排水管网健康度动态维护系统建设研究

范江

(福州市勘测院，福建 福州 350000)

1 引 言

地下管线如同城市的“血管”，负责城市的“能量运输”与“废物排出”，是城市安全运行的“生命线”，而排水管网是现代化城市建设运营中不可或缺的重要组成部分，其安全运行直接关系到城市的公共安全和环境保护，是城市水环境污染防治和防洪排涝的重要控制措施，是城市的“大动脉”[1～3]。而近年来，排水管网的病害问题引起的城市日常雨、污水排放，在极端环境下引发的城市内涝、环境污染等次生问题甚至地面塌陷等城市灾害频频发生，给城市的安全稳定和经济运行产生了极大影响，如深圳2013年～2015年的地面坍塌事故有57.4%是由排水管道破损导致[4，5]。因此，国家对城市排水管网的清淤、排查、修复工作日益重视，2013年10月，国务院颁布了《城镇排水与污水处理条例》，明确提到，加强对城镇排水设施的管理和河道防护、整治，因地制宜地采取定期清淤疏浚等措施，确保雨水排放畅通，共同做好城镇内涝防治工作[6]。因此，本文采用GIS技术，引用数据安全访问控制技术，结合CCTV管道检测数据[7]，将排水管网清淤、排查、修复等管网养护业务结合，研究建设排水管网健康度动态维护系统，旨在对排水管道内部的功能性缺陷和结构性缺陷的病害情况进行动态维护管理，尽量减少或避免由其引发的污水四溢、道路积水和塌陷甚至强降雨引发的城市内涝等问题，构建新型城市排水管网健康度动态维护模式。

2 系统设计

2.1 总体框架

鉴于管道破坏后抢修费用比主动维护高50%，而周期性管道维护的投资极大减少管道事故的经济损失[8，9]，因此排水管网健康度动态维护系统通过维护计划制定、采集上报、一张图及统计分析，以涉密专网系统运行为主，以安全控制移动查看、采集上报相结合的方式，实现排水管网健康度的动态维护管理，其总体框架设计如图1所示：

图1 系统总体框架设计

基础设施层：由服务器、存储设施、网络设备、安全设备、基础软件等云计算平台构成，提供系统运行的基础软硬件环境。

数据资源层：由排水管网空间数据、健康度数据和业务数据等构成，是系统运行的数据保障。

业务支撑层：包含工作流引擎、GIS引擎、表单服务、多媒体数据服务等，是系统提供应用服务的中间支撑。

应用服务层：在安全控制和运维管理基础上，搭建排水管网维护计划管理、排水管网健康度统计分析、排水管网健康度一张图、排水管网维护采集上报App等应用服务，其中排水管网维护采集上报App在安全控制下提供移动端服务。

用户层：包含排水管网维护的管理部门、施工部门和监管部门。

运维保障体系和标准规范体系分别包含保障系统稳定运行和维护的管理机制、标准规范等内容。

2.2 系统数据库

系统数据库由排水管网空间数据、健康度多媒体数据和业务数据构成。

(1)排水管网空间数据

排水管网包含雨水、污水管网，因此其空间数据由雨水管点、雨水管线、污水管点、污水管线以及相应的管网缺陷数据构成。

(2)健康度多媒体数据

以管网为单位的健康度评价和CCTV检测视频、图片等信息。

(3)业务数据

排水管网维护管理过程中产生的业务数据，包含维护计划、巡查、排淤、修复等。

2.3 系统功能

2.3.1 排水管网维护计划管理

提供排水管网健康度维护施工的计划管理功能，提供排水管网清淤、排水管网排查、排水管网修复在内的任务计划的创建、更改、删除管理。同时提供计划审核、计划下达，查看计划上报结果和计划完成情况等功能。

2.3.2 排水管网健康度统计分析

提供按时间范围、计划定制的管网长度、任务上报的管网长度等对管网清淤进度、管网排查进度、管网缺陷、管网修复进度、总体完成情况等统计分析，并以图表的形式展示统计分析结果，同时提供统计时间范围内的每日、每周、每月完成情况或发现的缺陷情况。

2.3.3 排水管网健康度一张图

以一张图的方式，根据选择的时间、图层显示管网缺陷健康度信息、管网清淤施工完成情况、管网排查施工情况、管网修复施工情况。同时提供管网横断面综合分析、管网生命周期时间轴分析，并提供管线健康度表单和CCTV检测视频图片等多媒体信息查看。

2.3.4 排水管网维护采集上报App

提供排水管网巡查、清淤、修复等维护计划的查看以及实施情况的采集上报，并配套提供排水管网的地图服务和App更新服务。其中：

(1)维护计划实施情况的采集上报包含计划完成情况的表单填写、管网选择、照片上传等。

(2)排水管网的地图服务提供排水管网加密数据在离线状态下的查看以及道路、井盖等查询检索，为维护计划实施情况提供地图定位与辅助。

(3)App更新服务提供联网状态下程序检查更新和排水管网加密数据的下载更新。

2.3.5 安全控制

提供数字水印和数据加解密控制等安全控制服务。

(1)数字水印：提供排水管网空间数据嵌入版权单位信息，并可追踪不同用户使用数据的行为，预防数据泄密或侵权盗用。

(2)数据加解密控制：通过对数据范围和操作权限进行加密，在认证通过的用户和设备环境下方可解密使用排水管网数据，同时在数据到期或被恶意修改后自动销毁，实现排水管网数据在离线情况下指定用户指定平台环境下使用，避免数据非法联网和泄露。

2.3.6 运维管理

提供系统用户、权限管理以及系统参数的配置，系统运行监控等。

3 关键技术

3.1 排水管网健康度全息数据呈现

排水管网健康度数据包含排水管网空间数据、CCTV检测视频和图片数据、健康度评价数据等，如何将这些多源数据进行融合呈现排水管网健康度的全息信息是本系统建设研究需解决的关键问题。本文使用基于管点(或管线起止点)坐标生成的编码(GDHCode)作为管线数据与健康度数据对应的唯一编码，并结合缺陷位置，实现排水管网健康度多源数据的融合，全息呈现每一段排水管网从起点到终点的健康度情况，如图2所示：

图2 排水管网健康度全息呈现

3.2 排水管网健康度全生命周期管理

排水管网从建设投入使用到最终废弃会经历较长的使用时间，可能存在多次的巡查、清淤、修复等维护工程，只有对排水管网的材质、建设时间、埋设情况等基本信息进行记录，并对每一次巡查养护情况进行跟踪，才能对维护计划的制定提供指导与参考，因而对排水管网从“出生”到“消亡”的全生命周期健康度情况的管理，是开展排水管网健康度管理的关键。本文以每段排水管网为单元，以时间轴的方式，记录其每一次排查、清淤、修复的所有健康度数据(如图3所示)，形成排水管网的全生命周期的健康度状况管理，不仅实现排水管网健康度“家底清”，而且为后续排水管网重点隐患部位的监测以及维护计划的制定实施提供参考。

图3 排水管网健康度全生命周期管理

3.3 排水管网空间数据使用安全控制策略

随着信息技术、移动、5G等技术的快速发展，矢量数据的获取、复制、传播越来越方便，应用越来越广泛，排水管网作为一种涉密的矢量数据，一旦发生泄密、盗版、窃取等安全事故，将会对国家安全和人民生命财产安全产生重要影响[10，11]，因此排水管网数据的安全使用控制是本系统建设需解决的关键技术。

(1)移动端排水管网空间数据安全使用：基于数据水印、数据加密、数据访问控制等安全控制技术[12，13]，根据用户权限、设备使用环境、使用范围和时限、操作行为等构建排水管网空间数据的安全控制规则，即只有授权用户方能在离线环境下、在指定时限内对规范范围内的排水管网空间数据进行带水印的解密访问，一旦任一约束条件发生改变，排水管网空间数据会自动加密存储拒绝访问。

(2)系统安全管控：本系统主体在涉密网环境下部署使用，数据使用策略示意图如图4所示，排水管网空间数据包加密后通过安全网关在互联网环境下转发，移动端用户在授权认证通过的情况下在线联网下下载加密的排水管网空间数据包，在离线断网下解密排水管网空间数据并在App上提供相应的地图服务，在地图服务参考下，基于管网编号填写排水管网维护采集的健康度数据和业务数据，在联网情况下(地图服务自动断开)将健康度数据和业务数据回流至涉密网中的排水管网健康度动态维护系统的数据库。

图4 系统数据使用策略示意图

4 结 论

俗语有言“三分建、七分养”，排水管网的后期维护管理非常重要，本文通过GIS技术和安全访问控制技术，结合CCTV检测数据，实现排水管网健康度数据的全生命周期管理和维护业务参与各方的全流程管理，为排水管网的维护计划制定与实施提供参考依据。同时，本系统通过排水管网空间数据加密传输、离线使用与业务数据在线上报相结合的方式，保障排水管网健康度数据的安全使用，为排水管网的维护作业提供了安全有效的解决方案。然而，随着排水管网信息化的进一步推进，新型智慧城市的深化建设，人工智能、物联网监测在排水管网维护中的结合应用等方面开展进一步的研究工作。