基于云计算智慧城市地下管线综合管理平台建设探讨

王桂春 佘继红 杨雪松 杨庆峰

1.江苏省地质勘查技术院；2.江苏省地矿勘查技术有限公司

以云计算、大数据、物联网为代表的新一代信息技术的强势发展和不断应用，城市地下管线信息化建设工作持续推进，信息化管理正由满足管线探测采集、管理和查询分析等功能需求，迈向围绕“共享、协同、智慧”为场景化管理的更高层次发展，集聚城市建设管理相关部门地上、地下空间数据资源，研究、设计和构建智慧城市地下管线综合管理平台，加快城市管理智慧化进程和高质量发展。

地下管线资料是城市规划建设的重要依据，在城市建设中，新管线规划、设计和施工、旧管线更新以及大部分土木工程的破土动工都需要准确的地下管线现状信息。城市地下管网主要包括供水、排水、燃气、电力、照明、通信、交通信号、视频监控、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”[1]。随着城市基础建设的不断开展，城市内涝、管线爆管、施工毁管等很多隐蔽的城市问题逐渐显现，严重影响城市健康发展和威胁着居民的人身和财产安全。其主要原因是对城市地下管网缺乏科学、有效的管理。需建设一种能够支撑城市地下管网数据管理、数据共享、专业分析、各部门协同管理的智慧化城市地下管线综合管理平台，高效解决目前存在的问题，促进城市管理智慧化转型发展。

1 城市地下管线智慧化推进

2014年，国务院办公厅在《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》（国办发[2014]27 号）中指出：“各城市要在普查的基础上，建立地下管线综合管理信息系统，满足城市规划、建设、运行和应急等工作需要[2]。”国家能源局等五部门联合下发了《住房城乡建设部等部门关于开展城市地下管线普查工作的通知》（建城[2014]179 号）[3]。管线探测和信息化建设工作基本完成，实现管线数据采集、检查、入库和应用服务。

但是随着城市化建设加快推进，城建规模越来越大，地下空间的施工及生产活动愈发频繁，现有的管线数据的更新明显滞后，管线数据的共享仍然无法逾越涉密数据保密硬性规定要求，不同权属单位的地下管线仍然存在行政管理上的壁垒，城市地下管线数据的全面性、准确性仍需进一步提高。

随着物联网、云计算、大数据、5G 等技术趋于成熟，城市管理已迈入智慧化、时空一体化型模式，基于统一时空基准2000 国家大地坐标系和1985 国家高程基准，覆盖政务、交通、民生、公共安全等相关领域。城市智慧管线系统是城市地下空间、地下管线管理模式和服务能力升级的必经之路，是融入智慧城市服务体系的重要承载，也是城市智慧化推进的内在驱动和必然趋势。

2 云计算助推管线智能化进程

2.1 云计算概念

云计算作为一种新一代信息技术或数字基础设施，是政企数字化转型的助推器，加快全球快步进入数字经济时代。云计算技术的发展和应用程度是各国数字计划进程的重要标识。

很多研究机构都提出了关于云计算的定义，以指导云计算的技术研究和应用推广。美国国家技术和标准研究院(NIST，National Institute of Standards and Technology)将云计算定义为：“云计算是一个提供便捷可经过网络访问一个可定制计算资源共享池能力模式（计算资源包含网络、服务器、存放、应用和服务）；这些资源能够快速布署，并只需要极少管理工作或与服务供给商极少交互。”这一定义得到广泛认可[4]。

2.2 云计算融合意义重大

2.2.1 资源潜力深度挖掘，强力支撑智慧管网平台建设

随着新一代信息技术与传统行业的深度融合发展，围绕硬件架构、软件算法和应用场景等全方位技术研究和应用，云计算潜力被挖掘，极大提升硬件资源性能和运行效率，满足数据大规模、应用高并发等现实需求，各领域对云计算融入需求更加迫切。有效解决智慧城市管网资源支撑不足、应用效率不高和服务体验差等问题。

2.2.2 有效集成人工智能等新一代信息技术，助推城市管理智能化进程

云计算为人工智能的发展和应用提供强大的计算能力和数据资源供给能力保障，解决人工智能在深度学习领域上的性能瓶颈，提升人工智能的发展速度。在智慧城市建设方面，云计算可以统筹海量终端、按需控制、共享资源等特点，满足智慧城市建设过程中涉及到海量的电子终端与网络数据。

2.3 搭建云计算支撑架构

云计算架构是平台运行满足资源高可用、高性能计算、高并发分布式计算的重要基础支撑。需重点考虑以下两个方面：

（1）弹性云资源环境。基于OpenStack 框架构建基于云架构的支撑环境，利用虚拟化云存储、负载均衡和并行计算，实现对整体硬件网络资源的统一利用，满足高并发、弹性的资源需求。

（2）Docker 容器化部署。利用容器化部署方式用于构建、管理和运维智慧城市地下管线平台。将平台运行依赖环境（环境配置、框架、库和运行时）进行封装至Docker 容器，使平台程序的动态可移植，即可实现分布式高并发计算，也可满足高性能集群计算。充分保障平台运行高效可靠。

3 智慧城市地下管线综合管理平台建设

3.1 建设目标

以地下管网的空间信息和属性信息为核心，利用地理信息系统技术、三维可视化技术、数据库管理技术和云计算技术对城市地下管网进行综合管理，为管理部门提供地下管网准确时空信息，构建地下管网业务数据模型，研发符合实际管线业务管理的专业分析和空间分析功能模块，建成智慧城市地下管线综合管理平台，提供有效辅助决策，实现管线综合管理的科学化、自动化和智慧化。

3.2 技术架构

系统设计采用多层服务架构（如图1所示），结合COM和SOA 架构思想，以通用性、稳定性为主导，进行分层设计和开发，横向以功能类别为导向，纵向以服务内容为导向，逐级设计，逐步细化各组件的颗粒度。

图1 系统技术架构Fig.1 Technical architecture of the system

三维可视化选用Skyline 开发平台，数据库管理采用Postgresql+PostGIS 进行集中管理，系统开发采用Java 开发语言。管线矢量数据采用OGC 标准的WMS、WFS 协议进行发布和共享。

基于云计算架构，实现平台部署、应用，按照平台对计算、网络、存储等资源的实际需求进行弹性资源分配、虚拟资源的启停，保障资源高效率使用和平台运行的高效率。

3.2.1 基础设施层

基础设施层是信息化建设的基础，包括硬件设备、网络安全、基础软件工具等三类资源。其中硬件设备包括：服务器、存储设备、交换设备、工作站及打印机等设备。安全机网络设备包括病毒防御、防护沙箱、防火墙、电信联通等宽带网络接入通道。基础软件包括基础操作系统、数据库管理软件以及基础工具软件等。采用虚拟化技术和云管理软件，可以充分利用硬件设施资源，定制快速分发的云系统模板，提高基础硬件资源的利用率和保障率，减轻维护人员的维护工作量。

3.2.2 数据层

采用结构化数据、非结构化数据和空间数据的混合架构管理模式，包括基础地理信息数据库、统计参数库、管线脱密，接引管线感知数据和相关统计参数数据、管线现势库、管线规划库、管线业务库、管线资料库、三维管线库等数据资源。充分利用各类数据管理平台的优势，通过ETL 工具、抽取、转化、调度等组件，打通各类数据之间流转通道，构建一体化高效的管线资源管理平台。

3.2.3 组件服务层

组件服务层采用微服务架构的方式组织编排基础功能组件，各组件可以采用相对独立开发技术和部署环境。组件服务层由公共微服务组件和专业微服务组件共同组成。应用服务层基于组件服务层封装的类业务组件和公共组件，通过基于统一语义和规则的服务接口，灵活的实现各种应用的业务逻辑功能和服务发布。主要应包含通用的工作流程管理、二三维地图管理、系统消息管理、同一用户认证管理等基础组件。

3.2.4 应用服务层

由管线共享交换平台和管线数据管理服务平台组成。管线共享交换平台主要包含了管线统计分析成果发布、管线脱密数据发布、共享目录及元数据和数据交换服务等应用。管线数据管理服务平台主要包含了综合供图、数据动态更新、竣工汇交、管线年度计划管理、管线供图及竣工汇交中的档案资料管理等功能模块。

3.3 关键技术

3.3.1 多源数据三维一体化集成展示

基于Skyline 基础三维平台，从数据加载、渲染、压缩传输等多维度，进行算法研究和模块化开发，大大缩短响应时间和提升用户体验。三维模块可直接加载大数据量城市正射影像数据进行三维场景的快速构建，具备地上的建筑物倾斜模型数据、地表影像数据、地下管线模型数据的二三维一体化高效集成、展示。同时平台能够兼容各类三维模型城市地下管线探测和管线数据信息化建设工数据，为主流的点云、BIM 模型等数据的加载融合，提供技术支撑接口。

3.3.2 三维管线自动化建模

研究、建立三维管线的自动化建模工作流程和技术方法。外业探测技术数据采集标准遵循各属地相关数据库标准，基于CAD 和Skyline 平台，开发涵盖外业探测管线数据汇聚管理、数据规范性检查、属性自动识别、二维管线成图、几何拓扑检查、三维管线模型生成等建模流程环节的三维管线自动化建模工具，二维管线数据以CAD、MDB 格式进行存储，能够兼容和转化Shapefile 矢量数据格式。确保三维模型数据的现实性，提升平台应用的可靠性和高效性。

3.3.3 图库联动和管线三维分析

三维管线分析功能是管线信息化的重要特点和技术优势。按照“图库联动”的思路，加强三维模型Skyline基础平台和PostgreSQL 数据库的运行协同。在程序自动建模过程中，通过唯一ID 标识建立模型和数据库关联，实现三维自动建模，保障三维模型和数据库属性的数据一致性，极大提高数据读取速度和三维模型生成、展示效率。基于“图库联动”数据底座，研发高效、实用的管线专业分析功能（碰撞分析、爆管分析、剖面分析、连通性分析等）。平台应用服务能力进一步增强。

3.4 系统功能

围绕建设目标，梳理平台建设需求。采用二三维基础地理信息平台，按照几何建模、纹理贴图、整合修饰等数据处理步骤，基于真实地理坐标高效、高精度、高质量地建立完全贴合城市地上建构筑物全貌和地下管网立体布局的“城市管网数据底座”，开发、构建“可视化、可对接、可共享”的智慧城市地下管线综合管理平台。重点突出能够提供与智慧城市相关业务系统对接的数据服务和功能接口，且保证为其他增值业务提供良好的扩展接口，满足未来的平台业务扩展的需要。

按照实际需求，开发包括管线数据管理、数据共享交换、计划管理、项目管理、应用分析、管线巡查、辅助决策、管网数据动态维护、平台运维等功能模块。核心功能主要包括满足地下管线规划设计的管线横纵剖面分析、净距分析、流向联通分析，以及支撑地下管线建设施工的开挖分析、覆土分析，以及辅助管线维护的爆管分析、阀门定位分析等相关功能。

4 结论

城市综合管线实施智慧化管理，借助云计算提供充足且弹性化云资源，构建满足城市地下管线智慧化管理的技术架构和应用体系，重点解决数据更新实效性不强、综合管线与专业管线融合匹配难、共享服务途径不通、工作协同不畅、应用服务不实际、运行效率低和使用体现差等突出问题。未来，云计算、大数据及人工智能等新一代信息技术融合城市地下管线管理，必将大大加快地下管线管理智慧化进程，真正实现城市智慧化管理，促进城市健康可持续发展。