城市地下管网三维管理与应急应用研究

任东风，尹超范，石 岩，贾慧彬

（1. 辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2. 北京瀚博林遥感测图信息工程研究院，北京 100080；3. 95937部队，辽宁 阜新 123000）

0 引言

地下管网是城市社会经济活动的动脉，高效、迅捷的地下管网系统是城市社会经济发展的有力保障[1]。中国城市地下管线种类繁多，管理体制和权属复杂，数据共享性差，敷设在地下的各种管线重叠交错，自来水管道爆裂、城市积水内涝、石油管道爆炸、燃气管道泄露等事故频发[2]，加之基础设施容量的不断扩大，使得城市管线精细化管理的需求越来越高[3]。

现有的城市管网信息管理系统多为缺乏立体感的抽象二维系统，或是只具备简单查询统计功能的三维系统，在突发情况和紧急事故发生时很难发挥作用[4]。国内城市管理部门对城市地下管线的爆管关阀分析，主要是根据城市建设施工的平面图纸，查找爆管位置上游的阀门，人工判断各阀门是否需关闭，效率低且准确性差[5]。许多学者对管线安全隐患及相应的空间算法进行了研究。范海林等[6]根据地下管线事故发生的原因，首次提出地下管网安全隐患分类，建立二维地下管线应急处理管理系统。韩李涛等[7]提出一种沿公垂线方向投影的城市地下管线精准碰撞检测算法，通过判断管段中心线之间的夹角和距离，计算三维空间管线碰撞检测结果。陈义等[8]利用正向广度优先搜索、缓冲区分析及跨管种混接点搜索提出一种基于有向图的流向分析算法，实现在步进搜索过程中自动获取超标水体所流经的管线。以上研究未从地上地下一体化的管网模型设计、数据结构、隐患分析等方面对管线数据进行系统研究。

为了直观展示地下管网与地上建筑的空间关系，定位爆管位置，确定影响范围与关阀点群，分析管线安全距离，本文以Skyline为基础平台，管线普查数据为支撑，整合高精度数字正射影像图（DOM）和数字高程模型（DEM）数据及无人机航拍得到城市三维模型，利用.net开发技术，开展管线连通性、爆管、关阀、安全距离分析研究，以期达到较高的GIS专业空间分析功能，为地下管线管理提供决策支持。

1 地下管网模型设计

1.1 管线模型设计

城市地下管网中包含燃气、热力、给水、排水、电力、路灯、通讯等各类管线，为使三维管网的地下可视化更加逼真，需要各类管线的外观设计更贴合实际，例如各类管线的管道尺寸、使用材质、埋设方式等，管线模型设计见表1。

表1 管线模型设计Tab.1 pipeline model design

1.2 管点模型设计

管点是连接管线之间的枢纽，其分类与所属管线类别联系紧密，管点类型根据可见类型可细分为普通节点、连接点、设备点以及管井，各类管点信息对应的管点内容见表2。

表2 管点模型设计Tab.2 pipepoint model design

2 地下管网数据结构设计

地下管网数据编码优先采用国家标准编码，其次采用行业（部门）编码，没有国家标准编码和行业（部门）编码，则按照规范格式自定义编码[9]。为方便管网分析处理，以线段表示管线，不出现折线，管线两端的端点数据与管点数据一一对应，管线与管点的属性结构见表3、表4。

表3 管点属性结构Tab.3 pipe point property structure

表4 管线属性结构Tab.4 pipelines property structure

3 算法设计

3.1 连通性分析算法设计

连通性分析采用回溯算法，通过管点与管线之间建立的管网关系查找管点之间连通的路径。指定管点A为起点，管点B为终点，判断A、B之间的连通性，通过管线表查找以管点A为端点的管线，获取管线另一端的管点A1记录到数组array1中，若管点A1与管点B不相同，A1记为A做递归处理，直到管点A1与管点B相同为止。同样，对管点B进行上述处理得到array2数组，将管点A、B记录的数组数据array1和array2进行比对，得到相同的管点信息组array3，根据管点记录的顺序查找对应管线并高亮显示。算法流程见图1。

图1 连通性分析流程Fig.1 flow for connectivity analysis

3.2 爆管分析算法设计

爆管分析采用优化广度优先遍历算法[10]，由爆管位置起，结合连通性分析采用的递归算法，找到上游待关阀门点群，并对待关阀门点群中的每个阀门点查找下游是否存在待关阀门点群中的阀门点，在待关阀门点群中如果存在关闭一个阀门点能影响2个或2个以上待关阀门点，该点即为必须关闭的阀门点，将此类阀门点单独留下即可找到关阀点群。算法流程见图2。

图2 爆管分析流程Fig.2 flow of explosive tube analysis

3.3 关阀分析算法设计

关阀分析采用回溯算法，由关阀点作为起点，向下游追溯，找到第一批管点，由该批管点为起点，再向下游追溯，不断迭代，直到下一管点没有多余通往下游的管线连接为止。

3.4 安全距离分析算法设计

安全距离分析是为了判断管线在地下的空间位置是否满足管线规范标准，管线之间存在的空间关系包括平行、共线、相交和异面[11]。

假设管线L1的起点坐标为（x1,y1,z1），终点坐标为（x3,y3,z3）；管线L2的起点坐标为（x2,y2,z2），终点坐标为（x4,y4,z4），L2上任意一点坐标为（x,y,z）。

若L1与L2平行或共线，则

L1与L2之间的距离为

若管线L1与L2相交或异面，则L1与L2之间的距离为

4 算法实现

4.1 地上地下一体化

随着无人机技术的发展以及三维建模软件的逐步成熟，以无人机倾斜摄影技术对城市管线涉及地区采取高精度数据采集，可基本实现全自动生成三维实景模型[12]。系统采用无人机航拍、精细化建模技术，借助Skyline的CityBuilder软件将处理好的实景模型进行加载，真实再现城市地面场景，借助Skyline的TerraExplorer Pro软件，将项目区DOM和DEM处理成地形数据集，结合管线设计原则将采集到的管线管点数据的空间信息与属性信息建立拓扑结构，生成地下管线三维模型，直观展示地上建筑与地下管线之间的空间关系，见图3。

图3 地上地下一体化Fig.3 ground and underground integration

4.2 连通性分析

连通性分析是针对管网单层管线数据是否连通进行仿真模拟，主要目的是为了结合实际查找管线故障位置。若管点之间连通就高亮显示经过的管线。若选择的是给水管线，需要在管线的适当位置标注给水流向。

为直观表示地上地物与地下管线之间的空间关系，在Skyline平台下将地上三维模型下降至漏出管线为止，以给水管线为例，效果见图4。

图4 连通性分析Fig.4 connectivity analysis

4.3 爆管分析

爆管分析为事故处理提供直观的解决方案。通过定位爆管位置，推算出需要关闭的阀门，再从需要关闭的阀门组中剔除关闭其中某个阀门所影响到的阀门，剩下的是待关闭阀门，在图中用红色标注必须关闭的阀门，爆管分析效果见图5。

图5 爆管分析Fig.5 explosive tube analysis

在三维场景中进行决断时，地表只显示待关闭阀门位置，若要观察阀门与爆管位置的空间关系，利用skyline平台的隐藏地上模式功能，只显示该类管线即可，见图6。

图6 爆管位置与阀门位置的路径显示Fig.6 path display of tube location and valve location

4.4 关阀分析

关阀分析是为查找关闭阀门后的影响范围，辅助管线管理人员查看影响区域并及时发布消息，减少周围居民的相关损失。采用连通性分析的处理办法，将地上三维模型下降至漏出管线为止，影响效果见图7。

图7 关阀分析Fig.7 closing valve analysis

4.5 安全距离分析

城市地下管网具有隐蔽性、复杂性的特点，敷设在地下的各种管线重叠交错、杂乱无章[13]，在三维场景中还原管线位置并不能直接判断管线之间是否符合规范。安全距离分析能通过选中的管线之间的空间最短距离判断是否符合管线规范，便于管理部门进行整改。

将得到的距离与数据库中保存的管线规范距离比对，判断是否在安全距离范围内，见图8。

图8 安全距离分析Fig.8 safety distance analysis

5 结论

本文针对城市地下管网存在的问题，从管网模型设计、结构设计入手，借助Skyline平台建立了地上地下一体化的城市三维模型，设计了管线的连通性分析、爆管分析、关阀分析、安全距离分析算法，实现了三维场景中爆管位置查找、爆管位置定位、待关阀门确定，关阀影响范围查看以及管线安全距离分析功能。

今后城市地下管网的研究将侧重于建设还原度更高的地下模式，结合地形信息与周边环境，对于管线突发事故或者地下管线管理进行模拟演示，解决城市内涝问题，为城市地下管网应急处理提供更全面的解决方案。