基于普查成果數據的管線安全隱患挖掘分析研究

賀笑怡，李德林，董紹環

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032；3.青島市城市建設檔案館，山東 青島 266003)

1 引 言

近些年，隨著經濟和技術基礎的日益發展，城市地下管線安全管理水平得到了逐步提升，但因為地下管線容量不足、工程隱蔽、老化嚴重、第三方破壞、無序建設等問題，城市地下管線安全事故每年都時有發生，地下管線安全形勢嚴峻。2013年11月22日，山東青島中石化東黃輸油管道泄漏原油進入市政排水暗渠，在形成密閉空間的暗渠內油氣積聚遇火花發生爆炸，造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失達7.5億元。2021年6月13日，湖北省十堰市張灣區艷湖社區集貿市場發生燃氣爆炸事故，截至2021年6月14日，共造成25人死亡，138人受傷。

為強化管理規劃引領統籌建設消除安全隱患，2014年6月3日國務院發布了關于加強城市地下管線建設管理的指導意見(國辦發[2014]27號)，力爭用5年時間，完成使用年限超過50年材質落后和漏損嚴重的供排水管網改造；對存在事故隱患的供熱、燃氣、電力、通信等地下管線進行維修、更換和升級改造；推進雨污分流管網的改造和建設；推進城市電網、通信網架空線入地改造工程；實施城市寬帶通信網絡和有線廣播電視網絡光纖入戶改造。用10年左右時間，建成較為完善的城市地下管線體系，使地下管線建設管理水平能夠適應經濟社會發展需要，應急防災能力大幅提升。

2 地下管線安全隱患挖掘分析的主要內容

(1)通過利用現有掌握的綜合地下管線數據普查成果資料，同時搜集有關地形圖以及道路、建(構)筑物等專題數據，初步摸清地下管線所在的地理空間位置、分布及周邊環境等情況。

(2)綜合分析目前地下管線所存在的自身安全風險隱患，包含穿越交叉分析、安全間距分析、建(構)筑物占壓分析等，作為地下管線數據挖掘分析利用的重要輔助技術手段，為行業管理部門、安全應急部門、專業管線權屬單位等提供決策依據，進而采取相應的安全措施及時消除安全風險隱患，確保城市地下管線運行安全。

3 地下管線安全隱患挖掘分析方法實現

3.1 技術路線

在本研究中，管線數據采用目前青島市已有市三區綜合地下管線數據庫，并收集地形圖等數字成果資料建設基礎數據庫，滿足本研究的實際需求。管線數據挖掘分析工作內容主要包括地下管線挖掘分析工具的開發建設和綜合分析目前市三區地下管線所存在的自身安全風險隱患，編制分析研究報告。本研究技術路線流程如圖1所示。

圖1 研究技術路線流程圖

3.2 已有資料收集分析

目前，青島市市三區地下管線數據主要包括普査成果、補測補繪數據成果以及竣工測量等數據。自2013年以來，青島市市三區地下管線普查與數據更新工作已進行了8年，建立了較為完善的綜合地下管線數據庫。綜合地下管線數據庫的建立，為城市規劃設計、建設、地下空間開發利用、城市管理和應急搶險等工作提供了必要的基礎信息支撐。截止到2020年底，數據庫中管線數據長度一萬余千米，此數據庫成果作為本研究數據挖掘分析的主要對象。本研究重點根據目前所掌握的管點和管線空間信息及屬性內容進行風險隱患的數據挖掘分析。

另外，根據收集的基礎地形數據，提取其中的道路面數據、地上建(構)筑物數據、特殊場所(學校、醫院和加油站)數據等應用于管線數據的挖掘分析利用。

3.3 挖掘分析工具算法實現

針對管線數據，常見的安全隱患分析方法有穿越交叉分析、安全間距分析、建筑物占壓分析、覆土深度分析和壽命分析等。本文根據掌握的數據屬性情況，著重從以下三個方面對地下管線數據的安全隱患進行挖掘分析。

3.3.1 穿越交叉分析

管線穿越交叉分析主要排查分析范圍內高危管線與其他類別管溝或高危管溝與其他類別管線段穿越交叉的情況，通過ArcGIS提供的緩沖區分析、疊加分析、空間統計分析等功能，實現穿越交叉管線段的自動提取和統計分析。具體算法實現如下：

①以分析范圍內某一管溝為例，遍歷選取該分析范圍內所有與該管段水平方向有交點的管線段；

②通過利用管段的埋深和管徑值，計算獲取兩條管段在豎直方向上的空間關系，包括穿越、交叉等，考慮到部分穿越、交叉情況是由管線數據在探測過程中無法有效獲取關鍵轉折點導致的，因此，在本研究過程中未實際考慮管線穿越、交叉的情況，僅是根據數據屬性信息分析。

③對于穿越和交叉碰撞的管線段，計算兩管線段水平交點處的垂直距離；

④根據《青島市地下管線探測與信息化建設技術導則(2016修編版)》(下稱《導則》)中對地下管線探查的精度規定，埋深限差δth為 0.15 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當 h<100 cm時，則以 100 cm帶入計算)，因此，本研究取 15 cm為選取管線與管溝穿越交叉分析結果的限差，并記錄穿越和交叉管線段的屬性信息；

⑤分別對每類管溝重復上述分析；

⑥統計穿越和交叉的管線段，記錄其位置、類型、垂直凈距等信息，為穿越交叉挖掘分析提供輔助支撐。

3.3.2 安全間距分析

本研究安全間距分析分為水平凈距分析、垂直凈距分析和建筑物間距分析，利用地下管線數據以及地上建筑物面數據，通過ArcGIS的緩沖區分析、疊加分析、空間統計分析等，實現安全間距隱患管線段的提取和統計分析。具體算法實現如下：

(1)水平凈距分析和建筑物間距分析

①以某一給水管段為例，根據《GB50289-2016城市工程管線綜合規劃規范》(下稱《規劃規范》)中對“工程管線之間及其與建(構)筑物之間的最小水平距離”的相關規定，以給水管線與其他管線間最小安全凈距的最大值為半徑建立緩沖區，該緩沖區多邊形即為該給水管線與其他管線間可能存在的凈距隱患的最大范圍；

②將所有管段和建筑物面數據與該緩沖區多邊形進行疊置分析，排除多邊形外的管段，識別多邊形內的管線類型(a、b、c……)；

③以該給水管段為中心，分別以多邊形區域內的a、b、c等類別管線和建筑物面數據與給水管線的最小安全凈距為緩沖區半徑建立緩沖區，將該緩沖區與對應類型進行疊置分析，緩沖區多邊形內的管段和建筑物面數據就是與給水管線間凈距不符合安全要求的數據；

④計算并記錄兩管線段間和管線段與建筑物面數據間的最小距離，將該值與《規劃規范》中規定的最小水平凈距作對比，計算最小距離與最小水平凈距的差值；

⑤根據《導則》中對地下管線探查的精度規定，平面位置限差δts為 0.1 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當 h<100 cm時，則以 100 cm帶入計算)，取 10 cm為選取管線段水平凈距和建筑物間距的限差，排除最小距離與最小水平凈距差值小于或等于 10 cm的管線段，并記錄管線段的屬性信息；

⑥分別對每類管線重復上述分析；

⑦統計不滿足安全凈距要求的管線段，記錄其位置、類型、水平凈距等信息，為水平凈距和建筑物間距挖掘分析提供輔助支撐。

(2)垂直凈距分析

①以某一給水管段為例，根據《規劃規范》中對“工程管線交叉時的最小垂直凈距”的相關規定，以給水管線與其他管線間最小安全凈距的最大值為半徑建立緩沖區，該緩沖區多邊形為給水管線與其他管線間可能存在的凈距隱患的最大范圍；

②將所有管線段與該緩沖區多邊形進行疊置分析，排除多邊形外的管線段，識別多邊形內的管線類型(a、b、c……)；

③以該給水管段為中心，分別以多邊形區域內的a、b、c等類別管線與給水管線的最小安全凈距為緩沖區半徑建立緩沖區，將該緩沖區與對應類型進行疊置分析，緩沖區多邊形內的管線段就是與給水管線間凈距不符合安全要求的數據，并計算這些管線段與該給水管線段是否存在水平方向上的交點，若存在交點即垂直凈距不符合《規劃規范》的要求；

④計算兩管線段間的水平交點處的垂直距離，將該值與《規劃規范》中規定的最小水垂直凈距作對比，并計算與最小垂直凈距的差值；

⑤根據《導則》中對地下管線探查的精度規定，埋深限差δth為 0.15 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當 h<100 cm時，則以 100 cm帶入計算)，取 15 cm為選取垂直凈距不符合《規劃規范》要求的限差，排除與最小垂直凈距的差值小于或等于 15 cm的管線段，并記錄管線段的屬性信息；

⑥分別對每類管線重復上述分析；

⑦統計不滿足垂直凈距要求的管線段，記錄其位置、類型、垂直凈距等信息，為垂直凈距挖掘分析提供輔助支撐。

3.3.3 建(構)筑物占壓分析

建(構)筑物占壓分析利用地下管線數據和地上建筑物面數據，通過ArcGIS提供的疊加分析、空間統計分析等，實現建(構)筑物占壓管段的提取和統計分析。具體算法實現如下：

①以某一地上建筑物面數據為例，提取該范圍面，將所有管線段與該多邊形進行疊置分析，排除多邊形外的管線段，識別多邊形內的管線段，多邊形內的管線段即為被建(構)筑物占壓的管線段；

②若多邊形內的管線段為市政管線接入小區的管線段，且以上桿點、出地點、示蹤點、起止點作為接入小區內最后一個點，程序自動過濾該部分占壓的管線段；

③計算占壓管線段的長度，根據《導則》中對地下管線探查的精度規定，平面位置限差δts為 0.1 h(式中h為地下管線的中心埋深，單位為厘米，當 h<100 cm時，則以 100 cm帶入計算)，取 10 cm為選取管線段占壓長度的限差，排除占壓長度小于或等于 10 cm的管線段，并記錄管線段的屬性信息；

④分別對每個建筑物面數據重復上述分析；

⑤統計被建(構)筑物占壓的管線段，記錄其位置、類型、占壓長度等信息，為建(構)筑物占壓挖掘分析提供輔助支撐。

4 地下管線安全隱患挖掘分析示例

4.1 穿越交叉分析

以某十字路口為例，分析范圍如圖2所示，該分析范圍面積約 12 346 m2，地下管線長度約 5 242.53 m，管線段數287段，其中暗渠管溝約 504 m。根據現有數據庫中管線高程屬性信息，結合本研究算法進行穿越交叉分析，分析結果如圖3所示，該區域管線與管溝存在交叉的點位共有54處，其中不穿越交叉20處，穿越交叉34處，共34處點位可能存在管溝穿越交叉的安全隱患。

圖2 管線安全隱患挖掘分析范圍圖示

圖3 穿越交叉分析結果示例

4.2 安全間距分析

(1)水平凈距分析和垂直凈距分析

以某十字路口為例，分析范圍如圖2所示。根據現有數據庫中管線高程屬性信息，使用本研究分析方法，結果顯示水平凈距不符合規范的有130段，共計 2 690.4 m；垂直凈距分析顯示管段交叉點位400處，不符合垂直凈距規范的有114處，占比約28.5%。該分析結果可作為外業調查管線水平凈距和垂直凈距安全隱患的參考資料使用。

(2)建筑物間距分析

以某路段為例，如圖4所示，該分析范圍面積約 5 256 m2，道路南側有三棟居民樓，地下管線長度約 2 433 m，段數為205段。根據庫中現有管線數據與地上建筑物進行間距分析，其中不符合建筑物間距規范的管段有23段，共 203.75 m，部分分析結果如圖5所示。

圖4 建筑物間距分析范圍圖示

圖5 建筑物間距分析結果示例

4.3 建(構)筑物占壓分析

以某路段南側為例，該地區存在暗渠管線被建筑物占壓情況，如圖6高亮部分所示。對該區域進行建(構)筑物占壓分析，共分析管段212段，總長度 4 745.14 m，其中被建筑物占壓管段4段，663.28 m，均為暗渠管線，占壓長度占比約14.11%。該段暗渠因受建筑物長期占壓，易造成管線沉降變形，導致管線破裂，建議作為重點風險隱患進行排查核實，為相關部門下一步整治隱患提供重要依據。

圖6 建(構)筑物占壓分析范圍圖示

5 總 結

城市地下管線安全隱患挖掘分析研究是一個涉及測繪學、地理學、城市規劃學、計算機科學等諸多學科的復雜問題，關系到人民群眾生命財產完全和城市地下空間未來的建設與發展，不僅對管線的運營管理有重要作用，同時對于確保地下管線與城市協調發展，保障城市安全運行也有重大意義。

本文根據地下管線空間布局的特點及原則，確定了一套管線穿越交叉分析、安全間距分析和建(構)筑物占壓分析的研究方法，并以青島市市三區地下管線數據庫部分數據為例，進行了地下管線安全風險隱患的實例分析。在當前我國地下管線安全事故頻發的背景下，研究成果對城市地下管線潛在的安全風險隱患排渣治理具有重大的現實意義。