物联网和GIS 的地下管网三维实时监控系统分析

李士武 刘 旭 陈晓爽

（正元地理信息集团股份有限责任公司，中国 北京 100000）

0 前言

当前，在城市现代化建设工作中，城市的地下空间开发与利用得到了越来越多人的关注。因为在当前的城市发展建设中，给排水系统、燃气、热力、电力、通信、广播电视以及工业等诸多部门的管线及其附属设施都被设置在地下，可以说，城市地下管网系统是保障一个城市运行最重要的基础设施和“生命线”，与广大市民日常的生活及工作息息相关。 随着技术的发展，基于物联网和GIS 技术的城市地下管网三维实时监控系统应运而生。

1 物联网与GIS 技术概述

1.1 物联网技术概述

物联网（Internet of Things）是一个动态的全球网络基础设施，是基于互联网技术，借助现代智能感知技术、无线通信技术等实现对物品的自动识别及信息的互联共享。 在物联网中，每一个物品都有着自己的位置， 这个位置是传感信息和执行信息的重要内容，如果在物联网中缺少了位置信息，就会影响到事情的处理，导致信息杂乱无序，无法及时有效的进行处理和响应。此外，在物联网中，因为传感器采集到的信息数据量较大，类型较为复杂，且具有高度的动态性和时空特性，因此对数据的存储预处理要求极高。

1.2 GIS 技术概述

GIS 技术是一种立足于地理科学的具有较高综合性的技术。在实际运用中，该技术可以借助现代电子信息技术，建立某一区域的地理空间数据库，并对该区域的实际地理状况进行实时的模拟。 目前，GIS 技术已经被广泛应用于航空航天、军事以及建筑等领域。在城市发展建设中，随着地下管网建设的不断推进，GIS 技术也被广泛应用到城市地下管网的实时监控当中。

2 当前我国城市地下管网建设中存在的瓶颈分析

2.1 更新修复工作不力

随着城市的发展，很多城市的道路交通系统、地面建筑布局都发生了巨大的变化， 而城市早期修建的地下管网系统，在结构安排上无法与之相匹配，部分城市还存在着地下管网严重老化而出现揽水的现象， 甚至还有的城市地下管网经常发生爆裂现象， 使得城市道路出现严重的“拉链”问题。而且，这些问题还严重影响到城市的排水安全， 一旦发生特大强降雨或持续性极端天气，这些城市就会发生严重的内涝现象，出现“看海”的状态。根据统计数据显示，近年来，我国有多个省区市发生洪涝灾害，受影响的人口超过千万人，特别是今年雨季，受到持续强降雨和上游来水叠加影响，南方多个省市发生内涝灾害，受灾人口超过千万。

2.2 污水管网质量不高

城市污水管网是地下管网系统重要的组成部分。当前，我国很多城市的地下污水管网在质量方面参差不齐，很多污水管网的管材质量存在着问题，导致在运行中频频发生管线破漏的现象，一旦发生污水管线破漏，就会导致污水进入城市的河水、地表水及地下水当中，造成清污混杂，不但会污染城市清水系统，还会造成城市土壤污染，形成城市黑臭水体。 甚至有时候，污水管网破裂，还会发生污水带走大量土壤泥沙导致城市地面出现坍塌的现象，严重威胁城市居民的生命和财产安全。

2.3 管理单位缺乏有效的协调

在城市地下管网建设过程中，大多数的管线系统都是循着城市的路网进行设计的，随着城市建设的快速发展，给排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视以及工业等地下管网权属单位存在着明显的各自为政的现象，缺乏统筹管理。在施工过程中，部分权属单位的管线敷设工作没有与城市道路建设工作同步进行，导致城市道路被反复开挖，出现严重的“马路拉链”现象， 不仅影响到了城市的面貌以及市民的正常生活，同时也造成了严重的资源浪费现象，甚至有时候还会危害到城市道路及地下管线的安全运行，导致出现路面塌陷或者管道破裂等事故，为人民群众的生命和财产安全带来威胁。

3 基于物联网与GIS 技术的城市地下管网三维实时监控系统

3.1 城市地下管网三维实时监控系统的目标介绍

当前我国城市地下管网三维实时监控系统的目标，是进一步增强城市的地下管网建设能力，能够全面、翔实地掌握地下管网的属性信息情况，高效、准确地管理城市地下各种不同类型的管线，进而构建出兼具安全、可行及实用等特点的信息化管控系统。 利用该监控系统， 城市职能部门工作人员可以实时查看、统计、搜索并分析相关的地下管线信息，同时能够完成相关信息的输入与编辑、改进与更新等操作，从而提高对城市不同管线信息的额管理监控效果，增强城市对于灾害的防控与救援工作服务质量，并最终达到自动化管控管网运行的设计、分析以及维护的效果。

3.2 城市地下管网三维实时监控系统的功能分析

基于城市地下管网三位实时监控系统的目标，其功能主要体现在如下几个方面：首先，监控地下管网的连通性，并就其连通性进行分析的功能；其次，监控城市地下管网的爆管等灾害问题， 并及时进行处理。在遇到城市地下管网出现爆管等事故时，工作人员可以借助三维实时监控系统， 对于需要紧急关闭的阀门、管线以及遭受干扰的用户信息加以分析，为具体抢修工作提供准确的数据支持；最后，还要对各种管线的横截面进行监控并分析，全面监控相关管线的埋深以及各种不同类型管线之间存在的位置关联。

3.3 物联网与GIS 技术的城市地下管网三维监控系统的构建

在构建基于物联网和GIS 技术的城市地下管网三维监控系统时， 采用了基于SOA 框架技术的微服务架构，其设计兼顾技术框架与规划业务框架，符合当前城市管网三维可视化管理及物联网集成技术的需求。 其系统架构图如图1 所示。

图1 基于物联网和GIS 技术的城市地下管网三维监控系统整体架构图

在设计过程中，三维实时监控系统的框架采用了分层化的设计，第一层为应用层，主要包括三维漫游、管网属性查询、事故应急、辅助决策、信息共享以及实时监测信息查询等信息化应用软件； 第二层是平台层，包括软件支撑和数据中心层，其中软件支撑负责信息系统基础、通用以及专业业务的协同运行、相关数据的专业处理与应用，是整个信息系统运行的技术核心。 而综合数据中心则是整个信息系统的资源核心，由业务数据、基础地理信息数据、档案数据以及元数据等组成；第三层是网络层，是提供感知信息传输的网络途径，主要包括通信网、互联网和物联网；第四层是感知层， 制信息采集的主要渠道， 利用GPS、RFID、传感器等信息感知设备进行信息的采集。

4 结语

综上所述，在我国城市化建设的过程中，为了更好地实施智慧城市的建设，地方政府应积极开展基于物联网和GIS 技术的城市地下管网三维监控系统的构建，促使城市地下各类型的管网从外业采集到内页数据处理以及系统管理的自动化。 其中物联网为GIS技术进行数据的采集和处理，而GIS 技术则为物联网提供了分析和展示，实现了对城市地下管网的动态监控，对潜在的事故危险及时预警定位，从而有效提高城市地下管网这一生命线的公共安全应急能力，促进城市的健康发展。