2024优秀案例丨智慧管网综合管理平台关键技术研究

城市地下管线是城市规划建设和管理的重要基础设施，随着城市建设与发展，地下管线分布日趋密集与错综复杂。由于缺乏有效的监管手段，导致地下管网的管理水平严重滞后，因管网引起的安全事故频发，严重影响了人们的生产和生活，为了更好的了解和管理地下管线数据，满足城市规划、建设、运行和应急等工作的需要，亟需借助互联网、大数据分析、云计算、GIS等先进技术对地下管网进行综合监管，通过构建三维模型、建立管理系统，为管网的现状分析、动态模拟、运行管理、风险分析、应急处置和科学化管理提供可靠的基础数据和有效的监管手段。

焦作市城乡一体化示范区是焦作市辖功能区，成立于1999年，和2013年经河南省委、省政府批准设立的城乡一体化示范区套合发展，位于焦作中心城区南部，辖6个乡镇（街道），108个村（社区），总面积201平方公里，总人口25万。近年来，示范区认真落实习近平总书记对高新区建设“又高又新”的重要指示，以及河南省委省政府“城乡一体、当好示范”的要求，坚持以国家高新区建设统领示范区建设，致力于打造科创名城的先锋、品质焦作的标杆、城乡融合的典范。

1 总体建设目标

（1）管线家底清晰化

摸清示范区各类地下管线空间分布情况，完善管网各类属性台账，实现地下管线数据信息化管理。

（2）管网管理协同化

建立地下管线综合管理系统，实现各种管网业务经营、用户服务的协作化管理。通过数据整合、业务应用系统关联，为管理提供“一站式”操作手段。

（3）资源利用高效化

利用大数据技术，对城市管线分布情况进行统计分析，合理、高效地利用各项数据，为管理、运营工作提供科学建议。

（4）决策支持精细化

系统以基础资源、信息共享为应用支撑，以设施查询、设施统计、官网分析为主要功能，促进地下管线管理工作由被动向主动、静态向动态、粗放向精细、无序向规范转变，提高管网智慧管理的精细化、信息化、现代化、智慧化水平。

2 总体架构设计

三维管网系统研发采用“五横两纵”体系架构。“五横”为基础设施层、数据层、服务层、应用层、用户层，自下向上提供系统功能交互；“两纵”分别为标准规范体系、安全保障体系，为项目标准规范、安全管理方面提供依据（见图1）。

图 1 总体架构

基础设施层：主要为系统平台提供可靠的网络环境和运行支撑，包括网络、服务器、操作系统、存储空间等。

数据层：为系统平台提供数据支撑，包括结构化数据和非结构化数据，主要内容为管网属性数据、系统管理数据、管网三维模型切片数据、倾斜摄影切片、地形切片、影像切片等。

服务层：基于基础设施软硬件、数据底座基础，为系统平台提供服务支撑，主要包括接口服务和模型服务，接口服务主要实现系统功能相关的接口，模型服务主要实现非结构化数据的发布和访问的集中管理。

应用层：应用层面向最终用户，通过调用服务层提供的接口，实现系统平台的功能，为用户提供更加便捷的业务操作体验。

用户层：面型最终用户，为用户操作系统平台提供交互窗口，可通过不同的用户角色实现功能权限的细粒度配置。

3 数据存储体系建设

数据类型可分为三种形式，空间数据、结构化数据及非结构化模型数据。空间数据主要为管线的空间位置信息；结构化数据主要是指有一定结构，可以划分出固定基本组成要素，以表格形式表达的数据，可用关系数据库的表、视图等表示，如各种业务信息表、统计报表等；而模型数据是包括三维模型、影像等文件资源，通常没有明显结构，无法划分出固定基本组成元素的数据。

针对不同的数据在数据组织和存储时采用不同的建库策略。空间数据及其对应的属性数据等结构化数据利用PostgreSQL数据库存储；而非结构化的模型数据采用对象存储服务（见图2-图3）。

图 2 三维管网数据

图 3 地上场景

4 系统功能建设

4.1设施查询

用户可通过设施查询模块快速查询、定位到目标管网设施，实现详细属性的查看浏览，系统提供自由定制的条件查询、按照空间操作范围查询和根据各个管网属性的专项查询功能，如管径查询、附属物查询、权属单位查询、道路查询等（见图4-图6）。

图 4 点击查询

图 5 范围查询

图 6 管径查询

4.2设施统计

用户可通过设施统计模块快速统计分类管点、管线信息，可以实现管点数量的统计和管线长度的统计，系统提供自由定制的条件统计、全库一键统计和根据各个管网属性的专项统计功能，如管径统计、附属物统计、权属单位统计、道路统计等，最后可以生成统计图表，为用户全面掌握地下管线分布情况、为管线的升级改造提供决策支撑（见图7、图8）。

图 7 全库统计

图 8 附属物统计

4.2管线分析

管线分析模块主要为用户提供各种场景下的分析工具，为管理决策提供有力的数据支撑，主要包含以下几个功能。

（1）横断面分析：根据管线数据在任意位置生成管线的横剖面图，以便于查看管线间的空间位置关系及走向，并可查询各个管线及剖点处的属性信息，为施工和设计提供准确的数据支撑（见图9）。

图 9 横断面分析

（2）纵断面分析：根据某条管线数据在任意两点位置生成管线的纵剖面图，以便于查看单一管线间走向（见图10）。

图 10 纵断面分析

（3）碰撞分析：分析不同管线之间是否发生物理碰撞，或不同管线之间是否出现不满足设计要求的软碰撞冲突，通过分析管线碰撞数据，可以为施工、设计提供有力的参考（见图11）。

图 11 碰撞分析

（4）连通分析：用于分析不同管点设施之间在路由上是否具备连通性，为管线的铺设，道路临时施工提供有力的地下空间参考，为管线的淤堵疏通工作提供准确的辅助依据（见图12）。

图 12 连通分析

（5）开挖分析：用于模拟地面开挖，系统提供任意区域的地面开挖模拟，设置开挖深度和边界范围，三维地形自动塌陷，暴露出地下管线的分布情况，为施工、建设、管理提供决策支持,避免因地下管线信息资料不全造成安全事故隐患（见图13）。

图 13 开挖分析

（6）顶管分析：用于顶管施工前进行判断，系统通过施工路线，按照输入的设计规范计算出顶管施工的埋深和走向，同时满足直管铺设和按角度埋设的施工要求，为顶管施工提供数据支持和参考（见图14）。

图 14 顶管分析

（7）净距分析：依据系统强大的空间计算能力，计算不同管线之间的水平净距和垂直净距，并通过与管线净距规范要求，对不符合规范的管线进行重点提示，方便辅助用户排查管线铺设的合理性。

（8）流向分析：依据管线调查结果，针对压力管道（排水、供水等）可进行流向的判断与分析，同时可汇总多条管线的流向动态，为溯源分析，管道治理与修复工作提供可靠的分析依据和数据支撑。

图 15 流向分析

1、建立多源数据融合及轻量化流程体系

为有效进行管网数据的入库和建模工作，需要对地下综合管线二维普查成果格式及内容进行标准化，同时为保证管网在系统平台中的加载、展示，融入全域地上倾斜摄影模型、正射影像及地形数据，因此需要针对全域大数据量进行压缩和融合转换。

系统针对项目全域范围倾斜摄影模型(200G)、正射影像（200G）进行切片，实现了大数据量的轻量化分级处理（倾斜摄影模型转为模型切片3dtiles、正射影像转为影像切片png），大大提高了数据加载的效率。

2、建立统一有效的数据组织和图层管理方案

针对综合管网模型、倾斜摄影模型、正射影像、地形等不同类的数据源，需要根据各自的数据特点和使用场景进行管理和发布，因此需要建立有效可行的数据组织和管理方案。

系统通过后台配置的方式对展示的三维场景及交互数据进行有效控制，可以实现图层动态管理、管线属性中英文对照管理、管线字段可查性管理等内容，当数据源属性或数据种类发生变化时，用户可通过系统后台直接进行控制，大大提高了系统的可维护性。

3、建立地上、地面、地下三位一体的数据可视化体系结构

系统通过各类数据的坐标转换、模型切片等一系列数据处理流程，实现了倾斜摄影模型、正射影像、地形、地下管网模型等数据的一体化场景加载和展示，通过三维场景的渲染，为用户提供了直观流畅的可视化交互界面，同时提供了透视、漫游、场景标绘等通用的场景交互工具。

4、综合运用空间分析计算能力实现复杂的三维分析

系统基于三维场景进行研发应用，在传统的二维空间分析基础上，需要结合多源数据融合成果功能需求，开展三维空间叠加分析、路由分析等基础算法的研究，以满足复杂的管线分析功能。

系统从应用层面，系统基于地下管线普查成果数据空间信息和属性信息，充分利用PostGIS空间引擎的优势，通过高效的空间计算和空间分析算法，构建了地下管网各种应用场景下的分析服务，如断面分析、开挖分析、联通分析、流向分析、顶管施工分析等，真正实现了数据的有效利用。

1、管网数字化、可视化为政府管理部门实现业务运行降本增效

本系统通过管理示范区地下管线信息普查成果数据，完善了示范区管线数据库，具备管线数据的统一性和共享性，可直观的为施工部门和政府决策部门提供精准可靠的辅助资料，方便管线施工业务的审批和有效开展，规避了传统二维图纸和纸质材料繁琐、不明确的弊端，从而提高地下管线空间管理的效能从而可以降低勘察和施工前期的工作量和成本。

系统结合互联网、WebGIS、云计算等技术手段，为政府管理部门提供地下管线资料数据管理与应用服务；为后续的施工建设提供准确可靠的分析服务，为城市规划和可持续发展提供重要的信息支持，规划者可以更好地进行项目规划和设计，避免对地下管网的破坏或影响。从而提高城市的发展质量和可持续性运行效率。

2、建立可复制的管线业务应用模版，为同类项目的推广提供借鉴参考

本项目从管线数据普查出发，到管线数据建模、管线系统建设及功能开发，形成了城市地下管网管线信息化管理一体化业务体系，成功搭建了管线业务应用模版，为城市管理者开展管线相关的工程查询、应用、分析等提供有力的工具，也为其他城市的同类项目的建设提供了有力的参考和借鉴。

同时，系统作为承载数据的平台，也将作为数据底座，为管网运行管理，实时物联感知，安全监测等工作提供统一的空间服务和数据维护窗口，为城市运行、城市更新、城市生命线的保驾护航提供强有力的支撑作用。