基于時空信息云平臺的城市管線智能化系統(tǒng)設(shè)計

張鵬程，何華貴，張秀英，陳鵬

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州　510060)

1　引　言

統(tǒng)一時空基準(zhǔn)、豐富時空大數(shù)據(jù)、構(gòu)建時空云平臺、搭建云環(huán)境、開展智慧應(yīng)用等內(nèi)容，是《智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺建設(shè)技術(shù)大綱》[1](以下簡稱《技術(shù)大綱》)對智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺的主要要求，廣州市作為國家測繪地理信息局開展智慧城市時空信息云平臺的首批三個試點(diǎn)城市之一，在平臺設(shè)計中選擇了城市地下管線智能化系統(tǒng)作為其應(yīng)用示范之一：城市地下管線不僅作為重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施，與百姓生活息息相關(guān)，同時也是城市安全與繁榮的根基，而且地下管線的管理涉及不同部門間的協(xié)同，此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)或工具的廣泛應(yīng)用，實時獲取如燃?xì)夤芫€的壓力、溫度、流量、氣體濃度等參數(shù)[2，3]，對管線的安全運(yùn)行和預(yù)警監(jiān)測具有重要意義，因此，選取城市地下管線智能化系統(tǒng)作為其應(yīng)用示范，不僅契合了《技術(shù)大綱》要求應(yīng)用示范要體現(xiàn)市政基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域這一主題，而且能達(dá)到應(yīng)用示范要體現(xiàn)跨部門協(xié)同以及“智慧”的預(yù)期目標(biāo)。

2　時空云平臺主要內(nèi)容

智慧廣州時空信息云平臺的建設(shè)內(nèi)容主要包括時空大數(shù)據(jù)和時空信息云平臺。

2.1　時空大數(shù)據(jù)

時空大數(shù)據(jù)主要包括歷史與現(xiàn)狀的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(地理實體數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和新興測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù))、歷史與現(xiàn)狀的公共專題數(shù)據(jù)(包括法人數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)、宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和民生興趣點(diǎn)數(shù)據(jù))、智能感知的實時數(shù)據(jù)(內(nèi)容包括采用空、天、地一體化對地觀測傳感網(wǎng)實時獲取的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和依托專業(yè)傳感器感知的可共享的行業(yè)專題實時數(shù)據(jù))、空間規(guī)劃數(shù)據(jù)(由城市發(fā)改、國土、規(guī)劃、環(huán)保等不同行業(yè)部門制定的發(fā)展藍(lán)圖，如主體功能區(qū)規(guī)劃、城鄉(xiāng)總體規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃等)。

2.2　時空信息云平臺

時空信息云平臺主要包括五大服務(wù)、五大引擎以及云服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。

五大服務(wù)包括：

(1)數(shù)據(jù)服務(wù)6類：①地理實體數(shù)據(jù)服務(wù)；②影像數(shù)據(jù)和高程模型數(shù)據(jù)服務(wù)；③智能感知實時數(shù)據(jù)服務(wù)；④三維模型數(shù)據(jù)服務(wù)；⑤地名地址數(shù)據(jù)服務(wù)；⑥新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)服務(wù)。

(2)功能服務(wù)4類：①地圖必選功能；②地圖專業(yè)功能；③地圖可選功能；④非地圖類功能。

(3)接口服務(wù)11類：包括基本API、地圖類API、事件類API、控件類API、數(shù)據(jù)解析類API、三維類API、專業(yè)API、物聯(lián)網(wǎng)API、歷史分析API、比對分析API、模擬推演API等接口。

(4)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)4類：包括云GIS集群服務(wù)、云GIS數(shù)據(jù)庫服務(wù)、云GIS桌面服務(wù)、云GIS服務(wù)器服務(wù)。

(5)知識服務(wù)3個層次：面向單一專題的時空分布、面向多專題的關(guān)聯(lián)分析、面向某一主題的深度挖掘。

五大引擎包括：

(1)地名址引擎——幫助用戶完成專題數(shù)據(jù)在線空間化：地名址引擎是空間信息與其他信息之間的橋梁，能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)在全空間信息模型上的精確定位。

(2)業(yè)務(wù)流引擎——幫助用戶完成業(yè)務(wù)定制可視化，業(yè)務(wù)流引擎是將業(yè)務(wù)流程中的工作，按照邏輯和規(guī)則以恰當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行表示并對其實施計算，實現(xiàn)工作業(yè)務(wù)的自動化處理。

(3)知識化引擎——幫助用戶完成在線大數(shù)據(jù)分析：知識化引擎是通過提供不同層次能力的大數(shù)據(jù)分析工具，幫助用戶完成對數(shù)據(jù)的深度挖掘，進(jìn)而獲取有價值的知識。

(4)物聯(lián)網(wǎng)引擎——幫助用戶獲取行業(yè)專題的實時數(shù)據(jù)：通過傳感器接入技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、利用技術(shù)的研究，實現(xiàn)云平臺實時讀取RFID、視頻、溫濕度器、PM2.5等傳感器數(shù)據(jù)；

(5)服務(wù)引擎——幫助用戶在線調(diào)用現(xiàn)成服務(wù)和知識：服務(wù)引擎是指以靈活的方式實現(xiàn)服務(wù)彼此通信和轉(zhuǎn)換的連接中樞，并且這種連結(jié)與開發(fā)環(huán)境、編程語言、編程模型或者消息格式等無關(guān)，包括服務(wù)地址編目規(guī)則、服務(wù)地址轉(zhuǎn)換與編目、服務(wù)通信、服務(wù)圍欄等功能。

通過云服務(wù)系統(tǒng)，將上述五大服務(wù)、五大引擎提供的相關(guān)功能或服務(wù)，以統(tǒng)一的門戶對外提供服務(wù)，包括入口門戶、基本服務(wù)功能、按需服務(wù)能力、運(yùn)維管理能力、數(shù)據(jù)同步服務(wù)能力等。

3　示范應(yīng)用與平臺融合

廣州市地下管線智能化系統(tǒng)作為智慧廣州時空云平臺的典型應(yīng)用示范之一，示范項目在已有工作的基礎(chǔ)上，充分利用時空云平臺中的云環(huán)境、數(shù)據(jù)引擎、物聯(lián)網(wǎng)引擎、業(yè)務(wù)流引擎、知識化引擎等現(xiàn)有成果，整合地下管線空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)與實時監(jiān)測等信息，面向管線規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、信息與檔案管理等部門，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，從而實現(xiàn)地下管線的大數(shù)據(jù)整合、動態(tài)更新、共享交換、安全預(yù)警、應(yīng)急決策等服務(wù)，二者的融合如圖1所示。

圖1云平臺在地下管線智能化工程中的應(yīng)用框架

(1)基于時空云平臺中的云環(huán)境，可為地下管線智能化系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)：時空云平臺通過云計算和GIS技術(shù)的融合，可為管線的各個部門、各個用戶提供網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源、存儲資源、內(nèi)存資源等服務(wù)，而且各種資源服務(wù)能夠根據(jù)用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用的實際使用需求，動態(tài)的調(diào)整GIS Server站點(diǎn)內(nèi)的計算和存貯節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。

(2)基于時空云平臺提供的數(shù)據(jù)服務(wù)引擎，廣州市地下管線智能化系統(tǒng)通過調(diào)用時空云平臺中的地理實體數(shù)據(jù)的要素服務(wù)WFS、地圖服務(wù)WMS、目錄服務(wù)CSW，影像數(shù)據(jù)的地圖服務(wù)WMS、覆蓋服務(wù)WCS，新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)如實景影像的地圖服務(wù)WMS、目錄服務(wù)CSW等，與排水、給水、燃?xì)狻㈦娏?、通信、熱力、石油、工業(yè)等空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)融合，形成二維管線地圖服務(wù)；通過調(diào)用時空云平臺中三維模型數(shù)據(jù)的模型數(shù)據(jù)服務(wù)3D-WMS、地形數(shù)據(jù)服務(wù)3D-WTRS、紋理數(shù)據(jù)服務(wù)3D-WTTS、矢量要素服務(wù)3D-WFS、目錄服務(wù)3D-CSW等，與排水、給水、燃?xì)?、電力、通信、熱力、石油、工業(yè)等三維數(shù)據(jù)融合，形成管線三維場景服務(wù)，從而可實現(xiàn)城市海量的地上(建筑物、道路等)、地表(地形、地貌數(shù)據(jù))、地下(管線、地鐵等)等數(shù)據(jù)的一體化存儲、查詢、瀏覽、統(tǒng)計、分析、決策等[4，5]，如圖2所示。

圖2　地下管線系統(tǒng)調(diào)用云平臺中的數(shù)據(jù)服務(wù)引擎

(3)基于時空云平臺提供的物聯(lián)網(wǎng)引擎，在地下管線二、三維地圖或場景展示服務(wù)的基礎(chǔ)上，讀取并解譯敷設(shè)于地下管線中(在管線相關(guān)權(quán)屬單位配合下，通過在覆土前埋設(shè)壓力、溫度、濃度、流速、流量等傳感器，圖3為在排水管網(wǎng)中埋設(shè)水位、流量計和組網(wǎng)示意)的壓力、濃度、流速、流量、溫度等各類管線傳感器，并通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等介質(zhì)的傳輸，實現(xiàn)地下管線運(yùn)行狀況和健康狀態(tài)等信息的實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)如電力管線的電流、電壓、功率監(jiān)測，排水管線的水壓、流量、流速監(jiān)測，熱力管線的氣壓、流量、溫度監(jiān)測，燃?xì)夤芫€的壓力、溫度、流量、氣體濃度監(jiān)測，給水管線的水壓、流量、流速監(jiān)測，工業(yè)管線的壓力、流量、溫度監(jiān)測等，通過地下管線傳感器和物聯(lián)網(wǎng)融合，解決城市管線的實時、在線的安全監(jiān)控、監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置等，圖4為燃?xì)夤芫€監(jiān)測信息的實時顯示示意圖。

圖3排水管線中敷設(shè)水位、流速傳感器及組網(wǎng)示意

(4)基于時空云平臺提供的業(yè)務(wù)流引擎，在全面梳理地下管線從設(shè)計階段、審批階段、公示階段、批后監(jiān)管階段、施工階段、竣工驗收階段和檔案歸檔階段等業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，開發(fā)面向廣州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委、廣州市國土資源和規(guī)劃管理委員會、廣州市城管委等多部門的管線業(yè)務(wù)審批系統(tǒng)，以基于城市地下管線全生命周期的審批流程為驅(qū)動，實現(xiàn)管線規(guī)劃、報建、道路挖掘、竣工測量、規(guī)劃驗收等各環(huán)節(jié)的閉環(huán)管理，確保管線數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性，真正解決地下管線的數(shù)據(jù)動態(tài)更新問題。

圖4　燃?xì)夤芫€實時監(jiān)測示意

(5)建立管線三維建模規(guī)則庫[6](抽象化不規(guī)則形體的管點(diǎn)實體模型、尺寸結(jié)構(gòu)屬性驅(qū)動的管點(diǎn)實體模型、拓?fù)溥B接關(guān)系驅(qū)動的管點(diǎn)實體模型、結(jié)構(gòu)化的管線段實體模型等)、管線三維可視化算法模型(實時遮擋數(shù)據(jù)裁剪算法、四叉樹結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)層次(LOD)模型、數(shù)據(jù)實時動態(tài)裝載技術(shù)等)、規(guī)劃設(shè)計檢測模型庫(水平凈距檢測、垂直凈距檢測、覆土深度檢測、道路開挖檢測等)、安全預(yù)警規(guī)則庫(包括預(yù)警級別、類別、起始時間、可能影響范圍、危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢、警示事項以及應(yīng)采取的相關(guān)措施等)等，形成與地下管線相關(guān)的知識化引擎，并在智慧廣州時空云平臺的資源池中注冊，便于其他相關(guān)單位的申請、調(diào)用。

(6)基于智慧廣州時空大數(shù)據(jù)與云平臺，通過構(gòu)建專業(yè)化、個性化平臺，滿足各部門的業(yè)務(wù)管理需求：廣州市地下管線智能化系統(tǒng)將針對城市綜合管線與各專業(yè)管線在數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)分類、空間幾何、數(shù)據(jù)語義等方面的差異，面向廣州市城鄉(xiāng)建設(shè)主管部門、城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門、管線行業(yè)主管部門、管線權(quán)屬單位、管線建設(shè)單位等不同部門的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需求，采用企業(yè)服務(wù)總線(ESB)、SOA架構(gòu)、服務(wù)式GIS、信息化映射等技術(shù)，實現(xiàn)管線空間圖形與屬性信息、業(yè)務(wù)運(yùn)行信息、健康狀態(tài)等信息的共享，解決城市管線在不同部門之間的共享交換問題。

4　示范應(yīng)用的目標(biāo)效果

(1)管線大數(shù)據(jù)的整合：整合時空云平臺數(shù)據(jù)引擎中的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)引擎中實時抽取的管線實時監(jiān)測信息，實現(xiàn)管線大數(shù)據(jù)(空間信息、屬性信息、運(yùn)行維護(hù)信息)的二、三維一體化存儲更新、查詢?yōu)g覽、統(tǒng)計分析等。

(2)管線信息共享與交換：實現(xiàn)地下綜合管線與各專業(yè)管線、管線空間圖形、屬性數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)等在各管線部門間的共享與交換。

(3)管線業(yè)務(wù)審批全覆蓋：基于時空云平臺提供的業(yè)務(wù)流引擎，搭建涵蓋管線規(guī)劃、管線報建、管線施工、竣工驗收、檔案歸檔等業(yè)務(wù)審批流程，為實現(xiàn)管線信息的全生命周期管理提供支撐。

(4)管線數(shù)據(jù)的動態(tài)更新：在管線信息共享與交換、管線業(yè)務(wù)審批全覆蓋的基礎(chǔ)上，綜合利用普查修測、竣工驗收、專業(yè)管線匯交等方式，實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，確保管線數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

(5)安全監(jiān)測與應(yīng)急管理：通過物聯(lián)網(wǎng)、GIS、云計算等技術(shù)，實現(xiàn)城市地下管線的實時、在線的安全監(jiān)控、監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置等，為城市的安全與應(yīng)急管理提供服務(wù)。

5　結(jié)　語

(1)城市地下管線作為重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施之一，與百姓的生活密切相關(guān)，選擇城市地下管線智能化系統(tǒng)作為智慧城市時空信息云平臺的應(yīng)用示范，契合了《技術(shù)大綱》中要求示范應(yīng)用要體現(xiàn)“市政基礎(chǔ)設(shè)施”、“民生”等領(lǐng)域。

(2)通過時空云平臺提供的數(shù)據(jù)服務(wù)引擎，可實現(xiàn)城市二、三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)在各管線應(yīng)用部門中的共享，避免了重復(fù)建設(shè)。

(3)通過時空云平臺提供的業(yè)務(wù)流引擎，可實現(xiàn)管線業(yè)務(wù)審批的全生命周期管理，體現(xiàn)了智慧城市時空云平臺應(yīng)用示范中要體現(xiàn)“跨部門協(xié)同”的特點(diǎn)。

(4)隨著壓力、溫度、濃度、流速、流量等管線傳感器的逐漸普及，通過時空云平臺提供的物聯(lián)網(wǎng)引擎，可實時讀取管線的運(yùn)行狀態(tài)信息，體現(xiàn)了智慧城市時空云平臺應(yīng)用示范中要體現(xiàn)“智慧”的特點(diǎn)。