南京市城市综合地下管线信息系统设计与实现

邓晓红,冯剑桥,周 静

(1.南京市城市地下管线数字化管理中心，江苏 南京 210000；2.江苏省测绘地理信息局，江苏 南京 210000)

0 引 言

城市空间内分布的各类管线担负着信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排弃等功能，是城市赖以生存和发展的物质基础，是支撑城市正常运作的纽带，是城市生存和发展的“血脉”[1]。但城市管线管理存在诸多问题，包括管线设施敷设较为随意，档案管理也主要靠图纸；各类管线信息分散在多家产权部门，主体各异、条块交叉、多头管理、各自为阵[2]；地下管线数据标准缺失，数据内容分散化和异构化。在实现城市综合地下管线信息化管理的过程中，存在诸多困难。

针对上述问题，本文提出综合运用GIS技术、计算机技术、空间数据库技术、网络技术、专题应用模型等，充分发挥地理信息系统整合其他资源的特有优势，以城市地下综合管线为管理对象，建立实用、可靠的南京市城市地下管线地理空间信息系统(以下简称“系统”)，实现对地下综合管线信息的收集、管理、分析、更新、利用。

1 系统的设计与实现

1.1 系统结构设计总体思路

根据城市地下管线信息管理需要，构建城市综合地下管线信息系统需结合管线信息入库查询、管线供图审批、数据更新利用及基础信息公开共享等工作要求[3]。系统以GIS技术为支撑，采用SOA(面向服务)架构，以 C/S与B/S相结合、B/S为主的部署体系，建立灵活可配置的扩展机制(图1)。

图1 系统逻辑架构

1.1.1 系统核心思想

(1)建设数据中心。建立全市统一的综合管线数据库，实现具有时态特征的一体化综合管线数据的管理、更新、共享和专业应用。

(3)实现协同共享。基于“线上共享、线下交换”的共享协同新模式，建立深层次的共享协同机制。信息管理部门负责维护空间信息，权属单位负责提供可公开的管理信息。

1.1.2 系统总体架构

系统以ArcEditor 10.2、ArcGIS Server 10.2为软件平台，ArcGIS SDE作为空间数据管理引擎，Geodatabases为空间数据存储模型，以Oracle 11g为数据库进行二次开发，形成数据管理、数据应用、运维配置及移动端应用四个子系统，涵盖管线编辑、管线质检、审批供图、系统运维、巡查、管线三维可视化等30多个模块200多项功能。

系统以数据、管理、服务、应用相分离为原则，采用空间数据交换、真三维、高精度定位等技术，集海量数据管理、网络空间信息共享、服务管理、资源监控等功能于一体，构建城市地下综合管线信息化管理数据流、业务流、服务流的闭环，以实现管线信息管理“内外业一体化、地上地下一体化、图库一体化、二三维一体化、综合专业一体化”的目标。

1.2 系统数据库设计

基于地下管线类型复杂、数据量大的特点，采用大型关系数据库Oracle来组织、存储和管理二维管线数据。在数据库设计过程中，按照数据特点将其分为地下管线数据、辅助数据和元数据三大类[4]，并满足如下要求：① 管线与管线点统一编码；② 数据冗余要求尽量小；③ 图形与属性有机结合；④ 分层存储不同类别的要素；⑤ 便于数据修改、更新与扩充。

管线数据结构的设计和组织上，采用点表和线表相结合的方式。点表中记录管线点的点号、地面高程、埋深、坐标、管类、管点特征、附属物和新旧管线连接关系等属性信息；线表中记录管线的连接关系、材质、管径、埋设方式、埋设日期、电缆条数、套管尺寸、流向、压力值、道路名称、权属单位等属性信息。

图2中,A为腔体外导体;B为谐振杆;C为调谐螺杆,用来微调谐振频率。在HFSS中建模并对各尺寸变量设置扫描范围进行优化[4],从而使单腔仿真Q值及谐振频率差ΔF=re(Mode(2))-re(Mode(1))值最大。式中re(Mode(1))整体代表谐振频率,re(Mode(2))代表二次谐振频率,两者相减则为频率差。优化得到较理想的一组参数值为:R_cav=11.8 mm;h_cav=15 mm;R_res=3.8 mm;h_res=8 mm;R_scr=1.5 mm。此时的单腔Q值可以达到5 300,谐振频率差ΔF能够达到4.5 GHz。

城市综合地下管线数据库的建立，将各类管线数据通过处理、质检等过程，按照统一的数据标准体系集中到平台上，将各个子系统串联起来，实现了数据的实时录入、实时调取、实时更新等操作，使管线数据管理更为高效、可靠(图2)。

图2 数据库连接关系图

1.3 管线数据建库和发布

数据建库就是将管线数据成果输入数据库，并进行数据预处理、检查、纠错和更新，形成具有拓扑关系的地下管线点数据表和线数据表。其流程包括：将探测数据进行质检，合格后进行信息入管线库；从管线库中提取专业管线数据，进行二三维数据服务同步发布，并注册到平台中，以供应用系统调用；同时进行二维可视化管线入库比对，以支持历史数据管理、数据下载等(图3)。

图3 管线数据入库和发布流程

2 系统主要功能模块及功能描述

2.1 数据管理子系统

采用C/S模式建成，主要面向数据普查、监理、入库和数据管理人员[5]，实现了管线数据的收集、整理、更新提供与成果数据管理等功能。

2.1.1 数据入库

探测的管线数据格式有MDB、DWG。通过数据完整性检查、空间检查、属性检查、逻辑检查、图库一致性检查等，按照系统规定的管线数据组织方法，自动添加至管线数据库。通过CAD、GIS平台的无缝对接，实现管线数据探测—质检—入库—利用—现场核实—修补测—更新入库的闭环式业务流程。

2.1.2 数据更新

根据数据来源与数据应用需求的不同，将数据更新流程分解为项目报建、非报建项目(规划编制、竣工测量、前期研究、行业研究)、汇交案件(汇交案件来源于非报建项目已办结的状态)的业务管理流程。以项目报建为例(图4)，通过工作流实现了管线数据的实时更新。

图4 报建项目流程图

系统实现面向实体的更新以及二三维数据的同步增量式实时更新。通过入库时要素更新类型的判断和面向实体的历史库建立，可以方便的回溯某根管线的历史变化情况，也减少了历史库的数据量。

2.2 数据应用子系统

采用面向服务(SOA)的软件结构，提供数据查询、数据统计、辅助分析、二三维联动等功能，实现地上地下一体化浏览。

2.2.1 查询统计

查询包括属性查询、管线常用查询和SQL查询三类。通过道路名称、门牌号码等多种方式的便捷查询与定位，实现“所见即所得”的快捷效果。在获得查询结果的基础上，可以在二三维场景中，快速准确地进行管线综合统计并生成统计图表。

2.2.2 分析功能

主要包括连通性分析、断面分析(图5)、覆土分析、净距分析、关阀分析、流向分析、溯源分析、巡检、开挖分析等功能，为系统用户提供准确、快捷、可靠的决策支持方案。

图5 管线纵断面分析

2.2.3 三维管线生成

针对地下管线，如三通、弯头、变径、消防栓、阀门、配电柜等，实现参数化建模，无需人工干预，自动生成。依据相关标准，使用管线编译工具编译生成三维管线，编译成果发布到三维服务器上进行配置，实现SDK和RunTime统一，提供丰富的基于COM组件的二次开发接口、管线任意角度的三维展示(图6)、三维视角下的查询统计、专业分析以及二三维联动等功能。

图6 地下综合管线的三维可视化效果

2.3 运维管理子系统

用于系统功能配置、服务管理等，包括服务管理、部门管理、角色管理、用户管理、日志管理 、自动备份、系统管理、系统监控等功能。

2.3.1 服务管理的个性化定制

依据用户不同的角色及权限的，定制功能菜单，包括地图服务、功能服务、权限服务、数据服务、日志服务等；提供日志查询检索功能，并为其他系统调用提供日志、用户和权限服务。

2.3.2 细粒度权限管理

对系统提供的服务功能都做了细粒度的权限控制，可满足不同层面用户的需求，并保证了系统和数据的安全性。

2.4 移动端应用子系统

实现手持移动端基本操作功能，同时具备管线数据的离线浏览、增强现实和范围查询、缓冲区查询、管点类型统计等查询统计等功能。

2.4.1 高精度实时定位

开发了一种GNSS接收机串口转蓝牙数据传输装置，用于将GNSS接收机中数据通过串口输出到该装置，再以蓝牙通信方式传输到移动终端中。解决了移动终端定位精度差的问题，使便携式移动终端定位精度可以达到专业测绘仪器同等精度的水平。

2.4.2 增强现实

通过移动终端摄像头将获取的实际影像显示在屏幕中，形成动态影像层，作为现实场景；在获取高精度实时坐标后，以点的形式将所在位置显示在屏幕中。调取管线数据库中对应位置的管线数据后，叠加显示在屏幕中，形成综合管线信息层，作为虚拟场景。通过调节各图层的关系与透明度，使虚拟场景叠加于实际场景之上，最终形成增强现实的显示效果(图7)。

图7 增强现实

3 结 语

南京市城市地下管线地理空间信息系统建设运行，为城市的公共安全、规划建设和管理快速提供地下管线信息，为管线设计、施工、维护、管理提供准确的数据，为建设主管部门的管理和决策提供服务。有利于降低各种管线的维护费用和重复投资，减少、减轻管线灾害事故发生的经济损失，为避免管线事故的发生提供可靠的依据，最终将实现城市管线的政府监管、有序建设和方便管理。

未来有待依托系统建设成果，数据共享和大数据挖掘为基础，为各类专业用户和管理用户提供更加丰富和多样化的信息资源，为城市规划、管理、建设、应急响应、专业运营等各领域逐步开展更加个性化和专业的应用服务。