智慧城市地下管线三维智能服务技术体系研究

杨伯钢 顾 娟 宣兆新 田文革

(1. 北京市测绘设计研究院， 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室， 北京 100038)

0 引言

随着大数据、智能化、物联网、移动互联网和云计算等新型信息化技术时代的到来，智慧城市的建设水平和能力得到了极大的提高，城市变得更易于被感知，资源更容易被整合，城市管理更加精细化、三维化和智能化[1-4]。“大智物移云”已经成为交通、物流、生活、教育等领域智慧化的重要技术支撑和实现途径[5]。

城市地下管线是指城市范围内的供水、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”[6-7]。近年来，由于城市快速发展以及地下管线的隐蔽性和复杂性，我国城市地下管线，特别是综合地下管线管理水平不高，城市地下管线与地面建设、地下空间建设之间的矛盾日益突出，一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷等事件，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。

地下管线的三维智能化管理是智慧城市建设的重要内容之一，是提高城市精细化治理能力的重要基础平台。我国也逐步认识到地下管线信息化、智能化管理的重要性，加大了地下管线普查和信息化的支持力度，国务院27号文(国办发〔2014〕27号)要求“全国各城市应全面查清城市范围内的地下管线现状，获取准确的管线数据。建立综合管理信息系统”，要把“加强城市地下管线建设管理作为履行政府职能的重要内容，统筹地下管线规划建设、管理维护、应急防灾等全过程，综合运用各项政策措施，提高创新能力，全面加强城市地下管线建设管理”，应“加大城市地下管线科技研发和创新力度，鼓励在地下管线规划建设、运行维护及应急防灾等工作中，广泛应用精确测控、示踪标识、无损探测与修复、非开挖、物联网监测和隐患事故预警等先进技术。” 国务院印发的《国家新型城镇化规划2014—2020年》中提出“发展智能管网，实现城市地下空间、地下管网的信息化管理和运行监控智能化”。住建部提出的《国家智慧城市试点指标体系》中明确规定“实现城市地下管网数字化综合管理、监控，并利用三维可视化等技术手段提升管理水平”。

本文以北京市地下管线普查及信息化建设项目为依托，融合利用测绘地理信息技术和“大智物移云”等高新技术，针对地下管线无接触智能调查、自动化探测、智能处理与分析和智能共享平台等地下管线信息化全过程关键技术进行攻关研究，初步构建了智慧城市地下管线三维智能服务体系。

1 体系框架

智慧城市地下管线三维智能服务技术体系框架具体见图1，主要由地下管线无接触数据智能获取技术、地下管线数据自动处理工艺流程和工具、地下管线自动三维建模技术、多源数据融合的城市地下管线智能服务平台等四个方面组成。支撑技术主要包括移动地理信息系统(Geographic Information System, GIS)、云计算、虚拟现实、大数据、人工智能、物联网和摄影测量等。应用领域包括地下管线普查、探测、地下管线数据处理、管线数据建库和数据中心建设、多源异构管线数据集成、地下管线三维建模及地下管线数据的应用等。

地下管线无接触智能全系调查探测技术主要研究地下管井无接触智能调查、复杂管线及管线周边病虫害的无接触智能调查、管道无接触智能排查和修复及地下管线采编一体化工艺等。

多源异构地下管线智能处理和时空数据中心建设主要研究地下管线数据智能处理技术，包括数据检查、数据接边、数据转换、与物联网时空数据流集成方法以及地下管线更新等。

地下管线精准三维自动建模技术主要研究地下管线精准三维建模与可视化方法、地上地下三维模型无缝集成方法以及城市三维场景的数据组织方法等。

地下管线三维智能分析与诊断平台主要研究利用大数据、人工智能等高新技术实现地下管线在城市规划、应急决策、运行监控、隐患排查等方面的智能应用方法。

2 地下管线无接触智能调查探测技术

2.1 地下管井无接触智能调查技术

地下管井调查探测是地下管线普查的重要内容，传统做法主要是调查人员进入到地下管线井室内采集相关数据。但封闭的地下有限空间内环境恶劣，存在诸多危险因素，极易造成的人员伤亡，损失巨大[8]。数字摄影测量是应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，是提取所摄对象用数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科[9]。本项目利用摄影单像解析计算原理，对地下管井无接触智能调查技术进行研究，研发了基于CCD数码镜头的地下管井遥控摄影测量仪和基于Android开发了数据移动采集系统。系统包含了镜头控制模块，相片的存储与调取模块，相片数据解算模块，以及管线数据录入处理模块等。软件遥控硬件设备，获取地下管线井室内实时影像或采集照片，实现对管线井室内及管线属性采集及量测。该成果创造了非进入式管线井室调查作业模式，突破了传统管线井室需下井调查的限制，减小了劳动强度、降低了测量人员工作的危险程度。

2.2 管道无接触智能调查和修复技术

随着中国城市化进程不断加快，排水管道作为市政管道的重要组成部分，负责雨水、污水的收集、输送和排放功能。近年来，海绵城市建设、城市内涝的消除以及市政道路的运行安全等亟待解决的问题都已上升到国家层面，如何知道排水管道的运行状况，检测和评估工作是解决这些问题跳不开的环节[10]。

本项目针对排水管道隐患排查需求，自主研发了旋推进两栖管道车和超长距离管道电视检测检测仪组成，可依据地下管线普查、探测数据，研究确定管道排查方案。现场排查时，螺旋推进两栖管道车主要用于对管道的封堵、降水、清淤等准备工作，超长距离管道电视检测检测仪主要实现对隐患点的,突破了传统电视检测仪检测距离短(一般200 m)、图像清晰图不高、线缆盘和爬行器分离等问题，采用光纤传输视频，高清无延迟，避免通过无线传输造成信号波动不稳，可实现对1 000 m超长管道的隐患无接触智能排查和定位，可实现对管道内全方位的监控拍摄，同时配合红外传感器和单片机，管道智能排查装置改变了城市管道被动抢险局面，保障管线安全，提高管道实用寿命。

自主研发了CIPP管道智能修复机器人，具有自主定位功能的摄像头，可以将修复树脂准确的运送到破损管道附近，通过自主研发的排水管道修复装置实现对破损处的修复。与现有技术相比，该装置能够智能的利用摄像头准确定位破损处进行修复，解决当下排水管道局部渗漏及密封的修复解决问题。

2.3 复杂管线及管线周边病害无接触智能探查

地下非金属管线的探测和地下管线生存环境的检测，一直是地下管线探测、管理的难点，探地雷达技术是目前最为有效的无接触式探测手段[11-12]。本项目采用数值模拟、试验对比等方法，对影响地下管线安全状态的病害隐患(如地下空洞、异常疏松区、富水区)的成因进行研究，深入分析和提取雷达波在各类病害体、管线体及其组合体的传播特征，提出了针对城市复杂管线和病害隐患的探地雷达测线布设、采集参数的优化设置、数据采集等的关键技术方法，建立了相依的探地雷达影像和图谱识别特征及识别标志库。自主研发了多天线支架结构，设计改造了车载测量轮、视频监控系统和车内工作台，形成了一套车载探地雷达检测系统，将雷达探测、全球定位系统(Global Positioning System, GPS)定位测量、长度测量、环境条件监测等功能集于一体，实现多通道天线同时测量，丰富了探测数据的信息，提高了成果的可靠性，大大提高了车载雷达的工作效率。研发了基于GIS的管线病害信息管理系统，实现了管线病害检测的智能化处理。

2.4 地下管线内外业采编一体化工艺

当前传统的地下管线信息获取，信息采集与处理是若干相互独立的过程，外业调查、探测记录管线属性信息，测绘作业采集空间位置信息，内业录入及处理编辑管线空间、属性数据，这种互相分离且多环节的数据采集、处理模式，数据采集效率低，数据获取过程人为干预过多数据质量不高，严重制约地下管线信息获取的效率和质量，无法满足现阶段对地下管线的全信息快速、准确获取的需求[13]。为解决这一现状，本项目研发了管线数据采集处理的内外业一体化工艺及处理软件。

在数据采集阶段，通过开发基于Android系统的移动数据采集系统,与内置北斗位置导航模块的终端设备，形成移动数据采集终端产品。针对各类地下管线及附属设施的空间信息、属性信息与管线三维表达需求，研发了管线数据采集处理的内外业一体化工艺和软件，可实现采编合一，将以往外业记录、内业录入、内业成图的3个独立过程重建为1个过程，支持北斗、GPS等各种位置导航模块实现实时定位，提供实时采集、屏幕绘制、已有点位等多样灵活的数据采集方式;地下管线内业智能处理系统通过标准化的数据接口与移动采集终端紧密结合，实现了从外业数据采集到内业数据处理的一体化解决方案及多批量外业数据一键化快速集中处理，为地下管线数据采集提出了全新的采集理念和作业平台，为全行业提供了一种全新的、高效的数据采集模式。

3 多源异构地下管线智能处理与数据中心

多源异构地下管线智能处理技术与数据中心建设研究，包含5个关键技术研究、2个数据库和5个软件建设。5个关键技术为多源异构地下管线数据智能转换方法、地下管线智能检查技术、地下管线智能接边技术、基于自定义索引文件的海量空间数据检索技术、地下管线数据更新方法，2个数据库为基础数据库、管线数据库，5个软件为管线数据处理软件、管线数据质检软件、管线数据管理维护系统、管线数据更新系统、管线数据共享交换系统。通过数据中心可实现对规划、普查、竣工汇交等多来源管线数据的智能化质量检查、数据接边、数据更新入库、共享交换等。地下管线智能处理与数据中心架构如图2所示。

3.1 多源异构地下管线数据智能转换方法

基于面向对象思想，充分考虑地下管线在规划、施工、管理、运营阶段的不同需求，通过对综合管线、专业管线进行抽象分析，建立地下管线二、三维数据模型，制定二维数据模型与三维数据模型的升维规则库、专业管线与综合管线的转换规则库。

3.2 地下管线数据智能检查技术

基于本体语义网技术构建规则库的主要技术思路，是通过搜集整理地下管线行业知识体系以及相关的管线业务经验，对各类资料进行抽象分析、层层剥离，实现每一类管线本体知识、业务知识的精细化、独立化表示，保证底层每一类知识因子在表达关系相互分离、相互独立，但在逻辑关系上，又相互关联、相互制约。通过这种“低耦合、高内聚”的方式去表达每一种管线规则，构建管线知识规则库，实现地下管线的数据检查。

3.3 地下管线智能接边技术

数据入库检查是管线更新入库模块最核心的内容，其主要用来确定那些管线属于接边数据并自动接边，那些数据可以直接入库使用。通过自动接边技术，可以提高管线数据编辑的准确性和作业效率。

3.4 基于自定义索引文件的海量空间数据检索技术

空间索引对数据查询统计起着至关重要的作用，只有合理的构建数据的空间索引，才能快速地获取空间信息。尤其是随着GIS的广泛普及，空间数据的数据质量也越来越大。索引在优化查询性能时的作用就更加突出。

3.5 时空数据流接入方法

依据地下管线多源时空信息的自身特性和内在联系，研究地下管线规划、竣工、废弃等空间地理信息、动态实时位置信息、物联网感知设备信息的接入方式，综合多源数据接入接口标准化、动态业务数据空间化、统一时空基准、空间序化等技术方法，提出时空数据流接入技术流程，将地下管线多阶段空间信息、动态实时巡检位置信息、物联网感知设备信息等数据资源接入到地下管线时空数据中心。

3.6 地下管线更新方法

主要是通过对开源的地理空间数据抽象库(GDAL)现有算法进行扩展和完善,并结合轻量级数据库Sqlite，实现对地下管线数据“定义-解析-存储-加密”的流程化管理，保证地下管线数据在动态更新、数据传输过程中高效安全性。

4 地下管线三维自动建模技术

在地下管线数据采集中需要增加井盖、井脖、井底、小室、管块、管沟和管廊等的三维信息采集要求，为建立地下管线真三维建模提供数据基础。

基于二维探测数据，研发自适应参数化建模方法，改进管线建模规则，实现对地下管线建构筑物、附属物的精准建模，对地下管线周边的地下空间，如地铁站、地铁轨道、土壤等进行了建模，基于Lidar点云数据制作了高精度数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据，并在超大城市实现地上地下三维模型无缝集成，大幅提高地下管线三维建模效果和真实感；面向城市环境综合分析模拟的需求，设计了可支撑分析模拟的城市三维场景数据组织方法—统一数据表达与交换模型，可以对城市三维模型数据内容进行统一的表达和存储，实现从城市三维场景中抽取符合分析模型需要的数据内容，从而支撑不同管线分析。

5 多源数据融合的城市地下管线三维智能服务平台

基于云服务、AI、大数据等高新技术，搭建地下管线三维智能服务平台，实现了兼顾数据与功能分析的地下管线模型封装与集成方法，构建了地下管线模型库，可以根据不同应用场景实现地下管线分析模型的重用、共享和快速集成，提高了平台服务的灵活性和智能化。开发了管线三维分析系统、管线三维智能辅助规划系统、管线三维智能决策系统、管线知识挖掘系统、地下管道智能检测、管道健康自动评估系统、热力管线三维智能监控系统等,见图3，为地下管线规划和运营管理提供智能管线服务。

6 结束语

地下管线是城市的重要基础设施,是城市赖以生存和发展的“生命线”，也是维持城市正常运转的大动脉。本文在北京市地下管线普查及信息化建设中，充分利用大数据、智能化、物联网、移动互联网和云计算等新型信息化技术，构建了智慧城市地下管线三维智能服务技术体系，开发了相应的软硬件设备和工具，在地下管线调查探测、隐患排查、数据建库、三维建模、信息平台和智能服务等多个领域得到应用和推广，在北京市进行全面的集成和示范应用。下一步，将会把项目成果进一步产品化和改进，为智慧城市地下管线三维智能服务提供全方位的支撑。