多部門聯動協同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺的設計與實現

郭明武，彭清山，譚仁春

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

多部門聯動協同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺的設計與實現

郭明武*，彭清山，譚仁春

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

首先分析了當前城市地下管線管理面臨的種種問題，然后運用GIS、GPS、移動通訊及云計算等技術，設計并實現了多部門聯動協同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺，規范了管線從規劃、建設、監管到運維的全生命周期管理流程，實現了城市地下管線跨部門的“信息共享、業務協同及智能應用”。該平臺極大緩解了城市地下管線管理脫節所導致的種種“城市病”，平臺的建設思路對國內其他地區具有一定的借鑒意義。

地下管線；管線信息平臺；全生命周期管理

1 引 言

城市地下管線是城市賴以生存與發展的物質基礎，被稱為城市的“生命線”。近年來，隨著我國城鎮化進程的不斷推進和城市地下管線建設規模的不斷擴大，地下管線管理中暴露出的問題十分突出，諸如道路反復開挖(簡稱“馬路拉鏈”)、停水、停氣、停電、危險氣體泄露以及燃氣爆炸等事故時有發生[1～2]。為了加強城市地下管線管理，防止上述問題的反復發生，國內許多城市在幾年前就摸清了地下管線家底，并研發了地下管線管理信息系統。但是仍然未能從根本上解決上述管線管理問題。其主要原因是目前國內城市存在管線“管理脫節”的問題。城市地下管線在規劃、建設及運行管理過程中，主要涉及城市規劃管理、建設管理及市政(城管)管理等部門和各管線權屬單位。管線基本上是由各管線建設單位自行建設的，各職能部門各管一段、各自為政，缺乏統一協調和有機銜接。

為了從根本上解決城市地下管線存在的“管理脫節”等問題，本文在充分整合管線規劃、建設、監管部門及管線權屬單位業務職能的基礎上，綜合運用了GIS、GPS、RFID、移動通訊及云計算等技術，研發了多部門聯動協同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺，實現了城市地下管線跨部門的“信息共享、業務協同及智能應用”。

2 平臺的設計與實現

2.1 平臺的總體設計

為了突破傳統GIS建設與應用的局限性，提高平臺的穩定性、連續性和高可用性，本項目將云計算技術應用到平臺的搭建之中。通過采用云計算技術，可以讓平臺具備負載均衡、部署方便、資源彈性擴展、性能安全可靠等特征，實現海量城市管線穩定高效的管理與共享應用。按照邏輯結構，平臺可劃分為6個層次，從下往上依次為：“物理層”、“虛擬層”、“中間層”、“數據層”、“管理服務層”和“應用層”，如圖1所示。

(1)物理層：物理層是由均質化的服務器、網絡、存儲等硬件資源組成的，即構建物理層的所有服務器需出自相同品牌、相同型號，滿足驅動程序或硬件的兼容性，這樣才能實現遷移、負載均衡、容錯等多項功能。

(2)虛擬層：虛擬層利用虛擬化技術，對操作系統、網絡、應用程序、服務器、存儲等資源進行虛擬化，提供虛擬化的資源和虛擬化的技術。它將多臺物理服務器、分布的存儲資源、物理網絡節點等資源動態整合為一個共享資源池，實現虛擬計算服務、數據容錯與備份等功能。虛擬化應用是將應用程序與操作系統解耦合，為應用程序提供一個虛擬的運行環境。在這個環境中，不僅包括應用程序的可執行文件，還包括它所需要的運行時環境。從本質上說，應用虛擬化是把應用對低層的系統和硬件的依賴抽象出來，可以解決環境不兼容等問題。

(3)中間層：中間層主要負責管理基礎設施層的虛擬化資源，提供自動化的管理服務，包括主機管理、虛擬機管理、資源的動態調度、服務運行狀況監控等。

圖1 平臺的邏輯結構

(4)數據層：該層對應平臺管理的各類基礎地理空間數據、管線數據及管線業務數據(如規劃業務數據、建設業務數據、監管業務數據、應急業務數據和監測業務數據等)；平臺通過將數據庫資源發布成通用和標準的OGC數據服務，向應用層提供數據源。

(5)管理服務層：平臺各層中的功能和業務應用以面向服務(SOA)的方式進行設計和開發，使層內各功能耦合度達到最小。管理服務層對應平臺的數據管理與訪問相關的模塊與接口。其中包含的服務除了數據服務外，還包括空間數據引擎服務、空間查詢服務、空間分析處理服務等。所有數據與功能服務遵循OGC標準協議，這使得不同的數據服務可以進行聚合與疊置，不同的功能服務可以進行互操作。

(6)應用層：應用層對應平臺各子系統。每一個應用都對應一個業務需求，實現一組特定的業務邏輯，并且通過服務接口與用戶交互。

2.2 平臺的功能結構及實現

從功能上講，該平臺由1個統一的“管線數據綜合管理系統”，4個分工明確又相互銜接，且涵蓋管線規劃、建設、監管與應急的管理系統(即城市管線規劃管理系統、城市管線建設管理系統、城市管線監管系統和城市管線應急指揮系統)和N個專業管線監測運維系統構成，簡稱“1+4+N”平臺。

(1)“管線數據綜合管理系統”的應用部門為平臺的數據管理中心。它主要對地下管線數據進行檢查、編輯、入庫、更新和發布共享，并為平臺中其他各個系統的管線業務管理與分析應用提供基礎地理信息服務和管線數據服務。

(2)“城市管線規劃管理系統”的應用部門為規劃管理部門。它以服務城市地下管線規劃管理為核心，以推進管線與新改(擴、建)道路的同步規劃設計和輔助管線工程規劃審批為目的，實現管線規劃審批有序、動態和科學的管理。系統主要功能包括管線規劃編制成果管理、管線規劃審批、管線規劃批后監管和小微管線工程報備等。“管線規劃編制成果管理”主要實現地下管線綜合規劃、專項規劃和修建性詳細規劃等規劃編制成果的檔案歸集、瀏覽查詢、編輯管理、轉換入庫、空間分析和制圖輸出等功能；“管線規劃審批”模塊結合管線現狀數據和規劃數據，提供二維和三維環境下斷面分析、間距分析、水平或垂直凈距分析及碰撞檢測等空間分析功能，自動審核規劃方案中每條管線的埋深、管徑、位置、走向及標高等控制指標是否符合國家規范標準。通過該模塊為管線工程規劃許可證的審批提供輔助決策支持；此外，該模塊還提供不同二維(或三維)管線規劃方案的分析比對功能；“管線規劃批后監管”模塊主要用于對管線規劃竣工驗收數據和工程檔案數據進行管理。提供了管線竣工驗收數據與規劃設計圖對比功能，為檢驗管線工程是否符合規劃設計要求提供了輔助支持，也為管線工程管控與評價提供了科學依據[3]。

(3)“城市管線建設管理系統”的應用部門主要為建設管理部門。它在管線建設計劃、施工、驗收、竣工檔案管理等環節對管線建設與施工單位進行全過程的管理，確保管線工程的施工質量。該系統包含的功能模塊主要有：年度計劃、綜合設計、施工注冊和竣工歸檔等。“年度計劃”是利用城市管線專項規劃、道路項目前期工作計劃、城建年度計劃、管線與道路同步建設初步計劃等資料，以地理空間框架數據和管線普查數據為基礎，建立管線年度建設計劃數據庫，統籌安排城市道路和城市管線建設，為管線前期計劃、意見下發、意見征求與基于地圖的年度計劃制定等工作提供科學的信息化管理手段。統籌了不同權屬管線年度計劃的時空一致性，從源頭上避免了管線建設不同步的問題；新(改、擴)建城市快速路、主干道、景觀路、橋梁、隧道、軌道交通等城市道路建設項目必須同步進行地下管線綜合設計，在編制修建性詳細規劃、初步設計、施工圖設計階段必須同步組織管線綜合規劃及管線綜合設計。“綜合設計”將實現管線參建單位與道路參建單位的充分溝通和無縫對接，輔助和指導管線與道路同步設計，避免管線交叉碰撞和重復施工，實現同步有序施工；為了加強各類工程建設活動對既有管線的安全保護，明確各類工程建設、施工、監理單位和管線權屬單位的責權關系，“施工注冊”模塊以移動APP與PC端應用相結合的方式，結合實時通訊、無線移動網絡、GPS及GIS等技術，提供管線建設管理單位(含管線行業管理部門)、管線權屬單位和施工單位之間信息披露、配合確認、開工簽到、開工提醒、施工報監、監督管理、隱患排查、事故上報、糾紛協調等過程的信息共享和溝通交流的手段，避免施工過程中“信息不暢通、溝通不充分”導致的施工事故發生；“竣工歸檔”功能模塊旨在通過對竣工成果進行歸檔管理來強化與落實管線竣工測量制度，并實現地下管線數據動態更新的目標。

(4)“城市管線監管系統”的應用部門為城市管理部門。為了確保在管線運維管理中嚴格執行報建制度和動態管理制度，為了便于城市管理部門準確掌控和及時處理有關管線運行維護的問題，該系統圍繞城市地下管線監管業務工作的需要，設計并開發了“占道挖掘許可管理”及“隱患巡查”兩大模塊。占道挖掘許可是城市管線施工開挖的前置條件，只有具備了相關開挖條件，并經市城管局批準下發了占道挖掘許可證的管線工程，才能開挖施工。“占道挖掘許可管理”模塊主要實現申請資料的審查、登記及錄入；施工范圍線與橋梁、隧道、地鐵等市政設施保護線的空間疊加分析，以輔助審批；占道挖掘許可證相關信息及審批狀態管理等；目前，在管線上方或保護范圍內搭建各種建筑物、構筑物及其他設施的違法違章行為在武漢各區時有發生。為了保證人民財產安全，消除管線安全隱患，“隱患巡查”模塊為群眾、社區巡查隊員及城管執法人員進行壓占管線違建巡查、井(溝)蓋破損上報及管線日常巡檢提供了智能移動的工具。通過該模塊，可以上報壓占違建、井(溝)蓋破損及其他管線隱患信息。城管部門可以通過該模塊對上報的隱患信息進行跟蹤、定位及處理等工作[4]。

(5)“城市管線應急指揮系統”的應用部門為城市應急指揮中心。該系統主要實現事故管理、事故模擬、應急預案、災后評估等功能，能夠為應急部門提供應急處置決策服務。當管線在某一位置發生事故時，系統能基于高密度的監測傳感器，并結合GIS強大空間分析能力，快速確定事故點和事故點周圍需要緊急關閉的各種閥門。同時，系統提供最佳的救援與人員疏散路徑，并自動通知最近的消防或救援隊伍趕赴事故現場，以便將事故損失降到最低。

(6)“專業管線監測運維系統”的應用部門主要為各管線權屬單位。它是由各管線權屬單位結合自身管線專業的特點，以滿足自身專業化應用與運營維護的需要而通過新建或升級改造的方式搭建的各類管線專業應用系統。“專業管線監測運維系統”除了能對專業管線進行管理與更新維護外，還通過智能實時監測系統、各種類型的數據傳感器，實時收集管線運行中的工作狀態信息(如實時壓力、流量等)、管線的空間位置及自身屬性信息，并能通過有線網絡、無線網絡、無線射頻識別RFID等通信手段，將感知層獲得的數據由現場實時傳輸到數據中心[5]。

2.3 跨部門的管線業務協同與數據更新管理方式

平臺中的各個子系統根據制定的標準規范進行數據交換與業務協同，并在業務協同的過程中實現了對地下管線數據的實時更新(如圖2所示)。平臺對每個管線項目賦予了唯一的工程編號，管線項目在不同生命階段之間的信息通過這個唯一的工程編號進行關聯。在一個子系統中錄入或產生的信息會根據業務管理需要，自動流轉或共享到另一個子系統中。上一個業務環節執行完畢后，下一個業務環節(或子系統)用戶會收到消息提醒[6]。

圖2 平臺業務協同與數據更新方式

平臺基于管線工程竣工測量相關實施辦法，并結合相關管理機制，通過管線竣工測量、管線異動測量和管線修補測等方式，將數據自動流轉到管線數據綜合管理系統中，實現管線信息的動態實時更新。

3 結 語

本文在找準城市地下管線管理所存在的“癥結”的基礎上，設計并研發了多部門聯動協同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺，實現了城市管線全生命周期的信息化與智能化管理。該平臺從根本上解決了管線規劃、建設及管理上長期存在的“信息分散及管理脫節”的問題，極大緩解了由城市地下管線管理脫節所導致的種種“城市病”。

參考資料

[1] 赫建忠，江貽芳，賈志英. 城市地下管線信息化建設的必要性及其主要任務[J]. 測繪通報，2008(6)：14～16.

[2] 王超，孫曉洪，李偉等. 基于頂層設計的地下管線信息管理新模式[J]. 地下空間與工程學報，2010，6(6)：1118～1124.

[3] 吳思，陳勇，張云，王明洋等. 城市地下管線共享平臺建設模式探討[J]. 測繪通報，2015(12)：77～80.

[4] 李萍. 城市地下管線信息管理系統設計與開發[D]. 南京：南京郵電大學，2013.

[5] 黃來源，李軍輝，李遠強，吳彬等. 基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統[J]. 物聯網技術，2012(4)：62～70.

[6] 劉全海，孫雪梅，冉慧敏. 面向管線全業務的綜合管理信息系統研究與實現[J]. 測繪通報，2014(11)：77～80.

Design and Implementation of The Whole Life Cycle Management Information Platform for Urban Underground Pipelines Based on Multi-Sector Linkage and Coordination

Guo Mingwu，Peng Qingshan，Tan Renchun

(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

In view of the current “disjointed-management” problem in the urban underground pipeline management，this paper uses GIS，GPS，mobile communication and cloud computing technology，designs and develops the whole life cycle management information platform for urban underground pipelines based on multi sector linkage and coordination. This platform regulates the whole life cycle management process of the urban underground pipeline from the planning，construction，supervision to the operation. In addition，the platform realizes the information sharing，business collaboration and intelligent application of urban underground pipelines and greatly cures the “urban diseases” caused by “disjointed-management” problem. The construction of this platform has certain reference significance for other regions in china.

urban underground pipeline；lifecycle management；disjointed-management

1672-8262(2017)01-12-05

P208.2

A

2016—07—09 作者簡介：郭明武(1980—)，男，博士，高級工程師，主要從事地理信息理論研究與應用研發。 基金項目：精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(PF2015-12)