城市地下管线综合管理信息系统的研究与实践

2014-01-15缪冬生潘伯鸣孙雪梅

常州工学院学报 2014年6期

缪冬生，潘伯鸣，孙雪梅

(1.常州市规划局，江苏常州 213022;2.常州市测绘院，江苏常州 213003)

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，也是城市规划建设的重要基础信息。随着城市经济的迅速发展，城市化步伐的加快，城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城区道路不断向外延伸，道路渐次改造，作为城市重要基础设施的城市地下管网越来越庞大、密集，管线种类越来越复杂，管线信息的更新非常频繁。［1］由于城市管网的空间关系较为复杂，加之各类管线分属不同部门，统一管理非常困难。有些专业权属单位的早期管线资料缺失，大部分管线资料不完整、不准确，而且各专业权属单位新建管线时没有按有关规定进行管线覆土前的竣工测量，无法实现管线的动态跟踪管理。如何行之有效地进行管线信息的动态更新，制定良好的管线现代化建设与管理措施已是刻不容缓的工作。

我国自20世纪80年代末开始研究建立城市地下管线信息系统，广州、石家庄、杭州等城市研发的系统多关注现状数据库，对于规划和历史资料库关注不足。国内一些研究机构和GIS厂商对地下管线的三维应用进行研究，但多数只是对管线进行展示和图形控制，缺乏深层次应用。管线规划、竣工测绘、规划审批部门CAD作业平台分散，且基于CAD平台的管线系统未实现管线数据CAD与SDE图库联动。上海、广州、杭州等城市均有综合管线系统和专业管线的建设，但综合系统和专业管线间缺少紧密联系，重复投入和资源浪费现象较多，两者没有统一的管理及交互共享。

基于上述讨论，本文以常州市武进区地下管线综合管理信息系统为例，从管线数据组织出发，将综合管线、专业管线统筹管理，制定管线标准，建设管线数据库，研究管线质量监理、动态更新、管线共享方法，并介绍武进地下管线系统的特色、创新及信息化管理应用的实施效果。

1 管线信息化技术路线

地下管线的信息化建设需要在全面的地下管线普查工作的基础上，制定规范的数据标准，建立现势、完备的管线数据库，利用现代网络通讯技术，以开放的系统应用平台为依托，集成相关基础信息应用技术，研发科学的地下管线综合管理信息系统，建立地下管线全生命周期信息化管理与更新模式，使地下管线动态更新，方便运行维护管理，提供高效、先进的管线管理应用平台，满足城市规划建设需要，促进城市可持续发展。

1.1 建立城市地下管线标准体系

制定地下管线信息标准和规范，是实现地下管线信息动态管理的基础，需要依据国家、地方相关法律法规及行业技术规范，针对城市特点和规划管理部门的目标和需求，形成具有地方特色的数据标准和相关规范。［2］为满足信息系统建设、动态更新需要，制定标准时需要考虑:①综合管线管点、管线外业探测需求;②外业探测与管线数据库一致性的需求;③专业管线权属单位对相应管线管点属性需求;④管线属性二维、三维一体化的需求;⑤管线数据库现状库、历史库管理及可追溯需求;⑥管线信息分类与编码需求。

1.2 数据库建设

数据库建设应遵循“数据和应用分离”的基本原则，所有数据资源集中管理、集中维护，数据共享。空间数据、非空间数据分开存储，两者之间通过相关特征进行关联和体现，实现数据间的动态互访。

考虑地下管线动态更新需要，地下管线数据库需进行现势、历史数据管理，因此需要在数据库的设计中考虑数据的时间序列。在数据库的设计中以实体为单位建立时间索引，数据的变更以实体的变化为事件触发，用户以时间轴上的时间段过滤空间数据，做到任意时间点数据快速回放。通过添加时间戳的形式，管线数据库可以区分现状库和历史库，实现管线数据历史回溯。

数据库可以基于Oracle 11g、ESRI SDE实现海量管线数据的快速、有序存储。Oracle数据库系统可以提供高性能、高可用性、高可靠性和安全性的数据存储。SDE空间数据引擎则方便利用关系型数据库来管理空间数据，实现数据的统一管理和空间数据的高效访问。［3］

1.3 管线入库质量监理

为保证管线数据库的数据正确、合理，在管线数据入库前，需要对管线进行质量监理。针对管线二、三维数据的不同特性，常州市武进区地下管线综合管理信息系统制定了不同的监理方法。

1.3.1 二维管线数据质检

管线二维数据的质检可以制定监理规则，监理规则包括数据标准比对、属性值检查、属性逻辑检查、图形检查、拓扑检查等。外业提交的管线原始数据按照特定的监理规则进行监理检查，通过则进行成图入库，否则输出错误列表，外业测绘部门根据错误列表进行内业再处理，然后再提交进行监理检查，直至无数据质量问题。

1.3.2 三维管线数据质检

三维管线质检采用的机制是在二维数据动态更新时，实时记录好更新范围和时间版本，以此作为三维管线模型生成的范围和时间依据，通过监理检查此更新范围和时间版本对应的管线库数据，判断数据质量是否达到管线生成的要求，如不通过则根据监理的结果对二维数据进行编辑和调整，直至满足三维管线数据建模的要求。

1.4 管线动态更新模式

地下管线竣工测量是更新管线数据库的常用方法，但由于缺少政策支持，设计、施工、测绘等部门协调不足，导致新建、改建的地下管线工程不能及时更新入库，且目前管线动态更新入库技术理论研究较多，但实际实现的却少之又少。［4-5］

为解决地下管线系统数据动态更新问题，考虑如何提高数据更新的方便程度以及如何减少各相关单位之间的协调工作，常州市武进区地下管线综合管理信息系统制定出一套行之有效的数据动态更新方案，指导管线系统后期的数据生产、动态更新。依据更新方式不同，武进系统管线更新分为范围级更新和要素级更新，如图1所示。

图1 管线更新入库流程

1.4.1 范围级更新

范围级更新是指“更新范围内整体替换”的方式，即删除更新范围内的所有实体(也可分子库、大类、图层)，再写入更新范围内所有新实体数据。该方式可操作性强，简单实用，适用于解决管线管理过程中大范围管线数据的动态更新问题，借助历史数据分离、版本机制等手段缓解数据冗余问题。

1.4.2 要素级更新

要素级更新采用要素比对识别技术，对要更新的数据实体逐一进行比对识别，实现增量更新，新增管线入库，废弃管线迁入历史库。该方法历史冗余数据小，为提高更新效率需要对数据进行状态标记。

1.5 数据共享模式

在完成管线普查、管线数据建库后，迫切需要建立管线数据的共享交换机制，使政府财政投入的效益最大化，提升管线数据应用范围，减少各管线权属单位管线探测、建设资金投入，还能作为管线动态更新的重要补充。综合管线可以利用管线竣工测量实现动态更新，专业管线则可以通过管线管理部门与管线权属单位间的数据双向共享，建立完整、现势的专业管线库。

首先，需要建立一套面向专业管线权属单位的管线数据共享交换机制，明确规划部门与专业管线权属单位之间管线数据共享交换的前提与要求，保障专业管线数据的有效更新，实现规划管理部门与管线权属单位之间的互利共赢。

其次，不同城市地下管线单位部门间的共享要求管线信息系统应满足开放性要求，具备查询基础地形图信息或其他规划信息的接口能力、向管线专业权属单位的专业管线信息系统提供数据共享的能力。

在具体共享操作流程上，为实现共享业务的统筹管理，还需要有明确的共享流程，采用用户申请下载—管理员审核批复—用户下载及用户申请上传—管理员审核批复—上传数据入库的方式实现共享流程的全程跟踪。

2 武进城市地下管线信息化管理应用实践

2.1 武进地下管线信息化概况

武进地下管线信息化工程包括普查探测和系统建设两部分。武进地下管线普查始于2012年10月至2013年12月共完成武进主城区和武进高新区238 km2、市政道路两侧3 100 km的管线探测。燃气及小区给水管线数据采用武进新奥燃气公司、通用自来水公司管线数据共享。

武进地下管线系统建设完成了综合管线信息化技术路线的标准制定、数据库建设和系统研发。通过研究国家相关标准制定符合武进区特色的地下管线数据标准，规范统一地下管线探测、管理标准，基于普查及共享数据建立专业管线库、综合管线库，并统筹管理地形、影像、规划专题等涉及规划业务全流程的空间数据。

建设数据管理系统、地下管线应用系统、地下管线共享系统、ETL专业管线处理工具、CAD辅助设计系统、后台管理系统等子系统。各系统关系如图2所示。

图2 武进地下管线综合管理信息系统

六大系统以业务流程为导向，面向地下管线数据入库、管理、应用、共享，满足管线规划、审批、竣工、验线、供图等多种需求，系统联动，全面实现地下管线信息化更新应用管理。数据管理系统实现了管线数据库的综合管理应用;管线应用系统搭建三维可视化平台，建立武进管线二三维一体化、地上地下空间一体化、专业综合一体化应用［6］;ETL工具实现了专业管线数据的管理，配合管线共享系统，实现了管线管理部门与管线权属单位之间的数据交互共享;CAD辅助设计系统以业务流程为导向，实现竣工测绘及管线规划设计、审批、供图、验线等各项管线业务的一体化作业管理;后台管理系统综合管理各子系统，保障管线数据及管线系统的安全。

武进管线系统综合C/S、B/S架构。C/S子系统采用GIS与CAD集成应用的双通道技术，实现两者的集成，使二者之间信息共享且易于互操作，为管线规划与管理工作提供方便、快捷的技术支持，提高了管线规划、管理与决策工作的效率和质量［7］;B/S子系统采用WebGIS技术，具有跨平台、访问范围广、操作简单、易于部署和维护、平衡高效的计算负载等优点［8］，满足众多用户对空间信息的访问需求。

2.2 系统特色及创新

2.2.1 整合管线规划管理全数据与全业务

系统整合了基础地形数据、影像数据、规划数据、综合管线数据、专业管线数据、道路数据、各类红线数据等等，为武进区的城市规划、建设、管理提供了高质量的数据支持。建设的管线系统涵盖了从管线规划、管线工程计划、管线设计、管线报建审批、管线敷设(竣工)、管线使用、管线维护、管线报废到管线应用等众多方面的业务功能需求，很好地解决了业务办理、数据管理及更新问题，满足各部门的使用要求;提高了地下管线管理工作的质量和效率，为武进区政府、各级权属单位和各级规划管理单位提供决策依据。

2.2.2 建立面向规划全业务管理的地下管线CAD作业平台

考虑到规划管理部门及测绘部门对CAD平台的依赖性，深入了解各部门管线管理业务流程，突破原有功能点孤立、未实现功能串并联的系统实现框架，梳理管线业务流思路，武进地下管线综合管理信息系统实现了CAD平台下管线供图业务流程及方案辅助审批业务流程的整合，以及对外业竣工测绘、管线竣工更新等各项管线业务的一体化作业管理。

CAD平台下实现了地形、影像、控规、红线、综合管线及专业管线等各类管线数据类型的CAD调图及表达，并与管线数据库联动，进行相关图面规整操作，提高了设计效率和设计方案的科学性，极大地缩短了市政工程的规划审批周期。

系统还构建了一个完善、适用的地下管线数据更新流程:工程创建—工程范围线绘制及入库—范围线内管线调图—输出外业MDB—裁剪输出DWG—竣工测量数据展点—实体移动—属性复制—管线范围线统计—输出点线表—数据监理并入库。同时将传统的管线应用从GIS平台转移到CAD平台，结合业主的使用习惯和业务需求，开发了一套能在CAD系统环境中进行管线监理规则定制、管线数据监理、管线数据成图展示的功能模块，极大地丰富了CAD传统使用模式，使用户和管线业务结合得更紧密。

2.2.3 建立健全高效的管线数据动态更新模式

系统建立综合管线数据库，将常州市武进区的地下管线普查数据进行统一入库，实现各类管线信息的规范化、数字化管理。针对管线普查数据更新、市政管线项目竣工更新以及少量管线数据更新调整三类应用场景，在数据管理子系统中实现普查数据入库、范围级更新、要素级更新三种数据入库及更新方式，在CAD辅助设计系统中实现范围级更新、要素级更新两种更新方式，在不同应用场景下灵活、高效地实现管线数据动态更新，确保管线数据的现势性、可用性。

建立专业管线数据库，通过ETL专业管线数据处理工具，实现对各专业管线权属单位所提交的专业管线数据的统一化、规范化管理。ETL工具同时实现专业管线数据的全库更新，保证专业管线数据的长效可用性，同时实现对历史数据版本的有效管理。

2.2.4 实现综合管线数据与专业管线数据双向交互共享

武进地下管线综合管理信息，系统以数据共建共享为基础，开创性地构建综合管线数据和专业管线数据的共享机制，打破两者间的数据共享壁垒。

由于各权属单位的专业管线系统所采用的软件平台和数据格式各异，因此武进地下管线综合管理信息系统建立了统一的中间数据格式，专业管线数据到中间格式数据的转换由高度定制化的ETL工具实现。通过ETL专业管线数据处理工具实现两类数据间数据坐标、数据结构及数据格式的转换。同时ETL工具联合共享交换系统，实现规划管理部门与专业管线权属单位之间综合管线数据及专业管线数据的交换。

2.2.5 先进实用的二三维一体化应用

系统融合常州市测绘院自主研发的地下管线三维可视化Vast 3D平台，搭建了武进管线二三维一体化、地上地下空间一体化、专业综合一体化应用，全面反映地下管网的分布状况，便于管网的维护、检测，实现管网信息从无序到有序管理，为城市的施工建设提供准确、现势的资料，为科学管理提供辅助决策的依据。

地下管线三维可视化平台采用基于网络速率的三维数据传输技术，B/S浏览模式下，三维大场景操作效率达到国内一流水平，用户体验优于同类三维产品和同类三维管线项目。

2.3 系统实施效果

武进地下管线工程强化数据共享，大力推广系统应用，目前已经取得较好的成果。

2.3.1 系统的推广应用

武进地下管线系统及研究成果具有高度专业性，同时具有较强的社会应用推广价值。2014年3月在常州市规划局及各分局进行了推广和部署，为常州市规划局建立了科学高效的管线管理平台。同时系统通过共享交换方式在城市建设的多个领域发挥重大作用，为武进区住房和城乡建设局、武进区水利局、江河港武水务有限公司、广播电视信息网络有限公司、公安消防大队等多家单位提供强有力的技术支持和全方位的服务。

2.3.2 管线数据交互共享

B/S共享系统和ETL工具构建了专业管线和综合管线之间的共享通道，武进自来水公司和新奥燃气公司能在线快速实现专业管线和综合管线的交互共享。目前，已为自来水及燃气专业管线数据共享2次，共更新管线2 061 km;为广电、住建、消防等7个部门提供数据共享服务12次，合计大于600 km管线数据。

2.3.3 服务地铁等城市重大工程建设

利用管线数据库为常州地铁1号线9座场站的管线迁改提供360 km管线数据服务，节约大量人工探查工作量，为轨道设计基础资料收集提供准确的基础数据，为轨道交通优化设计提供技术保障。

2.3.4 消防预警，设计抢险预案

本系统所作的一示范应用就是消防预警，通过物联网传输技术，系统实现给水阀门水压实时获取，为消防部门应急抢险提供实时准确水压值，有效辅助预警。目前，该模块在应急预案中已经利用相关模块进行火点最近阀门寻找、消防车路径规划、灭火过程中进行水压监测，为城市消防规划布局提供基础保障。

2.3.5 管理手段现代化

武进地下管线综合管理信息系统实现了地下管线管理从传统手工操作向计算机综合管理的现代管理模式的飞跃，城市规划管理部门、管线应用部门掌握了城市管线的历史、现在和未来的全数字信息，使城市地下管线的管理、应用及更新逐步走上了科学、规范、动态的良好轨道，有助于辅助城市规划建设，促进城市信息化发展。