多部门联动协同的城市地下管线全生命周期管理信息平台的设计与实现

郭明武，彭清山，谭仁春

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

多部门联动协同的城市地下管线全生命周期管理信息平台的设计与实现

郭明武*，彭清山，谭仁春

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

首先分析了当前城市地下管线管理面临的种种问题，然后运用GIS、GPS、移动通讯及云计算等技术，设计并实现了多部门联动协同的城市地下管线全生命周期管理信息平台，规范了管线从规划、建设、监管到运维的全生命周期管理流程，实现了城市地下管线跨部门的“信息共享、业务协同及智能应用”。该平台极大缓解了城市地下管线管理脱节所导致的种种“城市病”，平台的建设思路对国内其他地区具有一定的借鉴意义。

地下管线；管线信息平台；全生命周期管理

1 引 言

城市地下管线是城市赖以生存与发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。近年来，随着我国城镇化进程的不断推进和城市地下管线建设规模的不断扩大，地下管线管理中暴露出的问题十分突出，诸如道路反复开挖(简称“马路拉链”)、停水、停气、停电、危险气体泄露以及燃气爆炸等事故时有发生[1～2]。为了加强城市地下管线管理，防止上述问题的反复发生，国内许多城市在几年前就摸清了地下管线家底，并研发了地下管线管理信息系统。但是仍然未能从根本上解决上述管线管理问题。其主要原因是目前国内城市存在管线“管理脱节”的问题。城市地下管线在规划、建设及运行管理过程中，主要涉及城市规划管理、建设管理及市政(城管)管理等部门和各管线权属单位。管线基本上是由各管线建设单位自行建设的，各职能部门各管一段、各自为政，缺乏统一协调和有机衔接。

为了从根本上解决城市地下管线存在的“管理脱节”等问题，本文在充分整合管线规划、建设、监管部门及管线权属单位业务职能的基础上，综合运用了GIS、GPS、RFID、移动通讯及云计算等技术，研发了多部门联动协同的城市地下管线全生命周期管理信息平台，实现了城市地下管线跨部门的“信息共享、业务协同及智能应用”。

2 平台的设计与实现

2.1 平台的总体设计

为了突破传统GIS建设与应用的局限性，提高平台的稳定性、连续性和高可用性，本项目将云计算技术应用到平台的搭建之中。通过采用云计算技术，可以让平台具备负载均衡、部署方便、资源弹性扩展、性能安全可靠等特征，实现海量城市管线稳定高效的管理与共享应用。按照逻辑结构，平台可划分为6个层次，从下往上依次为：“物理层”、“虚拟层”、“中间层”、“数据层”、“管理服务层”和“应用层”，如图1所示。

(1)物理层：物理层是由均质化的服务器、网络、存储等硬件资源组成的，即构建物理层的所有服务器需出自相同品牌、相同型号，满足驱动程序或硬件的兼容性，这样才能实现迁移、负载均衡、容错等多项功能。

(2)虚拟层：虚拟层利用虚拟化技术，对操作系统、网络、应用程序、服务器、存储等资源进行虚拟化，提供虚拟化的资源和虚拟化的技术。它将多台物理服务器、分布的存储资源、物理网络节点等资源动态整合为一个共享资源池，实现虚拟计算服务、数据容错与备份等功能。虚拟化应用是将应用程序与操作系统解耦合，为应用程序提供一个虚拟的运行环境。在这个环境中，不仅包括应用程序的可执行文件，还包括它所需要的运行时环境。从本质上说，应用虚拟化是把应用对低层的系统和硬件的依赖抽象出来，可以解决环境不兼容等问题。

(3)中间层：中间层主要负责管理基础设施层的虚拟化资源，提供自动化的管理服务，包括主机管理、虚拟机管理、资源的动态调度、服务运行状况监控等。

图1 平台的逻辑结构

(4)数据层：该层对应平台管理的各类基础地理空间数据、管线数据及管线业务数据(如规划业务数据、建设业务数据、监管业务数据、应急业务数据和监测业务数据等)；平台通过将数据库资源发布成通用和标准的OGC数据服务，向应用层提供数据源。

(5)管理服务层：平台各层中的功能和业务应用以面向服务(SOA)的方式进行设计和开发，使层内各功能耦合度达到最小。管理服务层对应平台的数据管理与访问相关的模块与接口。其中包含的服务除了数据服务外，还包括空间数据引擎服务、空间查询服务、空间分析处理服务等。所有数据与功能服务遵循OGC标准协议，这使得不同的数据服务可以进行聚合与叠置，不同的功能服务可以进行互操作。

(6)应用层：应用层对应平台各子系统。每一个应用都对应一个业务需求，实现一组特定的业务逻辑，并且通过服务接口与用户交互。

2.2 平台的功能结构及实现

从功能上讲，该平台由1个统一的“管线数据综合管理系统”，4个分工明确又相互衔接，且涵盖管线规划、建设、监管与应急的管理系统(即城市管线规划管理系统、城市管线建设管理系统、城市管线监管系统和城市管线应急指挥系统)和N个专业管线监测运维系统构成，简称“1+4+N”平台。

(1)“管线数据综合管理系统”的应用部门为平台的数据管理中心。它主要对地下管线数据进行检查、编辑、入库、更新和发布共享，并为平台中其他各个系统的管线业务管理与分析应用提供基础地理信息服务和管线数据服务。

(2)“城市管线规划管理系统”的应用部门为规划管理部门。它以服务城市地下管线规划管理为核心，以推进管线与新改(扩、建)道路的同步规划设计和辅助管线工程规划审批为目的，实现管线规划审批有序、动态和科学的管理。系统主要功能包括管线规划编制成果管理、管线规划审批、管线规划批后监管和小微管线工程报备等。“管线规划编制成果管理”主要实现地下管线综合规划、专项规划和修建性详细规划等规划编制成果的档案归集、浏览查询、编辑管理、转换入库、空间分析和制图输出等功能；“管线规划审批”模块结合管线现状数据和规划数据，提供二维和三维环境下断面分析、间距分析、水平或垂直净距分析及碰撞检测等空间分析功能，自动审核规划方案中每条管线的埋深、管径、位置、走向及标高等控制指标是否符合国家规范标准。通过该模块为管线工程规划许可证的审批提供辅助决策支持；此外，该模块还提供不同二维(或三维)管线规划方案的分析比对功能；“管线规划批后监管”模块主要用于对管线规划竣工验收数据和工程档案数据进行管理。提供了管线竣工验收数据与规划设计图对比功能，为检验管线工程是否符合规划设计要求提供了辅助支持，也为管线工程管控与评价提供了科学依据[3]。

(3)“城市管线建设管理系统”的应用部门主要为建设管理部门。它在管线建设计划、施工、验收、竣工档案管理等环节对管线建设与施工单位进行全过程的管理，确保管线工程的施工质量。该系统包含的功能模块主要有：年度计划、综合设计、施工注册和竣工归档等。“年度计划”是利用城市管线专项规划、道路项目前期工作计划、城建年度计划、管线与道路同步建设初步计划等资料，以地理空间框架数据和管线普查数据为基础，建立管线年度建设计划数据库，统筹安排城市道路和城市管线建设，为管线前期计划、意见下发、意见征求与基于地图的年度计划制定等工作提供科学的信息化管理手段。统筹了不同权属管线年度计划的时空一致性，从源头上避免了管线建设不同步的问题；新(改、扩)建城市快速路、主干道、景观路、桥梁、隧道、轨道交通等城市道路建设项目必须同步进行地下管线综合设计，在编制修建性详细规划、初步设计、施工图设计阶段必须同步组织管线综合规划及管线综合设计。“综合设计”将实现管线参建单位与道路参建单位的充分沟通和无缝对接，辅助和指导管线与道路同步设计，避免管线交叉碰撞和重复施工，实现同步有序施工；为了加强各类工程建设活动对既有管线的安全保护，明确各类工程建设、施工、监理单位和管线权属单位的责权关系，“施工注册”模块以移动APP与PC端应用相结合的方式，结合实时通讯、无线移动网络、GPS及GIS等技术，提供管线建设管理单位(含管线行业管理部门)、管线权属单位和施工单位之间信息披露、配合确认、开工签到、开工提醒、施工报监、监督管理、隐患排查、事故上报、纠纷协调等过程的信息共享和沟通交流的手段，避免施工过程中“信息不畅通、沟通不充分”导致的施工事故发生；“竣工归档”功能模块旨在通过对竣工成果进行归档管理来强化与落实管线竣工测量制度，并实现地下管线数据动态更新的目标。

(4)“城市管线监管系统”的应用部门为城市管理部门。为了确保在管线运维管理中严格执行报建制度和动态管理制度，为了便于城市管理部门准确掌控和及时处理有关管线运行维护的问题，该系统围绕城市地下管线监管业务工作的需要，设计并开发了“占道挖掘许可管理”及“隐患巡查”两大模块。占道挖掘许可是城市管线施工开挖的前置条件，只有具备了相关开挖条件，并经市城管局批准下发了占道挖掘许可证的管线工程，才能开挖施工。“占道挖掘许可管理”模块主要实现申请资料的审查、登记及录入；施工范围线与桥梁、隧道、地铁等市政设施保护线的空间叠加分析，以辅助审批；占道挖掘许可证相关信息及审批状态管理等；目前，在管线上方或保护范围内搭建各种建筑物、构筑物及其他设施的违法违章行为在武汉各区时有发生。为了保证人民财产安全，消除管线安全隐患，“隐患巡查”模块为群众、社区巡查队员及城管执法人员进行压占管线违建巡查、井(沟)盖破损上报及管线日常巡检提供了智能移动的工具。通过该模块，可以上报压占违建、井(沟)盖破损及其他管线隐患信息。城管部门可以通过该模块对上报的隐患信息进行跟踪、定位及处理等工作[4]。

(5)“城市管线应急指挥系统”的应用部门为城市应急指挥中心。该系统主要实现事故管理、事故模拟、应急预案、灾后评估等功能，能够为应急部门提供应急处置决策服务。当管线在某一位置发生事故时，系统能基于高密度的监测传感器，并结合GIS强大空间分析能力，快速确定事故点和事故点周围需要紧急关闭的各种阀门。同时，系统提供最佳的救援与人员疏散路径，并自动通知最近的消防或救援队伍赶赴事故现场，以便将事故损失降到最低。

(6)“专业管线监测运维系统”的应用部门主要为各管线权属单位。它是由各管线权属单位结合自身管线专业的特点，以满足自身专业化应用与运营维护的需要而通过新建或升级改造的方式搭建的各类管线专业应用系统。“专业管线监测运维系统”除了能对专业管线进行管理与更新维护外，还通过智能实时监测系统、各种类型的数据传感器，实时收集管线运行中的工作状态信息(如实时压力、流量等)、管线的空间位置及自身属性信息，并能通过有线网络、无线网络、无线射频识别RFID等通信手段，将感知层获得的数据由现场实时传输到数据中心[5]。

2.3 跨部门的管线业务协同与数据更新管理方式

平台中的各个子系统根据制定的标准规范进行数据交换与业务协同，并在业务协同的过程中实现了对地下管线数据的实时更新(如图2所示)。平台对每个管线项目赋予了唯一的工程编号，管线项目在不同生命阶段之间的信息通过这个唯一的工程编号进行关联。在一个子系统中录入或产生的信息会根据业务管理需要，自动流转或共享到另一个子系统中。上一个业务环节执行完毕后，下一个业务环节(或子系统)用户会收到消息提醒[6]。

图2 平台业务协同与数据更新方式

平台基于管线工程竣工测量相关实施办法，并结合相关管理机制，通过管线竣工测量、管线异动测量和管线修补测等方式，将数据自动流转到管线数据综合管理系统中，实现管线信息的动态实时更新。

3 结 语

本文在找准城市地下管线管理所存在的“症结”的基础上，设计并研发了多部门联动协同的城市地下管线全生命周期管理信息平台，实现了城市管线全生命周期的信息化与智能化管理。该平台从根本上解决了管线规划、建设及管理上长期存在的“信息分散及管理脱节”的问题，极大缓解了由城市地下管线管理脱节所导致的种种“城市病”。

参考资料

[1] 赫建忠，江贻芳，贾志英. 城市地下管线信息化建设的必要性及其主要任务[J]. 测绘通报，2008(6)：14～16.

[2] 王超，孙晓洪，李伟等. 基于顶层设计的地下管线信息管理新模式[J]. 地下空间与工程学报，2010，6(6)：1118～1124.

[3] 吴思，陈勇，张云，王明洋等. 城市地下管线共享平台建设模式探讨[J]. 测绘通报，2015(12)：77～80.

[4] 李萍. 城市地下管线信息管理系统设计与开发[D]. 南京：南京邮电大学，2013.

[5] 黄来源，李军辉，李远强，吴彬等. 基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统[J]. 物联网技术，2012(4)：62～70.

[6] 刘全海，孙雪梅，冉慧敏. 面向管线全业务的综合管理信息系统研究与实现[J]. 测绘通报，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 作者简介：郭明武(1980—)，男，博士，高级工程师，主要从事地理信息理论研究与应用研发。 基金项目：精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金(PF2015-12)