城市地下管线综合信息平台关键技术研究

谭仁春，卢丹丹，向祎

(1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022； 2.精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉 430022)

城市地下管线综合信息平台关键技术研究

谭仁春1，2*，卢丹丹1，2，向祎1，2

(1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022； 2.精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉 430022)

近年来，全国各个城市相继开展城市地下管线普查和信息系统建设。本文结合武汉市开展城市地下管线深化普查和综合信息平台建设工作，在开展了深入研究和大量实践的基础上，针对城市地下管线综合信息平台建设的关键技术进行了总结，提出了一些新思路和新方法，为其他城市开展城市地下管线综合信息平台工作提供参考和借鉴。

城市地下管线；装配式开发；信息平台；空间决策

1 引 言

随着2014年《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》(国办发〔2014〕27号)和《住房城乡建设部等部门关于开展城市地下管线普查工作的通知》(城建[2014]179号)的下发，全国各城市陆续开展了城市地下管线普查与信息系统建设工作。但是，目前我国城市地下管线信息系统的建设水平参差不齐，同时存在一些普遍性问题：①系统数据未能实现有效动态更新；②系统功能仅停留在数据管理阶段，成果应用和数据挖掘远远不够；③系统架构不能满足海量管线数据的协调管理与应用。因此，突破传统管线信息管理系统的搭建模式，构建既能够满足数据资源管理，又能实现管线规划、建设和监管应用的城市地下管线综合信息平台势在必行。

随着新一代互联网、虚拟现实、云计算、物联网和BIM等先进技术的快速发展，地下管线信息化建设正朝着平台化、集成化、应用化等方向发展。本文主要结合武汉市正在开展的地下管线综合信息平台建设工作，重点针对地下管线信息平台建设工作提出一些新的思路和方法，为国内其他城市在开展类似工作过程中提供参考。

2 关键技术

城市地下管线综合信息平台的关键技术很多，本文主要在开展了相关研究与实践的基础上，结合武汉市实际情况，提出如下关键技术，以供参考。

2.1基于云计算的管线数据存储、处理、共享与应用技术

我国城镇化建设的持续推进导致城市地下管线数量的急剧增多，实现海量管线数据的高效存储处理和全面共享应用，提供高质量的管线信息服务是搭建管线信息系统或平台的最终目标。在传统的C/S模式GIS、B/S多层模式GIS、基于Internet的分布式GIS或格网GIS的分布式计算模式下，存在①WebGIS仍然以单项服务提供为主，终端用户无法生产个性化服务；②没有充分发挥分布式计算模式的优势，不能挖掘分布式GIS的最大潜能；③服务器的数量和硬件的指标是应用系统的性能瓶颈等问题[1]。

随着云计算技术的发展与成熟，将云计算技术应用于管线GIS系统或平台建设，能够最大限度地解决上述问题。具体思路为：

(1)利用云计算的计算资源自动扩展技术，根据实际需求增加或减少计算资源。当虚拟机进行计算任务时，如果CPU、内存或者其他计算资源占用过高，自动扩展功能可以启动更多的虚拟机来帮助完成任务；反之如果资源占用过低，自动扩展可以在保证计算的同时来关闭一部分虚拟机，从而节省计算资源。它不仅可以保证运算时有足够的计算资源，缓解累积的计算负担，以支持并发请求；而且可以通过动态调整来节省计算资源。

(2)利用云计算的负载均衡技术，将一项需要大量计算资源或时间的工作加载在两个或多个云计算虚拟机上，从而提高运算效率。可以在多个地理信息服务实例间自动分配应用程序的传入流量。同时可以让平台实现更大的应用程序容错性能，以持续提供响应应用程序传入流量所需要的负载均衡容量。在负载均衡中，它可以检测出群体里不健全的实例，并自动更改计算配置，使其指向健全的实例，直到不健全的实例恢复为止。

武汉市将云计算技术应用到地下管线综合信息平台建设中，基于Eucalyptus云平台实现计算资源的自动扩展与负载均衡，保障了管线数据的高效存储处理与共享应用。

2.2基于图库一体的二维管线建库与更新技术

传统以图形为主的CAD数据模型和以数据库为主的GIS数据模型都存在管线图与管线库分别存储而导致的图、库信息不一致，有图入库工作量大，图库不能实时更新等问题。

武汉市在管线数据模型建设中，采用集几何信息、符号信息、属性信息于一体的图库一体时空地理信息数据模型，相对传统的CAD和GIS数据模型，具有便于实体管理与操作，便于几何复杂度的地理空间实体表达和便于数据更新与维护。同时，在作业流程中采用“先库后图、图库联动”的生产工艺流程，在数据库建立的同时能够实现图形的无损表达，图形和属性信息能实现联动编辑，实时更新，真正实现时空地理信息数据库和图形建设的双向同步联动。利用该技术能够实现管线图与管线库的模型、生产、管理、更新与产品一体化，如图1所示。

图1 “图库一体化”的管线数据建库与更新流程

2.3管线的自动化三维建模与局部更新技术

在不影响日常使用的前提下，实现三维管网模型的局部高效更新，保证了三维模型与二维属性数据的严格一致，为基于三维的管线管理和分析提供高时效性的数据基础。

为了保证地下管线三维模型的精细化和逼真度，平台针对地下管线建模要素特点，采用不同的建模方法，具体分为：

(1)针对抽象化不规则形体的管点：这类管点具有不变的几何形态以及类似的表面材质，三维模型可以重复利用。主要利用对象的平面、影像等资料，在建模软件中制作完成。

(2)针对尺寸结构由属性驱动的管点：这类管点具有明显的底面边界尺寸信息，是规则体元。主要利用构造实体几何法，通过底面尺寸、高度、位置等参数自动生成模型。

(3)针对拓扑连接关系驱动的管点：这类管点规格尺寸多样，主要利用扫描法+格网造型法，通过管径信息分别建立主管和支管模型，再运用布尔运算和并集剖切连接形成管点模型。

(4)针对管线段：这类管线段具有不同的空间运动轨迹，可利用扫描法+格网造型法，将一条管线看作是整张连续的曲面进行建模处理。

图2 ArcGIS管线库自动生成三维模型库

(5)局部更新： 通过对二维管线数据进行自动化探测，在提取到二维管网空间及属性数据库的更新信息后，采用扫描法+网格造型法(Sweep+Mesh)和布尔并集运算，主动在三维系统中进行单体管线模型及其附属设施的重建；因管网中管线的增加或减少导致其拓扑结构发生变化，系统也会同步更新其拓扑关系，精细化地建立管段和拓扑连接关系驱动的管点三维实体模型，如图2所示。

2.4管线全生命周期的协同管理应用技术

目前，全国大多数城市的地下管线信息管理系统或平台多以管线数据信息管理和更新维护为主要建设目的，管线普查成果的应用还没有大范围推广。同时，由于管理体制的原因，地下管线的规划、建设和营运分别由不同的管理部门监管，各管理部门之间信息互通不足、上游管理信息不能及时完整地流转到下游管理部门。

武汉市综合考虑管线工程规划、建设和监管全生命周期管理流程，以管线工程为管理单元，全面控制管线工程从规划、审批、开工、施工、跟踪、竣工和运行监管等关键环节，针对规划、建设和监管三个管理部门的业务需要，开发管线规划管理、管线建设管理和管线监管三个应用系统，这三个应用系统通过管线信息的流转将管线规划、管线建设和管线监管等阶段衔接起来，实现管线的全生命周期管理，如图3所示。

图3武汉市城市地下管线综合信息平台逻辑结构

3 应用实例

针对上述关键技术的研究，笔者已进行了相关开发和实践，目前研究成果已经应用于武汉市城市地下管线综合信息平台建设工作中，取得了很好的效果。图4是武汉市城市地下管线综合信息平台的登录主页面，主要是用于登录到基础信息平台子系统、3个应用管理系统以及信息共享系统的功能模块，如图4所示。

图4 武汉市地下管线综合信息平台登录主页面

图5 集成管理系统主界面

图6 展示系统主界面

图5、图6分别是综合信息平台中的集成管理系统主界面和集成展示系统主界面。集成管理系统主要用于实现地理空间框架数据、地下管线数据的二三维一体化动态管理、更新维护、自动建模、分析应用和输入输出；集成展示系统主要用于地理空间框架数据及地下管线等数据二三维一体化网络发布、集中展示与共享应用。

图7、图8是武汉市城市地下管线综合信息平台的三维应用，平台集成了武汉市中心城区 567 km范围内的地上三维模型和地下管线模型。地上三维模型在高程上与地下管线模型严格匹配，保证了各种三维空间分析的有效应用。

图7 管线二、三维一体化

图8 地上地下三维一体化

4 结 语

本文主要结合武汉市地下管线综合信息平台建设工作，针对地下管线体系架构、数据组织与建库、三维建模与综合应用的关键技术提出了一些思路和方法，并进行了针对性的研究与实现，实践证明是可行的。目前，全国正在大力开展城市地下管线普查与信息系统建设工作，本文提出的一些关键性技术可为其他城市提供一定的参考。

[1] 方雷. 撒基于云计算的土地资源服务高效处理平台关键技术探索与研究[D]. 杭州：浙江大学，2011：5～33.

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[6] 井发明，王苑楠，王英林. 宁波市地下管线动态更新及管理机制探讨[J]. 城市勘测，2014(3)：156～158.

[7] 江贻芳. 我国城市地下管线信息化建设工作进展[J]. 测绘通报，2007(12)：1～4.

[8] 陶迎春，郑国江，杨伯钢. 三维城市地下管线规划辅助系统研究[J]. 测绘通报，2013(10)：95～98.

ResearchonKeyTechnologyofInformationSystemforUrbanUndergroundPipelines

Tan Renchun1，2，Lu Dandan1，2，Xiang Yi1，2

(1.Wuhan Geometics Institue，Wuhan 430022，China； 2.Key Laboratory of Precise Engineering and Industry Surveying，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Wuhan 430022，China)

In recent years，many cities have carried out urban underground pipelines survey and information system construction in China. Based on the deep research and extensive implement，this paper summarizes the key technologies about the construction of the information system for urban underground pipelines，and puts forward some new ideas and suggestions on the construction of the urban underground pipelines information system. Some new methods provide reference for other cities to carry out urban underground pipeline information system.

urban underground pipelines；fabricated development；information platform；special decision

1672-8262(2017)05-115-04

P208.2

A

2017—05—23

谭仁春(1978—)，男，高级工程师，主要研究方向为地理信息系统研发与应用。

精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室开放基金项目(PE2011-27)