基于增強現(xiàn)實技術(shù)的地下管線智慧化管理研究

摘" 要：隨著我國城市化的快速發(fā)展，作為“城市生命線”的地下管線建設(shè)規(guī)模迅速擴張，管線管理已成為韌性城市的重要環(huán)節(jié)，采用智慧化手段提升地下管線管理效能勢在必行。該文從數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)發(fā)布與共享等方面介紹增強現(xiàn)實技術(shù)在地下管線智慧化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出突破原有傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)管理功能，實現(xiàn)風(fēng)險識別、預(yù)測預(yù)警、智能分析，切實推動管線運營、安全管理、隱患治理能力為目標(biāo)的智慧化管理系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，為全面推進韌性城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：地下管線；增強現(xiàn)實；智慧化；城市運行安全；管理系統(tǒng)

中圖分類號：P258" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0189-04

Abstract： With the rapid development of urbanization in China， the scale of underground pipeline construction as the \"lifeline of the city\" has expanded rapidly. Pipeline management has become an important part of resilient cities. It is imperative to use intelligent means to improve the efficiency of underground pipeline management. This paper introduces the application of augmented reality（AR） technology in the intelligent management system of underground pipelines from the aspects of data visualization， data release and sharing， and proposes to break through the original traditional single data management function， realize risk identification， prediction and early warning， and intelligent analysis， and effectively improve pipeline operation， safety management， and hidden danger management capabilities. Suggestions for the construction and development of intelligent management systems aim at providing technical support for comprehensively promoting the construction of resilient cities.

Keywords： underground pipeline; augmented reality; intelligence; urban operation safety; management system

城市地下管線作為維持城市生產(chǎn)生活正常運轉(zhuǎn)、確保城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是擔(dān)負(fù)著輸送物質(zhì)、能量和傳輸信息的“城市生命線”。隨著我國城市化的快速發(fā)展，地下管線的建設(shè)規(guī)模也隨城市人口和產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)的日益突出而迅速擴張[1]。根據(jù)國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《2022年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》[2]數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國管線總長度達(dá)349萬km。而國內(nèi)城市管理重地上、輕地下的現(xiàn)象一直存在，地下管線的管理因其隱蔽性一直是難點[3]，特別是我國城市發(fā)展進入城市更新重要時期以來，對于地下管線的管理更是面臨著巨大考驗。多年來，各類地下管線事故頻發(fā)，給城市管理、居民安全都帶來極大的挑戰(zhàn)。黨的二十大報告提出：“堅持人民城市人民建、人民城市為人民，提高城市規(guī)劃、建設(shè)、治理水平，加快轉(zhuǎn)變超大特大城市發(fā)展方式，實施城市更新行動，加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造宜居、韌性、智慧城市?！笨梢姡岣叱鞘许g性，增強城市運行的抗風(fēng)險能力，正成為現(xiàn)代城市建設(shè)管理的重大課題。隨著人工智能、區(qū)塊鏈、元宇宙等前沿科技在城市場域中契合賦能，城市治理的科學(xué)化、精細(xì)化和智能化水平獲得極大提升，而韌性城市建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，其中地下管線智慧化管理工作，對城市管理者仍具有較大挑戰(zhàn)。

1" 我國地下管線智慧化管理現(xiàn)狀

在管線改造過程中，因歷史原因缺少有效數(shù)據(jù)，為規(guī)劃設(shè)計、施工改造等工作帶來諸多困難，而開挖過程中導(dǎo)致的地下管線受外力破壞引發(fā)的事故層出不窮，給管線運行安全帶來極大危害[4]。初步估算，運行超過20年的老舊管線占比不低于30%。當(dāng)前，地下管線的管理工作主要面臨2方面問題：一是因管線自身結(jié)構(gòu)性隱患導(dǎo)致的安全事故風(fēng)險，如老舊管線的銹蝕、漏損；二是因施工外力破壞導(dǎo)致的突發(fā)事故，這類事故往往造成的損失較大，影響比較惡劣。據(jù)中國燃?xì)鈪f(xié)會統(tǒng)計，2023年全國已經(jīng)核實原因的燃?xì)馐鹿手校虻谌绞┕ね饬ζ茐膶?dǎo)致的天然氣管網(wǎng)事故占比最高，達(dá)到事故總量的85.2%。因此，通過智慧化手段提升地下管線管理水平，切實減少各類安全事故的發(fā)生勢在必行。

2014年，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2014〕27號）中提出：“用10年左右時間，建成較為完善的城市地下管線體系，使地下管線建設(shè)管理水平能夠適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要，應(yīng)急防災(zāi)能力大幅提升?！苯陙?，全國地級以上城市已基本建成或正在加緊建設(shè)地下管線綜合管理系統(tǒng)，但是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性、可用性等方面仍存在諸多不足。一是歷史數(shù)據(jù)難以收集，地下管線建設(shè)周期長，老舊管線大多因年代問題資料缺失，而現(xiàn)有技術(shù)手段對一些埋深較深、PE材質(zhì)的管線難以精確測量，使地下管線數(shù)據(jù)的全面準(zhǔn)確性難以保證。二是數(shù)據(jù)共享范圍不大，而現(xiàn)有地下管線平臺功能單一，缺乏實用化管理工具來輔助日常養(yǎng)護、施工、搶修工作，地下管線養(yǎng)護工作還處于被動方式，當(dāng)出現(xiàn)事故后也無法快速響應(yīng)和處置。三是數(shù)據(jù)更新持續(xù)性差，隨著我國管線更新改造成為城市更新的重要組成部分，管線數(shù)據(jù)更新對信息化管理的要求非常高，很多城市早年建設(shè)了智慧管線平臺后，因數(shù)據(jù)無法及時更新而導(dǎo)致系統(tǒng)逐漸失效。

2" 增強現(xiàn)實技術(shù)在地下管線智慧化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的信息化手段主要是通過普查探測將地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行建庫，通過城市信息模型（CIM）平臺建設(shè)，實現(xiàn)管線二維、三維一體化管理，但是在實際應(yīng)用中往往只能看，而無法做到隨用隨取，對地下管線設(shè)計、施工、維護等管理工作也缺乏實際指導(dǎo)。

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度，并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。隨著元宇宙產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及移動終端運算能力的提升，目前AR技術(shù)的用途越來越廣[5]?；贏R技術(shù)的地下管線智慧化管理系統(tǒng)，就是能夠建立從管線數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)更新的全生命周期管理模式，同時，基于增強現(xiàn)實等技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，發(fā)揮信息化系統(tǒng)對實際工作的應(yīng)用價值，該系統(tǒng)集智能監(jiān)控、管網(wǎng)運行、設(shè)備維護、應(yīng)急操作、運行維護調(diào)度和隱患管理等多種復(fù)雜業(yè)務(wù)流程于一體的綜合體，因此，其建設(shè)應(yīng)遵循安全性、可靠性、實用性、拓展性、開放性和先進性等原則。

2.1" 地下管線數(shù)據(jù)可視化

三維管線可視化，是根據(jù)其數(shù)據(jù)類型劃分為不同圖層，如供水管線、排水管管線、燃?xì)夤芫€和熱力管線等，每類管線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本相同，并且根據(jù)其特性繼續(xù)細(xì)分為管線端、管點、附屬物和特征物等，基于管線數(shù)據(jù)層次——網(wǎng)絡(luò)模型，形成近似為樹形結(jié)構(gòu)，葉結(jié)點有所合并，有利于節(jié)省存儲空間。每種管線的管點平面坐標(biāo)、埋深、顏色、半徑等為空間數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)管線建模與三維立體化。

地下管線數(shù)據(jù)庫建立是智慧化管理系統(tǒng)建設(shè)的核心，根據(jù)城市地下管線所包含的數(shù)據(jù)類型，包括地下管線三維空間信息和屬性信息，其數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從2方面考慮：一是要便于數(shù)據(jù)的組織、管理和應(yīng)用，既能滿足規(guī)劃管理的需要，又符合專業(yè)管線單位管理的應(yīng)用拓展；二是要便于管理空間分析模型的建立與實現(xiàn)，因為空間分析模型的建立與實現(xiàn)主要依賴于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

地下管線數(shù)據(jù)建庫的工具一般采用國產(chǎn)地理信息平臺（desktop），或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)處理工具入庫，主要包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、制圖顯示、空間分析、拓?fù)浞治觥⑷S模型和數(shù)據(jù)建模等功能。

2.2" 地下管線數(shù)據(jù)發(fā)布與共享

基于CIM模型，以地理信息系統(tǒng)（GIS）為基礎(chǔ)，將地下管線數(shù)據(jù)融入到三維應(yīng)用管理系統(tǒng)之中，充分利用三維可視化和AR等技術(shù)，對地下管線進行詳實的展示，既可實現(xiàn)對局部地區(qū)地下管線空間分布狀況的查閱，又可對城市區(qū)域地上、地下管線進行全景模擬瀏覽，另外通過可信執(zhí)行環(huán)境下內(nèi)嵌部分同態(tài)加密的隱私計算技術(shù)，在數(shù)據(jù)存儲與管理階段，將地下管線數(shù)據(jù)經(jīng)過部分同態(tài)加密處理，允許在加密狀態(tài)下進行特定計算，確保數(shù)據(jù)隱私。

全面實現(xiàn)城市地下管線的三維顯示與應(yīng)用管理，使本來隱藏在地下錯綜復(fù)雜的管線更加清晰明了，實現(xiàn)真正意義上城市決策信息資源的數(shù)字化和可視化，充分體現(xiàn)出輔助決策的科學(xué)性和先進性。

智慧化管理三維應(yīng)用系統(tǒng)以其強大的功能和廣泛的應(yīng)用，能夠有效解決數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等問題，切實提升城市地下管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)從規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行和維護直到廢棄的全生命周期管理水平，從傳統(tǒng)效果圖、三維動畫的設(shè)計模式提升到數(shù)字技術(shù)發(fā)展的改變。另外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對地下管線環(huán)境從過去到未來變化狀態(tài)及趨勢進行科學(xué)的模擬、仿真和預(yù)測，通過地下管線空間數(shù)據(jù)來建立一個逼真的、立體的三維環(huán)境，為地下管線綜合管理提供全方位、立體化場景展示。

2.3" 增強現(xiàn)實與移動應(yīng)用

通過“BIM（地理信息模型）+AR”、點云掃描、北斗定位和實時動態(tài)載波相位差分等尖端技術(shù)，為地下管網(wǎng)、城市管理等場景提供數(shù)據(jù)采集終端可視化應(yīng)用，將地下管線數(shù)據(jù)應(yīng)用場景從辦公室搬到施工現(xiàn)場，將平面圖紙變?yōu)檎鎸嵖梢姷娜S立體場景，實現(xiàn)智慧化管理系統(tǒng)全面升級。

以移動終端設(shè)備的攝像頭實時采集的現(xiàn)實環(huán)境為背景，實時疊加終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)用戶權(quán)限的地下管線虛擬數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)實環(huán)境進行即時性的匹配，實現(xiàn)虛實結(jié)合的瀏覽模式，幫助管理人員直觀了解地下管線的現(xiàn)狀、分布、走向及管線間的相互關(guān)系，如圖1所示?；趯Φ叵鹿芫€隱蔽數(shù)據(jù)的穿透查詢，能夠進一步詳細(xì)分析各類地下管線的拓?fù)潢P(guān)系，如斷面分析、覆土分析、水平凈距和垂直凈距等，并根據(jù)管線坐標(biāo)、高程、管徑以及材質(zhì)等重要數(shù)據(jù)，為管線施工、應(yīng)急搶險等工作提供真實準(zhǔn)確的地下空間情況，確保施工現(xiàn)場的開挖安全。

3" 北京城市副中心應(yīng)用實踐

北京城市副中心地下管線增強現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)了輔助定位、手動位置糾偏、增強現(xiàn)實引擎、識別與跟蹤、管線增強現(xiàn)實瀏覽、管線切換、管線穿透查詢和管線穿透分析等功能。

3.1" 管線設(shè)計與竣工測量應(yīng)用

地下管線信息具有空間位置復(fù)雜、種類繁多、數(shù)據(jù)量大、更新速度快的特點，通過地下管線的空間模型建立，可以為規(guī)劃設(shè)計與工程建設(shè)人員，提供形象觀測地下管線的復(fù)雜分布和相應(yīng)空間關(guān)系的立體特征，能直觀了解地下管線的類型、屬性、位置和展布方向，掌握某一特定地區(qū)的地下管線結(jié)構(gòu)狀況，從而保證管線數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，如圖2所示。移動終端應(yīng)用，可以幫助設(shè)計人員在現(xiàn)場直觀了解地下管線分布情況，并可以在真實環(huán)境下模擬管線布設(shè)、分析管線碰撞關(guān)系。在管線竣工驗收時，將原始設(shè)計圖紙調(diào)取出來，在覆土之前與施工現(xiàn)場進行比對，通過真實影像比對，能夠更加準(zhǔn)確地掌握管線施工情況。在竣工測量過程中，結(jié)合移動應(yīng)用終端，將數(shù)據(jù)自動上傳，為管線更新提供更加高效便捷的通道。

3.2" 管線施工數(shù)據(jù)應(yīng)用

AR技術(shù)與地下管網(wǎng)的結(jié)合，在地下管網(wǎng)改造更新、管線搶修等工作中，具有極大的施工指導(dǎo)意義，能夠為施工單位提供第一手準(zhǔn)確資料，確保施工過程中的管線安全。在施工防外力破壞和隱患治理等工作中，不管是查看歷史管線與施工情況，還是與現(xiàn)實情況進行比對，都可以幫助施工單位做出更好的決策以避免失誤。結(jié)合AR技術(shù)，可以在任意位置、角度查看地下管網(wǎng)的BIM模型，如圖3所示。通過應(yīng)用終端模擬管線開挖，分析管線施工區(qū)域的情況，合理制定施工方案，能夠輔助施工人員在不破壞道路表面的情況下，將埋藏于地下的地下管線顯現(xiàn)出來，做到隱蔽工程可視化，將曾經(jīng)的不可能變?yōu)榭赡?。讓工作人員即使是面對未知的地下世界，也可以做到對每根管線的位置了然于心，從而在管線開挖時可以對癥下藥。

4" 結(jié)束語

隨著我國從提出建設(shè)韌性城市到全面推進韌性城市建設(shè)，地下管線管理在城市經(jīng)濟發(fā)展和城市安全運行中的地位愈發(fā)凸顯，基于AR技術(shù)的地下管線智慧化管理系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的桌面端與移動端地下管線系統(tǒng)進行融合，更高效、低成本、無障礙地使地下管線數(shù)據(jù)資源發(fā)揮作用，從而改變傳統(tǒng)的GIS應(yīng)用方法和建設(shè)模式，將對保障管線安全運行起到不可忽視的作用。智慧化管理系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，應(yīng)突破原有傳統(tǒng)的單一數(shù)據(jù)管理功能，要在管線運營、安全管理、隱患治理等工作中發(fā)揮出更大的作用，以實現(xiàn)對管線風(fēng)險識別、預(yù)測預(yù)警、智能分析等精細(xì)化管理。從收集真實數(shù)據(jù)、擴大數(shù)據(jù)共享范圍和持續(xù)更新數(shù)據(jù)等方面尋求突破，不斷加強數(shù)據(jù)賦能，使地下管線智慧化管理系統(tǒng)真正發(fā)揮“智能中樞”作用。

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