排水管網健康度動態維護系統建設研究

范江

(福州市勘測院，福建 福州 350000)

1 引 言

地下管線如同城市的“血管”，負責城市的“能量運輸”與“廢物排出”，是城市安全運行的“生命線”，而排水管網是現代化城市建設運營中不可或缺的重要組成部分，其安全運行直接關系到城市的公共安全和環境保護，是城市水環境污染防治和防洪排澇的重要控制措施，是城市的“大動脈”[1～3]。而近年來，排水管網的病害問題引起的城市日常雨、污水排放，在極端環境下引發的城市內澇、環境污染等次生問題甚至地面塌陷等城市災害頻頻發生，給城市的安全穩定和經濟運行產生了極大影響，如深圳2013年～2015年的地面坍塌事故有57.4%是由排水管道破損導致[4，5]。因此，國家對城市排水管網的清淤、排查、修復工作日益重視，2013年10月，國務院頒布了《城鎮排水與污水處理條例》，明確提到，加強對城鎮排水設施的管理和河道防護、整治，因地制宜地采取定期清淤疏浚等措施，確保雨水排放暢通，共同做好城鎮內澇防治工作[6]。因此，本文采用GIS技術，引用數據安全訪問控制技術，結合CCTV管道檢測數據[7]，將排水管網清淤、排查、修復等管網養護業務結合，研究建設排水管網健康度動態維護系統，旨在對排水管道內部的功能性缺陷和結構性缺陷的病害情況進行動態維護管理，盡量減少或避免由其引發的污水四溢、道路積水和塌陷甚至強降雨引發的城市內澇等問題，構建新型城市排水管網健康度動態維護模式。

2 系統設計

2.1 總體框架

鑒于管道破壞后搶修費用比主動維護高50%，而周期性管道維護的投資極大減少管道事故的經濟損失[8，9]，因此排水管網健康度動態維護系統通過維護計劃制定、采集上報、一張圖及統計分析，以涉密專網系統運行為主，以安全控制移動查看、采集上報相結合的方式，實現排水管網健康度的動態維護管理，其總體框架設計如圖1所示：

圖1 系統總體框架設計

基礎設施層：由服務器、存儲設施、網絡設備、安全設備、基礎軟件等云計算平臺構成，提供系統運行的基礎軟硬件環境。

數據資源層：由排水管網空間數據、健康度數據和業務數據等構成，是系統運行的數據保障。

業務支撐層：包含工作流引擎、GIS引擎、表單服務、多媒體數據服務等，是系統提供應用服務的中間支撐。

應用服務層：在安全控制和運維管理基礎上，搭建排水管網維護計劃管理、排水管網健康度統計分析、排水管網健康度一張圖、排水管網維護采集上報App等應用服務，其中排水管網維護采集上報App在安全控制下提供移動端服務。

用戶層：包含排水管網維護的管理部門、施工部門和監管部門。

運維保障體系和標準規范體系分別包含保障系統穩定運行和維護的管理機制、標準規范等內容。

2.2 系統數據庫

系統數據庫由排水管網空間數據、健康度多媒體數據和業務數據構成。

(1)排水管網空間數據

排水管網包含雨水、污水管網，因此其空間數據由雨水管點、雨水管線、污水管點、污水管線以及相應的管網缺陷數據構成。

(2)健康度多媒體數據

以管網為單位的健康度評價和CCTV檢測視頻、圖片等信息。

(3)業務數據

排水管網維護管理過程中產生的業務數據，包含維護計劃、巡查、排淤、修復等。

2.3 系統功能

2.3.1 排水管網維護計劃管理

提供排水管網健康度維護施工的計劃管理功能，提供排水管網清淤、排水管網排查、排水管網修復在內的任務計劃的創建、更改、刪除管理。同時提供計劃審核、計劃下達，查看計劃上報結果和計劃完成情況等功能。

2.3.2 排水管網健康度統計分析

提供按時間范圍、計劃定制的管網長度、任務上報的管網長度等對管網清淤進度、管網排查進度、管網缺陷、管網修復進度、總體完成情況等統計分析，并以圖表的形式展示統計分析結果，同時提供統計時間范圍內的每日、每周、每月完成情況或發現的缺陷情況。

2.3.3 排水管網健康度一張圖

以一張圖的方式，根據選擇的時間、圖層顯示管網缺陷健康度信息、管網清淤施工完成情況、管網排查施工情況、管網修復施工情況。同時提供管網橫斷面綜合分析、管網生命周期時間軸分析，并提供管線健康度表單和CCTV檢測視頻圖片等多媒體信息查看。

2.3.4 排水管網維護采集上報App

提供排水管網巡查、清淤、修復等維護計劃的查看以及實施情況的采集上報，并配套提供排水管網的地圖服務和App更新服務。其中：

(1)維護計劃實施情況的采集上報包含計劃完成情況的表單填寫、管網選擇、照片上傳等。

(2)排水管網的地圖服務提供排水管網加密數據在離線狀態下的查看以及道路、井蓋等查詢檢索，為維護計劃實施情況提供地圖定位與輔助。

(3)App更新服務提供聯網狀態下程序檢查更新和排水管網加密數據的下載更新。

2.3.5 安全控制

提供數字水印和數據加解密控制等安全控制服務。

(1)數字水印：提供排水管網空間數據嵌入版權單位信息，并可追蹤不同用戶使用數據的行為，預防數據泄密或侵權盜用。

(2)數據加解密控制：通過對數據范圍和操作權限進行加密，在認證通過的用戶和設備環境下方可解密使用排水管網數據，同時在數據到期或被惡意修改后自動銷毀，實現排水管網數據在離線情況下指定用戶指定平臺環境下使用，避免數據非法聯網和泄露。

2.3.6 運維管理

提供系統用戶、權限管理以及系統參數的配置，系統運行監控等。

3 關鍵技術

3.1 排水管網健康度全息數據呈現

排水管網健康度數據包含排水管網空間數據、CCTV檢測視頻和圖片數據、健康度評價數據等，如何將這些多源數據進行融合呈現排水管網健康度的全息信息是本系統建設研究需解決的關鍵問題。本文使用基于管點(或管線起止點)坐標生成的編碼(GDHCode)作為管線數據與健康度數據對應的唯一編碼，并結合缺陷位置，實現排水管網健康度多源數據的融合，全息呈現每一段排水管網從起點到終點的健康度情況，如圖2所示：

圖2 排水管網健康度全息呈現

3.2 排水管網健康度全生命周期管理

排水管網從建設投入使用到最終廢棄會經歷較長的使用時間，可能存在多次的巡查、清淤、修復等維護工程，只有對排水管網的材質、建設時間、埋設情況等基本信息進行記錄，并對每一次巡查養護情況進行跟蹤，才能對維護計劃的制定提供指導與參考，因而對排水管網從“出生”到“消亡”的全生命周期健康度情況的管理，是開展排水管網健康度管理的關鍵。本文以每段排水管網為單元，以時間軸的方式，記錄其每一次排查、清淤、修復的所有健康度數據(如圖3所示)，形成排水管網的全生命周期的健康度狀況管理，不僅實現排水管網健康度“家底清”，而且為后續排水管網重點隱患部位的監測以及維護計劃的制定實施提供參考。

圖3 排水管網健康度全生命周期管理

3.3 排水管網空間數據使用安全控制策略

隨著信息技術、移動、5G等技術的快速發展，矢量數據的獲取、復制、傳播越來越方便，應用越來越廣泛，排水管網作為一種涉密的矢量數據，一旦發生泄密、盜版、竊取等安全事故，將會對國家安全和人民生命財產安全產生重要影響[10，11]，因此排水管網數據的安全使用控制是本系統建設需解決的關鍵技術。

(1)移動端排水管網空間數據安全使用：基于數據水印、數據加密、數據訪問控制等安全控制技術[12，13]，根據用戶權限、設備使用環境、使用范圍和時限、操作行為等構建排水管網空間數據的安全控制規則，即只有授權用戶方能在離線環境下、在指定時限內對規范范圍內的排水管網空間數據進行帶水印的解密訪問，一旦任一約束條件發生改變，排水管網空間數據會自動加密存儲拒絕訪問。

(2)系統安全管控：本系統主體在涉密網環境下部署使用，數據使用策略示意圖如圖4所示，排水管網空間數據包加密后通過安全網關在互聯網環境下轉發，移動端用戶在授權認證通過的情況下在線聯網下下載加密的排水管網空間數據包，在離線斷網下解密排水管網空間數據并在App上提供相應的地圖服務，在地圖服務參考下，基于管網編號填寫排水管網維護采集的健康度數據和業務數據，在聯網情況下(地圖服務自動斷開)將健康度數據和業務數據回流至涉密網中的排水管網健康度動態維護系統的數據庫。

圖4 系統數據使用策略示意圖

4 結 論

俗語有言“三分建、七分養”，排水管網的后期維護管理非常重要，本文通過GIS技術和安全訪問控制技術，結合CCTV檢測數據，實現排水管網健康度數據的全生命周期管理和維護業務參與各方的全流程管理，為排水管網的維護計劃制定與實施提供參考依據。同時，本系統通過排水管網空間數據加密傳輸、離線使用與業務數據在線上報相結合的方式，保障排水管網健康度數據的安全使用，為排水管網的維護作業提供了安全有效的解決方案。然而，隨著排水管網信息化的進一步推進，新型智慧城市的深化建設，人工智能、物聯網監測在排水管網維護中的結合應用等方面開展進一步的研究工作。