智慧城市三維地下管網研究

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【摘要】三維地下管網作為支撐智慧城市發展的基礎，其數據標準化程度決定了智慧城市綜合應用水平。文章針對三維地下管網數據標準化開展分析與研究，初步搭建了三維地下管網數據融合標準架構。同時，結合智慧城市的發展特點及需求對三維地下管網數據標準化工作提出了建議。

【關鍵詞】智慧城市；三維；地下管網；數據；標準化

1引言

地下管網數據涉及電力、通信、給排水、燃氣、熱力等領域，在支撐政府決策、市政規劃、民生服務、應急救援等智慧城市建設與治理方面有舉足輕重的作用。雖然地下管網數據的獲取與應用技術有了長足的發展，但是仍存在諸多問題。一是傳統地下管網數據的管理方式在實時性、可靠性、可視性等方面已經不能滿足智慧城市發展需求。二是數據孤島現象顯著，雖然行業內部的數據準確度及數字化程度高，由于缺少統一的數據標準和數據融合機制，導致行業間的多源異構數據融合困難。三是基礎數據沒有得到充分應用，雖然各地耗費大量人力和物力開展地下管線普查工作，但是三維數據的綜合應用效果不明顯[1]。因此，建立三維地下管網標準數據庫，形成統一的三維地下管網數據基礎，對有效支撐智慧城市的建設和治理具有重要意義。

2現狀

目前，地下管網數據的采集與處理主要采用國家標準GB/T35644-2017《地下管線數據獲取規程》以及GB/T29806-2013《信息技術地下管線數據交換技術要求》，2項標準對地下管線數據的采集與處理進行了規范。行業標準主要采用CJJ61-2017《城市地下管線探測技術規程》以及CJJ/T269-2017《城市綜合地下管線信息系統技術規范》，2項標準對地下管線數據采集與處理的具體實施進行了規定。基于國家標準和行業標準，北京、河北、山東、江蘇、浙江、湖北、重慶、四川、廣東等省市針對區域發展需求，各自制定并實施了地下管網探測和信息管理技術規范共計18項，對地下管線數據要素分類代碼與符號細則進行了詳細規定，為地下管網數據標準化奠定了基礎。基于上述標準建設的數據可視化技術雖然能夠反映地下管網的空間關系，但是不能實現地下管網的拓撲關系，空間分析能力有限，已不能滿足智慧城市建設與治理的需求。同時，由于上述標準均基于地下管線二維數據的技術方法來制定，并未考慮三維數據的擴展需求，在數據接入BIM、CIM等綜合信息平臺時將存在數據融合困難的問題。

3標準化建設

3.1數據架構

在智慧城市應用場景下，三維地下管網通過集成不同種類、不同來源數據，依次通過數據描述、數據組織和數據交換共享三個過程實現數據融合的功能，在全流程數據標準規范以及數據安全機制保障下實現智慧城市多場景應用。智慧城市三維地下管網數據標準架構如圖1所示。

3.2數據集成

三維地下管網的數據集成過程是實現對原始數據的采集，通過標準化處理并轉化為滿足數據共享與利用的過程。現階段，三維地下管網的數據集成主要分為人工集成和系統集成。人工集成是通過人工的方式實現數據的采集、填報和導入，主要針對的是地下管網的實地采集以及對歷史數據的填報和導入，此類數據的集成可按照既有的標準規范實施。系統集成是通過管網傳感器等新型軟硬件系統實現地下管網空間及狀態數據的自動獲取，實現地下管網信息可視化、網絡分析多元化、監控實時自動化，以提高管理效率和降低管理成本[2]。三維地下管網數據集成可參照GB/T36625.3-2021《智慧城市數據融合第3部分：數據采集規范》、《智能管網系統第1部分：總則》（批準階段）實施。

3.3數據描述

三維地下管網的數據描述主要是通過對管網基礎數據編碼規則及數據格式的標準化建立標準數據庫（元數據）。同時，建立數據轉換規則，對數據的標準代碼、格式、類型等進行轉換和擴展，以實現管網基礎數據與BIM、CIM等平臺的數據融合。在數據描述過程中，可通過BIM+3DGIS技術建立全空間信息模型實現對多源異構數據的有效組織和整合。BIM+3DGIS多用于智慧城市建設中的多個方面，其能夠兼容和集成多源數據，通過數據庫管理技術來管理三維數據，并在三維框架中展示二維和三維對象[3]。3DGIS強大的可視化分析管理能力實現了城市地下管線信息化管理從二維到三維的跨越，可開展地下管線的三維空間瀏覽與分析。一般來說，可對結構規則的管線采用自動化建模方式，而對結構特殊的管線及其附屬設施可采用人機交互建模方式。三維地下管線數據元素應包括基礎數據元素、通用數據元素以及擴展數據元素。基礎數據元素主要描述數據的基本屬性，如管線的應用類別等。通用數據元素主要描述數據的共性，比如管線的尺寸、坐標等。擴展數據元素主要描述管網運營管理過程中的監測類數據和業務數據。地下管網的數據元素應按照市政基礎設施最基本、最標準的屬性作為分類依據，正確反映數據元素的特征或特性，分類層次應清晰合理，特別是在同一層面要使用統一的分類方法，并要考慮到后續數據的擴展需求，預留數據擴展接口。三維地下管網的數據描述可參考GB/T36625.2-2018《智慧城市數據融合第2部分：數據編碼規范》以及GB/T36625.5-2019《智慧城市數據融合第5部分：市政基礎設施數據元素》實施。

3.4數據組織

數據組織是利用數據分類系統，參考已定義好的數據標簽庫，完成多源數據實體的分類，為后續平臺數據交換提供基礎。數據組織應根據統一的三維地下管線數據標準開展數據處理和質量檢查，采用面向空間對象的信息管理體系，包含管線測繪成果作業、報批、入庫等模塊，實現對管線數據的輸入、生產、質檢、驗收的全流程管理。同時，也提供電力、通信、燃氣、給排水、供暖等各類管線運行狀態綜合信息查詢、統計、分析、維護等高時效、高質量的應用服務[4]。

3.5數據交換

在數據交換和平臺建設過程中，應遵循區域化、層次化和模塊化的原則，對三維地下管網數據交換開展科學的管理和服務。依托數據管理與服務的技術支撐，實現三維管網數據的元數據管理、建模、整合、關聯等功能，支撐平臺對外服務。同時，平臺應通過數據資源授權、資源確權、資源網關、門戶展示、流通管理、開發環境、運行環境等，以統一接口的方式提供各類智能應用，并可根據業務的發展需要進行動態調整，最終實現三維地下管網模型與城市地形模型、交通模型、建筑模型等智慧城市模型實現數據交換。三維地下管網的數據交換可參考GB/T36622.1-2018《智慧城市公共信息與服務支撐平臺第1部分：總體要求》以及GB/T36622.2-2018《智慧城市公共信息與服務支撐平臺第2部分：目錄管理與服務要求》實施。

3.6數據應用

根據智慧城市應用的需求，可采取單一或組合模式提供三維地下管網時空數據服務，包括時序化的基礎地理信息數據和公共專題數據、智能感知數據、空間規劃數據以及實現這些數據一體化管理的數據引擎及管理分析系統。在開展基礎應用的同時，可擴展至規劃與建設、治理與服務、產業與經濟等智慧城市多應用場景，實現三維地下管網數據的綜合應用。在應用過程中，應搭建服務資源池、云服務系統和知識化引擎等平臺結構，并配套政策機制、標準規范、云計算等支撐措施。三維地下管網的數據應用可參考GB/T35776-2017《智慧城市時空基礎設施基本規定》實施。

3.7標準規范體系

標準化和規范化是三維地下管網數據實現數據共享與服務的基礎性保障。為了確保三維地下管網數據的安全、高效運行，在系統設計與開發過程中應建立一整套適用于三維地下管網數據應用的全流程標準規范體系。特別是在數據應用的接口方面，對于同類業務、不同層級系統之間的數據應用，應由上層業務應用方制定數據開放共享標準并由下層業務系統進行適配調用。對于不同業務、同級系統之間的數據應用，可由各業務運營指定本系統對外接口，然后由外部系統調用，也可按照外部系統定義的接口進行主動適配。

3.8安全保障機制

三維地下管網數據應分領域、分安全級別進行管理，分級分域分權限對數據進行訪問和讀寫控制。數據采集與感知、通信網絡、計算與存儲等運行支撐環境應具備漏洞掃描、入侵檢測、數據包過濾、防病毒及病毒查殺、身份認證、數據加密和主機監控等安全防控能力[5]。對數據融合及服務應建立數據采集與匯聚、數據融合與處理、數據挖掘與分析以及數據治理全過程數據安全機制，確保智慧城市服務聚集、服務管理、服務整合、服務使用等應用融合過程安全。三維地下管網數據安全保障機制可參考GB/T36625.4-2021《智慧城市數據融合第4部分：開放共享要求》、GB/Z38649-2020《信息安全技術智慧城市建設信息安全保障指南》及GB/T37971-2019《信息安全技術智慧城市安全體系框架》實施，相關標準規定了智慧城市數據融合開放共享的基本模式、業務要求、特征和技術要求。

4結語

隨著智慧城市建設的不斷深入，要實現三維地下管網信息系統與智慧城市管理系統之間的數據互聯、互通、共享，就需要對基礎數據進行標準化管理，并且在數據融合機制上實現數據整合與業務協同，提升智慧城市建設和治理水平。三維地下管網數據標準化應提前布局和合理規劃，通過全流程統一協調的數據標準、高效的數據引擎、嚴密的安全機制實現三維地下管網多源異構數據融合，結合大數據、云計算等人工智能技術的應用支撐政府決策、城市規劃與建設、應急救援、民生治理等智慧城市綜合應用，對實現智慧城市大數據的互聯互通、系統化管理和集約利用具有重要意義。

參考文獻

[1]陳功亮，劉剛.大型城市地下管線多源異構數據融合探討[J].城市勘測，2020（5）：79-89.

[2]牟乃夏，張靈先，鄧榮鑫，等.城市管網地理信息系統的數據模型與數據集成機理研究[M].北京：測繪出版社，2018.

[3]楊雪梅.基于BIM和3DGIS的地下管線信息管理平臺研究—以沈陽市渾南新城為例[D].沈陽：沈陽建筑大學，2017.

[4]王建輝，曹泉根，程寶銀.地下管線數據質量控制及評價關鍵技術研究[J].現代測繪，2020（5）：14-17.

[5]蓋琪琳，孫艷茹，逄崇雁.智慧管網系統運維服務[J].網絡安全和信息化，2021（4）：96-100.

作者:雷靜 張榮 單位:城鄉院（廣州）有限公司