智慧城市三维地下管网研究

【摘要】三维地下管网作为支撑智慧城市发展的基础，其数据标准化程度决定了智慧城市综合应用水平。文章针对三维地下管网数据标准化开展分析与研究，初步搭建了三维地下管网数据融合标准架构。同时，结合智慧城市的发展特点及需求对三维地下管网数据标准化工作提出了建议。

【关键词】智慧城市；三维；地下管网；数据；标准化

1引言

地下管网数据涉及电力、通信、给排水、燃气、热力等领域，在支撑政府决策、市政规划、民生服务、应急救援等智慧城市建设与治理方面有举足轻重的作用。虽然地下管网数据的获取与应用技术有了长足的发展，但是仍存在诸多问题。一是传统地下管网数据的管理方式在实时性、可靠性、可视性等方面已经不能满足智慧城市发展需求。二是数据孤岛现象显著，虽然行业内部的数据准确度及数字化程度高，由于缺少统一的数据标准和数据融合机制，导致行业间的多源异构数据融合困难。三是基础数据没有得到充分应用，虽然各地耗费大量人力和物力开展地下管线普查工作，但是三维数据的综合应用效果不明显[1]。因此，建立三维地下管网标准数据库，形成统一的三维地下管网数据基础，对有效支撑智慧城市的建设和治理具有重要意义。

2现状

目前，地下管网数据的采集与处理主要采用国家标准GB/T35644-2017《地下管线数据获取规程》以及GB/T29806-2013《信息技术地下管线数据交换技术要求》，2项标准对地下管线数据的采集与处理进行了规范。行业标准主要采用CJJ61-2017《城市地下管线探测技术规程》以及CJJ/T269-2017《城市综合地下管线信息系统技术规范》，2项标准对地下管线数据采集与处理的具体实施进行了规定。基于国家标准和行业标准，北京、河北、山东、江苏、浙江、湖北、重庆、四川、广东等省市针对区域发展需求，各自制定并实施了地下管网探测和信息管理技术规范共计18项，对地下管线数据要素分类代码与符号细则进行了详细规定，为地下管网数据标准化奠定了基础。基于上述标准建设的数据可视化技术虽然能够反映地下管网的空间关系，但是不能实现地下管网的拓扑关系，空间分析能力有限，已不能满足智慧城市建设与治理的需求。同时，由于上述标准均基于地下管线二维数据的技术方法来制定，并未考虑三维数据的扩展需求，在数据接入BIM、CIM等综合信息平台时将存在数据融合困难的问题。

3标准化建设

3.1数据架构

在智慧城市应用场景下，三维地下管网通过集成不同种类、不同来源数据，依次通过数据描述、数据组织和数据交换共享三个过程实现数据融合的功能，在全流程数据标准规范以及数据安全机制保障下实现智慧城市多场景应用。智慧城市三维地下管网数据标准架构如图1所示。

3.2数据集成

三维地下管网的数据集成过程是实现对原始数据的采集，通过标准化处理并转化为满足数据共享与利用的过程。现阶段，三维地下管网的数据集成主要分为人工集成和系统集成。人工集成是通过人工的方式实现数据的采集、填报和导入，主要针对的是地下管网的实地采集以及对历史数据的填报和导入，此类数据的集成可按照既有的标准规范实施。系统集成是通过管网传感器等新型软硬件系统实现地下管网空间及状态数据的自动获取，实现地下管网信息可视化、网络分析多元化、监控实时自动化，以提高管理效率和降低管理成本[2]。三维地下管网数据集成可参照GB/T36625.3-2021《智慧城市数据融合第3部分：数据采集规范》、《智能管网系统第1部分：总则》（批准阶段）实施。

3.3数据描述

三维地下管网的数据描述主要是通过对管网基础数据编码规则及数据格式的标准化建立标准数据库（元数据）。同时，建立数据转换规则，对数据的标准代码、格式、类型等进行转换和扩展，以实现管网基础数据与BIM、CIM等平台的数据融合。在数据描述过程中，可通过BIM+3DGIS技术建立全空间信息模型实现对多源异构数据的有效组织和整合。BIM+3DGIS多用于智慧城市建设中的多个方面，其能够兼容和集成多源数据，通过数据库管理技术来管理三维数据，并在三维框架中展示二维和三维对象[3]。3DGIS强大的可视化分析管理能力实现了城市地下管线信息化管理从二维到三维的跨越，可开展地下管线的三维空间浏览与分析。一般来说，可对结构规则的管线采用自动化建模方式，而对结构特殊的管线及其附属设施可采用人机交互建模方式。三维地下管线数据元素应包括基础数据元素、通用数据元素以及扩展数据元素。基础数据元素主要描述数据的基本属性，如管线的应用类别等。通用数据元素主要描述数据的共性，比如管线的尺寸、坐标等。扩展数据元素主要描述管网运营管理过程中的监测类数据和业务数据。地下管网的数据元素应按照市政基础设施最基本、最标准的属性作为分类依据，正确反映数据元素的特征或特性，分类层次应清晰合理，特别是在同一层面要使用统一的分类方法，并要考虑到后续数据的扩展需求，预留数据扩展接口。三维地下管网的数据描述可参考GB/T36625.2-2018《智慧城市数据融合第2部分：数据编码规范》以及GB/T36625.5-2019《智慧城市数据融合第5部分：市政基础设施数据元素》实施。

3.4数据组织

数据组织是利用数据分类系统，参考已定义好的数据标签库，完成多源数据实体的分类，为后续平台数据交换提供基础。数据组织应根据统一的三维地下管线数据标准开展数据处理和质量检查，采用面向空间对象的信息管理体系，包含管线测绘成果作业、报批、入库等模块，实现对管线数据的输入、生产、质检、验收的全流程管理。同时，也提供电力、通信、燃气、给排水、供暖等各类管线运行状态综合信息查询、统计、分析、维护等高时效、高质量的应用服务[4]。

3.5数据交换

在数据交换和平台建设过程中，应遵循区域化、层次化和模块化的原则，对三维地下管网数据交换开展科学的管理和服务。依托数据管理与服务的技术支撑，实现三维管网数据的元数据管理、建模、整合、关联等功能，支撑平台对外服务。同时，平台应通过数据资源授权、资源确权、资源网关、门户展示、流通管理、开发环境、运行环境等，以统一接口的方式提供各类智能应用，并可根据业务的发展需要进行动态调整，最终实现三维地下管网模型与城市地形模型、交通模型、建筑模型等智慧城市模型实现数据交换。三维地下管网的数据交换可参考GB/T36622.1-2018《智慧城市公共信息与服务支撑平台第1部分：总体要求》以及GB/T36622.2-2018《智慧城市公共信息与服务支撑平台第2部分：目录管理与服务要求》实施。

3.6数据应用

根据智慧城市应用的需求，可采取单一或组合模式提供三维地下管网时空数据服务，包括时序化的基础地理信息数据和公共专题数据、智能感知数据、空间规划数据以及实现这些数据一体化管理的数据引擎及管理分析系统。在开展基础应用的同时，可扩展至规划与建设、治理与服务、产业与经济等智慧城市多应用场景，实现三维地下管网数据的综合应用。在应用过程中，应搭建服务资源池、云服务系统和知识化引擎等平台结构，并配套政策机制、标准规范、云计算等支撑措施。三维地下管网的数据应用可参考GB/T35776-2017《智慧城市时空基础设施基本规定》实施。

3.7标准规范体系

标准化和规范化是三维地下管网数据实现数据共享与服务的基础性保障。为了确保三维地下管网数据的安全、高效运行，在系统设计与开发过程中应建立一整套适用于三维地下管网数据应用的全流程标准规范体系。特别是在数据应用的接口方面，对于同类业务、不同层级系统之间的数据应用，应由上层业务应用方制定数据开放共享标准并由下层业务系统进行适配调用。对于不同业务、同级系统之间的数据应用，可由各业务运营指定本系统对外接口，然后由外部系统调用，也可按照外部系统定义的接口进行主动适配。

3.8安全保障机制

三维地下管网数据应分领域、分安全级别进行管理，分级分域分权限对数据进行访问和读写控制。数据采集与感知、通信网络、计算与存储等运行支撑环境应具备漏洞扫描、入侵检测、数据包过滤、防病毒及病毒查杀、身份认证、数据加密和主机监控等安全防控能力[5]。对数据融合及服务应建立数据采集与汇聚、数据融合与处理、数据挖掘与分析以及数据治理全过程数据安全机制，确保智慧城市服务聚集、服务管理、服务整合、服务使用等应用融合过程安全。三维地下管网数据安全保障机制可参考GB/T36625.4-2021《智慧城市数据融合第4部分：开放共享要求》、GB/Z38649-2020《信息安全技术智慧城市建设信息安全保障指南》及GB/T37971-2019《信息安全技术智慧城市安全体系框架》实施，相关标准规定了智慧城市数据融合开放共享的基本模式、业务要求、特征和技术要求。

4结语

随着智慧城市建设的不断深入，要实现三维地下管网信息系统与智慧城市管理系统之间的数据互联、互通、共享，就需要对基础数据进行标准化管理，并且在数据融合机制上实现数据整合与业务协同，提升智慧城市建设和治理水平。三维地下管网数据标准化应提前布局和合理规划，通过全流程统一协调的数据标准、高效的数据引擎、严密的安全机制实现三维地下管网多源异构数据融合，结合大数据、云计算等人工智能技术的应用支撑政府决策、城市规划与建设、应急救援、民生治理等智慧城市综合应用，对实现智慧城市大数据的互联互通、系统化管理和集约利用具有重要意义。

参考文献

[1]陈功亮，刘刚.大型城市地下管线多源异构数据融合探讨[J].城市勘测，2020（5）：79-89.

[2]牟乃夏，张灵先，邓荣鑫，等.城市管网地理信息系统的数据模型与数据集成机理研究[M].北京：测绘出版社，2018.

[3]杨雪梅.基于BIM和3DGIS的地下管线信息管理平台研究—以沈阳市浑南新城为例[D].沈阳：沈阳建筑大学，2017.

[4]王建辉，曹泉根，程宝银.地下管线数据质量控制及评价关键技术研究[J].现代测绘，2020（5）：14-17.

[5]盖琪琳，孙艳茹，逄崇雁.智慧管网系统运维服务[J].网络安全和信息化，2021（4）：96-100.

作者:雷静 张荣 单位:城乡院（广州）有限公司