城市地下管道信息服务平台建设探讨

2011-09-11

中国建设信息化 2011年2期

一、引言

随着我国经济的飞速发展、城市化步伐的加快以及城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市地上环境日趋整洁，作为城市重要基础的城市地下空间设施规模越来越庞大、密集，种类越来越多，结构越来越复杂，城市管理部门需要管理的设施已由单一、简单的形式发展到包括给水、排水（雨水、污水、雨污合流）、燃气、热力、电力、通讯（电信、移动、联通、铁通、网通、长途传输）、有线电视、地下管廊、工业管道、地铁、人防空间、过街地道、地下车库、地下商城等多类别、多权属且布局复杂的地下空间设施。

城市地下管道是城市的“生命线”，城市地下管道如同人体内的“血管”和“神经”，日夜担负着输送物质、能量和传输信息的功能，是现代化城市高效率、高质量运转的保证。城市地下管道现状资料是城市规划、建设和管理的基础资料，也是电力、电信、燃气、自来水、交通等各行业地下管线及设施安全运行的保证。尽快、全面、系统地管理好城市地下管道信息，是合理开发利用地下空间，保障各行业业务安全可靠运转，以及城市进一步进行规划、设计、施工及运行管理的信息基础。

二、我国地下管道管理现状、问题和趋势

在我国城市发展的沿革中，由于历史的种种原因，各种地下管道的图纸和档案繁多且不完整、不准确，图档管理维护手段落后，查询、转绘图档等工作效率低，图档的更新和归档不能做到迅速及时，遗漏、破损、老化、信息重复等问题较多，特别是数据采集不能跟上城市的发展进程，“现状”反映滞后，库存管理信息资源利用率低，且不方便。更为严重的是，城市多种地下管道资料的综合利用非常困难，从而造成各类工程建设时，屡屡发生管线的意外事故，并进一步导致停水、停电、停气、通讯中断，甚至引起灾害事故。在紧急灾害事件发生时，更是无法同时准确的提供多种、多幅管线资料，进而造成调度、指挥、决策迟缓，以致直接和间接的经济损失严重。

国外发达国家大都完成了城市化进程，城市地下管道布局基本稳定，也基本实现利用信息技术有效管理地下管道资料。而我国正处于高速城镇化发展时期，城市面貌日新月异，城市地形地貌、用地、规划布局不断发生变化，新建、改建、扩建项目不断增加，地下管道的资料采集、整理等工作需要跟上城市更新的步伐。然而，我国城市地下管道具有的多管理部门、多权属部门的特点，使得城市综合地下管网资料往往处于较为严重的分散状况，地下管道的规划审批在规划部门，建设管理在城建部门、管道资料移交到城建档案馆，给水、燃气、热力、电力等专业管线都有各自的权属单位，并且权属单位一般都是国有企业性质，这些单位根据自身业务需要掌握部分数据，因此，即便有电子化的地下管道数据，那也是分散各处、标准不一、无法整合、无法共享。

由于地下管线信息存储的离散性，缺少地下管线信息共享的法规约束和共享激励政策，以及没有统一的地下管线信息共享支撑平台，决定了地下管线信息需求者利用地下管线信息时，需要到多个单位和部门。[2]要改变这种状况，就应查清城市地下管道的现状，建立科学、准确、完整，动态的城市地下管道管理信息服务平台，从而提高城市管理的水平，满足城市规划、建设、管理、运行和服务的需要。

通过建立城市地下管道信息服务平台，制定城市地下管道相关政策、标准和规范，将地下管道普查成果作为信息平台初始化建库的数据来源，建立城市地下管道各政府部门和各权属单位间数据采集、处理、移交、管理、利用的动态管理机制，确保及时获取各类专业管线敷设、变更、废弃等信息，为政府部门更好的规划和管理城市地下空间服务，为权属单位更好的开展专业管线工程的设计和安全施工提供便捷的服务。

三、城市地下管道信息服务平台应用分析

（一）建立城市完整的地下管道综合数据库，解决数据分散和不精确的问题

建立完整准确的城市地下管道综合数据库，掌握城市给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业等各类专业管道的基础数据，包括管道空间位置、空间走向、网络拓扑、管道材质、埋设类型、管道结构、抗震强度、权属单位、建设年代、承载业务等基础属性信息，以及周边地铁、地下停车场、地下仓储、防空防灾设施等基本信息。同时支持各类专业管道运行状态检测和定位所需的扩展属性信息，例如管道重点地段的状态监测设备和类型，运用物联网技术采用诸如RFID等手段，对地下管道乃至管线进行标识，从而为管道管线的实时状态分析和定位勘测提供基础，方便地下管道管线的查找、维护和应急处置。

（二）建立城市地下管道数据动态更新机制，解决数据缺乏现势性的问题

城市地下管道综合数据库建设需要完整的、精确的数据来源，地下管道普查工作可以重新勘测获取城市历史的地下管道完整和精确的数据，这可以解决城市地下管道综合数据库的初始化工作。我国城市普遍处于快速更新和扩展的情况，如果地下管道的变更和新增情况无法及时获取，必然造成已经普查数据缺乏现势性，而且开展地下管道普查是需要投入极大的人力、物力和财力，各地财政难以承受一轮一轮的普查资金投入，因此迫切需要建立城市地下管道数据动态更新机制。

动态更新机制建立需要充分将相关政府部门和权属单位的日常工作机制相结合，一方面加强地下管道竣工测量和成果备案管理、地下管道竣工测量成果移交规范和数据标准，及时获取市政工程项目对地下管道变更情况和标准化数据并入库；另一方面建立与各权属单位地下管道数据库的对接和协调机制，获取各权属单位自行施工调整或敷设管线的符合入库标准的最新数据。

（三）建立城市地下管道数据有限共享机制，解决权属单位积极性的问题

城市地下管道综合数据库的建设需要整合各政府部门和权属单位现有的数据，按照“共建共享、共享共建”的思想，才能建成城市地下管道综合数据库并持续保持现势性。

为了提高各专业管道权属单位提供数据的积极性，经过汇总、整理和处理的城市综合管道数据需要进行有共享，由于我国城市综合地下管道的数据管理是属于秘密级，不能全面对权属单位进行开放，因此要建立有限共享的机制，建立完善综合地下管道数据的区块申请、审核和调用流程，在保障综合地下管道数据安全性的前提下为权属单位和施工单位提供较为准确的数据，可以有效减少由于信息缺失导致的地下管线损坏和各类后继事故。

（四）实现城市地下管道运行状态监测，解决故障事前难以预判的问题

城市地下管道规模庞大、错综复杂，负担着城市生产、生活所需能源的输送及废物、废料输出和通信信息资源传送的工作，是城市基础设施的重要组成部分，是城市赖以生存和发展的基础。地下管道的安全运行和日常养护，对于城市的正常运转来说非常重要，一旦出现故障，同时带来停水、停电、停气、通讯中断、城市内涝，燃气管道的故障甚至可能带来灾害性事故。

各专业管道权属单位通过安装状态监测设备，实现对地下管道关键地段的温度、湿度、烟雾、图像、异响、有毒气体等监测，实现管道防火、防洪、防爆等自动化监测。在此基础上，各专业管道权属单位开发建立管道故障预测、定位和抢修系统，实现管道故障的早期征兆捕获预警、故障的实时定位、抢修队伍的快速指挥等管理功能。同时，基于城市地下管道信息服务平台之上开发地下管道综合运行状态检测系统和事故影响分析决策系统，根据管道的事故发生位置，加上空间信息和管道拓扑信息，实时分析其影响区域，结合所影响区域相关社会信息，以地理分布图的形式显示，能清楚地发现和分析因管道事故带来的其它影响，为事故应急处理提供决策数据。

（五）支持城市地下管道的规划设计，解决地下空间难以科学规划的问题

在建立了城市地下管道综合数据库以及动态更新机制的前提下，掌握了较为完整和精确的城市地下管网数据，基于城市地下管道信息服务平台，开发城市地下管道规划设计系统实现管道的工程辅助设计，根据国家规范和其它标准以及现状管道之间的关系，限定规划管道的布设界限，并提供方便的管道图形建立、编辑工具。同时，基于城市地下管道信息服务平台开展城市地下综合管廊的经济分析，实现地下管道乃至地下空间的科学规划。

四、城市地下管道信息服务平台基本架构

城市地下管道信息服务平台是一个符合城市现代化管理要求的分布式、开放式、模块化、可扩充的信息化管理与服务平台，能够安全、可靠地为各协作单位提供数据和应用服务，同时在该平台之上可运行多个相对独立的综合应用系统。

（一）平台应用模式

城市地下管道信息平台是在管道相关管理部门、权属单位和工程建设单位等之间建立起一个城市地下管道数据采集、更新、处理、利用的顺畅机制，图1是城市地下管道信息平台的基本应用模式：

地下管道信息服务平台紧紧围绕“公用基础设施信息服务”这个核心来设计，在一个或者多个行业之间建立管道信息共享和应用服务的平台，以消除信息孤岛，防止重复建设，提高国家公用事业的运行效率。通过该平台的建设，逐步消除各行业目前存在的地下管道数据冗余、重复、冲突等现象，最终实现准确、高效的地下管道统一管理。在设计上，充分考虑将来建立城市地下空间地理信息系统的需求，采用标准化、开放式的架构，以实现将来进一步的扩展。

1、为地下管道管理部门提供的应用服务

城市规划部门向平台提供城市主干道地下管道普查数据，城建档案部门向平台提供城市小区管网数据，平台向规划、市政建设、市政管理、路政管理、交通管理、水利部门、城建档案等政府部门提供综合管道数据，提升各自业务管理能力。

2、为地下管道权属单位提供的应用服务

各地下管道权属单位向平台提供管道承载主要业务信息、自行调整或敷设的管道数据，从平台申请获取某一区域综合地下管道数据，提高其工程设计合理性和施工的安全性。

图1 城市地下管道信息服务平台应用模式

3、为工程建设相关单位提供的应用服务

工程建设单位向城建档案部门查询调出施工区域综合地下管道数据，为管道合理设计和安全施工提供数据支持。工程建设单位、施工单位、监理单位按照地下管道工程竣工成果移交规范及其竣工测量数据标准，及时移交城建档案部门，由城建档案部门将工程区域地下管道数据进行更新。

4、为市政府综合管理部门提供的应用服务

基于城市地下管道综合数据库和城市地下管道信息服务平台，开发地下管道规划设计、地下管道运行状态检测、地下管道事故影响决策等系统，为城市地下管道的规划、建设、运行及事故快速响应提供服务。

（二）平台业务架构

城市地下管道信息服务平台整个体系结构分为三层：数据层（包括数据获取、存储和维护等）、平台层（包括信息总线服务、交换服务和元子功能服务等）、应用层（包括基于应用单元的综合应用、管理部门应用和权属单位应用等），见图2。

1、数据层

数据层是城市地下管道信息服务平台的基石，缺乏完整准确的数据，难以开展各类数据分析、挖掘和专题建模，并为各类应用提供服务。数据层一般采用商业数据库作为关系或空间数据存储，采用企业级GIS软件进行空间数据的管理。主要存储有城市地理空间数据（矢量、遥感等）和包含各类管道的地下管道数据库，地下管道数据库包括地下管道空间数据、地下管道属性数据、地下管道服务数据、管道实时监测数据、管道监测历史数据等。其中管道实时监测数据从安装的地下管道状态监测设备获取，或者从各专业管道权属单位数据库中获取。

2、平台层

图2 城市地下管道信息服务平台业务架构

平台层主要由城市空间信息服务平台、城市地下管道数据交换服务、城市地下管道信息服务总线和各元子功能服务组成。城市空间信息服务平台基于GIS的管网建模与拓扑分析模块提供了一个以管道应用为中心的面向对象的系统模型建立与维护工具，在这一模块的基础上，为应用层提供管网拓扑结构的分析功能。城市地下管道数据交换服务通过开放数据接口适配器，获取各专业管道权属单位系统的数据，如电力电缆管理系统、电信光缆管理系统、燃气管道管理系统等。城市地下管道信息服务总线是城市地下管道信息服务平台的内部信息通道，将各元子功能服务进行联通。元子功能服务是为地下管道应用层提供支持的功能最小单元，主要数据功能服务、数据操作可视服务、管网拓扑分析服务、管网建模服务等。

3、应用层

应用层是基于城市地下管道综合数据库和信息服务平台之上，开展面向政府管理部门、权属单位的管道业务和分析应用。提供基础应用单元、管道业务应用单元和管道分析应用单元，由这些应用单元，可以组合成城市地下管道综合应用、管理部门应用和权属单位应用。城市地下管道信息服务平台是分布式、开放式、模块化、可扩充的信息化管理与服务平台，综合应用、管理部门应用和权属单位应用在物理上是可分布在各部门或单位，但在逻辑上是互联互通的。

五、地下管道管理需要充分运用技术集成

随着信息技术的飞速发展，城市地下管道管理服务平台及其应用可以充分运用技术集成，为城市地下管道的科学规划、设计、建设和安全运行提供更好的支持，下面举几个可集成应用的技术。

（一）运用物联网技术进行管道标识

地下信息的不可见性是地下管道信息管理面临最大的难题，以RFID为基础的物联网技术为该问题的解决提供了部分方案。通过在管道内部以及管线上安置RFID标签，实现管道及其内各管线的准确标识，有利于将来对管道内单元的快速辨识。由于RFID标签可以进行远距离射频识别，可以帮助地面施工时对地下情况进行快速勘测，避免管道和管线破坏事故的发生。

（二）以拓扑为核心的数据建模方案

传统的空间信息平台往往以位置信息或者地学信息作为数据模型的基础，而对于管道管理而言，管网拓扑及建立在拓扑之上的拓扑分析上才是解决问题的关键。以地下管网拓扑作为数据建模的核心，能够很好地解决以连通性为基础的管道管理问题。尤其是在共同沟（地下管廊）作为地下管道管理发展趋势的情况下，地下管道及其内管线的拓扑管理，将成为解决未来地下管道问题的关键。

（三）以移动互联网为信息基础架构

地下管道具备地理沿布的特点，工程的勘测、施工、维护都需要人员大范围的移动，而大型城市的地下工程更是规模庞大、错综复杂。采用移动互联网架构，能够将信息发布到任何计算机终端、手持设备、通信工具上，从而使工程人员具备随时随地管理网络的能力。

（四）采用微型机器人进行数据勘测

微型机器人与平台数据中心相配合，能够对地下管道进行勘测，自动传回管道的位置、走向，并在人工指引下进行摄影、摄像、安装RFID芯片、部署监测传感器等工作，从而部分解决地下管道勘测难、施工难的问题。

六、城市地下管道信息服务平台实施策略

按照“统一规划，分步实施”的策略，城市地下管道信息服务平台的建设分为如下几个主要阶段，根据各城市现有基础和条件，各阶段工作不一定是顺序开展。

阶段一：地下管道信息标准化

城市地下管道的管理牵涉到多个行业，是一项复杂的系统工程。在整个工程开展过程中，需要有一套科学、可行的工程实施步骤，以保证管道数据准确无误，而首当其冲的是建立符合国家和各行业规范的数据标准和普查标准。尤其需要制定《地下管道普查与信息系统工程总方案》、《地下管道普查技术规程》、《地下管道信息系统总体设计》、《综合地下管道数据建库标准》《地下管道普查工程监理规定》、《地下管道工程竣工成果移交规范》、《地下管道动态管理建议实施方案》、《地下管道数据共享交换标准》等一系列规范和标准，以保证数据的准确性和统一性。

阶段二：信息化基础设施建设

在标准的指导下，建设整个平台信息化软硬件系统，开发相应的服务器和客户端软件，实现管道信息的建模、监测实时数据接入等基础功能。各专业管道权属单位和管理部门已建业务系统根据标准进行局部改造，或通过数据转换适配器程序为接入统一平台做好准备。

阶段三：地下管道信息普查

在标准的指导下，采用工程竣工资料和实地勘测相结合的方式，对数据进行摸底和录入。在政府协调下，取得各专业管线工程单位的配合，获得相关管道竣工资料，按照数据标准进行格式转化和数据录入。现场勘测工程人员配备相关移动设备，并携带机器人对管道进行情况摸底，必要时同时为管道部署RFID芯片和监测传感器。

阶段四：建立地下管道动态更新机制

在平台的支持下，建立起地下管道规划、设计、运行、维护的统一管理流程并加以信息化，实现城市地下管道管理部门、权属单位、建设单位共建共享和协作，实现城市综合地下管道数据的及时更新和动态管理。