城市地下管線管理系統架構與數據組織設計研究

查寧

摘 要：該文設計實現了一套城市綜合地下管線信息系統，該系統針對管線的輔助設計、規劃審批、竣工測量、數據入庫與保存、數據維護等整個流程來設計，采用的軟件和開發工具比較先進流行，技術設計合理，同時建立了管線動態數據庫，很好地解決了城市管線普查數據的管理、使用問題，并在近年來各種管線規劃、施工過程中發揮了積極作用。

關鍵詞：城市綜合地下管線 管理系統 設計 原則 問題 數據組織

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0039-02

1 城市綜合地下管線管理系統建立的意義

傳統的管線資料管理手段大多采用文該文件或者數據庫來存儲管線的屬性數據，用DWG圖形文件來存儲管線的圖形數據，圖形數據與屬性數據完全分離，管線資料管理混亂，資料更新速度慢，跟不上現代城市建設的步伐，不能保證資料的現勢性和正確性。因此，同步建立地下綜合管線管理信息系統是確保地下管線普查使用目的的實現與廣泛應用的最佳方法。

（1）使用計算機存儲管線信息大大縮小了存儲空間；一個城市的紙介質圖紙可多達幾十噸，而使用計算機僅用若干磁盤或光盤就可以存放全部信息；（2）提高了檢索查詢速度。利用計算機查詢某一個區域、某一地點或某種特征的管線信息僅需要一個命令或者按鈕既可以完成，這是常規管理辦法的人工查找無法比擬的；（3）圖形顯示更加直觀。通過三維顯示技術，真實再現地下管線二維布局結構；（4）可以實現管線資料的動態更新和管線工程的動態跟蹤，提高了管理的水平；（5）便于資料的網絡共享。

2 系統設計

2.1 系統總體構成及其作用

根據管線數據的生命周期、分類等特點，系統由五個子系統組成，并分為核心與外圍兩大部分。其中核心部分包括管線信息管理子系統和地下管線輔助設計規劃審核與竣工驗收子系統，主要用于管線信息管理、制圖、設計方案審查、管線竣工驗收等；其它為外圍部分，主要用于了解與管線相關的地形、道路、地名、單位、電話號碼等信息，為管線的輔助設計提供一些分析參數和在Internet/Intranet上對管線信息的查詢。

2.2 地下管線信息管理子系統

該子系統具有下列功能：（1）以帶狀基礎地形圖為背景，在城市規劃道路的骨架之下，融合地下管線信息，為城市的總體規劃布局提供輔助決策功能；（2）全市規劃區內的所有干管的總體布置分布；（3）縱橫斷面圖的生成與功能分析、地下管線的三維立體顯示等；（4）具有拓撲分析、最短路徑分析、管線事故（如爆管）分析、統計分析等分析功能；（5）常用的GIS功能；（6）多種查詢功能，可按圖號、道路名稱、單位名、區域范圍等形成多種查詢表格；（7）在內業數據入庫的過程中，具有數據查錯和預防功能等（表1）。

2.3 管線設計規劃審核與竣工驗收子系統

本子系統是針對綜合管線設計的特點，編制特定程序，輔助完成綜合管線的基本設計，包括道路平面與縱橫剖面設計、綜合管線平面與橫剖面設計、管線的規劃審核與竣工驗收等四方面；具有管線工程的輔助設計、最小覆土深度、管線間的最小水平距離及管線交叉處的最小垂直距離計算、方案比較等功能。利用該子系統，各管線部門在進行管線報件時，可使管線設計更合理，審批更嚴格科學，能充分地利用地下有限的空間。施工管線測量驗收是將設計坐標值與實地測量的坐標值進行比較，驗收管線工程施工質量，確保管線施工嚴格按照規劃審批的要求進行。

3 數據組織與系統集成

3.1 地下管線數據的特點

城市地下管線信息與地形、城鎮地籍、房產信息同為城市中最具代表性的空間信息。與其他三者相比，管線數據有自身的特點，主要表現在：

（1）數據量大，定位精度要求高；（2）涉及的管線權屬單位和信息使用部門多，信息收集及管理難度大；（3）從中心城區向周邊方向，管線數據的重要性和使用頻率逐漸降低，在空間形態分布上呈不均勻性；（4）市政管線空間數據范圍相對固定，多在規劃道路的下面；（5）在同一空間位置上，依附的管線屬性信息多且復雜。不同的用戶其關心的對象各不相同；（6）管線埋設于地下，具有隱蔽性，采集困難；（7）時間屬性至關重要，是一個四維、動態的空間信息源；（8）管線信息的連通關系要求特別高。

由于上述特點，城市地下管線數據的質量好壞和數據完整性一致是地下管線信息系統的建立瓶頸問題之一；同時，開發一個具有實用性、先進性、可靠性、安全性、網絡化的綜合管線信息系統，也具有一定的難度。因此，許多城市管線信息系統建立都和管線普查聯在一起。

3.2 管線數據的信息結構

根據管線數據的內在特征，將管線實體劃細分為計算機可以表達的點、線數據類。

（1）管線點：包括管線附屬設施點、特征點、建（構）筑物中心點等，用一個坐標點表示；（2）管段：為兩相鄰管線點之間的連線；用二個坐標點表示，為直線段；（3）管線串：若干具有同一屬性的管段的集合，多個坐標值構成；（4）管網：同一類性質的管線串及管線點的集合，一種性質的管線只有一個管網，且在同一層，具有有序的拓撲結構。管網有樹狀和網狀兩種結構。

圖1中，A到G為管線特征點，AB、BC、CD、BF等為管段，BEFG為管線串。

數據是任何GIS系統的核心，所有的GIS功能都需要以數據為基礎才能表現出來。因此，數據的完整性、一致性和質量的好壞很大程度上決定了一個系統的好壞。

3.3 地下管線數據的獲取

地下管線數據獲取的方法有地下管線普查和地下管線竣工測量兩種。

3.3.1 地下管線普查

城市地下管線普查是指在一定時期內，按照城市規劃管理的要求，根據城市具有的技術與經濟能力，采取最經濟和科學合理的方法，查明城市建成區或城市規劃發展區內的地下管線現狀，獲取準確的管線有關數據，編繪管線圖，建立管線數據庫，并在這個基礎上做好檔案與動態管理。城市地下管線普查作業方法：

（1）地下管線現狀調繪。

城市地下管線現狀調繪是指在開展地下管線探查作業前，根據已有的地下管線竣工資料、施工資料、設計資料等，將己有地下管線現況標繪在1： 500的地形圖上，作為野外探測的作業的參考，減少實地探查作業的盲目性，提高野外探查作業的質量和作業效率。同時，為地下管線探查作業提供有關地下管線的屬性數據（如管徑、管材、埋設年代等）

（2）城市地下管線探查。

城市地下管線探查是在現狀調繪的基礎上采用實體調查和儀器探查相結合的方法，查明地下管線的敷設狀況、在地面上的投影位置和埋深、管線的相關位置和走向、地下管線的屬性，如管線類型、性質、規格、材質、載體特征等。并在地面上設置地下管線投影中心標志和明顯管線點標志，以提供下工序測繪的依據。

（3）地下管線測繪。

地下管線測量是指在城市等級導線點和等級水準點的基礎上進行的圖根控制測量、地下管線點平面和高程位置連測及相關地形測量。

3.3.2 地下管線竣工測量

地下管線竣工測量應在地下管線敷設以后、覆土以前進行。其任務是測定地下管線的平面位置、高程；量測地下管線的埋深、規格以及規劃審批的定位尺寸；記錄地下管線的性質、材質、走向、埋設時間和全書單位等。并繪制地下管線竣工平面圖和編制地下管線成果表，同時按要求填寫地下管線工程竣工測量驗收記錄冊。

3.4 地下管線數據數據模型

3.4.1 地下管線管理系統的數據組成

地下管線管理系統的數據包括地下管線、管點圖形和屬性數據，坐標分幅、道路網圖、城市地形圖、建筑物、地塊、注記等輔助要素，其具體數據構成如圖2。

3.4.2 管線數據模型

管線數據由管點和管線組成，每一種管線包括一個管線數據表和一個管點數據表，一條管線由兩個管點組成，即管線的起點和管線的終點。

3.5 數據編碼

每一個信息系統都有編碼系統。為便于數據交換和共享，制訂了城市地下管線綜合信息系統編碼方案及屬性數據庫設計方案。

（1）管線類別編碼，分十類。代碼分別為給水（J）、雨水（Y）、污水（含雨污合排）（P）、煤氣（M）、交警信號燈（T）、路燈（R）、供電（L）、電信（X）、道路中心點（C）、人防特征點（F）。

（2）街道編號：將城市所有街道進行編號，用4位整數順序編號（0001—9999）。

（3）管線點編號：用10位字符串編號。前6位為1∶500比例尺圖號，第7位為管線類別碼，后3位為管點順序號。在數據入庫時管線點號帶有圖幅號，在圖面注記、顯示時只有后4位。此種方式既保證了編號唯一，又使圖面注記簡潔。

（4）管線編碼：為6位。第1位為大寫字母P，用于同其它基礎地理信息系統編碼方案區分；第2位管線類別碼；第3位為每類管線的子類型碼；第4位為要素類型碼，從1到5分別表示中心線、管線特征點及附屬物、管線地面建筑物中心點、管線輔助要素、管線注記；第5位按順序排列的要素序號；第6位暫保留。

（5）管段由管線特征點結構表中相關字段產生，沒有編碼。

管網要素的屬性信息主要包括線屬性和點屬性，分別對應管線（中心線）要素和管線點狀要素。對于管線輔助要素（管線地面建筑物、依比例尺管線邊界等）無相關屬性表，其屬性分別由對應的中心點和中心線表示。

3.6 數據組織

在城市地下管線綜合信息系統中，所有管線信息都為要素，可有零至多項屬性值。系統采用混合數據模型，將圖形數據和屬性數據分開保存。要素的圖形數據存放在地圖文件中，利用MicroStation的DGN圖形文件；屬性數據存放在數據庫中，用大型關系型數據庫Oracle。圖形元素中具有要素標識和屬性標識。另外，由于整個城市的地下管線數據量大，數據按1∶5000比例尺分區存放在不同的設計文件中，對應地與不同的數據庫表連接；在DGN圖形文件中，其符號和線型均按1∶500比例尺存放，可按需要縮編為其它任意比例尺；文本注記放在點狀要素中處理。在數據庫中保存所有數據的描述信息，通過一系列數據表來描述和管理所有數據，系統用工程來組織數據集。

3.7 數據入庫和更新

（1）地下管線數據一般來源于：以圖紙和成果表形式保存的歷史數據；通過外業探測采集的數據；存在于其它管線信息系統中的數據；其他形式的數據等。對上面各種形式的數據編寫特定數據轉換軟件進行數據入庫處理；（2）GIS的數據更新是一個復雜的問題，地下管線系統同樣如此，該系統數據更新主要采用：根據更新的范圍半自動從數據庫中裁剪數據，并定義特定的數據結構來保存此數據；新的管線竣工測量數據與周邊數據通過人工編輯完全融合聯成一體。歷史數據與現狀數據的替換過程可相互轉換，以便于歷史資料的恢復與查詢。

3.8 系統集成

系統集成包括數據集成、各子系統內部功能模塊的集成、各子系統間集成三個方面的內容。在數據集成中，將各子系統數據庫的數據，包括管線信息、地形信息、城市基礎信息、輔助設計數據、地名信息與電話號碼信息等，按管線信息管理與管線工程業務工作的需要，整合為一個相互關聯信息庫。數據集成的內容主要包括：一是建立不同比例尺圖形數據間的索引關系，包括建立1∶500管線圖與1∶5000管線圖，1∶500地形圖與1∶25000城市基礎地形圖間的索引關系；二是建立屬性數據與圖形數據的關聯關系，包括管線要素屬性數據與管線圖的關聯，城市基礎圖與道路名、地名的關聯，單位分布圖形與電話號碼的關聯，設計管線圖形與設計管線屬性的關聯等。數據集成為數據的有效利用提供了基礎。

4 結語

城市地下管線管理系統是數字城市的核心應用系統之一，可以實現管線信息的動態管理，從而為城市規劃和建設提供服務。它不僅能夠更好地管理各種主干線信息，及時對各種專業管線數據進行更新、維護，保證管線數據地準確性和現勢性，而且能夠為管理部門的宏觀決策提供準確、實時的管線信息，為城市的防災、搶險等提供決策服務，為保障城市地下生命線的安全運轉提供強大的技術保障。該文深度探討了城市地下管線管理系統的設計思路，相信對同行有所裨益。

參考文獻

[1] 凌振寶，陳健，耿勝男，等.地下金屬管線探測儀接收機的設計與實現[J].吉林大學學報：信息科學版，2008（3）：300-305.

[2] 韓勇，陳之中，甘宇亮，等.城市地下管線信息系統的結構設計[J].測繪通報，2002（3）：45-46.

[3] 毛志紅，張軍.石家莊市地下管線普查暨信息系統建設綜述[J].測繪通報，2002（11）：58-60，67.