地下管线综合管理信息系统设计与实现——以重庆市为例

梁风海，徐占华

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 前 言

地下管线是城市基础设施的重要组成部分，担负着城市的能源输送、信息传输、污水废液排放等功能，是城市的血管和神经，被誉为城市的“生命线”[1，2]。为贯彻落实《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，重庆市2015年印发了《关于进一步加强城市地下管线规划建设和管理工作的通知》等系列文件[3，4]。但管线建设和管理存在行业数据分散、各自为政，服务对象不同导致需求不一致，大城市大农村的城市特点带来的坐标系不一致，管理一步到位难度较大以及数据保密等问题。

针对以上问题，重庆市地下管线综合管理信息系统以现有基础地理空间信息资料、城市地下管线设施信息和各类专业信息数据为基础，充分运用信息科学、计算机科学的方法和手段，为城市地下管线的规划、工程施工、故障检测、信息查询以及各相关部门提供多专业、多层次、多目标的综合服务。本文重点阐述数据库设计、系统设计和关键技术，具有参考借鉴意义。

2 数据库设计

城市地下管线是指城市范围内供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等管线及其附属设施，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”[5]。根据系统运行需要，地下管线综合管理信息系统数据应当包含现状管线、地理框架要素数据和系统支撑数据三类[6]，具体组织如图1所示：

图1地下管线综合管理数据库

(1)现状管线由都市区现状地下管线数据库、区县现状地下管线数据库和长输管线数据库组成。现状管线数据以全市统一普查的数据成果为本底，综合各专业管线单位汇交成果进行汇总而成。动态更新采用市场和政府相结合的长效工作机制，按照“谁引起变化谁负责更新”原则，都市区现状管线数据在市场层面通过建设项目规划管理建立以现状地形图(含管线图)测量和竣工测量实施为主的动态更新。在规划选址阶段，建设单位须提交 1∶500比例尺现状地形图和管线图；在办理建设工程规划竣工阶段，建设单位须提交 1∶500比例尺竣工地形图和管线图；在政府层面，一方面定期抽取管线单位共享数据，另一方面采用年度专项更新机制，由财政投入对动态更新未覆盖区域进行一次性更新和入库工作，以保证数据的现势性和完整性[7]；区县现状地下管线数据库参照都市区模式建设，并定期汇交入全市地下管线综合管理数据库；长输管线数据库作为专业库存在。

因都市区和远郊区县之间存在坐标系统不一致的情况，远郊区县的地下管线数据经坐标转换与都市区保持一致后再进入数据库。由于坐标转换导致的误差，远郊区县地下管线数据仅供浏览和查询相对关系，不宜应用于工程管理等工作。

(2)地理框架要素数据存储了本系统空间定位和空间分析所需的基础地理信息数据，该数据主要反映和描述自然地理信息中的行政区划、道路、水系、绿地、建筑物、地名等有关自然和社会要素的位置、形态和主要的属性信息。其中，等高线数据只在长输管线农村地区使用，城区不使用。

(3)系统支撑数据作为重庆市地下管线综合管理信息系统有效运行的必要保证，存储了系统运行的相关环境配置信息、用户权限信息和相关日志等信息。

在管线数据组织结构上，按行业进行划分种类，按数据内容可分为管线点(点状)、管线(线状)、管线附属物(面状)、隐患信息(面状)和工程信息五类[8]。其中，每条管线由两个管点相连而成。管点代表实际的管线设施或者普查的测量点，如供水的阀门井、消火栓、水表、探测点和燃气的管帽、预留口、凝水缸等。管点与管线数据库设计的原则是实现管点与管线的属性拓扑关系。例如选择了一条管线，通过管线数据库能够查找到组成该管线的两个管点。同样，如果选择了一个管点，通过管点数据库能够查找到所有与该管点相连的管线。数据库设计遵循《重庆市地下管线数据建库标准》，考虑到前期普查成果的利用，不包含小区内部自建管线，建设必须确保在字段设计上包含地下管线普查的全部内容，增加对建设年代、运行状态等信息[9]。

在系统保密管理上，为保证数据安全性，将其部署在电子政务内网上运行，同时身份鉴别系统采用多方面、多级别的“认证”措施，包含用户级别的安全认证、操作系统级别的安全认证、应用程序级别的安全认证、数据库级别的安全认证等。依据管线数据使用人员的业务需求不同将各类数据库使用者及维护者，进行了明确的权限划分，主要分为以下四类级别：系统维护级、通用查询级、行业查询级、行业录入级。系统维护级为最高权限拥有者，拥有全部权限；通用查询级拥有的只是读的权限，而没有编辑的权限，主要为市级政府决策部门用户；区域查询级可浏览查询数据库中本行政区所有的数据库表和图层信息，没有编辑权限，主要是区内各委办局用户；行业查询级只有本行业数据库信息的查询权限，而行业录入级包含了“本行业查询级”，能查询、编辑、导出本行业数据库的全部信息，主要为行业用户服务。

3 系统设计

为解决服务对象不同而带来的应用需求差异，系统设计采用数据和系统两个层次提供服务，数据服务是指通过政务网络面向全市政府决策部门和专业管线单位提供地下管线数据共享服务，各部门和单位可根据自身信息化建设条件，实现对全市地下管线信息的整合；系统服务是利用平台提供信息整合、查询分析、统计分析等基础数据分析功能，同时面向不同管理部门的特殊要求可委托定制开发辅助决策工具集，积极探索智慧化、精细化管理模式，面向各权属单位，除提供与政府部门相同的基础功能外，还需要提供二次开发接口、数据管理等服务。

系统建设主要包括综合管网信息服务平台、数据生产更新平台、行业应用子系统、区县应用子系统和基础的软硬件运行环境。其中，项目重点是综合管网信息服务平台和数据生产更新平台的建设，行业应用子系统是利用综合管网信息服务平台提供的接口和数据资源，二次开发完成更加符合各行业应用的专业平台，而区县应用子系统参考都市区综合管网信息服务平台建设，并具备数据汇交功能。

3.1 综合管网信息服务平台

管网综合信息服务平台功能主要包括网站首页、资源浏览、资源中心和开发中心。

网站首页只是一个门户入口，可完成用户登录和其他功能模块的切换工作。通过输入浏览器网址进入首页，在用户未登录的情况下，点击任意功能页面链接或“用户登录”，进入重庆市地下管线综合管理信息系统的登录页面。默认情况下，登录后进入资源浏览模块。

资源浏览具体功能包括：地图和管线浏览、管线和地名查询定位、管线分析、管线数据统计等。资源浏览页面左侧默认显示各类型管线显示开关，右侧是地图，地图上方是数据查询框，地图右上角有空间查询、管线分析等功能按钮(如图2所示)。地图和管线浏览相关操作包含：地图放大缩小、地图漫游、底图切换、显示地名和图层控制等。属性查询包括地名查询、管线属性查询和空间属性定位。管线分析主要包括CAD叠加、横断面截图、纵断面截图、连通分析、开挖分析、流域分析、净距分析和地图导出等功能。管线数据统计分析，主要是按照“建设年代”“权属单位”“几何尺寸”“材质”等类别，对管线长度和数量进行统计。

图2 资源浏览

资源中心分为资源目录、背景地图服务、地下管线地图服务和管线数据信息反馈四部分(如图3所示)。资源目录用来发布管线各类资源元数据信息，如2015年江北电力管线。背景地图服务是指发布背景地图数据服务信息，如给水独立系影像背景地图服务。地下管线服务主要是专业管线单位发布的服务信息，如燃气服务、电力服务等。管线数据信息反馈是指反馈管线错误信息和建设信息。

图3 资源中心

开发中心分为开发指南、参考类、API日志更新和常见问题四部分(如图4所示)。开发指南主要是指开发过程中相关开发指南资料，用户在本页面可查看代码开发的相关材料。参考类是指开发过程中的相关参考类信息，包括核心类、基础类、符号类、控件类、地图图层类、工具类和服务类，通过点击目录或页面顶部的各个类名，可以快速跳转到相应章节。API日志主要显示其更新的内容。常见问题主要显示系统使用或开发过程中的常见状况，可作为知识库为用户服务。

图4 开发中心

3.2 数据生产更新平台

数据生产更新平台是整个地下管线综合管理信息系统设计与实现的核心部分，为其提供了高效、标准的数据生产服务，主要负责数据编辑、入库检查、格式转换、接边处理、更新分发等工作(如图5所示)。

其中，基本GIS工具包括地图浏览、图层控制、距离量测等基础功能；主城与区县管线数据处理功能一致，数据生产更新机制中将数据存储划分为历史库、生产成果库、现状库、分发库四类，首先搜集和获取到满足标准的数据导入历史库，然后使用数据检查工具进行入库检查，检查分属性检查和空间检查两大类，属性检查主要是值域和完整性判断，空间检查主要包括连通性、碰撞、流向、悬挂点、孤立点等方面内容；根据检查产出报告进行数据编辑，将不满足条件的属性和空间信息修改完成并检查合格后，进行数据接边和入库操作，将数据放入生产成果库，同时系统提供自动和手动版本管理功能，为入库数据打上时间戳；数据更新主要将最新的生产成果库与发布服务进行同步至现状库，保证外部调用的现势性；当与外部单位交换矢量数据时，系统提供按分类、范围等条件分发指定坐标系管线数据功能，并将提取数据输出至分发库。

图5 数据生产更新平台

4 关键技术

为提高系统使用便利性和运行速度，完善保密机制，服务不同用户使用的定制化，系统主要采用了单点登录SSO(Single Sign On)技术、地图预生成和实时渲染技术结合、反向代理技术和Web Service技术等。其中，地图预生成是针对长期固定的数据，采用静态预生成栅格图的方式处理，加快用户使用时的速度，实时渲染技术主要应用于变化频次较快的数据，展现给用户的是两种技术叠加后的效果，既满足大数据量展示性能，又满足业务数据实时变动需要。WebService技术是对涉及的功能接口进行封装，发挥技术低耦合、高复用特性，使系统方便集成现有业务系统，也方便完成自身升级改造，为各委办局等用户提供集成便利。

4.1 单点登录SSO技术

重庆市地下管线综合管理信息系统提供了地图服务、要素服务和其他查询分析服务，这些服务分别架设于不同的服务器或者应用空间中，服务本身并不提供权限认证等功能，出于对系统运行效率和服务稳定性等方面的考虑，同时也方便后续应用服务系统的接入，系统将采用基于Token-based模式的SSO认证。

单点登录的实质就是安全上下文(Security Context)或凭证(Credential)在多个应用系统之间的传递或共享。当用户登录系统时，客户端根据用户的凭证(例如用户名和密码)为用户建立一个安全上下文，安全上下文包含用于验证用户的安全信息，系统用这个安全上下文和安全策略来判断用户是否具有访问系统资源的权限。相关流程如图6所示。

图6 单点登录服务流程

4.2 反向代理技术

系统建设过程中，将利用ArcServer进行WMS和WFS的发布，但由于ArcServer本身对WMS和WFS并不具有细粒度的权限管理功能，为保障系统访问的保密性，采用反向代理技术进行功能管理。反向代理(Reverse Proxy)方式是指以代理服务器来接受网络上的连接请求，然后将请求转发给内部网络上的服务器，并将从服务器上得到的结果返回给网络上请求连接的客户端，此时代理服务器对外就表现为一个反向代理服务器。具体模式如图7所示：

图7 反向代理技术

5 结 语

重庆市地下管线综合管理信息系统的建成，实现了地下管网数据的集中统一管理和共建共享，为城市规划、建设、管理以及应急抢险提供服务，切实提升了城市规划建设和管理的水平和城市防灾减灾能力。系统构建过程中，形成了《重庆市地下管线基础信息普查技术规程》《重庆市地下管线数据共享与服务标准》等一批标准规范，发布了《重庆市城市管线条例》《重庆市地下管线数据动态更新管理办法》等系列法律规范，为系统长久生命力提供政策保障。同时，随着BIM(Building Information Model)技术在管线综合中的应用日益广泛，探讨城市三维地下综合管线系统应用，并与生产管理相结合，也是未来重要的发展方向[10]。