物聯網和GIS 的地下管網三維實時監控系統分析

李士武 劉 旭 陳曉爽

（正元地理信息集團股份有限責任公司，中國 北京 100000）

0 前言

當前，在城市現代化建設工作中，城市的地下空間開發與利用得到了越來越多人的關注。因為在當前的城市發展建設中，給排水系統、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視以及工業等諸多部門的管線及其附屬設施都被設置在地下，可以說，城市地下管網系統是保障一個城市運行最重要的基礎設施和“生命線”，與廣大市民日常的生活及工作息息相關。 隨著技術的發展，基于物聯網和GIS 技術的城市地下管網三維實時監控系統應運而生。

1 物聯網與GIS 技術概述

1.1 物聯網技術概述

物聯網（Internet of Things）是一個動態的全球網絡基礎設施，是基于互聯網技術，借助現代智能感知技術、無線通信技術等實現對物品的自動識別及信息的互聯共享。 在物聯網中，每一個物品都有著自己的位置， 這個位置是傳感信息和執行信息的重要內容，如果在物聯網中缺少了位置信息，就會影響到事情的處理，導致信息雜亂無序，無法及時有效的進行處理和響應。此外，在物聯網中，因為傳感器采集到的信息數據量較大，類型較為復雜，且具有高度的動態性和時空特性，因此對數據的存儲預處理要求極高。

1.2 GIS 技術概述

GIS 技術是一種立足于地理科學的具有較高綜合性的技術。在實際運用中，該技術可以借助現代電子信息技術，建立某一區域的地理空間數據庫，并對該區域的實際地理狀況進行實時的模擬。 目前，GIS 技術已經被廣泛應用于航空航天、軍事以及建筑等領域。在城市發展建設中，隨著地下管網建設的不斷推進，GIS 技術也被廣泛應用到城市地下管網的實時監控當中。

2 當前我國城市地下管網建設中存在的瓶頸分析

2.1 更新修復工作不力

隨著城市的發展，很多城市的道路交通系統、地面建筑布局都發生了巨大的變化， 而城市早期修建的地下管網系統，在結構安排上無法與之相匹配，部分城市還存在著地下管網嚴重老化而出現攬水的現象， 甚至還有的城市地下管網經常發生爆裂現象， 使得城市道路出現嚴重的“拉鏈”問題。而且，這些問題還嚴重影響到城市的排水安全， 一旦發生特大強降雨或持續性極端天氣，這些城市就會發生嚴重的內澇現象，出現“看海”的狀態。根據統計數據顯示，近年來，我國有多個省區市發生洪澇災害，受影響的人口超過千萬人，特別是今年雨季，受到持續強降雨和上游來水疊加影響，南方多個省市發生內澇災害，受災人口超過千萬。

2.2 污水管網質量不高

城市污水管網是地下管網系統重要的組成部分。當前，我國很多城市的地下污水管網在質量方面參差不齊，很多污水管網的管材質量存在著問題，導致在運行中頻頻發生管線破漏的現象，一旦發生污水管線破漏，就會導致污水進入城市的河水、地表水及地下水當中，造成清污混雜，不但會污染城市清水系統，還會造成城市土壤污染，形成城市黑臭水體。 甚至有時候，污水管網破裂，還會發生污水帶走大量土壤泥沙導致城市地面出現坍塌的現象，嚴重威脅城市居民的生命和財產安全。

2.3 管理單位缺乏有效的協調

在城市地下管網建設過程中，大多數的管線系統都是循著城市的路網進行設計的，隨著城市建設的快速發展，給排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視以及工業等地下管網權屬單位存在著明顯的各自為政的現象，缺乏統籌管理。在施工過程中，部分權屬單位的管線敷設工作沒有與城市道路建設工作同步進行，導致城市道路被反復開挖，出現嚴重的“馬路拉鏈”現象， 不僅影響到了城市的面貌以及市民的正常生活，同時也造成了嚴重的資源浪費現象，甚至有時候還會危害到城市道路及地下管線的安全運行，導致出現路面塌陷或者管道破裂等事故，為人民群眾的生命和財產安全帶來威脅。

3 基于物聯網與GIS 技術的城市地下管網三維實時監控系統

3.1 城市地下管網三維實時監控系統的目標介紹

當前我國城市地下管網三維實時監控系統的目標，是進一步增強城市的地下管網建設能力，能夠全面、翔實地掌握地下管網的屬性信息情況，高效、準確地管理城市地下各種不同類型的管線，進而構建出兼具安全、可行及實用等特點的信息化管控系統。 利用該監控系統， 城市職能部門工作人員可以實時查看、統計、搜索并分析相關的地下管線信息，同時能夠完成相關信息的輸入與編輯、改進與更新等操作，從而提高對城市不同管線信息的額管理監控效果，增強城市對于災害的防控與救援工作服務質量，并最終達到自動化管控管網運行的設計、分析以及維護的效果。

3.2 城市地下管網三維實時監控系統的功能分析

基于城市地下管網三位實時監控系統的目標，其功能主要體現在如下幾個方面：首先，監控地下管網的連通性，并就其連通性進行分析的功能；其次，監控城市地下管網的爆管等災害問題， 并及時進行處理。在遇到城市地下管網出現爆管等事故時，工作人員可以借助三維實時監控系統， 對于需要緊急關閉的閥門、管線以及遭受干擾的用戶信息加以分析，為具體搶修工作提供準確的數據支持；最后，還要對各種管線的橫截面進行監控并分析，全面監控相關管線的埋深以及各種不同類型管線之間存在的位置關聯。

3.3 物聯網與GIS 技術的城市地下管網三維監控系統的構建

在構建基于物聯網和GIS 技術的城市地下管網三維監控系統時， 采用了基于SOA 框架技術的微服務架構，其設計兼顧技術框架與規劃業務框架，符合當前城市管網三維可視化管理及物聯網集成技術的需求。 其系統架構圖如圖1 所示。

圖1 基于物聯網和GIS 技術的城市地下管網三維監控系統整體架構圖

在設計過程中，三維實時監控系統的框架采用了分層化的設計，第一層為應用層，主要包括三維漫游、管網屬性查詢、事故應急、輔助決策、信息共享以及實時監測信息查詢等信息化應用軟件； 第二層是平臺層，包括軟件支撐和數據中心層，其中軟件支撐負責信息系統基礎、通用以及專業業務的協同運行、相關數據的專業處理與應用，是整個信息系統運行的技術核心。 而綜合數據中心則是整個信息系統的資源核心，由業務數據、基礎地理信息數據、檔案數據以及元數據等組成；第三層是網絡層，是提供感知信息傳輸的網絡途徑，主要包括通信網、互聯網和物聯網；第四層是感知層， 制信息采集的主要渠道， 利用GPS、RFID、傳感器等信息感知設備進行信息的采集。

4 結語

綜上所述，在我國城市化建設的過程中，為了更好地實施智慧城市的建設，地方政府應積極開展基于物聯網和GIS 技術的城市地下管網三維監控系統的構建，促使城市地下各類型的管網從外業采集到內頁數據處理以及系統管理的自動化。 其中物聯網為GIS技術進行數據的采集和處理，而GIS 技術則為物聯網提供了分析和展示，實現了對城市地下管網的動態監控，對潛在的事故危險及時預警定位，從而有效提高城市地下管網這一生命線的公共安全應急能力，促進城市的健康發展。