城市地下管網(wǎng)三維管理與應(yīng)急應(yīng)用研究

任東風(fēng)，尹超范，石 巖，賈慧彬

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 北京瀚博林遙感測圖信息工程研究院，北京 100080；3. 95937部隊，遼寧 阜新 123000）

0 引言

地下管網(wǎng)是城市社會經(jīng)濟活動的動脈，高效、迅捷的地下管網(wǎng)系統(tǒng)是城市社會經(jīng)濟發(fā)展的有力保障[1]。中國城市地下管線種類繁多，管理體制和權(quán)屬復(fù)雜，數(shù)據(jù)共享性差，敷設(shè)在地下的各種管線重疊交錯，自來水管道爆裂、城市積水內(nèi)澇、石油管道爆炸、燃氣管道泄露等事故頻發(fā)[2]，加之基礎(chǔ)設(shè)施容量的不斷擴大，使得城市管線精細化管理的需求越來越高[3]。

現(xiàn)有的城市管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)多為缺乏立體感的抽象二維系統(tǒng)，或是只具備簡單查詢統(tǒng)計功能的三維系統(tǒng)，在突發(fā)情況和緊急事故發(fā)生時很難發(fā)揮作用[4]。國內(nèi)城市管理部門對城市地下管線的爆管關(guān)閥分析，主要是根據(jù)城市建設(shè)施工的平面圖紙，查找爆管位置上游的閥門，人工判斷各閥門是否需關(guān)閉，效率低且準(zhǔn)確性差[5]。許多學(xué)者對管線安全隱患及相應(yīng)的空間算法進行了研究。范海林等[6]根據(jù)地下管線事故發(fā)生的原因，首次提出地下管網(wǎng)安全隱患分類，建立二維地下管線應(yīng)急處理管理系統(tǒng)。韓李濤等[7]提出一種沿公垂線方向投影的城市地下管線精準(zhǔn)碰撞檢測算法，通過判斷管段中心線之間的夾角和距離，計算三維空間管線碰撞檢測結(jié)果。陳義等[8]利用正向廣度優(yōu)先搜索、緩沖區(qū)分析及跨管種混接點搜索提出一種基于有向圖的流向分析算法，實現(xiàn)在步進搜索過程中自動獲取超標(biāo)水體所流經(jīng)的管線。以上研究未從地上地下一體化的管網(wǎng)模型設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、隱患分析等方面對管線數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)研究。

為了直觀展示地下管網(wǎng)與地上建筑的空間關(guān)系，定位爆管位置，確定影響范圍與關(guān)閥點群，分析管線安全距離，本文以Skyline為基礎(chǔ)平臺，管線普查數(shù)據(jù)為支撐，整合高精度數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)及無人機航拍得到城市三維模型，利用.net開發(fā)技術(shù)，開展管線連通性、爆管、關(guān)閥、安全距離分析研究，以期達到較高的GIS專業(yè)空間分析功能，為地下管線管理提供決策支持。

1 地下管網(wǎng)模型設(shè)計

1.1 管線模型設(shè)計

城市地下管網(wǎng)中包含燃氣、熱力、給水、排水、電力、路燈、通訊等各類管線，為使三維管網(wǎng)的地下可視化更加逼真，需要各類管線的外觀設(shè)計更貼合實際，例如各類管線的管道尺寸、使用材質(zhì)、埋設(shè)方式等，管線模型設(shè)計見表1。

表1 管線模型設(shè)計Tab.1 pipeline model design

1.2 管點模型設(shè)計

管點是連接管線之間的樞紐，其分類與所屬管線類別聯(lián)系緊密，管點類型根據(jù)可見類型可細分為普通節(jié)點、連接點、設(shè)備點以及管井，各類管點信息對應(yīng)的管點內(nèi)容見表2。

表2 管點模型設(shè)計Tab.2 pipepoint model design

2 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)編碼優(yōu)先采用國家標(biāo)準(zhǔn)編碼，其次采用行業(yè)（部門）編碼，沒有國家標(biāo)準(zhǔn)編碼和行業(yè)（部門）編碼，則按照規(guī)范格式自定義編碼[9]。為方便管網(wǎng)分析處理，以線段表示管線，不出現(xiàn)折線，管線兩端的端點數(shù)據(jù)與管點數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，管線與管點的屬性結(jié)構(gòu)見表3、表4。

表3 管點屬性結(jié)構(gòu)Tab.3 pipe point property structure

表4 管線屬性結(jié)構(gòu)Tab.4 pipelines property structure

3 算法設(shè)計

3.1 連通性分析算法設(shè)計

連通性分析采用回溯算法，通過管點與管線之間建立的管網(wǎng)關(guān)系查找管點之間連通的路徑。指定管點A為起點，管點B為終點，判斷A、B之間的連通性，通過管線表查找以管點A為端點的管線，獲取管線另一端的管點A1記錄到數(shù)組array1中，若管點A1與管點B不相同，A1記為A做遞歸處理，直到管點A1與管點B相同為止。同樣，對管點B進行上述處理得到array2數(shù)組，將管點A、B記錄的數(shù)組數(shù)據(jù)array1和array2進行比對，得到相同的管點信息組array3，根據(jù)管點記錄的順序查找對應(yīng)管線并高亮顯示。算法流程見圖1。

圖1 連通性分析流程Fig.1 flow for connectivity analysis

3.2 爆管分析算法設(shè)計

爆管分析采用優(yōu)化廣度優(yōu)先遍歷算法[10]，由爆管位置起，結(jié)合連通性分析采用的遞歸算法，找到上游待關(guān)閥門點群，并對待關(guān)閥門點群中的每個閥門點查找下游是否存在待關(guān)閥門點群中的閥門點，在待關(guān)閥門點群中如果存在關(guān)閉一個閥門點能影響2個或2個以上待關(guān)閥門點，該點即為必須關(guān)閉的閥門點，將此類閥門點單獨留下即可找到關(guān)閥點群。算法流程見圖2。

圖2 爆管分析流程Fig.2 flow of explosive tube analysis

3.3 關(guān)閥分析算法設(shè)計

關(guān)閥分析采用回溯算法，由關(guān)閥點作為起點，向下游追溯，找到第一批管點，由該批管點為起點，再向下游追溯，不斷迭代，直到下一管點沒有多余通往下游的管線連接為止。

3.4 安全距離分析算法設(shè)計

安全距離分析是為了判斷管線在地下的空間位置是否滿足管線規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，管線之間存在的空間關(guān)系包括平行、共線、相交和異面[11]。

假設(shè)管線L1的起點坐標(biāo)為（x1,y1,z1），終點坐標(biāo)為（x3,y3,z3）；管線L2的起點坐標(biāo)為（x2,y2,z2），終點坐標(biāo)為（x4,y4,z4），L2上任意一點坐標(biāo)為（x,y,z）。

若L1與L2平行或共線，則

L1與L2之間的距離為

若管線L1與L2相交或異面，則L1與L2之間的距離為

4 算法實現(xiàn)

4.1 地上地下一體化

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展以及三維建模軟件的逐步成熟，以無人機傾斜攝影技術(shù)對城市管線涉及地區(qū)采取高精度數(shù)據(jù)采集，可基本實現(xiàn)全自動生成三維實景模型[12]。系統(tǒng)采用無人機航拍、精細化建模技術(shù)，借助Skyline的CityBuilder軟件將處理好的實景模型進行加載，真實再現(xiàn)城市地面場景，借助Skyline的TerraExplorer Pro軟件，將項目區(qū)DOM和DEM處理成地形數(shù)據(jù)集，結(jié)合管線設(shè)計原則將采集到的管線管點數(shù)據(jù)的空間信息與屬性信息建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成地下管線三維模型，直觀展示地上建筑與地下管線之間的空間關(guān)系，見圖3。

圖3 地上地下一體化Fig.3 ground and underground integration

4.2 連通性分析

連通性分析是針對管網(wǎng)單層管線數(shù)據(jù)是否連通進行仿真模擬，主要目的是為了結(jié)合實際查找管線故障位置。若管點之間連通就高亮顯示經(jīng)過的管線。若選擇的是給水管線，需要在管線的適當(dāng)位置標(biāo)注給水流向。

為直觀表示地上地物與地下管線之間的空間關(guān)系，在Skyline平臺下將地上三維模型下降至漏出管線為止，以給水管線為例，效果見圖4。

圖4 連通性分析Fig.4 connectivity analysis

4.3 爆管分析

爆管分析為事故處理提供直觀的解決方案。通過定位爆管位置，推算出需要關(guān)閉的閥門，再從需要關(guān)閉的閥門組中剔除關(guān)閉其中某個閥門所影響到的閥門，剩下的是待關(guān)閉閥門，在圖中用紅色標(biāo)注必須關(guān)閉的閥門，爆管分析效果見圖5。

圖5 爆管分析Fig.5 explosive tube analysis

在三維場景中進行決斷時，地表只顯示待關(guān)閉閥門位置，若要觀察閥門與爆管位置的空間關(guān)系，利用skyline平臺的隱藏地上模式功能，只顯示該類管線即可，見圖6。

圖6 爆管位置與閥門位置的路徑顯示Fig.6 path display of tube location and valve location

4.4 關(guān)閥分析

關(guān)閥分析是為查找關(guān)閉閥門后的影響范圍，輔助管線管理人員查看影響區(qū)域并及時發(fā)布消息，減少周圍居民的相關(guān)損失。采用連通性分析的處理辦法，將地上三維模型下降至漏出管線為止，影響效果見圖7。

圖7 關(guān)閥分析Fig.7 closing valve analysis

4.5 安全距離分析

城市地下管網(wǎng)具有隱蔽性、復(fù)雜性的特點，敷設(shè)在地下的各種管線重疊交錯、雜亂無章[13]，在三維場景中還原管線位置并不能直接判斷管線之間是否符合規(guī)范。安全距離分析能通過選中的管線之間的空間最短距離判斷是否符合管線規(guī)范，便于管理部門進行整改。

將得到的距離與數(shù)據(jù)庫中保存的管線規(guī)范距離比對，判斷是否在安全距離范圍內(nèi)，見圖8。

圖8 安全距離分析Fig.8 safety distance analysis

5 結(jié)論

本文針對城市地下管網(wǎng)存在的問題，從管網(wǎng)模型設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，借助Skyline平臺建立了地上地下一體化的城市三維模型，設(shè)計了管線的連通性分析、爆管分析、關(guān)閥分析、安全距離分析算法，實現(xiàn)了三維場景中爆管位置查找、爆管位置定位、待關(guān)閥門確定，關(guān)閥影響范圍查看以及管線安全距離分析功能。

今后城市地下管網(wǎng)的研究將側(cè)重于建設(shè)還原度更高的地下模式，結(jié)合地形信息與周邊環(huán)境，對于管線突發(fā)事故或者地下管線管理進行模擬演示，解決城市內(nèi)澇問題，為城市地下管網(wǎng)應(yīng)急處理提供更全面的解決方案。