發布時間：2022-04-15所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 城市地下管線種類多、分布范圍廣、附屬設施眾多，要實現綜合運行監管難度大，但是地下管線作為城市重要基礎設施，其建設管理與運行安全是保障城市健康發展的重要條件。為提高城市管網綜合管理能力，加強協調建設，促進管理工作切實有效，將先進的信息化技術方法
摘 要: 城市地下管線種類多、分布范圍廣、附屬設施眾多，要實現綜合運行監管難度大，但是地下管線作為城市重要基礎設施，其建設管理與運行安全是保障城市健康發展的重要條件。為提高城市管網綜合管理能力，加強協調建設，促進管理工作切實有效，將先進的信息化技術方法應用到管理平臺建設工作中，綜合應用物聯網、三維可視化、大數據分析和組件式開發等技術，建設城市地下管線智慧化管理平臺，在物聯網智能布控、三維可視化 GIS 系統和大數據技術的基礎上，實現了地下管線監、控、管一體化管理，將“智慧”思想運用到城市地下管線管理工作中，是“智慧城市”建設的重要組成內容。
關鍵詞: 地下管線; 智慧化; 管理平臺
1 引 言
地下管線是城市重要基礎設施，是城市發展的 “里子”工程。隨著城市規模不斷增大，地下管線越來越復雜、龐大，尤其是大型城市的地下管線，其復雜程度很難依靠人工或簡單自動化方法進行有效的運行管理。為了加強城市地下管線監控能力、提高運行管理水平、保障城市地下管線安全運行，研究建設了城市地下管線智慧化管理平臺，該平臺以建設智慧型城市為最終目標，綜合應用物聯網技術、三維地理信息技術、大數據技術等，結合“玻璃地球”的概念，實現城市地下管線監、控、管一體化管理，將“智慧”賦予城市地下管線管理工作。
在國外發達國家，城市地下管網信息化管理已經成為城市發展建設的一項重要基礎工程，許多城市已經建立了不同規模、不同利用目的的管網信息化管理系統，并且已經進入了專業化應用和商品化生產階段，積累了豐富的研究與實施經驗。中國的城市地下管線信息化自 2000 年后就已大規模展開，北京、上海、廣州、廈門、杭州、南京等多個城市已經建立了地下管網信息化管理系統，但大都在各行業內部分散建立專業管理系統，缺少統一規劃、協調，信息管理系統是各自為政，系統之間信息不能交換、共享。城市地下管線信息化普遍模式: 先期政府投入進行地下管線資源普查，并建庫建系統。由于地下空間信息數據缺乏規范標準，信息資源部門化管理，信息數據動態更新程度低[1]。
針對地下管網信息化建設面臨的問題，結合城市地下管網運行、管理需求，設計智慧化管理平臺，將物聯網技術、三維可視化 GIS 技術和大數據技術等綜合應用，提高城市地下管網綜合管理水平。本平臺研究工作立足于研發具有可推廣性的產品，針對市、縣級的城市地下管網綜合管理需求，依托準確地下管網數據開展應用。
2 我國地下管線管理現狀分析
2.1 管線種類繁多，缺乏統一管理平臺
城市地下管線主要包括城市區域范圍內的給水、排水、燃氣、熱力、工業等各種管道和電力、通訊電纜以及綜合管溝( 廊) 等，種類較多且分屬于不同管理部門，各部門僅對于自身權屬范圍內管線和業務有所掌握，大部分城市沒有專門地下管線管理機構，各部門各自為政，缺乏統一管理平臺，相互間信息不流通，很難進行系統分析[2]。但是地下管線多集中布設在城市道路下，對地下管線進行綜合規劃、設計、建設和管理，有利于合理利用城市地下空間，避免管線間相互影響，實施優化綜合管理。
2.2 缺乏準確信息支撐，數據共享性差
國內地下管線數字化程度不高，部分城市即使開展了地下管線數字化管理工作，也多是針對某幾類管線，并不全面，而且存在數據更新管理困難等問題，管線信息的實時性和準確性不能保障。城市地下管線數據管理工作多存在信息孤島現象，數據共享程度低，管線信息分散在不同的權屬管理部門，各部門間缺乏有效的信息交流手段，信息管理具有片面性、重復性和矛盾性等特點，不能有力支撐綜合性管線分析工作[3]。
2.3 管線問題多發，應急處置能力面對考驗
近年來城市管線問題頻發，自來水管道爆裂、城市積水內澇、施工挖斷電纜、石油管道爆炸、燃氣管道泄露等問題多見報道。這些事故嚴重影響城市居民正常生活，威脅人們生命財產安全。日漸突出的地下管線問題，考驗著城市管線的管理能力和突發事故的應急處置水平[4]。人工管理和簡單信息化管理的方式，已不能滿足分析和解決復雜管網問題的要求，很多城市開始了地下管線智慧化建設方面的探索，2014 年山東德州成為全國首個地下管線綜合管理試點城市。
2.4 信息化管理手段不足，面臨綜合管理需求
針對地下管線的信息化管理方法多集中于各專業管線獨立管理，由各自權屬單位或運營單位等組織建設，多僅涉及某一類管線部分業務內容，缺乏為政府部門提供綜合監管的信息化平臺，不便于有關單位對地下管線進行全盤統籌、整體分析。且地下管線信息化建設工作系統性不足，存在一套管線同時擁有多個信息化系統管理，且各系統之間保持獨立，不能相互支撐，無法聯動分析。這樣除容易導致管線信息分散外，也不便于進行城市地下管線高級分析，資源無法得到優化配置; 提高地下管線的智慧化程度、實現綜合管理是城市發展的必然要求，也是地下管線信息化系統建設的方向。
3 平臺建設關鍵技術研究
3.1 城市級海量數據加載技術
使用數據裁剪技術、數據動態裝載技術以及 LOD 模型實現城市級海量數據的加載應用。數據裁剪技術主要是去掉不可見的多變形，減少應用場景中不可見部分數據對正常數據影響。進而保證正確處理了離視點近的動態遮擋目標數據。數據動態加載即通過把數據分層、分塊模式與數據更新算法結合，實時加載用戶需要的數據; 充分利用計算機特性，通過對視點移動方向趨勢的捕獲，預先把數據從硬盤中裝載到內存中，直接從內存中高效讀取數據提升動態裝載效率。應用多細節層次( LOD) 模型，達到場景內容展示效果的漸進繪制，根據圖形繪制的質量要求，對刷新頻率進行優化設計，生成連續的多個 LOD 模型，提供不同的展示效果。
3.2 地下管線三維可視化技術
建立自動化的地下管網三維模型，將管段作為標準進行簡化，其中管段信息包括起點三維坐標、終點三維坐標、管段半徑以及管段長度等，對相連接的管段接口的處理問題以及平面內任意一條為軸線構建三維管段。根據建模時具體需要，自動生成彎頭以及三通等連接點，并使用內插的模式進行圓滑處理，提高管網模型質量。通過改變地面透明度，實現對地下管網的通視效果，實現方便的菜地面上瀏覽地下管線狀況。把這種三維管線自動建模技術應用到城市地下管網智慧化管理平臺的建設中，提高了平臺中管線視圖的可視化程度。
3.3 面向服務的分布式體系架構
使用基于 HTTP 傳輸協議的應用訪問模式，以 XML 作為數據傳輸的載體，把應用需求不同的基礎服務進行分別封裝，形成具體的單獨接口，包括三維數據服務、精細場景服務、本地搜索服務、人機交互服務等，實現數據和系統之間的分布式應用服務，實現地下管線數據共享、集成、交換，有利于不同應用系統的集成。
3.4 組件式開發技術
組件式開發技術把不同應用功能劃分多個不同控件模塊，不同控件模塊實現不同功能，各功能模塊間沒有直接交集，而內部之間卻擁有很大關聯，實現了高內聚與低耦合的軟件應用。通過相關的應用集成開發工具，把這些功能模塊集成，形成完整的、可擴展性好的軟件應用系統。打破了傳統的封閉性的系統應用模式，提高了系統兼容性。
4 地下管線智慧化管理平臺建設
地下管線智慧化管理平臺應建立在充分摸清城市地下管線現狀、掌握數據信息的基礎上，建立統一數據管理中心，實現數據資源綜合管理、信息高度共享; 并綜合應用物聯網技術、三維地理信息技術等實現地下管線實時監測、信息及時上傳、三維可視化展示、數據便捷查詢等功能; 開發管線綜合運行監管系統，實現城市地下管線綜合管理分析[1]。地下管線智慧化管理平臺架構設計如圖 1 所示[5]:
4.1 城市地下管網數據中心
將城市地下管網數據信息進行統一管理，建立城市地下管線數據中心。數據中心以城市基礎地理數據為基礎，對區域內所有地下管線及其附屬設施的基礎數據進行整理入庫，根據管線種類進行區別，同時存儲管理管線監測信息、管網智能分析信息、日常管理維護信息及事故應急處理信息等。
數據中心建設中，有針對性地對城市管線數據庫建設常見的問題進行解決設計，有效處理管線數據量大、時空更新、信息沖突等問題。數據中建設中應用大數據技術，有針對性地解決管線數據量大問題; 由于管線使用過程中改造、廢棄、更換等工作引起的數據更新問題，采用面向對象數據模型管理，賦予對象生命周期，可以及時、動態的對數據中心管線信息進行更新[6]，同時提供歷史信息查詢條件; 通過設置管線數據版本機制解決管線信息沖突問題[7]，將管線相關數據分別用原始庫、臨時庫、現狀庫、檔案庫四個庫存儲。
4.2 物聯網智能監控系統
分析城市地下管線現狀和特點，結合管理部門工作要求，針對不同類型管線的行業特點，利用物聯網技術實現管線監測管理。
管線監測信息根據現場條件和傳輸要求，分別采用互聯網、無線網絡、移動網絡等方式進行傳輸，數據通過整理后，作為監測數據錄入地下管網數據中心，并為信息查詢、預警預報和系統分析等功能提供信息支撐[8]。同時通過城市地下管網數據中心對上述監測設備信息進行管理。
4.3 三維可視化 GIS 系統
城市管線三維可視化 GIS 系統可以從不同角度呈現地下管線情況，具有較強的立體感、逼真感，通過三維可視化系統可以直觀查看城市地下管線縱橫交錯、上下起伏情況[9，10]。建立三維可視化 GIS 系統除實現一般的視圖展示、定位查詢、報表統計、二/三維轉換等基礎功能外，還可以依托數據中心的信息支持，進行其它管線特有的功能開發，具體功能如下:
開挖模擬: 模擬城市施工需要開挖情況，設置開發位置、深度、挖方面積等信息，在平臺上通過三維方式呈現開挖情況及開挖部分對管線的影響，是否挖到管線、可能破壞哪些管線、距離開挖裸露處最近的管線等。避免由于地下管線信息不清，造成城市施工對地下管線的破壞。
場景模擬: 對燃氣管道爆炸情景進行模擬、對給水管道泄露情景進行模擬，對城市積水情景進行模擬等;
空間分析: 分析指定空間范圍內管網情況，包括擁有的管線種類、管線位置、管線屬性查詢、管線長度，管網密度等;
輔助設計: 利用系統中已有的管線情況，可以進行舊管網更新改造分析，新管網定線、及設計管網校正等;
管網分析: 分析地下管線空間相對位置關系，包括管線碰撞、管線交叉、管線保護間距大小、管線間距、管線埋深，附屬設施地下空間位置展示。
4.4 智慧管網運行監管系統
智慧管網運行監管系統是城市地下管線統一管理的智慧化平臺，它以完善的管網數據中心和物聯網智能布控系統為基礎，以可視化程度高、真實性強的管線三維 GIS 系統為平臺，開發城市管線綜合運行監管系統，在對各類地下管線進行專業分析的基礎上，實現城市管線統一管理、優化資源配置等目標。系統將城市地下給水、排水、燃氣、供熱、工業管道、電力、電纜線路和管溝( 廊) 作為一個整體考慮，實現監、控、管一體化管理; 在空間上協同分析，具體劃分專業業務管理模塊[11]。系統主要功能包括運行監管、維護監管、管網預警、智能分析等 4 個方面。
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運行監管: 包括管線及附屬設備運行狀態查詢展示、運行情況分析、運行狀態記錄、歷史運行狀態查詢等，實現物聯網監測數據實時呈現;
維護監管: 指管網日常維護工作的監管，包括管線巡檢、設備維護記錄、主要維護單位信息等，與移動端設備共同實現城市地下管線日常巡檢智慧化管理;
管網預警: 根據管網運行工作特點，劃分三級預警，不同管線根據事故危險性不同和危害程度大小劃分預警等級，系統實現綜合管網中各類管線事故預警預報;
智能分析: 實現管網智慧化管理分析，包括事故影響范圍分析、應急管理措施分析、管網智能調度等功能，為管理部門應急管理決策提供信息支持，避免僅靠經驗處理突發事故的風險，使應急方案的制定有據可依。
5 結 語
平臺建設應用先進的信息化技術，注重提高地下管線綜合管理能力建設，能積極應對目前地下管線混亂、各類管線獨立管理的問題，有利于城市地下管線協調建設、統一管理。城市地下管線智慧化建設是項系統工程，應將各部分工作協調、有序開展，切實加強城市地下管線管理能力。該平臺在山東省淄博市和威海市的地下管網管理工作中得到實踐應用，建立淄博市智慧管網綜合管理平臺和威海市地下管網管理平臺，實現管網信息化綜合管理，項目取得良好效果。——論文作者：鄭豐收，陶為翔，潘良波，孫柏
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