摘 要: 城市地下管线种类多、分布范围广、附属设施众多，要实现综合运行监管难度大，但是地下管线作为城市重要基础设施，其建设管理与运行安全是保障城市健康发展的重要条件。为提高城市管网综合管理能力，加强协调建设，促进管理工作切实有效，将先进的信息化技术方法应用到管理平台建设工作中，综合应用物联网、三维可视化、大数据分析和组件式开发等技术，建设城市地下管线智慧化管理平台，在物联网智能布控、三维可视化 GIS 系统和大数据技术的基础上，实现了地下管线监、控、管一体化管理，将“智慧”思想运用到城市地下管线管理工作中，是“智慧城市”建设的重要组成内容。
关键词: 地下管线; 智慧化; 管理平台
1 引 言
地下管线是城市重要基础设施，是城市发展的 “里子”工程。随着城市规模不断增大，地下管线越来越复杂、庞大，尤其是大型城市的地下管线，其复杂程度很难依靠人工或简单自动化方法进行有效的运行管理。为了加强城市地下管线监控能力、提高运行管理水平、保障城市地下管线安全运行，研究建设了城市地下管线智慧化管理平台，该平台以建设智慧型城市为最终目标，综合应用物联网技术、三维地理信息技术、大数据技术等，结合“玻璃地球”的概念，实现城市地下管线监、控、管一体化管理，将“智慧”赋予城市地下管线管理工作。
在国外发达国家，城市地下管网信息化管理已经成为城市发展建设的一项重要基础工程，许多城市已经建立了不同规模、不同利用目的的管网信息化管理系统，并且已经进入了专业化应用和商品化生产阶段，积累了丰富的研究与实施经验。中国的城市地下管线信息化自 2000 年后就已大规模展开，北京、上海、广州、厦门、杭州、南京等多个城市已经建立了地下管网信息化管理系统，但大都在各行业内部分散建立专业管理系统，缺少统一规划、协调，信息管理系统是各自为政，系统之间信息不能交换、共享。城市地下管线信息化普遍模式: 先期政府投入进行地下管线资源普查，并建库建系统。由于地下空间信息数据缺乏规范标准，信息资源部门化管理，信息数据动态更新程度低[1]。
针对地下管网信息化建设面临的问题，结合城市地下管网运行、管理需求，设计智慧化管理平台，将物联网技术、三维可视化 GIS 技术和大数据技术等综合应用，提高城市地下管网综合管理水平。本平台研究工作立足于研发具有可推广性的产品，针对市、县级的城市地下管网综合管理需求，依托准确地下管网数据开展应用。
2 我国地下管线管理现状分析
2.1 管线种类繁多，缺乏统一管理平台
城市地下管线主要包括城市区域范围内的给水、排水、燃气、热力、工业等各种管道和电力、通讯电缆以及综合管沟( 廊) 等，种类较多且分属于不同管理部门，各部门仅对于自身权属范围内管线和业务有所掌握，大部分城市没有专门地下管线管理机构，各部门各自为政，缺乏统一管理平台，相互间信息不流通，很难进行系统分析[2]。但是地下管线多集中布设在城市道路下，对地下管线进行综合规划、设计、建设和管理，有利于合理利用城市地下空间，避免管线间相互影响，实施优化综合管理。
2.2 缺乏准确信息支撑，数据共享性差
国内地下管线数字化程度不高，部分城市即使开展了地下管线数字化管理工作，也多是针对某几类管线，并不全面，而且存在数据更新管理困难等问题，管线信息的实时性和准确性不能保障。城市地下管线数据管理工作多存在信息孤岛现象，数据共享程度低，管线信息分散在不同的权属管理部门，各部门间缺乏有效的信息交流手段，信息管理具有片面性、重复性和矛盾性等特点，不能有力支撑综合性管线分析工作[3]。
2.3 管线问题多发，应急处置能力面对考验
近年来城市管线问题频发，自来水管道爆裂、城市积水内涝、施工挖断电缆、石油管道爆炸、燃气管道泄露等问题多见报道。这些事故严重影响城市居民正常生活，威胁人们生命财产安全。日渐突出的地下管线问题，考验着城市管线的管理能力和突发事故的应急处置水平[4]。人工管理和简单信息化管理的方式，已不能满足分析和解决复杂管网问题的要求，很多城市开始了地下管线智慧化建设方面的探索，2014 年山东德州成为全国首个地下管线综合管理试点城市。
2.4 信息化管理手段不足，面临综合管理需求
针对地下管线的信息化管理方法多集中于各专业管线独立管理，由各自权属单位或运营单位等组织建设，多仅涉及某一类管线部分业务内容，缺乏为政府部门提供综合监管的信息化平台，不便于有关单位对地下管线进行全盘统筹、整体分析。且地下管线信息化建设工作系统性不足，存在一套管线同时拥有多个信息化系统管理，且各系统之间保持独立，不能相互支撑，无法联动分析。这样除容易导致管线信息分散外，也不便于进行城市地下管线高级分析，资源无法得到优化配置; 提高地下管线的智慧化程度、实现综合管理是城市发展的必然要求，也是地下管线信息化系统建设的方向。
3 平台建设关键技术研究
3.1 城市级海量数据加载技术
使用数据裁剪技术、数据动态装载技术以及 LOD 模型实现城市级海量数据的加载应用。数据裁剪技术主要是去掉不可见的多变形，减少应用场景中不可见部分数据对正常数据影响。进而保证正确处理了离视点近的动态遮挡目标数据。数据动态加载即通过把数据分层、分块模式与数据更新算法结合，实时加载用户需要的数据; 充分利用计算机特性，通过对视点移动方向趋势的捕获，预先把数据从硬盘中装载到内存中，直接从内存中高效读取数据提升动态装载效率。应用多细节层次( LOD) 模型，达到场景内容展示效果的渐进绘制，根据图形绘制的质量要求，对刷新频率进行优化设计，生成连续的多个 LOD 模型，提供不同的展示效果。
3.2 地下管线三维可视化技术
建立自动化的地下管网三维模型，将管段作为标准进行简化，其中管段信息包括起点三维坐标、终点三维坐标、管段半径以及管段长度等，对相连接的管段接口的处理问题以及平面内任意一条为轴线构建三维管段。根据建模时具体需要，自动生成弯头以及三通等连接点，并使用内插的模式进行圆滑处理，提高管网模型质量。通过改变地面透明度，实现对地下管网的通视效果，实现方便的菜地面上浏览地下管线状况。把这种三维管线自动建模技术应用到城市地下管网智慧化管理平台的建设中，提高了平台中管线视图的可视化程度。
3.3 面向服务的分布式体系架构
使用基于 HTTP 传输协议的应用访问模式，以 XML 作为数据传输的载体，把应用需求不同的基础服务进行分别封装，形成具体的单独接口，包括三维数据服务、精细场景服务、本地搜索服务、人机交互服务等，实现数据和系统之间的分布式应用服务，实现地下管线数据共享、集成、交换，有利于不同应用系统的集成。
3.4 组件式开发技术
组件式开发技术把不同应用功能划分多个不同控件模块，不同控件模块实现不同功能，各功能模块间没有直接交集，而内部之间却拥有很大关联，实现了高内聚与低耦合的软件应用。通过相关的应用集成开发工具，把这些功能模块集成，形成完整的、可扩展性好的软件应用系统。打破了传统的封闭性的系统应用模式，提高了系统兼容性。
4 地下管线智慧化管理平台建设
地下管线智慧化管理平台应建立在充分摸清城市地下管线现状、掌握数据信息的基础上，建立统一数据管理中心，实现数据资源综合管理、信息高度共享; 并综合应用物联网技术、三维地理信息技术等实现地下管线实时监测、信息及时上传、三维可视化展示、数据便捷查询等功能; 开发管线综合运行监管系统，实现城市地下管线综合管理分析[1]。地下管线智慧化管理平台架构设计如图 1 所示[5]:
4.1 城市地下管网数据中心
将城市地下管网数据信息进行统一管理，建立城市地下管线数据中心。数据中心以城市基础地理数据为基础，对区域内所有地下管线及其附属设施的基础数据进行整理入库，根据管线种类进行区别，同时存储管理管线监测信息、管网智能分析信息、日常管理维护信息及事故应急处理信息等。
数据中心建设中，有针对性地对城市管线数据库建设常见的问题进行解决设计，有效处理管线数据量大、时空更新、信息冲突等问题。数据中建设中应用大数据技术，有针对性地解决管线数据量大问题; 由于管线使用过程中改造、废弃、更换等工作引起的数据更新问题，采用面向对象数据模型管理，赋予对象生命周期，可以及时、动态的对数据中心管线信息进行更新[6]，同时提供历史信息查询条件; 通过设置管线数据版本机制解决管线信息冲突问题[7]，将管线相关数据分别用原始库、临时库、现状库、档案库四个库存储。
4.2 物联网智能监控系统
分析城市地下管线现状和特点，结合管理部门工作要求，针对不同类型管线的行业特点，利用物联网技术实现管线监测管理。
管线监测信息根据现场条件和传输要求，分别采用互联网、无线网络、移动网络等方式进行传输，数据通过整理后，作为监测数据录入地下管网数据中心，并为信息查询、预警预报和系统分析等功能提供信息支撑[8]。同时通过城市地下管网数据中心对上述监测设备信息进行管理。
4.3 三维可视化 GIS 系统
城市管线三维可视化 GIS 系统可以从不同角度呈现地下管线情况，具有较强的立体感、逼真感，通过三维可视化系统可以直观查看城市地下管线纵横交错、上下起伏情况[9，10]。建立三维可视化 GIS 系统除实现一般的视图展示、定位查询、报表统计、二/三维转换等基础功能外，还可以依托数据中心的信息支持，进行其它管线特有的功能开发，具体功能如下:
开挖模拟: 模拟城市施工需要开挖情况，设置开发位置、深度、挖方面积等信息，在平台上通过三维方式呈现开挖情况及开挖部分对管线的影响，是否挖到管线、可能破坏哪些管线、距离开挖裸露处最近的管线等。避免由于地下管线信息不清，造成城市施工对地下管线的破坏。
场景模拟: 对燃气管道爆炸情景进行模拟、对给水管道泄露情景进行模拟，对城市积水情景进行模拟等;
空间分析: 分析指定空间范围内管网情况，包括拥有的管线种类、管线位置、管线属性查询、管线长度，管网密度等;
辅助设计: 利用系统中已有的管线情况，可以进行旧管网更新改造分析，新管网定线、及设计管网校正等;
管网分析: 分析地下管线空间相对位置关系，包括管线碰撞、管线交叉、管线保护间距大小、管线间距、管线埋深，附属设施地下空间位置展示。
4.4 智慧管网运行监管系统
智慧管网运行监管系统是城市地下管线统一管理的智慧化平台，它以完善的管网数据中心和物联网智能布控系统为基础，以可视化程度高、真实性强的管线三维 GIS 系统为平台，开发城市管线综合运行监管系统，在对各类地下管线进行专业分析的基础上，实现城市管线统一管理、优化资源配置等目标。系统将城市地下给水、排水、燃气、供热、工业管道、电力、电缆线路和管沟( 廊) 作为一个整体考虑，实现监、控、管一体化管理; 在空间上协同分析，具体划分专业业务管理模块[11]。系统主要功能包括运行监管、维护监管、管网预警、智能分析等 4 个方面。
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运行监管: 包括管线及附属设备运行状态查询展示、运行情况分析、运行状态记录、历史运行状态查询等，实现物联网监测数据实时呈现;
维护监管: 指管网日常维护工作的监管，包括管线巡检、设备维护记录、主要维护单位信息等，与移动端设备共同实现城市地下管线日常巡检智慧化管理;
管网预警: 根据管网运行工作特点，划分三级预警，不同管线根据事故危险性不同和危害程度大小划分预警等级，系统实现综合管网中各类管线事故预警预报;
智能分析: 实现管网智慧化管理分析，包括事故影响范围分析、应急管理措施分析、管网智能调度等功能，为管理部门应急管理决策提供信息支持，避免仅靠经验处理突发事故的风险，使应急方案的制定有据可依。
5 结 语
平台建设应用先进的信息化技术，注重提高地下管线综合管理能力建设，能积极应对目前地下管线混乱、各类管线独立管理的问题，有利于城市地下管线协调建设、统一管理。城市地下管线智慧化建设是项系统工程，应将各部分工作协调、有序开展，切实加强城市地下管线管理能力。该平台在山东省淄博市和威海市的地下管网管理工作中得到实践应用，建立淄博市智慧管网综合管理平台和威海市地下管网管理平台，实现管网信息化综合管理，项目取得良好效果。——论文作者：郑丰收，陶为翔，潘良波，孙柏
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