多部門聯(lián)動協(xié)同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

郭明武，彭清山，譚仁春

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

多部門聯(lián)動協(xié)同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

郭明武*，彭清山，譚仁春

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

首先分析了當前城市地下管線管理面臨的種種問題，然后運用GIS、GPS、移動通訊及云計算等技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了多部門聯(lián)動協(xié)同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺，規(guī)范了管線從規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)管到運維的全生命周期管理流程，實現(xiàn)了城市地下管線跨部門的“信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同及智能應(yīng)用”。該平臺極大緩解了城市地下管線管理脫節(jié)所導(dǎo)致的種種“城市病”，平臺的建設(shè)思路對國內(nèi)其他地區(qū)具有一定的借鑒意義。

地下管線；管線信息平臺；全生命周期管理

1 引 言

城市地下管線是城市賴以生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，被稱為城市的“生命線”。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進和城市地下管線建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，地下管線管理中暴露出的問題十分突出，諸如道路反復(fù)開挖(簡稱“馬路拉鏈”)、停水、停氣、停電、危險氣體泄露以及燃氣爆炸等事故時有發(fā)生[1～2]。為了加強城市地下管線管理，防止上述問題的反復(fù)發(fā)生，國內(nèi)許多城市在幾年前就摸清了地下管線家底，并研發(fā)了地下管線管理信息系統(tǒng)。但是仍然未能從根本上解決上述管線管理問題。其主要原因是目前國內(nèi)城市存在管線“管理脫節(jié)”的問題。城市地下管線在規(guī)劃、建設(shè)及運行管理過程中，主要涉及城市規(guī)劃管理、建設(shè)管理及市政(城管)管理等部門和各管線權(quán)屬單位。管線基本上是由各管線建設(shè)單位自行建設(shè)的，各職能部門各管一段、各自為政，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)和有機銜接。

為了從根本上解決城市地下管線存在的“管理脫節(jié)”等問題，本文在充分整合管線規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)管部門及管線權(quán)屬單位業(yè)務(wù)職能的基礎(chǔ)上，綜合運用了GIS、GPS、RFID、移動通訊及云計算等技術(shù)，研發(fā)了多部門聯(lián)動協(xié)同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺，實現(xiàn)了城市地下管線跨部門的“信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同及智能應(yīng)用”。

2 平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 平臺的總體設(shè)計

為了突破傳統(tǒng)GIS建設(shè)與應(yīng)用的局限性，提高平臺的穩(wěn)定性、連續(xù)性和高可用性，本項目將云計算技術(shù)應(yīng)用到平臺的搭建之中。通過采用云計算技術(shù)，可以讓平臺具備負載均衡、部署方便、資源彈性擴展、性能安全可靠等特征，實現(xiàn)海量城市管線穩(wěn)定高效的管理與共享應(yīng)用。按照邏輯結(jié)構(gòu)，平臺可劃分為6個層次，從下往上依次為：“物理層”、“虛擬層”、“中間層”、“數(shù)據(jù)層”、“管理服務(wù)層”和“應(yīng)用層”，如圖1所示。

(1)物理層：物理層是由均質(zhì)化的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲等硬件資源組成的，即構(gòu)建物理層的所有服務(wù)器需出自相同品牌、相同型號，滿足驅(qū)動程序或硬件的兼容性，這樣才能實現(xiàn)遷移、負載均衡、容錯等多項功能。

(2)虛擬層：虛擬層利用虛擬化技術(shù)，對操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用程序、服務(wù)器、存儲等資源進行虛擬化，提供虛擬化的資源和虛擬化的技術(shù)。它將多臺物理服務(wù)器、分布的存儲資源、物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等資源動態(tài)整合為一個共享資源池，實現(xiàn)虛擬計算服務(wù)、數(shù)據(jù)容錯與備份等功能。虛擬化應(yīng)用是將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)解耦合，為應(yīng)用程序提供一個虛擬的運行環(huán)境。在這個環(huán)境中，不僅包括應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件，還包括它所需要的運行時環(huán)境。從本質(zhì)上說，應(yīng)用虛擬化是把應(yīng)用對低層的系統(tǒng)和硬件的依賴抽象出來，可以解決環(huán)境不兼容等問題。

(3)中間層：中間層主要負責管理基礎(chǔ)設(shè)施層的虛擬化資源，提供自動化的管理服務(wù)，包括主機管理、虛擬機管理、資源的動態(tài)調(diào)度、服務(wù)運行狀況監(jiān)控等。

圖1 平臺的邏輯結(jié)構(gòu)

(4)數(shù)據(jù)層：該層對應(yīng)平臺管理的各類基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、管線數(shù)據(jù)及管線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(如規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、監(jiān)管業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、應(yīng)急業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和監(jiān)測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等)；平臺通過將數(shù)據(jù)庫資源發(fā)布成通用和標準的OGC數(shù)據(jù)服務(wù)，向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)源。

(5)管理服務(wù)層：平臺各層中的功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用以面向服務(wù)(SOA)的方式進行設(shè)計和開發(fā)，使層內(nèi)各功能耦合度達到最小。管理服務(wù)層對應(yīng)平臺的數(shù)據(jù)管理與訪問相關(guān)的模塊與接口。其中包含的服務(wù)除了數(shù)據(jù)服務(wù)外，還包括空間數(shù)據(jù)引擎服務(wù)、空間查詢服務(wù)、空間分析處理服務(wù)等。所有數(shù)據(jù)與功能服務(wù)遵循OGC標準協(xié)議，這使得不同的數(shù)據(jù)服務(wù)可以進行聚合與疊置，不同的功能服務(wù)可以進行互操作。

(6)應(yīng)用層：應(yīng)用層對應(yīng)平臺各子系統(tǒng)。每一個應(yīng)用都對應(yīng)一個業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)一組特定的業(yè)務(wù)邏輯，并且通過服務(wù)接口與用戶交互。

2.2 平臺的功能結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

從功能上講，該平臺由1個統(tǒng)一的“管線數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)”，4個分工明確又相互銜接，且涵蓋管線規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)管與應(yīng)急的管理系統(tǒng)(即城市管線規(guī)劃管理系統(tǒng)、城市管線建設(shè)管理系統(tǒng)、城市管線監(jiān)管系統(tǒng)和城市管線應(yīng)急指揮系統(tǒng))和N個專業(yè)管線監(jiān)測運維系統(tǒng)構(gòu)成，簡稱“1+4+N”平臺。

(1)“管線數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)”的應(yīng)用部門為平臺的數(shù)據(jù)管理中心。它主要對地下管線數(shù)據(jù)進行檢查、編輯、入庫、更新和發(fā)布共享，并為平臺中其他各個系統(tǒng)的管線業(yè)務(wù)管理與分析應(yīng)用提供基礎(chǔ)地理信息服務(wù)和管線數(shù)據(jù)服務(wù)。

(2)“城市管線規(guī)劃管理系統(tǒng)”的應(yīng)用部門為規(guī)劃管理部門。它以服務(wù)城市地下管線規(guī)劃管理為核心，以推進管線與新改(擴、建)道路的同步規(guī)劃設(shè)計和輔助管線工程規(guī)劃審批為目的，實現(xiàn)管線規(guī)劃審批有序、動態(tài)和科學的管理。系統(tǒng)主要功能包括管線規(guī)劃編制成果管理、管線規(guī)劃審批、管線規(guī)劃批后監(jiān)管和小微管線工程報備等。“管線規(guī)劃編制成果管理”主要實現(xiàn)地下管線綜合規(guī)劃、專項規(guī)劃和修建性詳細規(guī)劃等規(guī)劃編制成果的檔案歸集、瀏覽查詢、編輯管理、轉(zhuǎn)換入庫、空間分析和制圖輸出等功能；“管線規(guī)劃審批”模塊結(jié)合管線現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)，提供二維和三維環(huán)境下斷面分析、間距分析、水平或垂直凈距分析及碰撞檢測等空間分析功能，自動審核規(guī)劃方案中每條管線的埋深、管徑、位置、走向及標高等控制指標是否符合國家規(guī)范標準。通過該模塊為管線工程規(guī)劃許可證的審批提供輔助決策支持；此外，該模塊還提供不同二維(或三維)管線規(guī)劃方案的分析比對功能；“管線規(guī)劃批后監(jiān)管”模塊主要用于對管線規(guī)劃竣工驗收數(shù)據(jù)和工程檔案數(shù)據(jù)進行管理。提供了管線竣工驗收數(shù)據(jù)與規(guī)劃設(shè)計圖對比功能，為檢驗管線工程是否符合規(guī)劃設(shè)計要求提供了輔助支持，也為管線工程管控與評價提供了科學依據(jù)[3]。

(3)“城市管線建設(shè)管理系統(tǒng)”的應(yīng)用部門主要為建設(shè)管理部門。它在管線建設(shè)計劃、施工、驗收、竣工檔案管理等環(huán)節(jié)對管線建設(shè)與施工單位進行全過程的管理，確保管線工程的施工質(zhì)量。該系統(tǒng)包含的功能模塊主要有：年度計劃、綜合設(shè)計、施工注冊和竣工歸檔等?！澳甓扔媱潯笔抢贸鞘泄芫€專項規(guī)劃、道路項目前期工作計劃、城建年度計劃、管線與道路同步建設(shè)初步計劃等資料，以地理空間框架數(shù)據(jù)和管線普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立管線年度建設(shè)計劃數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)籌安排城市道路和城市管線建設(shè)，為管線前期計劃、意見下發(fā)、意見征求與基于地圖的年度計劃制定等工作提供科學的信息化管理手段。統(tǒng)籌了不同權(quán)屬管線年度計劃的時空一致性，從源頭上避免了管線建設(shè)不同步的問題；新(改、擴)建城市快速路、主干道、景觀路、橋梁、隧道、軌道交通等城市道路建設(shè)項目必須同步進行地下管線綜合設(shè)計，在編制修建性詳細規(guī)劃、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計階段必須同步組織管線綜合規(guī)劃及管線綜合設(shè)計?！熬C合設(shè)計”將實現(xiàn)管線參建單位與道路參建單位的充分溝通和無縫對接，輔助和指導(dǎo)管線與道路同步設(shè)計，避免管線交叉碰撞和重復(fù)施工，實現(xiàn)同步有序施工；為了加強各類工程建設(shè)活動對既有管線的安全保護，明確各類工程建設(shè)、施工、監(jiān)理單位和管線權(quán)屬單位的責權(quán)關(guān)系，“施工注冊”模塊以移動APP與PC端應(yīng)用相結(jié)合的方式，結(jié)合實時通訊、無線移動網(wǎng)絡(luò)、GPS及GIS等技術(shù)，提供管線建設(shè)管理單位(含管線行業(yè)管理部門)、管線權(quán)屬單位和施工單位之間信息披露、配合確認、開工簽到、開工提醒、施工報監(jiān)、監(jiān)督管理、隱患排查、事故上報、糾紛協(xié)調(diào)等過程的信息共享和溝通交流的手段，避免施工過程中“信息不暢通、溝通不充分”導(dǎo)致的施工事故發(fā)生；“竣工歸檔”功能模塊旨在通過對竣工成果進行歸檔管理來強化與落實管線竣工測量制度，并實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新的目標。

(4)“城市管線監(jiān)管系統(tǒng)”的應(yīng)用部門為城市管理部門。為了確保在管線運維管理中嚴格執(zhí)行報建制度和動態(tài)管理制度，為了便于城市管理部門準確掌控和及時處理有關(guān)管線運行維護的問題，該系統(tǒng)圍繞城市地下管線監(jiān)管業(yè)務(wù)工作的需要，設(shè)計并開發(fā)了“占道挖掘許可管理”及“隱患巡查”兩大模塊。占道挖掘許可是城市管線施工開挖的前置條件，只有具備了相關(guān)開挖條件，并經(jīng)市城管局批準下發(fā)了占道挖掘許可證的管線工程，才能開挖施工。“占道挖掘許可管理”模塊主要實現(xiàn)申請資料的審查、登記及錄入；施工范圍線與橋梁、隧道、地鐵等市政設(shè)施保護線的空間疊加分析，以輔助審批；占道挖掘許可證相關(guān)信息及審批狀態(tài)管理等；目前，在管線上方或保護范圍內(nèi)搭建各種建筑物、構(gòu)筑物及其他設(shè)施的違法違章行為在武漢各區(qū)時有發(fā)生。為了保證人民財產(chǎn)安全，消除管線安全隱患，“隱患巡查”模塊為群眾、社區(qū)巡查隊員及城管執(zhí)法人員進行壓占管線違建巡查、井(溝)蓋破損上報及管線日常巡檢提供了智能移動的工具。通過該模塊，可以上報壓占違建、井(溝)蓋破損及其他管線隱患信息。城管部門可以通過該模塊對上報的隱患信息進行跟蹤、定位及處理等工作[4]。

(5)“城市管線應(yīng)急指揮系統(tǒng)”的應(yīng)用部門為城市應(yīng)急指揮中心。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)事故管理、事故模擬、應(yīng)急預(yù)案、災(zāi)后評估等功能，能夠為應(yīng)急部門提供應(yīng)急處置決策服務(wù)。當管線在某一位置發(fā)生事故時，系統(tǒng)能基于高密度的監(jiān)測傳感器，并結(jié)合GIS強大空間分析能力，快速確定事故點和事故點周圍需要緊急關(guān)閉的各種閥門。同時，系統(tǒng)提供最佳的救援與人員疏散路徑，并自動通知最近的消防或救援隊伍趕赴事故現(xiàn)場，以便將事故損失降到最低。

(6)“專業(yè)管線監(jiān)測運維系統(tǒng)”的應(yīng)用部門主要為各管線權(quán)屬單位。它是由各管線權(quán)屬單位結(jié)合自身管線專業(yè)的特點，以滿足自身專業(yè)化應(yīng)用與運營維護的需要而通過新建或升級改造的方式搭建的各類管線專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。“專業(yè)管線監(jiān)測運維系統(tǒng)”除了能對專業(yè)管線進行管理與更新維護外，還通過智能實時監(jiān)測系統(tǒng)、各種類型的數(shù)據(jù)傳感器，實時收集管線運行中的工作狀態(tài)信息(如實時壓力、流量等)、管線的空間位置及自身屬性信息，并能通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別RFID等通信手段，將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心[5]。

2.3 跨部門的管線業(yè)務(wù)協(xié)同與數(shù)據(jù)更新管理方式

平臺中的各個子系統(tǒng)根據(jù)制定的標準規(guī)范進行數(shù)據(jù)交換與業(yè)務(wù)協(xié)同，并在業(yè)務(wù)協(xié)同的過程中實現(xiàn)了對地下管線數(shù)據(jù)的實時更新(如圖2所示)。平臺對每個管線項目賦予了唯一的工程編號，管線項目在不同生命階段之間的信息通過這個唯一的工程編號進行關(guān)聯(lián)。在一個子系統(tǒng)中錄入或產(chǎn)生的信息會根據(jù)業(yè)務(wù)管理需要，自動流轉(zhuǎn)或共享到另一個子系統(tǒng)中。上一個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)執(zhí)行完畢后，下一個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)(或子系統(tǒng))用戶會收到消息提醒[6]。

圖2 平臺業(yè)務(wù)協(xié)同與數(shù)據(jù)更新方式

平臺基于管線工程竣工測量相關(guān)實施辦法，并結(jié)合相關(guān)管理機制，通過管線竣工測量、管線異動測量和管線修補測等方式，將數(shù)據(jù)自動流轉(zhuǎn)到管線數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)管線信息的動態(tài)實時更新。

3 結(jié) 語

本文在找準城市地下管線管理所存在的“癥結(jié)”的基礎(chǔ)上，設(shè)計并研發(fā)了多部門聯(lián)動協(xié)同的城市地下管線全生命周期管理信息平臺，實現(xiàn)了城市管線全生命周期的信息化與智能化管理。該平臺從根本上解決了管線規(guī)劃、建設(shè)及管理上長期存在的“信息分散及管理脫節(jié)”的問題，極大緩解了由城市地下管線管理脫節(jié)所導(dǎo)致的種種“城市病”。

參考資料

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[4] 李萍. 城市地下管線信息管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D]. 南京：南京郵電大學，2013.

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[6] 劉全海，孫雪梅，冉慧敏. 面向管線全業(yè)務(wù)的綜合管理信息系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J]. 測繪通報，2014(11)：77～80.

Design and Implementation of The Whole Life Cycle Management Information Platform for Urban Underground Pipelines Based on Multi-Sector Linkage and Coordination

Guo Mingwu，Peng Qingshan，Tan Renchun

(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

In view of the current “disjointed-management” problem in the urban underground pipeline management，this paper uses GIS，GPS，mobile communication and cloud computing technology，designs and develops the whole life cycle management information platform for urban underground pipelines based on multi sector linkage and coordination. This platform regulates the whole life cycle management process of the urban underground pipeline from the planning，construction，supervision to the operation. In addition，the platform realizes the information sharing，business collaboration and intelligent application of urban underground pipelines and greatly cures the “urban diseases” caused by “disjointed-management” problem. The construction of this platform has certain reference significance for other regions in china.

urban underground pipeline；lifecycle management；disjointed-management

1672-8262(2017)01-12-05

P208.2

A

2016—07—09 作者簡介：郭明武(1980—)，男，博士，高級工程師，主要從事地理信息理論研究與應(yīng)用研發(fā)。 基金項目：精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(PF2015-12)