淺析城市地下管線三維數(shù)據(jù)的共享使用

張志春

前言

改革開放以來，隨著中國城市空間的快速擴(kuò)大和城鎮(zhèn)人口大量集中，諸多城市出現(xiàn)了配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理明顯滯后于發(fā)展要求的現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)局部內(nèi)澇、挖斷供水管道引起地面坍塌、燃?xì)夤艿阑馂?zāi)及熱力管道泄漏和專用通信光纜被挖斷等事件。

城市地下管網(wǎng)設(shè)施（簡稱地下管網(wǎng)）是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，具有埋在地下不易被發(fā)現(xiàn)、投運(yùn)后維護(hù)較少、維護(hù)檢查難度大、周邊環(huán)境變化大、原始資料記錄不準(zhǔn)確等特點(diǎn)，較少被社會治理方重點(diǎn)關(guān)注，但是此類管網(wǎng)發(fā)生事故后果比較嚴(yán)重，如2013年11月22日山東黃島輸油管道爆炸造成62人死亡、136人受傷的特別重大事故。據(jù)析，導(dǎo)致地下管網(wǎng)各種事故不斷發(fā)生的關(guān)鍵因素之一是缺乏完整的、準(zhǔn)確度滿足相關(guān)方使用要求的地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)，也沒有對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享使用。本文就地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)如何實(shí)現(xiàn)共享使用進(jìn)行探討。

地下管網(wǎng)分類、時(shí)空特征及其管理概況

圖1 某地下管廊局部圖

地下管網(wǎng)主要包括給水及排水管網(wǎng)（包括給水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)、雨水管網(wǎng)、工業(yè)專用回水（包括冷凝水）管網(wǎng)、再生水管網(wǎng)、中水管網(wǎng)、直飲水管網(wǎng)等）、供熱管網(wǎng)（包括蒸汽和熱水）、燃料管網(wǎng)（包括氣體和液體類化學(xué)物料）、電力電纜管網(wǎng)、通信電纜管網(wǎng)和光纜管網(wǎng)、有線廣播電視網(wǎng)絡(luò)、真空垃圾管網(wǎng)等。《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》（GJJ61—2017）中地下管線指敷設(shè)于地下，用于傳送能源、信息和排泄廢物等的管道（溝、廊）、線纜等及其附屬設(shè)施。按功能可分為給水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α⑼ㄐ拧⒐I(yè)等，包括長輸管線和城市管線。圖1為某地下管廊局部圖。

從生命周期管理的角度出發(fā)，地下管網(wǎng)主要包括規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、報(bào)廢、再規(guī)劃階段，具有多個(gè)時(shí)態(tài)；從各實(shí)體的屬性（如類別、位置、形狀、大小等）及其與相鄰實(shí)體之間的空間關(guān)系出發(fā)，地下管網(wǎng)有多個(gè)屬性，包含多個(gè)關(guān)系（如距離關(guān)系、包含關(guān)系、相交關(guān)系和連通關(guān)系）。從管理的責(zé)任角度出發(fā)，地下管網(wǎng)由不同職能部門、不同專業(yè)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理等。以某地級市的實(shí)際現(xiàn)狀來看，主要涉及發(fā)展和改革、自然資源、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)、交通運(yùn)輸、水利等政府部門和管線權(quán)屬單位、勘察設(shè)計(jì)單位、施工單位。圖2為地下管網(wǎng)管理特征圖。

圖2 地下管網(wǎng)管理特征

地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)庫、探測技術(shù)、可視化表達(dá)及建設(shè)中存在的問題

地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)庫是在信息技術(shù)（計(jì)算機(jī)軟件、硬件、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）的支持下，對地下管線及相關(guān)設(shè)備和附屬設(shè)施的各種數(shù)據(jù)，按照既定標(biāo)準(zhǔn)或要求進(jìn)行實(shí)地測繪，取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，依據(jù)特定模式完成數(shù)據(jù)處理（輸入、存儲、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、維護(hù)、更新、輸出和共享應(yīng)用等），主要包含按照管線類別分別存儲的管點(diǎn)數(shù)據(jù)表、管線段數(shù)據(jù)表和管線建構(gòu)（筑）物邊界數(shù)據(jù)表等，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要通過查詢規(guī)劃資料、查詢竣工驗(yàn)收測量資料、探測管線等方式獲取。管線探測成果數(shù)據(jù)庫是地下管網(wǎng)三維建模的主要數(shù)據(jù)來源，常見的基礎(chǔ)信息包括類別、本體信息、管內(nèi)介質(zhì)信息、埋深斷面尺寸、附屬建筑、線路布局、埋藏位置、埋藏深度、地理信息、權(quán)屬及管理單位信息等。

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息探測方法主要包括電磁感應(yīng)法、探地雷達(dá)法、聽音法和相關(guān)法、管道CCTV檢測法、管線電子標(biāo)識系統(tǒng)法、管線狀態(tài)傳感器法等（圖3、圖4）。

三維可視化使得數(shù)據(jù)結(jié)果的表達(dá)更加直觀，滿足人們從不同幾何角度的視覺需求，可歸納為二維圖形圖像學(xué)方法、三維圖形圖像學(xué)方法、三維表達(dá)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維表達(dá)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、時(shí)空可視化技術(shù)等。

北京市、廣州市等已經(jīng)建立了以城市地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)庫為主要技術(shù)支撐的信息平臺，可實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)共享。近年來建設(shè)的地下綜合管廊也大部分實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)共享使用。也有部分中小城市（如十堰市、南宮市、石家莊市等）已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)共享使用（圖5）。但仍然有大量數(shù)據(jù)信息沒有輸入系統(tǒng)而無法查詢和使用。大部分管網(wǎng)權(quán)屬公司也建設(shè)了自己的管網(wǎng)GIS系統(tǒng)，但主要用于管理自己的數(shù)據(jù)，對于其他權(quán)屬單位的管線數(shù)據(jù)，因?yàn)楦鞣N原因（主要是沒有獲取其他管線數(shù)據(jù)的渠道，或者已經(jīng)獲取的其他類型的管線數(shù)據(jù)不能滿足本單位系統(tǒng)要求）而無法入庫。

現(xiàn)有地下管網(wǎng)及其信息平臺建設(shè)和數(shù)據(jù)共享使用方面存在以下問題：

同一地區(qū)的不同管網(wǎng)工程缺乏統(tǒng)一安排，經(jīng)常反復(fù)開挖建設(shè)；工程建設(shè)各環(huán)節(jié)各行其是，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一精準(zhǔn)管理，竣工驗(yàn)收實(shí)測結(jié)果常與竣工圖出現(xiàn)較大差異；已投運(yùn)管網(wǎng)沒有進(jìn)行過全面系統(tǒng)化測繪和數(shù)據(jù)整理，記錄與實(shí)際狀況出入較大；權(quán)屬單位對各自掌握信息共享使用在認(rèn)識上有較大差異、現(xiàn)有檔案資料查詢方法相對落后也不實(shí)用、無法確認(rèn)不同來源資料記錄結(jié)果的準(zhǔn)確度；缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；未建立數(shù)據(jù)交換通道以保證數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的一致性；沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的方法（或者形成統(tǒng)一技術(shù)聯(lián)盟等）對各自提供資料記錄結(jié)果的準(zhǔn)確性從基礎(chǔ)技術(shù)層面統(tǒng)一認(rèn)證；事故后責(zé)任追究中沒有引入對原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及有關(guān)責(zé)任的核查，導(dǎo)致權(quán)屬單位不愿意擔(dān)負(fù)應(yīng)有的責(zé)任，不愿意共享使用；數(shù)據(jù)的更新效率低下，沒有實(shí)現(xiàn)定期更新、竣工測量更新、共享交換更新；權(quán)屬單位只著眼于自己的應(yīng)用而在數(shù)據(jù)格式、組織結(jié)構(gòu)、命名、建模方法等方面各不相同，導(dǎo)致建成的系統(tǒng)之間存在語法和語義異構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域或跨部門的信息共享與互操作；事故發(fā)生時(shí)無法形成政府、企業(yè)和社會三位一體的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)格局；現(xiàn)有平臺不能夠全面支撐數(shù)據(jù)探測、會診、治理、養(yǎng)護(hù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)管等，不能實(shí)現(xiàn)全面共享使用。

圖3 探地雷達(dá)探測法

圖4 管道CCTV檢測法

圖5 三維地下管網(wǎng)綜合管理信息系統(tǒng)應(yīng)用

目前我國在地下空間三維模型的使用方法方面開展的研究較少，研究程度也較淺，現(xiàn)有系統(tǒng)也較難實(shí)現(xiàn)信息的整體査詢、分析、空間推理等，阻礙了三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。國內(nèi)已出臺《管線信息系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》《城市綜合地下管線信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》對管線信息系統(tǒng)從技術(shù)方面進(jìn)行規(guī)范。三維可視化功能、空間分析能力都強(qiáng)的軟件缺乏。現(xiàn)有二維通用GIS平臺工具由于視覺效果不直觀，使用受限。3D-GIS和建筑信息模型技術(shù)（BIM）可為決策、規(guī)劃和研究、管理提供全面技術(shù)支撐，正在成為管線管理基本研究工具。

盡管國內(nèi)近年來已經(jīng)開展了一些研究，但能夠?qū)⒏鞣N管網(wǎng)的各種屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸入一個(gè)數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行三維可視化表達(dá)的非常少見。在技術(shù)層面，這還需要國內(nèi)的所有管網(wǎng)權(quán)屬單位、其他有關(guān)方和研究者共同研究，真正實(shí)現(xiàn)填補(bǔ)空白才能實(shí)現(xiàn)共享使用。

地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)共享使用的利弊分析

數(shù)據(jù)共享使用的好處主要表現(xiàn)在統(tǒng)一由政府有關(guān)部門帶頭組織獲取和共享地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)能優(yōu)化社會治理。先進(jìn)的信息處理技術(shù)能提高管理效率，能促進(jìn)各權(quán)屬單位自身管理，能真正促進(jìn)落實(shí)工程“五方”有關(guān)責(zé)任，能提升工程整體安全水平，能精確服務(wù)于應(yīng)急處置。實(shí)踐表明云計(jì)算等諸多新技術(shù)給以往攜帶大量信息、涉及多部門的復(fù)雜社會問題的解決指明了出路。地下管網(wǎng)的管理也一樣，只要?jiǎng)?chuàng)建一定的前提條件（如統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集采用的坐標(biāo)系、統(tǒng)一數(shù)據(jù)輸入和輸出格式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)測繪標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)制作標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)屬性標(biāo)準(zhǔn)等），就可大幅度提高共享使用綜合管理效率和質(zhì)量。

共享使用也可能帶來數(shù)據(jù)泄密引起連鎖突發(fā)事件、使用帶有較大誤差的數(shù)據(jù)及錯(cuò)誤使用數(shù)據(jù)引起局部地區(qū)作業(yè)安全程度降低、數(shù)據(jù)管理的內(nèi)容及程序逐漸復(fù)雜化、數(shù)據(jù)協(xié)作處理不當(dāng)引起工程整體作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)增加等弊端。

地下管網(wǎng)三維數(shù)據(jù)庫共享使用的方法

地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)共享使用的原理可以描述為在統(tǒng)一制定數(shù)據(jù)輸入格式、數(shù)據(jù)誤差、數(shù)據(jù)輸出格式、數(shù)據(jù)測繪方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集方法及數(shù)據(jù)制作方法等基礎(chǔ)上，由數(shù)據(jù)輸入方采集滿足相關(guān)方一致要求的真實(shí)數(shù)據(jù)，再通過最大程度公開數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)使用方對數(shù)據(jù)的充分、高效地使用。其中數(shù)據(jù)共享中特別重要的兩個(gè)方面，一是數(shù)據(jù)屬性元素的確定，二是數(shù)據(jù)誤差的引入與準(zhǔn)確性分析。

如果將數(shù)據(jù)輸入方的數(shù)據(jù)全部屬性表示為集合A，將數(shù)據(jù)使用方的數(shù)據(jù)全部屬性表示為集合B，那么我們需要的結(jié)果就可以用A與B的交集C表示，C中各元素盡可能具有以下特征：屬性元素組成基本相同，屬性元素包括通用屬性元素、專有屬性元素兩部分；每一項(xiàng)屬性元素代表能夠反映提供方和需求方對數(shù)據(jù)的真實(shí)要求，而且越細(xì)化越好。

誤差是一個(gè)量的觀測值或計(jì)算值與其真實(shí)值之差。數(shù)據(jù)提供方在獲得原始數(shù)據(jù)、制作數(shù)據(jù)的過程中會產(chǎn)生誤差。如果傳遞后的誤差不受控制將影響后期使用。在共享應(yīng)用中誤差無處不在，但是可以通過一定的方法來降低誤差。首先誤差的產(chǎn)生應(yīng)該做標(biāo)記，在數(shù)據(jù)輸出的格式中明確表示誤差的來源，而且誤差標(biāo)簽也應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)不斷傳遞，并用一定的附加格式標(biāo)簽表示，方便數(shù)據(jù)使用方快速查找誤差的來源，消除對自己使用的影響。使用方在使用中會將原來數(shù)據(jù)的誤差帶入自己的工作中，產(chǎn)生誤差的傳遞。A與B的交集中各元素的誤差、誤差傳遞、誤差標(biāo)簽的管理應(yīng)滿足以下要求：輸入數(shù)據(jù)要標(biāo)注誤差，而且要攜帶誤差標(biāo)簽；誤差傳遞需要使用方專門管理，對自己得到的新數(shù)據(jù)用誤差及其標(biāo)簽（誤差標(biāo)簽和誤差傳遞標(biāo)簽）標(biāo)注。

綜合以上分析制定三條共享使用的基本做法如下：

①數(shù)據(jù)的輸入方（制造方、提供方）在給第三方數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)的信息平臺輸入數(shù)據(jù)時(shí)必須給出每一個(gè)數(shù)據(jù)的誤差及誤差標(biāo)簽；②數(shù)據(jù)使用方在數(shù)據(jù)使用中產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)，也必須給出每一個(gè)數(shù)據(jù)的誤差及誤差標(biāo)簽；③第三方數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)的信息平臺出具數(shù)據(jù)結(jié)果時(shí)，必須給出每一個(gè)數(shù)據(jù)的誤差、誤差標(biāo)簽、誤差傳遞標(biāo)簽。

這種做法可用于事故后迅速降低數(shù)據(jù)查找所需要耗費(fèi)的時(shí)間，也可用于事故之前提前判斷是否采用此類數(shù)據(jù)以及如何規(guī)避數(shù)據(jù)本身帶來的影響。

結(jié)論與建議

為了預(yù)防地下管網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行帶來的事故，需對其數(shù)據(jù)在有關(guān)方之間進(jìn)行充分共享使用。采取合適的方法并建立相應(yīng)的規(guī)章制度進(jìn)行綜合管理是共享使用的基本要求，加大共享使用的范圍和深度，保持共享使用數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性以及通用性是今后的方向。未來建議在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開展工作。

1.建立信息共享使用強(qiáng)制性管理細(xì)則，主要內(nèi)容包括有關(guān)方（如政府負(fù)有管理職能的部門、管網(wǎng)權(quán)屬單位、設(shè)計(jì)單位、勘察單位、施工單位、監(jiān)理單位）及其共享使用的責(zé)任、共享使用的方法、共享使用的信息平臺管理、事故發(fā)生后對各方責(zé)任的劃分以及有關(guān)證據(jù)的獲取、對相關(guān)方共享使用情況的監(jiān)督管理、保密責(zé)任等；

2.由所在地地市級政府主導(dǎo)組織、管網(wǎng)權(quán)屬單位共同出資建設(shè)地下管網(wǎng)信息共享平臺；信息平臺委托第三方機(jī)構(gòu)管理，由第三方機(jī)構(gòu)履行輸入審核、輸出備份以及單獨(dú)備案管理；所有管網(wǎng)數(shù)據(jù)均強(qiáng)制要求接入地下管網(wǎng)信息平臺；

3.出臺共享使用的原始數(shù)據(jù)調(diào)查、測繪、制作、入庫、出庫等標(biāo)準(zhǔn)；出臺統(tǒng)一的適用于各個(gè)權(quán)屬單位的通用的數(shù)據(jù)格式和與內(nèi)容有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；

4.管網(wǎng)權(quán)屬單位實(shí)行事故直接責(zé)任主導(dǎo)、間接責(zé)任輔助的管網(wǎng)生命周期相關(guān)事項(xiàng)決策管理，即每一次自身數(shù)據(jù)的輸入和更新都將記入后期事故后責(zé)任追究之中；

5.明確規(guī)定輸出數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求，從開發(fā)程序、輸入原始數(shù)據(jù)、確定計(jì)算方法、輸出結(jié)果等方面進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)范管理，統(tǒng)一采用兼容性強(qiáng)的開發(fā)工具；把數(shù)據(jù)的統(tǒng)一可視化表達(dá)作為今后數(shù)據(jù)庫用于決策方面的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行拓展和開發(fā)并大量運(yùn)用于工程項(xiàng)目的實(shí)際管理中。