城市地下管线管理系统架构与数据组织设计研究

查宁

摘 要：該文设计实现了一套城市综合地下管线信息系统，该系统针对管线的辅助设计、规划审批、竣工测量、数据入库与保存、数据维护等整个流程来设计，采用的软件和开发工具比较先进流行，技术设计合理，同时建立了管线动态数据库，很好地解决了城市管线普查数据的管理、使用问题，并在近年来各种管线规划、施工过程中发挥了积极作用。

关键词：城市综合地下管线 管理系统 设计 原则 问题 数据组织

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0039-02

1 城市综合地下管线管理系统建立的意义

传统的管线资料管理手段大多采用文该文件或者数据库来存储管线的属性数据，用DWG图形文件来存储管线的图形数据，图形数据与属性数据完全分离，管线资料管理混乱，资料更新速度慢，跟不上现代城市建设的步伐，不能保证资料的现势性和正确性。因此，同步建立地下综合管线管理信息系统是确保地下管线普查使用目的的实现与广泛应用的最佳方法。

（1）使用计算机存储管线信息大大缩小了存储空间；一个城市的纸介质图纸可多达几十吨，而使用计算机仅用若干磁盘或光盘就可以存放全部信息；（2）提高了检索查询速度。利用计算机查询某一个区域、某一地点或某种特征的管线信息仅需要一个命令或者按钮既可以完成，这是常规管理办法的人工查找无法比拟的；（3）图形显示更加直观。通过三维显示技术，真实再现地下管线二维布局结构；（4）可以实现管线资料的动态更新和管线工程的动态跟踪，提高了管理的水平；（5）便于资料的网络共享。

2 系统设计

2.1 系统总体构成及其作用

根据管线数据的生命周期、分类等特点，系统由五个子系统组成，并分为核心与外围两大部分。其中核心部分包括管线信息管理子系统和地下管线辅助设计规划审核与竣工验收子系统，主要用于管线信息管理、制图、设计方案审查、管线竣工验收等；其它为外围部分，主要用于了解与管线相关的地形、道路、地名、单位、电话号码等信息，为管线的辅助设计提供一些分析参数和在Internet/Intranet上对管线信息的查询。

2.2 地下管线信息管理子系统

该子系统具有下列功能：（1）以带状基础地形图为背景，在城市规划道路的骨架之下，融合地下管线信息，为城市的总体规划布局提供辅助决策功能；（2）全市规划区内的所有干管的总体布置分布；（3）纵横断面图的生成与功能分析、地下管线的三维立体显示等；（4）具有拓扑分析、最短路径分析、管线事故（如爆管）分析、统计分析等分析功能；（5）常用的GIS功能；（6）多种查询功能，可按图号、道路名称、单位名、区域范围等形成多种查询表格；（7）在内业数据入库的过程中，具有数据查错和预防功能等（表1）。

2.3 管线设计规划审核与竣工验收子系统

本子系统是针对综合管线设计的特点，编制特定程序，辅助完成综合管线的基本设计，包括道路平面与纵横剖面设计、综合管线平面与横剖面设计、管线的规划审核与竣工验收等四方面；具有管线工程的辅助设计、最小覆土深度、管线间的最小水平距离及管线交叉处的最小垂直距离计算、方案比较等功能。利用该子系统，各管线部门在进行管线报件时，可使管线设计更合理，审批更严格科学，能充分地利用地下有限的空间。施工管线测量验收是将设计坐标值与实地测量的坐标值进行比较，验收管线工程施工质量，确保管线施工严格按照规划审批的要求进行。

3 数据组织与系统集成

3.1 地下管线数据的特点

城市地下管线信息与地形、城镇地籍、房产信息同为城市中最具代表性的空间信息。与其他三者相比，管线数据有自身的特点，主要表现在：

（1）数据量大，定位精度要求高；（2）涉及的管线权属单位和信息使用部门多，信息收集及管理难度大；（3）从中心城区向周边方向，管线数据的重要性和使用频率逐渐降低，在空间形态分布上呈不均匀性；（4）市政管线空间数据范围相对固定，多在规划道路的下面；（5）在同一空间位置上，依附的管线属性信息多且复杂。不同的用户其关心的对象各不相同；（6）管线埋设于地下，具有隐蔽性，采集困难；（7）时间属性至关重要，是一个四维、动态的空间信息源；（8）管线信息的连通关系要求特别高。

由于上述特点，城市地下管线数据的质量好坏和数据完整性一致是地下管线信息系统的建立瓶颈问题之一；同时，开发一个具有实用性、先进性、可靠性、安全性、网络化的综合管线信息系统，也具有一定的难度。因此，许多城市管线信息系统建立都和管线普查联在一起。

3.2 管线数据的信息结构

根据管线数据的内在特征，将管线实体划细分为计算机可以表达的点、线数据类。

（1）管线点：包括管线附属设施点、特征点、建（构）筑物中心点等，用一个坐标点表示；（2）管段：为两相邻管线点之间的连线；用二个坐标点表示，为直线段；（3）管线串：若干具有同一属性的管段的集合，多个坐标值构成；（4）管网：同一类性质的管线串及管线点的集合，一种性质的管线只有一个管网，且在同一层，具有有序的拓扑结构。管网有树状和网状两种结构。

图1中，A到G为管线特征点，AB、BC、CD、BF等为管段，BEFG为管线串。

数据是任何GIS系统的核心，所有的GIS功能都需要以数据为基础才能表现出来。因此，数据的完整性、一致性和质量的好坏很大程度上决定了一个系统的好坏。

3.3 地下管线数据的获取

地下管线数据获取的方法有地下管线普查和地下管线竣工测量两种。

3.3.1 地下管线普查

城市地下管线普查是指在一定时期内，按照城市规划管理的要求，根据城市具有的技术与经济能力，采取最经济和科学合理的方法，查明城市建成区或城市规划发展区内的地下管线现状，获取准确的管线有关数据，编绘管线图，建立管线数据库，并在这个基础上做好档案与动态管理。城市地下管线普查作业方法：

（1）地下管线现状调绘。

城市地下管线现状调绘是指在开展地下管线探查作业前，根据已有的地下管线竣工资料、施工资料、设计资料等，将己有地下管线现况标绘在1： 500的地形图上，作为野外探测的作业的参考，减少实地探查作业的盲目性，提高野外探查作业的质量和作业效率。同时，为地下管线探查作业提供有关地下管线的属性数据（如管径、管材、埋设年代等）

（2）城市地下管线探查。

城市地下管线探查是在现状调绘的基础上采用实体调查和仪器探查相结合的方法，查明地下管线的敷设状况、在地面上的投影位置和埋深、管线的相关位置和走向、地下管线的属性，如管线类型、性质、规格、材质、载体特征等。并在地面上设置地下管线投影中心标志和明显管线点标志，以提供下工序测绘的依据。

（3）地下管线测绘。

地下管线测量是指在城市等级导线点和等级水准点的基础上进行的图根控制测量、地下管线点平面和高程位置连测及相关地形测量。

3.3.2 地下管线竣工测量

地下管线竣工测量应在地下管线敷设以后、覆土以前进行。其任务是测定地下管线的平面位置、高程；量测地下管线的埋深、规格以及规划审批的定位尺寸；记录地下管线的性质、材质、走向、埋设时间和全书单位等。并绘制地下管线竣工平面图和编制地下管线成果表，同时按要求填写地下管线工程竣工测量验收记录册。

3.4 地下管线数据数据模型

3.4.1 地下管线管理系统的数据组成

地下管线管理系统的数据包括地下管线、管点图形和属性数据，坐标分幅、道路网图、城市地形图、建筑物、地塊、注记等辅助要素，其具体数据构成如图2。

3.4.2 管线数据模型

管线数据由管点和管线组成，每一种管线包括一个管线数据表和一个管点数据表，一条管线由两个管点组成，即管线的起点和管线的终点。

3.5 数据编码

每一个信息系统都有编码系统。为便于数据交换和共享，制订了城市地下管线综合信息系统编码方案及属性数据库设计方案。

（1）管线类别编码，分十类。代码分别为给水（J）、雨水（Y）、污水（含雨污合排）（P）、煤气（M）、交警信号灯（T）、路灯（R）、供电（L）、电信（X）、道路中心点（C）、人防特征点（F）。

（2）街道编号：将城市所有街道进行编号，用4位整数顺序编号（0001—9999）。

（3）管线点编号：用10位字符串编号。前6位为1∶500比例尺图号，第7位为管线类别码，后3位为管点顺序号。在数据入库时管线点号带有图幅号，在图面注记、显示时只有后4位。此种方式既保证了编号唯一，又使图面注记简洁。

（4）管线编码：为6位。第1位为大写字母P，用于同其它基础地理信息系统编码方案区分；第2位管线类别码；第3位为每类管线的子类型码；第4位为要素类型码，从1到5分别表示中心线、管线特征点及附属物、管线地面建筑物中心点、管线辅助要素、管线注记；第5位按顺序排列的要素序号；第6位暂保留。

（5）管段由管线特征点结构表中相关字段产生，没有编码。

管网要素的属性信息主要包括线属性和点属性，分别对应管线（中心线）要素和管线点状要素。对于管线辅助要素（管线地面建筑物、依比例尺管线边界等）无相关属性表，其属性分别由对应的中心点和中心线表示。

3.6 数据组织

在城市地下管线综合信息系统中，所有管线信息都为要素，可有零至多项属性值。系统采用混合数据模型，将图形数据和属性数据分开保存。要素的图形数据存放在地图文件中，利用MicroStation的DGN图形文件；属性数据存放在数据库中，用大型关系型数据库Oracle。图形元素中具有要素标识和属性标识。另外，由于整个城市的地下管线数据量大，数据按1∶5000比例尺分区存放在不同的设计文件中，对应地与不同的数据库表连接；在DGN图形文件中，其符号和线型均按1∶500比例尺存放，可按需要缩编为其它任意比例尺；文本注记放在点状要素中处理。在数据库中保存所有数据的描述信息，通过一系列数据表来描述和管理所有数据，系统用工程来组织数据集。

3.7 数据入库和更新

（1）地下管线数据一般来源于：以图纸和成果表形式保存的历史数据；通过外业探测采集的数据；存在于其它管线信息系统中的数据；其他形式的数据等。对上面各种形式的数据编写特定数据转换软件进行数据入库处理；（2）GIS的数据更新是一个复杂的问题，地下管线系统同样如此，该系统数据更新主要采用：根据更新的范围半自动从数据库中裁剪数据，并定义特定的数据结构来保存此数据；新的管线竣工测量数据与周边数据通过人工编辑完全融合联成一体。历史数据与现状数据的替换过程可相互转换，以便于历史资料的恢复与查询。

3.8 系统集成

系统集成包括数据集成、各子系统内部功能模块的集成、各子系统间集成三个方面的内容。在数据集成中，将各子系统数据库的数据，包括管线信息、地形信息、城市基础信息、辅助设计数据、地名信息与电话号码信息等，按管线信息管理与管线工程业务工作的需要，整合为一个相互关联信息库。数据集成的内容主要包括：一是建立不同比例尺图形数据间的索引关系，包括建立1∶500管线图与1∶5000管线图，1∶500地形图与1∶25000城市基础地形图间的索引关系；二是建立属性数据与图形数据的关联关系，包括管线要素属性数据与管线图的关联，城市基础图与道路名、地名的关联，单位分布图形与电话号码的关联，设计管线图形与设计管线属性的关联等。数据集成为数据的有效利用提供了基础。

4 结语

城市地下管线管理系统是数字城市的核心应用系统之一，可以实现管线信息的动态管理，从而为城市规划和建设提供服务。它不仅能够更好地管理各种主干线信息，及时对各种专业管线数据进行更新、维护，保证管线数据地准确性和现势性，而且能够为管理部门的宏观决策提供准确、实时的管线信息，为城市的防灾、抢险等提供决策服务，为保障城市地下生命线的安全运转提供强大的技术保障。该文深度探讨了城市地下管线管理系统的设计思路，相信对同行有所裨益。

参考文献

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