合肥市地下管線綜合管理信息系統的建設與應用

黃北新，李彬，宋超，王小飛

(1.合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230001 2.合肥市地下管網建設管理辦公室，安徽 合肥 230001；3.廣州城市信息研究所有限公司，廣東 廣州 510070)

1 引 言

隨著城市快速發展，地下管線管理問題日益凸顯，影響了人民群眾生命財產安全和城市運行秩序[1]。2014年，國務院提出加強城市地下管線建設管理的要求。全國各城市陸續開展了地下管線普查和信息系統建設工作。目前各城市地下管線信息系統的建設水平參差不齊，如在系統共建共享、綜合管廊入庫、地下管線覆土前竣工測量實時管理等方面不夠完善。因此，突破傳統地下管線信息系統搭建模式，構建多功能的滿足各種應用需求的城市地下管線綜合管理系統勢在必行。本文介紹合肥市開展全市地下管線普查，建立了城市地下管線(包括地下綜合管廊、地鐵、人防坑道、河道等)數據庫；利用云計算、地理信息系統等技術，采用開放式SOA體系架構(Service Oriented Architecture)，開發建設1+1+1+N的地下管線綜合管理信息系統，即1套數據標準、1個數據中心、1個管理平臺和N個應用，實現了城市地下管線綜合管理、共建共享和動態更新管理，并大力開展信息系統的應用。

2 總體框架

2.1 系統建設思路

原有的地下管線信息資料存儲離散化、紙質化、數據標準不統一、資料不全，現勢性不強，信息不能共享，給地下管線建設與管理帶來挑戰[2，3]。本系統建設思路是：

(1)獲取最新地下管線資料成果。通過市區市政道路地下管線全面普查，取得市區各類地下管線、綜合管廊等資料，統一數據標準，建立城市地下管線數據庫。

(2)一體化信息管理。建設地下管線空間信息一體化管理和應用平臺，為城市地下管線建設管理、運行維護和應急防災提供支持。

(3)動態更新管理。開發移動端地下管線智能子系統，實現地下管線野外巡檢及覆土前竣工測量過程監督，保障數據動態更新質量。

(4)共建共享。管線單位和縣(區)子系統與市地下管線信息系統互聯，實現共建共享。

(5)推廣應用。通過推廣應用平臺成果，實現管線權屬或管理單位實時查詢和應用。

2.2 系統總體框架

基于面向服務的體系結構SOA，采用C/S與B/S混合架構模式，利用計算機網絡技術、二三維GIS技術、大型數據庫管理技術、工作流技術等先進技術，實現城市地下管線資源的高效管理和科學應用[4]。

信息系統平臺分為：基礎設施(IaaS)層、數據層(DAAS)、平臺服務(PaaS)層、應用(SaaS)層四層以及標準、安全和運維保障體系，如圖1所示。

(1)基礎設施層(IaaS)。采用虛擬化技術，應用軟件和基礎設備通過虛擬化層隔離開來減少設備依賴性。系統將3臺應用服務器虛擬化為10臺虛擬服務器，支撐了整個系統的運行環境，使得資源得以集約使用，并實現環境狀況的統一視圖，降低了設備的運維成本。在網絡方面通過設備冗余和智能化的負載均衡器來為實現網絡路由的智能調配，在多個服務訪問地址間進行負載均衡。并具有動態容錯檢測能力，確保任何一臺或多臺服務器出現故障時的服務可用性和穩定性。

圖1系統總體框架示意圖

(2)數據層(DaaS)，由基礎地理數據、管線(管廊、人防、地鐵、河道)數據、管線安全隱患數據、三維模型數據、管線檔案數據等組成，在Oracle數據庫的基礎上集成ArcGIS空間數據庫、NewBulider三維數據引擎，實現多源異構數據間的關聯、互訪。

(3)平臺服務層(PaaS)，利用ArcGIS云套件，采用SOA架構思想，將具體的功能封裝為不同粒度、具有統一接口的服務。系統既有面向數據的服務，也有面向業務的數據；既有通用查詢統計的服務，也有管線專業分析的服務；既有功能簡單的單一服務，也有面向流程的復合服務。通過業務服務化，專注于自己的業務，降低不同的子系統之間協作和協同的難度和復雜性。不同的子系統實現了真正意義上的數據共享與功能共用。為了與VMWare、ArcGIS等第三方私有云套件無縫融合，系統開發服務時采用了ArcGIS for Server的SOE擴展開發流程，使系統發布的十余種管線信息服務既符合SOA架構思想，又能充分地利用ArcGIS云套件在資源調配與管理的既有體系。

(4)應用層(SaaS)，在地下管線云平臺的基礎上開發了各類專業應用系統，這些應用系統均調用平臺發布的基礎空間服務和管線信息服務接口，應用子系統的后臺同樣部署在系統的云平臺上，根據平臺的專業、區域、功能授權，這些應用可分配給市管線管理部門、區縣管理部門、管線權屬單位及其他相關部門的用戶使用。

3 數據庫設計

3.1 數據庫總體架構與建設內容

在統一的空間定位基準上，構建以云數據中心為主體的數據交換和入庫的總體架構，統一各類結構化和非結構化數據的匯聚、存儲、處理、入庫和服務化，實現管線信息資源的有效整合，支撐共享應用。通過云數據中心的數據庫功能倉庫和集成管理等方面的提升，實現包括二維、三維、元數據信息的各類數據存儲，為綜合管線管理提供直觀的展現平臺。

管線信息云數據資源中心的數據內容包括綜合地下管線(供水、電力等)數據、地下空間設施數據(人防坑道、地鐵、綜合管廊等)、專題數據(管線隱患數據、排水設施、河道設施等)、管線工程建設管理數據(管線審批數據、重點管線、施工管線等)、管線物聯網數據(后期接入)、基礎地形圖數據、建筑物三維模型數據、影像數據等。空間數據庫按照空間維度、時間維度、專題維度三個維度進行設計，考慮空間和屬性關聯、現狀與歷史關聯以及二維與三維關聯。

3.2 數據建庫

開展城市建成區市政道路下地下管線全面普查，統一普查探測及數據標準、統一項目管理、統一組織實施，實行工程監理制，保障普查成果質量。共普查市區 493 km2范圍內各類地下管線總長度為 30 264.5 km。將CAD格式數據自動轉化mdb格式或excel格式的標準點線表數據，對管點和線的拓撲關系、邏輯關系、元數據等進行檢查，錄入數據庫。

4 系統實現

4.1 軟硬件設施

包括硬件設施(機房、服務器、大屏幕、網絡等)、虛擬化技術、資源調度技術建設。系統配置1臺核心交換機、1臺負載均衡設備、1臺防火墻、1套入侵檢測系統、1套服務器加固系統等。利用vmware來搭建基礎設施云環境以及利用ArcGIS私有云套件來搭建平臺層的云環境，在此之上構建信息系統。

4.2 系統功能實現

合肥市地下管線綜合管理信息系統實現了包含數據監理與入庫更新、數據管理與分析、共享交換、發布、工程管理、在線監測等13個功能子系統[5]，如圖2所示。

圖2信息系統建設內容示意圖

4.3 信息系統特色

(1)搭建了地下管線私有云平臺；將13個子系統有機組成一個整體，實現了系統資源的集成共享利用。在基礎設施層(IaaS)，采用虛擬化技術，應用軟件和基礎設備通過虛擬化層隔離開來減少設備依賴性。在平臺服務層(PaaS)，系統采用SOA架構思想，利用ESB服務總線，將具體的功能封裝為不同粒度、具有統一接口的服務。系統開發服務時采用了ArcGIS for Server的SOE擴展方式，利用ArcGIS云套件進行資源的調配與管理；縣(區)通過網絡專線與市地下管理管線系統連接，只需建設管線子系統終端，即可實現市縣地下管線信息一體化管理，遠程共享市級系統功能。市縣共享網絡拓撲管線如圖3所示。

圖3市縣共享網絡拓撲圖

(2)實現支持不同業務場景的移動終端智能巡檢。移動巡檢終端基于Andorid平臺，采用Ionic+Angularis+Cordova的Hybri dapp開發模式，融合探測單位、監理單位、管理單位等多種業務場景用戶需求，將脫密后的地下管線圖疊加于“天地圖”上，實現了數據的實時查詢，分析、定位、拍照、事件上報等功能，與PC端管線工程管理系統實現聯動，能進行管線工程現場建庫和測量監督的移動管理[6]，如圖4所示。

圖4 移動巡檢界面

(3)多方式搭建完善的地下管線數據安全體系。將涉密管線數據的管理與應用分開。管線數據管理采用涉密計算機、涉密移動存儲介質以及三合一插件等安全設備，處于保密管理監管之下。管線成果應用采用脫密后的數據，基于ojectarxmfc框架，通過AutoCAD接口對圖形文件讀取和修改，采用了位域置換技術，利用AES加密算法，實現了對AutoCAD數據進行水印追蹤、控制有效期、禁止編輯等加密控制。另外，還通過光纖專線、VPN建立安全傳輸通道等多種手段整體構建了完善的數據安全體系。

(4)基于自主平臺實現地上、地下三維管線一體化高效管理。基于Newbulider自主三維平臺，通過改進的空間索引算法，集成了三維模型顯示數據、分析數據、地上建筑物數據等，實現對復雜管網三維部件的自動建模以及地上、地下三維模型的立體化，實現了管線的三維可視化及查詢檢索、道路開挖、道路斷面、爆管等分析功能。

(5)將地下綜合管廊、地下人防坑道和地鐵等與地下管線相關的地下空間納入系統，實現綜合管理[7]。系統不僅支持普通道路進行斷面分析，而且支持高架路、地下管廊、地鐵等特殊斷面分析[8]，如圖5所示。

圖5地下管廊斷面分析

5 應 用

(1)地下管線覆土前竣工測量數據及時進行質檢入庫，實現了地下管線數據動態更新。一年來，合肥市區累計開展管線竣工測量964項，更新各類地下管線數據累計450余千米。

(2)通過采用涉密機與內網隔離、管線數據脫密、三合一單導盒保密設備、數據加密軟件(水印追蹤、有效期)以及VPN傳輸通道等多種有效方式，確保了地下管線數據安全，管線數據與“天地圖”融合實現了移動端野外實時監測地下管線的變化情況。

(3)實現了管線數據在市、縣、區、管線權屬單位的共建共享。目前已開通廬陽區、肥西縣、市排水辦等8個單位的共享專線。

(4)實現了管線業務在線查詢、申請、提交的高效應用模式。一年來，利用系統為全市109個項目提供了查詢，累計查詢地下管線長度 25 207 km。

(5)實現了新建道路和道路挖掘敷設管線業務的系統網上登記、網上監管。

(6)利用移動端隨時現場查詢管線信息，方便快捷；通過移動巡檢，突破了管線項目跟蹤測量和施工過程難以監管的盲區，地下管線數據信息質量和管線安全得到了保障。

6 結 語

合肥市地下管線綜合管理信息系統在地下管線私有云平臺、市縣共享、管線移動巡檢、多方式數據安全技術等方面進行了創新，2017年8月，合肥市城鄉建委組織的驗收專家委員會驗收時評價該系統達到國內領先水平。

隨著互聯網、云計算、虛擬現實等先進技術的發展和應用，地下管線信息化正向平臺化、集成化和應用化等方面發展[9]。合肥市地下管線信息化建設工作剛起步，系統應用面尚需擴充，功能尚需加強，數據動態更新機制尚需坐實。下一步要將住宅小區及單位內部地下管線、地下建(構筑)物及地質資料等地下空間納入信息系統管理，逐步豐富完善信息系統內涵，拓展信息系統外延，從而實現信息系統從單純管線管理向地下空間信息化管理的延伸。