地下管网数据一体化生产与管理应用体系的研究

刘全海，孙雪梅，潘伯鸣

(1.常州市测绘院，江苏 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213003)

地下管网数据一体化生产与管理应用体系的研究

刘全海*，孙雪梅，潘伯鸣

(1.常州市测绘院，江苏 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏 常州 213003)

地下管网数据一体化生产与管理应用体系是当前管网研究的重点和难点。针对管网信息化管理过程中“多用户、多系统、相对分散、难以共享、效率低下”的现状，本文在分析管线规划设计、建设、竣工、应用、运维、更新等智能管网闭合生态链的业务流程的基础上，提出并建立了一套集管线采集、更新、管理、应用、共享的一体化生产与管理应用体系，推进智能管网无缝集成、协同管理和智能应用。并以常州市为例，论证该体系的科学合理性和可操作性。

智能管网；一体化生产与管理应用体系；全生命周期

1 引 言

数字城市、智慧城市方兴未艾，智能管网也成为管网研究领域新热点[1]。以智慧发展为理念，结合物联网、云计算、大数据、移动互联等技术支撑，智能管网要实现管网规划、建设、运行、维护及管理、服务的智慧化，保障管网全生命期的安全、高效、智慧、绿色，进而提升城市基础设施功能和城市运行能力。如何综合现代信息化技术建立智能管网一体化生产与管理应用体系，推进智能管网建设已经成为管线行业的重要任务。山东正元智能管网解决方案建立了管线探测、监测、修复体系，着重管网安全运行，对各管线权属单位管线监管维护起到了重要作用，还需建立起管线规划、竣工、应用、运维完整生命体系[2]。灵图智慧管网包括城市地下综合管网解决方案及燃气、供水等专业管网解决方案，包含数据建库、管理、共享、三维应用、巡检等应用[3]。超图基于SuperMap平台开发建设的基于标准的、开放的、可扩展、共享的信息平台，实现数据管理、维护、共享发布，同时融合三维地下管线管理，可对复杂三维管线分布进行查看[4]。中地数码基于MapGIS架构开发管网管理平台，以专业管线为依托，提供供水、排水、燃气、电力等专业管线GIS信息化管理，包含管网数据管理、巡检、养护，为专业管线安全运维提供技术支撑[5]。

城市地下管线归属庞杂、种类众多、特性各异，导致管线数据具有多种来源、多种格式和多种结构，市政行业用户业务需求的不断变化和拓展，市场上常见的管线产品功能各有侧重点，完善的智能管网一体化生产、管理与应用体系应涉及管线从规划设计、建设、竣工、应用、运维、更新等诸多领域[1，6]，因此建立智能管网一体化生产与管理应用体系还需深入研究。本文从智能管网全生命周期业务流程出发，分析各业务技术关键点，利用移动GIS、空间数据库、三维GIS等前沿技术，建立集管线采集、更新、管理、应用、共享为一体的生产与管理应用体系，构建智能管网全生命周期业务一体化解决方案，为规划、测绘以及管线权属单位等诸多领域提供技术支撑。

2 智能管网全生命周期业务分析

按管线规划建设使用划分，城市地下管网规划建设领域业务分类如图1所示。

图1 智能管网全生命周期业务“闭合环”

(1)管线辅助规划设计流程

管线规划设计涉及规划部门、设计单位，需要在相关软件中参照现状管线设计管线，并将设计方案与施工方案、竣工方案进行对比，检查规划、设计方案的科学性，实际管线规划设计中，还涉及地形、控规等基础地理信息数据，考虑到业务部门工作习惯，辅助管线规划设计需要基于CAD平台，并与SDE库双向交互，支持多源异构地理信息数据。业务设计流程如图2所示：

图2 管线辅助规划设计流程

(2)管线竣工测量

管线竣工测量涉及测绘部门，需要针对新敷设或修补测管线进行实地探测，并将探测数据数字化存入管线数据库，是管线数据生产的必要步骤，分为外业测绘和内业数据处理两大部分[7]。传统管线测绘主要采用纸笔记录，内业数据再录入的形式获取管线竣工数据，效率较低。智能管网研究充分利用移动地理信息应用优势，研发基于移动端的管线采集模块，摆脱管线传统探测内外业分离模式，提高管线数据生产效率。数据内业处理需要契合规划测绘部门使用习惯，与移动端采集模块、管线空间数据库无缝对接，提供管线可视化编辑、数据处理、数据检查功能，有效辅助数据生产，如图3所示。

图3 管线竣工测量

(3)管线数据库管理

管线管理需要针对普查及日常探测管线进行综合性数据管理，包括管线数据、业务数据等。管线数据管理包括管线更新、备份、历史数据管理，为方便数据统筹，均以竣工工程为依托，对管线竣工更新数据利用版本机制统一管理[8，9]，区分各工程历史、现状数据，还需对备份数据进行管理，维护管线数据库的健壮、完整。业务管理则需要针对管线共享、供图等业务数据进行管理，对业务涉及人员操作、数据范围进行记录，满足业务追溯要求，如图4所示。

图4 管线数据库管理

(4)管线共享交换

共享是智能管网建设的重要部分，城市规划建设中，涉及管线业务的部门较多，管线数据管理单位需要提供相关管线数据给业务部门，管线权属单位的竣工更新数据也要及时更新给管线数据管理单位，同时为减少各部门信息系统重复建设，常见管线分析功能也应能共享使用[10，11]。共享可分为数据共享及信息系统功能共享两部分，数据及平台支撑均实现共建共享，前者实现管线数据应用效益最大化，后者则将智能管网平台应用支撑不再局限于特定应用部门，可有效推进智能管网的应用广度及深度。

1.2.2 节约成本。植保无人机作业具有较高的精准性，药物能够直接作用于植物上，无论是灌溉还是在施药过程中，均可达到控制成本的目的。例如，可节约农药使用量50%，可节约水量90%。

(5)管线应用

在现势管线数据的支撑下，可根据管线实际应用需求进行定制性研究。如利用管线、地形、道路等基础地理信息数据，结合城市地下管网工程需要，通过相应统计分析功能，可以获取管线工程决策支持信息，以此制定施工方案、确保工程安全执行。同时还可以引入三维管线[12]，实现管线二三维一体化应用，包括二三维数据融合，二三维服务管理的一体化以及二三维展示界面的无缝集成和深层次互动。还可以考虑专业管线权属单位管线应用需求进行定制性研究。

(6)管线维护管理

智能管网的一大重要标志即为感知、物联和智能。感知即通过传感器感知管线及管线设施运行状态和运行环境状态；而感知信息利用无线网络、通信网络等传输即可实现管线设施与人交流的物联通道，这样就能对管线运行状态进行智能分析预测，利用现场设备远程智能控制[13]。废弃管线、危旧管线预警、管线应力破坏等均需要对管线数据进行实时监控，及时提醒问题管线，降低管线事故发生概率[14]。

(7)管线数据的动态更新

管线更新是维护管线数据现势性的重要手段，基于管线动态更新机制建立完整的动态更新流程[15，16]。基于地下管线更新管理规定办法，城市地下管线管理部门统筹各相关单位部门，在管线普查的基础上对修、补、改等管线工程进行动态更新。更新时，需要考虑管线接边问题处理，根据入库数据量选择范围全部更新或增量更新[17]。

3 智能管网一体化生产与管理应用体系

3.1 总体架构

智能管网数据一体化生产与管理应用体系总体架构如图5所示。考虑不同业务依赖作业平台，采用C/S、B/S、M/S相结合的方式，综合Android、AutoCAD、WebGIS、移动GIS技术，模块流程化各业务操作，并将各业务流程进行串接，从而建立以移动端管线采集系统、CAD管线应用系统、管线数据库管理系统和管线应用系统为基础的解决方案，以管线全生命周期业务为切入点，通过管网数据一体化生产与管理应用体系的搭建，实现了管网规划、建设、运行、维护及管理、服务的智慧化。

图5 智能管网数据一体化生产与管理应用体系总体架构

3.2 移动端管线采集系统

基于移动GIS开发的移动端管线采集系统主要服务于管线竣工测量外业探测阶段，根据不同数据探测采集要求，管线采集系统满足管线普测、跟测需要，代替人工绘制草图、数据再录入工作，提高数据采集及数据处理效率。

移动端管线采集系统通过：①可配置，依据不同管线探测需求配置相应属性；②可检查，针对管线数据特性进行数据检查；③可绘制草图，代替笔、纸传统草图绘制工具，在移动采集平台上绘制概略图；④导出数据格式为MDB形式，支持管线成图入库、竣工更新等业务操作，继而实现了地下管线数据外业采集和内业处理的无缝衔接，为地下管线探测、更新提供高效服务。

3.3 地下管线CAD应用系统

管线CAD应用系统基于AutoCAD平台进行二次开发，针对管线数据处理、竣工入库、辅助规划设计等业务。管线测绘采集获取的管线数据以Access数据表形式存储，CAD平台上管线竣工内业数据处理流程如图6所示。实际业务处理时，为配合竣工测量，平台根据业务需要集成多种数据处理功能，如Excel数据展点、裸点跟测高程赋值、排水流向绘制、点号重排、重复点号修改，简化外业探测数据到内业处理的业务操作。

图6 管线竣工处理流程

管线数据库的现势、完整是保证城市地下管线管理应用的根本基础，因此管线竣工动态更新是CAD管线管理应用系统的重要业务流程[15，17]，系统中入库管理模块管线动态更新流程如图7所示。更新时，系统引入管线竣工工程概念，针对竣工工程入库，同时存储管线数据信息及业务信息。

图7 管线动态更新流程

管线规划设计部门也可以利用该平台完成管线设计工作，并通过多种方案对比辅助规划管理，如图8所示。

图8 辅助管线规划设计流程

3.4 管线数据库管理系统

管线数据库管理子系统采用C/S架构基于GIS平台研发，高效管理地下综合管线数据库以及实现管线信息的查询、统计与分析、管线应急等深层应用，满足数据库管理及管线维护需求。

管线数据库管理也以竣工工程范围线为依托，对管线竣工更新数据进行统一管理，区分各工程历史、现状数据，并对数据库各版本数据进行灵活回溯、清除、合并、导出，从而对管线竣工数据进行系统管理，维护管线数据库的健壮、完整。针对具体管线维护业务需求，结合物联网技术，对管线使用寿命、使用状况进行动态跟踪，对问题管线及时预警提示，减少危旧管线事故发生频率；以城市地面沉降监测数据为基础的管线沉降分析等功能对管线沉降进行参考性修正，维护城市管网安全，保障城市安全运行，如图9、图10所示。

图9 管线数据库管理

图10 管线维护

3.5 管线应用系统

管线系统是基于WebGIS技术研发的B/S系统，以在线服务为主，提供便捷浏览操作及共享交换功能，并通过“道路透明化、管线可视化”的技术手段，实现地上地下一体化、管线二三维可视化展示。系统采用多样灵活的共享方式，区分一般、集成应用、深度应用共享，推进地下管线信息系统在规划、建设、管线权属单位等各部门间的共享应用，如图11、图12所示。

图11 管线共享交换模式

图12 管线三维可视化应用

4 方案应用

通过深入理解各部门管线业务，智能管网数据一体化生产与管理应用体系突破原有一个个孤立业务功能，梳理并开创管线业务流思路，实现了管线辅助规划设计、竣工测绘、管线竣工更新、共享交换、数据库管理、管线应用等各项管线业务的集成管理，构建管网业务一体化作业平台，推进城市地下管线采集数据入库、管理、应用、更新、共享全生命周期业务操作，实现管线数据全流程无缝管理。

以常州市为例，通过智能管网数据一体化生产与管理应用体系整合基础地形、综合管线、规划成果、规划红线、正射影像建立地下管线综合数据库，解决地下管线长期粗放管理现状，为规划局、测绘院等管线管理部门建立网络动态化、信息动态更新、多级部门广泛共享的现代化管线管理机制。规划设计管理部门利用CAD平台可以实现管线设计、方案对比；测绘部门利用移动端管线探测采集系统可以有效提高数据采集效率，利用CAD平台进行数据内业处理、检查入库，将数据采集、内业处理、数据入库进行流程化集成；管线数据管理部门可以利用管线数据库管理系统进行数据库统筹管理、管理应用用户；管线权属单位则可以充分利用共享模块进行数据及功能服务共享，免去了数据、信息系统重复建设难题；平台提供的管线预警维护功能则为城市管网透明化安全运行提供了技术支撑。

5 结 语

根据管线全生命周期业务分析，结合智能管网研究成果，本文研究并建立智能管网数据一体化生产与管理应用体系，实现管网全生命周期全业务流程化、一体化生产、管理、维护、应用。依托于统一的管线标准及数据库，智能管网一体化生产与管理应用体系面向规划建设管理，建立管线规划设计、建设、竣工、应用、运维、更新全生命周期闭合生态链，符合日常管线业务工程习惯，规范和提升了城市地下管网信息化管理水平，将地下管网信息由多家封闭管理的模式变为“集中”、“协同”、“智慧”的创新管理局面，为经济和社会发展中涉及地下管线的建设、使用、维护与应急管理提供辅助支持。

[1] 李学军. 智慧管网及其构建途径研究[C]. 智慧生态城市地下管线研讨会[A]. 2014.

[2] 张守伟. 浅析中小城市地下管线管理系统的建立与维护[J]. 城市建设理论研究·电子版，2012(10).

[3] 龚晓岚. 城市地下综合管线信息系统设计与实现[J]. 城市建设理论研究·电子版，2015(35).

[4] 沈宏兵，刘欢，焦娇. 基于SuperMap的地下管线管理系统应用研究[J]. 测绘技术装备，2011(4)：16～18.

[5] 任克亮，陈龙. 全面掌控燃气信息智能调度运营资源——MapGIS燃气企业综合运营调度平台解决方案[C]. 中国城市规划协会地下管线专业委员会2013年年会[A]. 2013.

[6] 周立国，冯学智，余江峰等. 城市综合地下管线信息系统实现及几个关键问题的探讨[J]. 遥感信息，2008(2)：80～85.

[7] 郑楚. 城市地下管线竣工测量的必要性及其管理[J]. 测绘与空间地理信息，2007，30(3)：200～202.

[8] 江贻芳，孙维志. 城市地下管线信息管理系统建设及进展[C]. 中国测绘学会第八次全国会员代表大会暨2005年综合性学术年会论文集[A]. 2005.

[9] 江贻芳，顾旭东，孙维志. 城市地下管线信息管理系统建设若干问题探讨[J]. 工程勘察，2006(9)：58～61.

[10] 何一峰，汪秉文. 利用组件技术构建基于Web-GIS的城市地下管线系统[J]. 计算机应用与软件，2001，18(2)：33～36.

[11] 孟慧，王飞娟. 对实现城市地下管线信息共享的几点思考[J]. 城建档案，2013(11)：40～41.

[12] 李清泉，严勇，杨必胜等. 地下管线的三维可视化研究[C]. 2003全国数字媒体与数字城市学术会议，2003：277～282.

[13] 黄来源，李军辉，李远强等. 基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统[J]. 物联网技术，2012，2(4)：62～65.

[14] 吕华新，周学龙，周文等. 基于物联网和GIS技术的自来水管线系统的设计与实现[J]. 测绘与空间地理信息，2014(10)：143～145.

[15] 江贻芳. 地下管线动态更新管理体系的建立[J]. 中国勘察设计，2005(8)：55～57.

[16] 胡冬芽，刘全海. 基于现代测绘的地下管线动态更新方法的探讨[J]. 城市勘测，2009(3)：128～130.

[17] 刘全海，孙雪梅，冉慧敏. 面向管线全业务的综合管理信息系统研究与实现[J]. 测绘通报，2014(11)：92～96.

[18] 郭明武，彭清山，谭仁春. 多部门联动的城市地下管线全生命周期管理信息平台的设计与实现[J]. 城市勘测，2017(1)：12～15.

AResearchontheIntergratedSystemofUndergroundPipeDataProduction，ManagementandApplication

Liu Quanhai1，2，Sun Xuemei1，2，Pan Boming1，2
(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213003，China；2.Changzhou Geographic Information Intelligent Technology Center，Changzhou，213003，China)

The intergrated system of underground pipe data production，management and application has been the focus of pipe-related researches. There are several problems in current pipe information management，such as multi but dispersed systems and users，difficult to share and low efficiency. Based on the wisdom pipe whole-life processes of pipeline planning and design，construction，completionsurveying，application，maintenance and data update，this paper proposes an integrated system aimed at pipe data production，management and application including pipeline data collecting，updating，managing，applying and sharing，which promotes pipe process tightly intergration，collaborative management and intelligent applications. And the successful application in Changzhou has proved the system’s scientific rationality and maneuverability.

wisdom pipe；an intergrated system of production，management and application；whole-life circle

1672-8262(2017)06-5-05

P208.2

A

2017—03—18

刘全海(1972—)，男，博士，研究员级高级工程师，主要从事三维数字城市、智能测绘、时空信息共享挖掘等研究。

住房和城乡建设部科技项目(2014-K8-010)