城市排水管网信息数据库与智慧排水系统研究现状与发展趋势

江 楠，张万辉，马 扬，王韩纳，潘靖阳

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

排水管网是城市基础设施的重要组成部分，其任务是收集、输送、处理和排放工业废水、生活污水和雨水，具有保证城市正常运行、保护环境和城市减灾的多重功能，是确保城市发展的重要物质基础。随着城市化进程的加快，现有地下管网资料未能及时更新，导致与排水管网相关的城市内涝、地面塌陷、水环境污染、挖断地下管线等问题频发，亟需防控预警及治理手段。我国现有的地下管网资料大多以纸质材料记录，工作效率低下，因此加强城市排水管网的信息化管理具有十分重要意义［1］。与排水管网相关的GIS技术、水力模型、在线监测技术等，伴随着近几年来计算机技术的快速发展，在排水管网中发挥重要作用。目前，众多学者从智慧排水系统的概念、建设方法、框架体系、GIS 技术、水力模型、在线监测技术等方面展开深入研究。本文就地下管网信息数据库与智慧排水系统的研究进行评述，阐述智慧排水系统的基础理论和实践探索并对其主要涉及的领域进行研究，梳理智慧排水系统的研究脉络，指出未来的研究方向。

我国地下管网信息化建设已有十余年时间，许多城市都进行了实践探索，各地的经验表明，建立起完整、准确、科学的地下管网信息系统，能够为城市规划和管理提供准确的相关信息［2］，但同时也存在各方面的缺陷与不足。

1 智慧排水管网系统存在的问题

随着城市化进程的加快，传统排水系统难以适应新的城市格局，排水管网系统使用和管理效率低下、事故频发等问题不断出现，阻碍了国家社会经济发展。建立智慧排水管网系统是解决上述问题，进行城市规划、建设及管理的一项根本保障工作。然而现有智慧排水管网系统仍存在诸多不足，普遍存在以下问题。

1.1 资料不齐全，信息滞后

地下管网数据从存储介质上可划分为纸质数据和电子数据，部分地区主要依靠纸质图纸进行管网分析已经显得苍白无力［3］。纸质数据数字化工作滞后，使得智慧排水管网系统数据库中的数据无法反映排水管网实际情况，不能满足业务发展需求。

1.2 管理体制混乱，未按统一数据库标准建设

排水管网数据分散于多个不同管理部门，缺乏统一管理体制，从项目的设计、施工、竣工验收，到后期的保养维护等工作，主要是管线单位内部运行［4］。各管线单位按照自身需求建立独立的数据库，给排水管网数据的更新和维护带来了巨大困难。

早在2016年，住房城乡建设部和国家质量监督检验检疫总局便发布了《城市排水防涝设施数据采集与维护技术规范：GB/T 51187—2016》，提出了规范化的城市排水防涝设施采集与维护要求，为构建格式统一、信息完整的城市排水防涝设施数据库制定了建设标准，从而确保测绘成果在数据库中准确录入。

1.3 系统覆盖范围小

由于城市内缺乏统一的智慧排水管网管理平台，易形成多个排水管网管理系统“各自为政”的局面，各个系统覆盖范围小、功能单一，信息内容不够丰富，造成碎片化管理，智慧排水管网系统无法在城市管网监测、分析等方面发挥相应作用。

1.4 缺少全面顶层设计

排水管网数据来源于设计、建设和管理部门，其建设与相关部门的需求密切相关，系统建设未考虑“一张网”的整体设计与规划。随着各个部门用户的逐渐加入，需求不断变化和增加，系统变得庞大无序，数据格式混乱，难以服务于各部门。

1.5 缺少数据采集与建库作业一体化系统平台

从管网数据探测，到管网病害检测和管网运行监测，目前管网系统平台未覆盖全部过程，各项工作由不同的团队完成。管网数据测绘完成后需专人将数据录入，造成工作重复、效率低下，工作量增加等问题。

城市内涝、地面塌陷、水环境污染如图1所示。

图1 城市内涝、地面塌陷、水环境污染Fig.1 Urban Waterlogging，Ground Subsidence，Water Environment Pollution

2 地下管网信息数据库与智慧排水管网系统的研究现状

智慧排水管网系统由管网信息数据库和管网系统平台两部分组成。管网信息数据库是构建智慧排水管网系统的基础与核心。作为平台基础，数据库存储管网的基本信息，包含属性数据和空间数据［5］，其中属性数据包含埋深、规格、材质、走向、铺设时间和权属等数据，空间数据包含点线面要素的空间坐标数据。系统平台建立于数据库基础之上，通过操纵数据库中的数据，实现可视化展示、分析、管理、判断和编辑等功能。

2.1 地下管网信息数据库研究

数据库技术诞生于20世纪60年代，在过去的50多年里，形成了成熟的理论体系和应用产品，并扩展到越来越广泛的领域。数据库的发展分别经历了层次模型［6］、网状模型［7］、关系模型［8］3个阶段，目前数据库主要使用关系模型。一个完整的数据库系统应该包括数据库、数据库管理系统DBMS（Database Management System）和数据库应用系统3个组成部分。

传统数据库系统仅能存储属性数据，随着信息技术的不断发展和更新换代［9］，出现了满足特定需要的数据库系统，如移动数据库和地理空间数据库等。为实现智慧排水管网的数字化管理，要求数据库能够存储、管理各类管网的属性信息和空间要素信息，目前针对属性信息和空间要素信息的存储主要有以下2种解决方案［10］：

⑴对常规数据库管理系统进行功能扩展。将属性信息和空间要素信息作为不同字段存储在统一的DBMS 中，实现两者的集成。比较有代表性的系统是Oracle Spatial。

⑵在常规数据库管理系统上添加一层空间数据库引擎。该模式也将属性信息和空间要素信息作为不同字段存储在统一的DBMS 中，但在标准关系库之上增加空间数据管理层。代表性的系统是ESRI 的ArcSDE。

比较以上2种数据模型，ArcSDE 对空间数据库的访问效率比Oracle Spatial 要高，是GIS 专用空间数据引擎，对于实现地下管网数据库的存储较为方便，2种数据库在实际应用中均有使用。如2009 年施廷东［11］分析了ESRI 公司的空间数据库引擎ArcSDE 中将空间数据和属性数据集成在数据库中的这一关键技术，并应用ArcSDE 空间数据库引擎实现空间数据和属性数据结合的管理方法。2015 年杨日黎［12］通过Oracle数据库管理系统进行管线数据的加载，建立了济南市市政管网三维可视化管理系统。2019 年梅伟长［13］建立了长春市地下管网管理系统，该系统使用ArcSDE数据库，实现了地下管网数据的成果展示和全过程信息化管理。

2.2 智慧排水管网系统的研究

2.2.1 国外研究现状

随着地理信息系统（Geography Information System，GIS）的诞生和发展，许多研究人员采用GIS 软件进行排水管网的设计及相关应用的研究。2001 年，Booth等人［14］认为应该利用GIS管理地下管线，从而提高管理效率。2002 年Smith［15］指出，利用GIS 能够在预测管道事故中取得较好效果。2010 年奥地利开展了Smart Cities［16］项目的研究，以建立地表和地下统一的数字化模型，用于市政管线规划等工程项目管理等。同时国外利用GIS技术开发了相应的管网应用软件，如英国的Wallingford 水务管理软件，美国的SWMM 水利模型软件等，这些软件可对管网径流进行模拟，实时监控管网系统［17］。

2.2.2 国内研究

2004 年李金平等人［18］采用Visual Basic 为编程语言、MapX 为开发工具进行城市地下管网信息系统的设计，实现了地下管网信息的科学化管理。2005年马民涛等人［19］详细阐述了利用OpenGL技术实现三维展示地下管网的方法，将管线间的空间位置关系以直观的形式进行表达。2007 年余慧明［20］研究了面向对象的综合地下管网数据模型，研究了城市地下管网综合地理信息系统的总体架构和功能实现。2008 年周旭东等人［21］在苏州市建立地下综合管网系统，探索了利用GIS 应对地下管网突发事件的方法，论述了处置过程、应用原理和实现方法。2013 年萧洁敏［22］介绍了GIS 系统在供水档案管理中的应用，未应用系统之前，管线信息录入方法滞后，统计缺乏科学性，查阅比较麻烦。而应用GIS 系统之后，录入数据的准确度和工作效率得到很大提高。2017 年闫晓涛等人［23］提出在物联网的基础上建立智慧水务应用的方法，实现智能化的城市污水处理调度与协调，实现城市污水的有效治理。2018年吴巍［24］论述了智慧水务的重要性，分析了其在城市供水的应用中带来的经济效益。2019 年赵伟等人［25］提出智慧水务的总体要求，综合运用各种信息技术，探索了构建智慧水务的总体框架和思路。

3 智慧排水管网的需求与应用

3.1 智慧排水管网的国内需求

智慧排水管网是指采用先进的信息技术，对城市水务运行进行智能化的管理，是城市管理信息化水平的重要标志［26］。智慧排水管网是智慧城市发展的一个重要组成部分，在排水管网监测、危险预警等方面，发挥重要的作用，利用它可以更便捷高效地管理城市中的水资源［27］。目前，智慧排水管网系统因受制各方面因素，难以达到智慧排水要求。

智慧排水管网系统在各个城市的实践表明，管网的信息化不仅能为城市管理提供科学的决策，并且为城市正常运行、环境保护、应急抢险等提供强大的信息平台。根据相关机构统计［28］，近几年来我国智慧水务业务规模逐渐增长，2019 年市场规模达100 亿元，预计2020 年将达126 亿元。随着人们对信息化和数字化管理手段的意识提高和新技术的发展，智慧排水管网将具有广阔的应用前景。

3.2 智慧排水管网系统的构成

地下管网信息数据库是构建智慧排水管网系统的基础与核心。分析现有研究与实践［29-31］，智慧排水管网系统总体架构可分为3 层，底层为数据库支撑体系，数据来源有历史数据或现场测绘获取，历史数据从管网权属单位获得，测绘数据通过外业人员测得。底层数据库包含了空间数据库与属性数据库，获取数据后需将属性数据和空间数据录入数据库中，最终形成具有拓扑关系的节点、管线、区域成果表，其中属性数据包括材质、类别、直径、建设年代、施工单位、设计单位等，空间数据包括平面坐标位置及起始两点的标高；中间层为以GIS平台为主的软件支持平台，可对管网数据进行操控和编辑，包含了GIS 平台和数据库管理系统，其运行依赖于底层数据库提供的数据；顶层为智慧水务应用平台，其运行于GIS平台基础上，可对管网数据进行操控和编辑，实现地下管网信息化查询、编辑、模拟等功能。

由于探测数据需人工录入，不可避免存在数据错误，在录入数据库之前，通常还需人工对数据进行校核、处理等工作。中间数据录入环节提高了出错率，为简化数据录入流程，许多学者研究了数据外业采集与内业数据整理入库一体化系统。2013 年郭鹏等人［32］提出基于Android 和移动GIS 的地下管线信息采集系统，利用规范的地下管线外业数据采集流程，通过现场测试表明该方法能够较好地提高数据采集的效率和质量。2016年范娟娟等人［33］研究了基于Android系统的移动GIS 管线采集更新系统，通过规范的地下管网外业采集流程，实现了内外业一体化作业，能够满足城市管理中及时更新管网信息的需要。2019 年宣兆新等人［34］开发了一套移动端数据外业采集系统，并在北京的地下管网基础信息普查中得到有效应用。

3.3 智慧排水管网系统的应用

国外发展与建设地下管网已经有了较长的历史，积累了很多宝贵的经验和技术方案［35］。美国于20 世纪90 年代提出了数字化管道的概念［36］，利用管道信息管理系统，能够获取各类管道的图形和属性信息。为减少重复挖掘，减少管线事故，英国贸易产业部于2006 年联合多家大学和公司联合开发了可以减少道路作业的地下设施可视化集成信息平台。

2000 年以后国内智慧排水管网系统如雨后春笋般建立起来，天津［37］、昆明［38］、宁波［39］、东莞［40］等地分别建设了各种地下综合管网管理信息平台，2012 年，厦门市建立了基于空间数据库引擎技术并符合该市实际情况的综合管网管理系统。2013年，常州市在全市范围内建立地下管网信息管理系统。2015年，河北省完成全省的地下管网信息普查，建立覆盖全省的多种类型的管网，实现有效管理的综合地下管网信息管理系统。

4 总结

本文归纳了智慧排水管网系统存在的问题，包括数据不完善、数据孤岛和数据库标准不统一、覆盖范围小、缺少全面顶层设计和缺少一体化的系统平台。研究了地下管网信息数据库和智慧排水管网的研究现状，针对属性信息和空间要素信息，主要有常规数据库管理系统功能扩展、常规数据库上添加空间数据库引擎2 种存储方法，后者为地下智慧排水管网系统普遍采用的方法。智慧排水管网系统研究中，主要利用了GIS处理空间数据并提高地下管网管理效率。分析了市场需求及国内外智慧排水系统的发展情况，并针对一体化采集平台调研，总结了现有的信息采集一体化平台研究工作，提出建立地下排水管网系统一体化平台的必要性。智慧排水管理系统充分发挥了GIS平台技术的功能性，结合计算机技术、互联网技术等，可为相关人员提供丰富、即时的城市排水信息，能够为生产、决策提供数据。但目前智慧排水管理系统还存在很多不足，应建立基于“一张图”的数据外业采集与内业数据整理入库一体化作业平台，并密切关注最新前沿技术，从而进一步提高系统平台的适应性和工作效率。