管線大數(shù)據(jù)挖掘應用探討

吳思，高倩影，陳勇，陳靜，張金花

(1.國家測繪地理信息局地下管線勘測工程院，四川 成都 610500；2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

管線大數(shù)據(jù)挖掘應用探討

吳思1*，高倩影1，陳勇1，陳靜2，張金花1

(1.國家測繪地理信息局地下管線勘測工程院，四川 成都 610500；2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

針對城市綜合管線普查產生的管線大數(shù)據(jù)使用困難、服務領域受限的現(xiàn)狀，本文從城市規(guī)劃、建設、管理現(xiàn)階段中的應用需求出發(fā)，提出了幾種管線大數(shù)據(jù)的挖掘應用服務思路，對拓展綜合管線普查形成的管線大數(shù)據(jù)成果在輔助城市規(guī)劃編制、海綿城市建設、提升城市抗災能力等方面有借鑒意義。

管線大數(shù)據(jù)；信息挖掘；應用服務

1 引 言

地下管線是城市的“生命線”，管線信息是城市科學規(guī)劃、合理建設和安全運維的基礎，由于地下管線產權分割、分頭管理，缺乏統(tǒng)籌的信息化建設規(guī)劃，致使給水、排水、燃氣、電力、通訊、熱力、工業(yè)等地下管線信息化程度參差不齊、數(shù)據(jù)質量差異化較大[1]，管線信息大多僅用于權屬單位對各自管線的日常維護、更新管理，無法通過挖掘整合的地下管線信息數(shù)據(jù)輔助城市科學規(guī)劃和建設[2]。

2014年6月14日，隨著《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》(國辦發(fā)〔2014〕27號)的正式頒布，全國各省市陸續(xù)啟動了城市綜合管線普查工作，全面摸清城市范圍內的地下管網(wǎng)敷設情況，包括地下管線平面位置、高程、埋深等描述管線位置的坐標信息以及規(guī)格、材質、壓力(或電壓)、流向、載體特征、已用孔數(shù)、電纜條數(shù)、附屬物、埋設方式、埋設年代、道路名稱等等反應管線狀態(tài)的屬性信息[3]。傳統(tǒng)地下管線壓力管道的爆管分析、管道間的連通性分析以及道路擴建的拆遷分析等，僅僅利用了管線成果的淺層信息，并未對普查后的管線數(shù)據(jù)信息進行更深層次的挖掘使用，更無法提供切合實際的輔助決策[4～7]。

城市綜合管線普查工作為城市積累了全面、豐富的地下管線現(xiàn)狀信息，將地上基礎地理信息數(shù)據(jù)、城市運行數(shù)據(jù)、人文經(jīng)濟統(tǒng)計資料以及管線日常運營實時監(jiān)控數(shù)據(jù)與城市地下管線現(xiàn)狀信息整合構建管線大數(shù)據(jù)并進行挖掘分析模型構建，以城市規(guī)劃、建設及安全運維三個重大方向的實際需求探討幾種實用的管線大數(shù)據(jù)深度挖掘應用方法，滿足新形勢下管線大數(shù)據(jù)應用服務的迫切需求。

2 管線大數(shù)據(jù)應用探討

2.1 輔助城市綜合規(guī)劃編制

地下綜合管網(wǎng)規(guī)劃作為城市綜合規(guī)劃的重要組成部分，由于長期缺乏基礎數(shù)據(jù)支撐，致使各大城市老城區(qū)地下管線布設混亂，區(qū)域管線敷設密度相差極大且和人口密度無法吻合，不僅導致城市生活資源無法有效運輸，更由于混亂敷設造成了地下空間資源的浪費和隱患風險的產生。通過地下管線普查數(shù)據(jù)與地上建筑物分布信息、人口密度信息、管網(wǎng)權屬單位統(tǒng)計資料等結合分析區(qū)域地下管網(wǎng)承載力與風險等級，為綜合管網(wǎng)規(guī)劃的編制提供依據(jù)。

(1)管網(wǎng)承載力評估

管網(wǎng)承載力，是指在一定時期，市政管網(wǎng)系統(tǒng)結構完善與功能正常發(fā)揮的前提下，輸送生活用水、能源、信息和排除雨水、污水的水平對城市居民生活及經(jīng)濟社會發(fā)展的承載能力。通過對各類市政管網(wǎng)承載能力計算，以專家打分法統(tǒng)籌區(qū)域類綜合管網(wǎng)承載能力計算與分析，客觀反映管網(wǎng)的資源獲取、輸送能力和安全可靠程度，評估城市管網(wǎng)現(xiàn)有的開發(fā)利用強度和進一步滿足經(jīng)濟社會發(fā)展需求、提供基礎服務的潛力，科學輔助管網(wǎng)規(guī)劃決策使其逐步提升管網(wǎng)承載能力，使管網(wǎng)敷設與區(qū)域社會、經(jīng)濟、人口發(fā)展相適應。

各類市政管網(wǎng)承載以現(xiàn)有權屬單位成熟模型計算，以給水管網(wǎng)承載力為例，重點監(jiān)測以下指標，如表1所示。

水管網(wǎng)承載力監(jiān)測指標 表1

①人均綜合生活用水量：是指城市居民日常生活用水和公共建筑用水之和與城市人口總數(shù)的比例。

(1)

②管網(wǎng)水質綜合合格率：指管網(wǎng)水達到國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)的合格程度，以管網(wǎng)水菌落總數(shù)合格率、管網(wǎng)水總大腸菌群合格率、管網(wǎng)水耗氧量合格率、管網(wǎng)水游離余氯合格率、管網(wǎng)水渾濁度合格率、管網(wǎng)水色度合格率、管網(wǎng)水臭味合格率等7項指標綜合合格程度來表達，按7個分項合格率之和除以7計算。

③管網(wǎng)密度：指一定區(qū)域內供水管道分布的稀疏程度。

(2)

④管網(wǎng)壓力合格率：管網(wǎng)壓力檢驗合格次數(shù)/檢驗總次數(shù)。用以檢驗管網(wǎng)壓力運行情況是否運行平穩(wěn)，供水是否能夠保證穩(wěn)定狀態(tài)。

⑤產銷差：產銷差是反映城市供水行業(yè)技術的重要指標。

(3)

⑥管道管材構成：反映了管道管材構成比例，一般按一年的更新數(shù)據(jù)為計算標準。

⑦單位管長維修次數(shù)：由于管道自身或外力造成管道破損，必須立即進行維修，因此單位管長維修次數(shù)反映了管線的損壞情況。

(4)

⑧城市用水量標準比用以說明現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)在一年中的供水能力與規(guī)劃年供水能力的關系，通過規(guī)劃年用水量/實際年用水量來衡量。

供水管網(wǎng)承載力以專家打分法和供水領域內現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范和總結規(guī)律為依據(jù)，確定供水管網(wǎng)各個承載力指標的權重，加權綜合計算得到地下供水管網(wǎng)承載力指數(shù)，評估區(qū)域內供水管路承載力。

(2)管網(wǎng)風險評估

管網(wǎng)風險評估是指將地下管線普查成果與地表建(構)筑物數(shù)據(jù)疊加分析，以市政管線敷設規(guī)范為依據(jù)，分析出地下管線被占壓、凈距不符合的管網(wǎng)長度，并對其風險等級進行分析。管網(wǎng)風險等級是評估城市管網(wǎng)風險危害程度的有效依據(jù)，科學輔助管網(wǎng)規(guī)劃決策使其逐步提升地下管網(wǎng)的安全等級，避免由于地下管網(wǎng)隱患長時間的缺乏監(jiān)管和治理造成的更嚴重災害。

區(qū)域范圍內地下管網(wǎng)風險等級評估如表2所示。

地下管網(wǎng)風險等級評估表 表2

2.2 輔助海綿城市建設

海綿城市是指通過加強城市規(guī)劃建設管理，充分發(fā)揮建筑、道路和綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式[8]。自《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》(國辦發(fā)〔2015〕75號)、《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》頒布后，海綿城市成為現(xiàn)代城市建設的主流方式，各省紛紛開展海綿城市試點，并將城市年徑流控制總量作為總體考核目標，其中城市暴雨內澇災害防御水平是其中重要的分項考核指標[9]。

依托地上基礎地理信息數(shù)據(jù)提取城市不透水面比例，計算城市滲水能力，依托地下管線普查成果中的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，分析城市排水能力，兩者結合共同模擬城市暴雨狀態(tài)下易淹區(qū)域積水狀態(tài)，評估城市暴雨受災防御水平。

(1)城市不透水面分析

不透水層通常是指水不能滲透的任何物質，大多為城市范圍內的交通、建筑等人類活動密切聯(lián)系的設施，透水層為降雨過程中能夠發(fā)生大量入滲過程、不會形成徑流的地面，大多為土壤覆蓋的地表[10]。

地理國情普查通過測繪地理信息技術全面掌握了地表自然、生態(tài)以及人類活動的基本情況，包括地形地貌、植被覆蓋、水域、荒漠與裸露地等的類別、位置、范圍、面積等基礎性數(shù)據(jù)，通過GIS空間分析工具提取道路、水系、構筑物，并通過高分影像判讀透水情況，計算城市不透水面比例。

(2)城市排水能力分析

城市地下管線普查成果中包含了排水管網(wǎng)的空間位置坐標、管徑、流向、附屬物等信息，能夠以雨水篦子為起點，計算每一段排水管網(wǎng)的排水能力。

管網(wǎng)排水能力=徑流系數(shù)×匯水面積×暴雨強度

(5)

《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2009(2009版)對城市各類地表徑流系數(shù)描述如表3所示。

地表徑流系數(shù)表 表3

匯水面積主要由地理國情普查成果中的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)結合房屋街區(qū)范圍進行綜合計算。

結合城市不透水面比例，通過設置不同的暴雨強度值，使用MIKE模型或SWWM模型即可模擬出不同暴雨情況下城市的受災區(qū)域、受災面積，評估出城市的暴雨淹沒水平，用以評估海綿城市的建設情況。

2.3 提升城市地下防災能力

城市安全運行是保障公眾生命財產安全的重要前提，地下管線事故導致的安全事件已成為破壞城市安全的主要災害，是目前提升城市防災能力的主流方向。

地下管線承擔著氣、水、電、信息等能源或生活資源的日常輸送，為保障資源輸送安全、及時發(fā)現(xiàn)管道損毀事故，各管線權屬單位大多在管網(wǎng)主節(jié)點安裝有狀態(tài)監(jiān)測設備，用以保障地下管線的安全運維。地下管線普查獲取了城市地下綜合管網(wǎng)詳細的空間位置信息，依托地下管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)，將權屬單位安全監(jiān)測設備、城市管理部門的視頻監(jiān)控設備以及公安部門的房屋住戶信息與地下管線普查數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)基于“地理位置+”的地下管網(wǎng)空間位置和各類相關附屬信息的集成，利用大數(shù)據(jù)挖掘模型實現(xiàn)在動態(tài)發(fā)現(xiàn)地下管網(wǎng)泄漏、破損的同時自動分析計算出管網(wǎng)泄漏影響范圍、最佳救援和疏散路徑，并自動化通知應急部門、醫(yī)院、公安部門啟動應急預案，輔助公眾開展自救逃生，減少人民生命財產損失，提升城市地下災害防治水平。

3 結 語

本文結合全國大范圍開展地下管線普查，迫切需要對地上地下集成的管線大數(shù)據(jù)開展挖掘應用的現(xiàn)狀，從城市規(guī)劃、建設、管理的實際需求出發(fā)，探討了新形勢下管線大數(shù)據(jù)的挖掘應用服務。目前，本文提出的管線大數(shù)據(jù)挖掘應用方式已在四川省廣元市、成都市開展探索應用，并取得了較好的效果，后期將重點探索“地理位置+”的管線大數(shù)據(jù)公眾應用服務，更進一步挖掘和拓展地下管線成果的服務領域。

[1] 陳佑民，毋焱，鄧勇等. 互聯(lián)網(wǎng)技術在地下管線管理中的應用[J]. 測繪通報，2013(S2)：23～26.

[2] 楊玉坤. 淺議地下管線管理領域的數(shù)據(jù)挖掘[J]. 測繪與空間地理信息，2009(5)：61～62.

[3] CH/T 6002-2015. 《管線測繪技術規(guī)程》標準概述[S].

[4] 史廷玉，黃勇，張志全. 面向多種應用主題的地下綜合管線數(shù)據(jù)組織方法的研究[J]. 測繪通報，2005(1)：35～38.

[5] 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.

[6] 李學軍，洪立波. 城市地下管線探測與管理技術的發(fā)展及應用[J]. 城市勘測，2010(4)：5～11.

[7] 張曉光. 將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于城市地下管線管理[J]. 測繪通報，2013(S2)：67～68.

[8] 俞孔堅，李迪華，袁弘等. “海綿城市”理論與實踐[J]. 城市規(guī)劃，2015(6)：26～36.

[9] 《海綿城市建設績效評價與考核辦法(試行)》[R]. 2015(14)：6.

[10] 楊愛民，王飛紅，于頌. 一種基于TM影像的不透水面信息提取方法[J]. 測繪通報，2014(9)：81～83.

DiscussiononMiningandApplicationofPipelineBig-Data

Wu Si1，Gao Qianying1，Chen Yong1，Chen Jing2，Zhang Jinhua1

(1.Underground Pipeline Surveying Engineering Institute，National Administration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Chengdu 610500，China； 2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

In view of the difficulties in the use of pipeline big-data and the limited service area of the city's comprehensive pipeline survey，this paper puts forward several suggestions on the application of pipeline data from the requirements of urban planning，construction and management，which has certain guiding significance for the later application of the pipeline big-data formed by the comprehensive pipeline survey.

pipeline big-data；information mining；application service

1672-8262(2017)06-50-03

P208.1

B

2017—04—07

吳思(1969—)，男，碩士，主要從事地下空間信息化前沿技術研究。

2017年國家基礎測繪科技資助項目(2017KJ0303)