三维智慧管线综合管理系统关键技术研究——以山东省禹城市为例

许飞

(德州市自然资源局,山东 德州 253000)

0 引言

地下管线资料是城市规划建设的重要依据，在城市建设中，新管线规划、设计和施工、旧管线更新以及大部分土木工程的破土动工都需要准确的地下管线现状信息[1]。近年来，随着我国城镇化的不断推进，各级城市的规模日益扩大，作为城市生命线的地下管网资料暴露出图档信息不全、现势性差、精度不高、管理缺位等问题，由此，建立地下管线综合管理系统显得尤为重要。2014年，山东省德州市成为住房城乡建设部指定的首个地下管线综合管理试点城市，经过几年的建设，其下辖的禹城市在地下管线信息系统建设方面取得了一定的成绩，为政府部门在地下管线的规划、决策、运营、服务等方面提供了重要参考。当前，在“智慧城市”建设的新背景下，原禹城市地下管线信息管理系统已经朝着三维和智慧的方向推进，三维智慧管线综合管理系统应运而生，该系统以二三维一体化的方式来反映地下管线的空间位置关系，构建起一个集管网数据动态更新、三维综合应用和信息共享共建于一体的GIS综合管理系统。本系统的建设对于实现城市地下管网的规范化、科学化、数字化和智能化管理，服务于智慧城市的规划和建设具有重要的意义[2]。本文以山东省禹城市为例,对三维智慧管线综合管理系统的总体架构、系统数据库及功能设计进行了介绍，重点探讨了系统建设中应用到的三项关键技术，解决了二三维一体可视化、数据动态管理更新以及后期管线运维管理的相关问题。目前，该系统方案已通过论证即将进入实施阶段。

1 系统设计

1.1 系统总体架构

禹城市三维智慧管线综合管理系统采用层次式的技术架构，将多源、多类型的地下管网资源进行有机组织，实现管网数据的高效管理与持续更新，提供便捷、安全、跨地理信息平台和三维应用展示平台的在线数据服务。该系统按照层状结构划分为应用层、支撑层、数据层、基础设施层，与网络环境下(B/S)层次结构相对应[3]，直接面对不同用户群体的需求，实现管网数据的管理、发布、决策和分析功能(图1)。

图1 系统总体架构

1.2 系统数据库设计

1.2.1 数据库总体架构

禹城市三维智慧管线综合管理系统采用SQL Server的技术组合，基于空间数据的概念组织和管理数据，通过各种方式将空间数据、属性数据存储在数据库中，使基础空间数据库成为城市地下管线三维应用子系统的基础设施，成为各行业的信息系统的空间定位基础，从而实现准确、高效以及高度共享空间数据库的目标[4]，数据库总体架构如图2所示。

图2 数据库总体架构图

1.2.2 数据库建设

地下管线数据库的数据内容包括空间地形数据、管线数据和管线属性数据3种类型[5]。空间地形数据主要包括与管线相关或者相邻的基础地理数据；管线数据是指城市各种专业性管线及相关设施信息，主要包括给水、排水、通讯、电力、热力、工业管道等，管线数据通过管线探测及调查得到。管线属性数据即地下管线需要进入数据库的相关数据，主要包括：X坐标、Y坐标、管线材料、附属物、地面高程、井底高程、压强/电压、管顶高程、管底高程、埋设方式、管径、埋深、电缆条数、光缆条数、总孔数、已用孔数、建设年代、权属单位、连接方向、截面等属性。

数据建库需要按照一定的流程步骤，大体可分为几个阶段，主要包括数据清理、检查与处理、库制作等[6](图3)，而在建库的过程中还需对系统进行调试，等数据处理完善后，再将其集中进行入库。

图3 数据库总体架构图

1.3 系统功能设计

禹城市三维智慧管线综合管理系统旨在建立一个开放、兼容、可扩展、实用、安全的城市地下管线综合管理系统，不但能实现管线信息的地上地下一体化展示、查询、统计、分析、智慧实时监控等功能，同时还支持城市规划建设管理决策，提供管网信息化管理[7]。本系统包括系统管理、数据动态管理、数据自动更新、三维综合应用和信息共享共建5大功能模块。

1.3.1 系统管理

对整个平台的用户、角色、使用权限进行配置，同时实现系统运行日志的记录和管理[8]。通过该系统可对各个用户进行功能权限的配置，保障系统的数据安全和运行安全，也可以对各用户的数据权限进行配置，使得指定用户只可以使用或管理部分数据。

1.3.2 数据动态管理

主要实现地下管线探测后，数据的自动检查、自动生成管线图、数据接边处理、数据入库、编辑整理和多种格式的输出。该系统主要为数据管理人员使用，在数据输入、输出和整理过程中，后台会自动记录所有操作和过程数据，对现状管线和历史管线同时进行管理[9]。另外，还可以对整个的管线图进行浏览、属性查询、指定区域内管线查询统计，对管线进行多种信息的标注。

1.3.3 数据自动更新

实现地下管线数据由二维到三维的全自动更新。后台服务器软件会不断检测数据库是否有最新管线数据进入，自动将新入库的管线进行三维建模和更新到三维系统里，使三维场景和二维场景自动保持同步[10]。同时，系统可以将后台数据库的全市地下管线数据进行定期的自动备份和恢复，保障数据的安全。

1.3.4 三维综合应用

实现三维场景的构建以及对管线的浏览、查询、统计、分析和辅助决策，包括地形地貌、道路、地名，以及城市地上地下三维空间的构建。通过鼠标可以自由浏览三维地下管线，直观了解地下管线分布情况和他们之间的空间位置关系。

1.3.5 信息共享共建

实现地下管线及相关基础地理数据的发布为各相关单位共享。管线相关单位可通过浏览器对地下管线进行浏览、查询、统计，随时掌握地下管线信息，同时可通过网络平台上传最新竣工数据，实现管线数据的动态更新，保障建设成果的长久生命力[11]。

2 关键技术

2.1 基于skyline的二三维一体可视化技术

Skyline软件为网络和非网络环境提供了一个三维交互世界的窗口，能够指导用户在本地或网络环境下进行基本数据生成、数据传输、数据可视化和数据分析等[12]。禹城市三维智慧管线综合管理系统采用Skyline作为三维GIS平台，综合运用其三维GIS仿真技术和数据库技术，实现了二三维一体化展示和分析。三维海量数据网络发布是Skyline特有的专利技术，本系统充分利用该技术将不同来源、不同分辨率的多源影像和管线数据进行高效融合，整合地形模型、二维GIS图层并添加注记、多媒体文件等其他场景要素，同时将二维空间数据与三维空间数据的平面坐标进行匹配，使二维平面信息和三维模型信息能够基于统一的空间坐标系统进行无缝叠加和融合，能够提供基本的放大、缩小等三维地图浏览功能，实现了二三维空间的一体化展示。此外，本系统基于Skyline实现了地下管网的二三维一体化数据分析，使用户能够在浏览逼真的三维管线的同时也能实现复杂的统计分析功能，具有等高线分析、地形分析、土方量分析、地形调整等功能[13]。本系统基于skyline将二维与三维的优势进行互补，有效实现了二三维一体化的管线展示和分析(图4)。

图4 二三维一体显示界面

2.2 基于管线全生命周期的数据动态管理更新技术

禹城市三维智慧管线综合管理系统支持多源、多时段、多尺度、丰富属性的海量地理信息数据资源，同时充分考虑到用户现有数据资源的情况，能够将各类数据进行统一管理，提供简便的方式将客户现有全生命周期管线数据资源进行整合并输入系统。独创的动态管理更新技术，通过调用缓存减少从较慢的数据源的加载过程，并且能够预先创建缓存然后用流方式更新数据，从而能够最大化提升系统对海量管线信息数据访问及更新效率。本系统还通过统一对象标识编码对地下管线全生命周期数据进行管理，对象标识指的是以实物或电子数据形式表现某一物所具有的属性或特征的符号或标记，其所承载的信息直接反映客观物理对象情况[14-15]。本系统通过一对象标识编码建立了地下管线全生命周期监管档案，将地下管线基础数据以及管线管控活动中产生的规划建设数据、日常运维数据、实时监测数据、事故及处置数据、报废处理数据等信息进行汇总，生成管线全生命周期数据。当管线数据发生变化时，系统可对变化区域的管线数据进行数据检查和自动更新入库，并将废弃的管线存入历史数据库，从而保证现势库中的数据能够真实、准确地反映地下管线现状[16](图5)。

图5 数据动态管理更新界面

图6 爆管分析界面

2.3 基于物联网的智能传感与实时监控技术

物联网是当前流行的前沿技术，其将人、机、物通过互联网进行互联互通，以实现对各种物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理[17]。物联网技术的核心在于能够获取感知对象的全方位信息，包括对感知对象进行精准的空间定位，而且能将空间信息和其他数据信息进行传输并展示在物联网管理平台中[18]，物联网的智能传感与实时监控技术在此方面有着得天独厚的优势。禹城市三维智慧管线综合管理系统依托物联网的这两项技术实现了对管线运维及突发事件的安全管理，其通过在管线关键部位安装智能传感器，实时采集地下管网的运行数据，结合专业分析模型对采集到的数据进行处理、建模和推演，遇到爆管事故不仅能快速定位出事地点，还能对故障进行归类和分析，生成相应的故障分析报表，方便管理部门对潜在的故障隐患和运行风险及时作出预警和应对措施。本系统具备实时监控设备的功能，在三维场景中，用户可监控到设备的实时运行状态和控制模式[19-20]，如井盖开启状态、液位超限状态、电流电压超限状态等信息，系统根据监控到的数据和状态自动进行计算分析，判断潜在的故障隐患，如某排水管线发生爆管事故，系统则会根据爆管发生的位置，自动判断出管线的类型进行相应的爆管效应，并搜索出离该处最近的几个阀门加以区别显示，从而直观的给决策者提供爆管关阀信息(图6)。

3 结语

根据山东省禹城市三维智慧管线综合管理系统建设的需求，文章详细分析了系统建设的总体架构、系统数据库及功能设计，并重点探讨了系统建设中应用到的三项关键技术。三维智慧管线综合管理系统的建设实现了城市地下管线信息的集中统一管理和共建共享，为政府在城市规划建设和日常管理方面提供了重要的依据，同时对提升政府形象、推进智慧城市的建设奠定了坚实的基础。禹城市三维智慧管线综合管理系统当前还处于起步建设阶段，随着“智慧禹城”建设的不断深入，该系统将在现有成果的基础上不断完善，更好的带动关联产业的发展，更好地服务于城市的建设和社会发展。