局的“城市管網(wǎng)數(shù)據(jù)底座”，開發(fā)、構(gòu)建“可視化、可對接、可共享”的智慧城市地下管線綜合管理平臺。重點突出能夠提供與智慧城市相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接的數(shù)據(jù)服務(wù)和功能接口，且保證為其他增值業(yè)務(wù)提供良好的擴(kuò)展接口，滿足未來的平臺業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需要。

按照實際需求，開發(fā)包括管線數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享交換、計劃管理、項目管理、應(yīng)用分析、管線巡查、輔助決策、管網(wǎng)數(shù)據(jù)動態(tài)維護(hù)、平臺運維等功能模塊。核心功能主要包括滿足地下管線規(guī)劃設(shè)計的管線橫縱剖面分析、凈距分析、流向聯(lián)通分析，以及支撐地下管線建設(shè)施工的開挖分析、覆土分析，以及輔助管線維護(hù)的爆管分析、閥門定位分析等相關(guān)功能。

4 結(jié)論

城市綜合管線實施智慧化管理，借助云計算提供充足且彈性化云資源，構(gòu)建滿足城市地下管線智慧化管理的技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用體系，重點解決數(shù)據(jù)更新實效性不強(qiáng)、綜合管線與專業(yè)管線融合匹配難、共享服務(wù)途徑不通、工作協(xié)同不暢、應(yīng)用服務(wù)不實際、運行效率低和使用體現(xiàn)差等突出問題。未來，云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等新一代信息技術(shù)融合城市地下管線管理，必將大大加快地下管線管理智慧化進(jìn)程，真正實現(xiàn)城市智慧化管理，促進(jìn)城市健康可持續(xù)發(fā)展。