基于GIS的城市地下市政基础设施信息化平台设计及应用.pdf

SOFTWARE软 件2023第 44 卷 第 8 期2023 年Vol.44,No.8基金项目：中国航天科工飞航技术研究院课题（城市地下市政基础设施（燃气）综合管理及安全监管平台项目）资助作者简介：郭杰（1989），女，蒙古族，内蒙古锡林浩特人，硕士，工程师，研究方向：城市治理信息化；朱玉明（1980），男，山东德州人，博士，高级工程师，研究方向：城市治理信息化；吴志成（1983），男，江苏泰州人，硕士，高级工程师，研究方向：大数据技术与应用；李宁（1982），男，山东临沂人，硕士，高级工程师，研究方向：系统分析与集成；刘红义（1984），男，河南尉氏人，硕士，高级工程师，研究方向：城市治理信息化；贾菲菲（1987），男，河北衡水人，硕士，工程师，研究方向：城市治理信息化。基于 GIS 的城市地下市政基础设施信息化平台设计及应用郭杰 朱玉明 吴志成 李宁 刘红义 贾菲菲(航天海鹰机电技术研究院有限公司，北京 100074)摘要：落实城市地下市政基础设施相关国家政策，针对设施资源分散、底数不清、隐患不明、信息更新滞后、监管手段不足等痛点问题，研究建立了城市地下市政基础设施综合管理及安全监管平台，适用于设施数据综合管理和应用、隐患管理闭环处置监管、巡检情况和制度落实监管、运行监测和预测预警、应急管理、安全运行态势监管等典型应用场景，突出平台主动式分析能力，在管线占压分析、传感器布设智能选点、管线健康分析等方面实现了关键技术创新及应用，切实提升城市安全风险主动防控能力。关键词：地下市政基础设施；综合管理；安全监管中图分类号：TP315 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.08.013本文著录格式：郭杰,朱玉明,吴志成,等.基于GIS的城市地下市政基础设施信息化平台设计及应用J.软件,2023,44(08):056-060Design and Application of GIS Based Information Platform for Urban Underground Municipal InfrastructureGUO Jie,ZHU Yuming,WU Zhicheng,LI Ning,LIU Hongyi,JIA Feifei(Aerospace Haiying Electromechanical Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100074)【Abstract】：To implement national policies related to urban underground municipal infrastructure,research and establish a comprehensive management and safety supervision platform for urban underground municipal infrastructure in view of such pain points as scattered facility resources,unclear base number,unknown hidden dangers,lagging information update and insufficient supervision means.It is suitable for typical application scenarios such as comprehensive management and application of facility data,closed-loop disposal supervision of hidden danger management,inspection situation and system implementation supervision,operation monitoring and prediction and early warning,emergency management,safe operation situation supervision,etc.,highlighting the platforms active analysis capability.Innovation and application of key technologies have been realized in pipeline pressure occupation analysis,intelligent location of sensor layout,pipeline health analysis and other aspects,effectively improving the ability to actively prevent and control urban safety risks.【Key words】：underground municipal infrastructure;integrated management;safety supervision基金项目论文0 引言近年来，国家高度重视城市地下市政基础设施智能化建设及安全管理，发布了一系列政策文件提供大力政策支持。2020 年 8 月，住房和城乡建设部等七部委联合印发关于加快推进新型城市基础设施建设的指导意见，明确全面推进城市信息模型平台建设、实施智能化市政基础设施建设和改造等七大重点任务。2021 年11 月，住房和城乡建设部印发关于加强城市地下市57郭杰 朱玉明 吴志成等：基于 GIS 的城市地下市政基础设施信息化平台设计及应用政基础设施建设的指导意见，要求到 2023 年底前，基本完成设施普查，地级及以上城市建立和完善综合管理信息平台；到 2025 年底前，基本实现综合管理信息平台全覆盖。2021 年 9 月，国务院安委会办公室印发关于推广城市生命线安全工程经验做法切实加强城市安全风险防范工作的通知，要求加快提升城市安全风险监测预警和应急处置能力，优先完善城市气热水桥等城市生命线监测预警处置功能。自国家相关政策发布以来，各地政府十分重视并积极部署落实，湖北、广东、福建、河北、山东、江西等地相继研究制定了加强城市地下市政基础设施建设工作方案，加快推进城市市政基础设施普查和综合管理信息平台建设工作。在国家及地方政策引领下，行业应用市场迎来蓬勃发展，预计在未来 3 5 年地下市政基础设施智能化建设是各省市重点建设方向。在推进城市地下市政基础设施信息化建设的过程中，各地开展的相关工作实践取得了一些成果应用，但是也存在一些瓶颈问题亟待解决1-5，主要包括以下几点：（1）设施底数不清、安全隐患现状不明：城市地下市政基础设施数量庞大、布设错综复杂，大部分设施建设年代较早，原始档案多为纸质版或存在缺失，且设施建设、管理和运维分属不同部门产权关系复杂等因素，导致各地普遍存在设施现状底数不清、安全隐患不明问题，亟需全面开展普查和隐患排查，建立城市地下市政基础设施综合数据库。（2）信息采集和更新滞后、数据共享利用不足：城市地下市政基础设施受封闭性强、可视性差的影响，其信息采集和更新相对滞后，存在各类设施数据繁多复杂且部分数据停留在纸质阶段数字化欠佳、各类设施数据管理分散、数据更新及资源有效共享不足、存在信息孤岛等问题，亟需健全地下市政基础设施数据采集、管理和共享机制，打通数据更新共享管理流程。（3）城市安全管理数字化、智能化应用效果有待提升：一方面是大部分中小型设施运营企业，因仅采用物联感知设备厂家提供的配套平台，导致多个厂家的平台同时使用，形成一个个数据孤岛，亟需深化企业现有信息系统集成应用，提升运营企业运行管理智能化程度；另一方面是各地城市因地制宜、不同程度地建设有地下管线、综合管廊等领域的运营管理平台，初步实现了基础信息采集和一定程度上的智能化运营管理，但是大部分城市缺乏统筹政府与企业运营系统的平台应用，难以实现政府部门间以及与运营企业的业务协同，需构建政府企业一体化平台应用。（4）数据可视化应用不足、缺乏整体安全态势应用：燃气、供水、排水、供热等地下市政基础设施综合态势不明，导致各类地下市政基础设施管理横向协同、纵向联动不足，亟需打造城市地下市政基础设施整体安全运行态势总览以及设施信息、隐患信息、监测预警、应急处置等一张图专题分析，辅助政府部门从不同维度掌握城市地下基础设施运行整体状况。综上所述，本文紧密围绕城市地下市政基础设施有关国家政策和城市安全管理实际需求，研究并建立了城市地下市政基础设施综合管理及安全监管平台，实现对人口集中、产业集聚、设施老旧的城市生命线风险“一张网监测”，燃气、供水等多类型地下市政基础设施综合管理和安全监管“一平台统筹”，设施安全运行态势“一张图可视”。文中对平台的总体设计、主要功能、典型应用场景、关键技术应用进行了介绍。1 平台总体设计1.1 平台总体架构按照“一张网监测、一平台统筹、一张图可视”的总体架构，构建了城市地下市政基础设施综合管理及安全监管平台，平台总体架构如图 1 所示。一 平 台 统 筹安全管理体系城市地下市政基础设施综合管理及安全监管平台地下市政基础设施安全运行态势设施一张图综合管理隐患一张图监测预警一张图应急处置一张图安全监管数据资源管理 二三维GIS应用隐患管理 监测预警 态势感知基础支撑数据更新管理 数据共享管理巡检管理 应急管理 数字孪生AI平台大数据平台城市地下市政基础设施综合数据库一张网 监测物联感知基础设施4G/5G 卫星 NBIoT 政务专网/互联网.压力 流量 温湿度 可燃气体浓度.制度和标准规范体系CIM平台BIMIoTGIS管线基础数据地理信息数据设施普查数据隐患排查数据运行监测数据日常巡检数据应急管理数据外部系统集成政府管理系统企业运营系统一张图 可视图 1 平台总体架构Fig.1 Overall architecture of the platform一张网监测：基于物联感知基础设施、外部系统集成，打造城市地下市政基础设施安全监管“一张网”。一平台统筹：实现燃气、供水、排水、热力等多类型地下市政基础设施综合管理和安全监管。一张图可视：以数据为核心分析地下市政基础设施58软 件第 44 卷 第 8 期SOFTWARE图 2 综合管理Fig.2 Integrated management图 3 安全监管Fig.3 Safety supervision安全运行态势，并提供设施信息、隐患信息、监测预警、应急处置等一张图专题分析。1.2 主要功能设计在综合管理方面，实现对供排水、燃气等地下管线、综合管廊等设施的基础数据、隐患数据、运行数据进行数据资源综合管理、动态更新、共享共用，并提供基于二三维 GIS 的数据可视化，支撑城市规划、建设、管理，如图 2 所示。（1）数据资源管理。建立城市地下市政基础设施基础信息综合数据库，对集中存储的各类设施数据进行版本控制、动态管理。将燃气、供水、排水、热力、综合管廊等城市地下市政基础设施信息结合地理信息，按行业、专题维度进行分级分类可视化展示形成“设施一张图”，便于全局、快速掌握设施全貌。（2）数据更新管理。通过建立数据更新流程，对业务流程过程中不断产生的业务数据定时进行更新，保障综合数据库数据真实准确有效。（3）数据共享管理。通过建立数据共享流程，实现设施信息的共建共享，满足设施规划建设、运行服务、应急处置等需要。（4）二三维 GIS 应用。实现地下市政基础设施的各类空间和非空间、结构和非结构化、静态和实时的多源异构数据融合，提供对地下市政基础设施基础地理信息数据、管线及其附属设施数据、传感器模型及监测数据、业务数据等多要素数据的加载、浏览、查询、统计、量测、分析与二三维可视化等服务。在安全监管方面，提供监测预警、隐患管理、应急管理等功能，为政府部门对运营企业安全隐患整改、巡检制度落实、应急事件处置等监管提供支撑，主要业务监管流程如图 3 所示。（1）监测预警。通过直接接入物联感知设备、集成运营企业 SCADA 系统等多种方式，接入地下管线、综合管廊等运行监测数据，将地下市政基础设施的地理空间信息、运行监测信息、异常预警信息等整合叠加，形数据共享数据更新数据共享数据共享数据更新数据共享主管部门住建部城管委应急管理局大数据局规划和自然资源局基础设施运营企业燃气企业供水企业管廊运营企业排水企业供热企业燃气管线数据供水管线数据排水设施数据供热管线数据综合管廊数据人防工程数据基础地理数据城市地下市政基础设施综合数据库自规局其他部门地形要素数据行政区划数据地名地址数据综合管廊人防设施二三维GIS应用设施一张图运营企业SCADA系统中间数据库物联感知设备巡查巡检12345热线群众举报企业自查政府检查研判分析SCADA系统集成中间库集成巡检结果数据集成信息审核预测预警数据接入监测预警-张图设备集成隐患一张图应急处置一张图巡检评价设施一张图报警信息巡检计划巡检任务生成处置结果评价巡检任务管理巡检跟踪管理处置进展跟踪59郭杰 朱玉明 吴志成等：基于 GIS 的城市地下市政基础设施信息化平台设计及应用成设施“监测预警一张图”，实现地下市政基础设施安全运行动态监测、实时预警。此外，通过对采集的历史监测数据进行趋势分析，实现预测预警。（2）巡检管理。通过对接监测预警、预测预警产生的报警信息及运营企业的巡检系统，实现巡检任务管理、巡检进展跟踪管理，实时掌握巡检人员巡检轨迹和位置信息，监督巡检任务完成情况，可对企业落实巡检制度情况进行评价。（3）隐患管理。全面掌握巡查巡检、群众举报、企业自查、政府检查、研判分析等多源隐患分布，形成“隐患一张图”，全面掌握城市地下市政基础设施隐患整体情况，实现隐患跟踪处置闭环管理。（4）应急管理。全面掌握应急事件信息，人员、救援队伍、物资装备等分布，形成“应急处置一张图”，打通应急联动壁垒，进行应急指挥调度、跟踪应急事件处置进展、评估处置成效，实现处置全过程监管。（5）态势感知。通过多源数据融合以及各类设施数据关联，打造城市地下市政基础设施总体安全运行态势全景图，直观清晰地展示各类管线及设施分布、传感器布设状况，以及运行监测、安全预警、视频监控、巡查巡检、事件处置等运行状态，实现各类设施安全状态大数据分析。2 平台典型应用场景聚焦城市地下市政基础设施综合管理和安全监管，平台在地下市政基础设施数据管理和应用、隐患闭环处置监管、巡检情况和制度落实监管、运行监测和预测预警、应急管理、安全运行态势监管等方面实现了典型应用，如图 4 所示。城市地下市政基础设施综合管理及安全监管平台设施管理隐患管理巡检管理监测预警应急管理态势感知数字孪生综合应用专业应用地下市政基础设施运行监测和预测预警地下市政基础设施数据管理和应用地下市政基础设施应急管理地下市政基础设施隐患闭环处置监管地下市政基础设施巡检情况和制度落实监管地下市政基础设施安全运行态势典型应用平台图 4 平台典型应用Fig.4 Typical application of the platform2.1 地下市政基础设施数据管理和应用通过城市地下市政基础设施数据统一管理，强化数据三维可视化及共享应用，实现管线及道路施工、管线事故抢险抢修、已有管线合规性分析等方面的场景应用。（1）辅助地下管线及道路施工分析，减少地下管线挖断事故。建设施工单位在地下管线及道路开挖施工工程中，往往会因为不知道施工区域周边其他地下管线的埋深、走向等信息而造成管线挖断事故的发生。通过地下管线数据分析，在施工前提前了解施工区域所有管线的位置、埋深、走向等信息，复制制定合理的施工方案，减少管线挖断事故的发生。（2）辅助地下管线事故抢险抢修分析，避免引发次生事故。当出现供水管线爆管、燃气管线泄漏等事故抢险抢修时，通过地下管线数据分析，准确了解周边区域管线状况，临近空间状况，支撑做好对周边相关设施的防护方案，避免在抢险抢修过程中，对其他地下市政基础设施造成伤害，进而引发次生事故。（3）对已有地下管线开展合规性分析，为地下管线的更新改造提供依据。根据城市工程管线综合规划规范，不同类型的地下管线之间、地下管线与周边建筑物之间都有安全距离要求，不同类型的地下管线存在最小覆土深度要求，通过地下管线数据分析，能够找出不符合规范要求的问题，为后续地下管线的更新改造提供参考。2.2 地下市政基础设施隐患闭环处置监管通过地下市政基础设施隐患管理，为政府监管部门提供重点隐患状态监管、隐患闭环处置管理等应用。（1）对暂时无法处置的重点隐患进行持续监管，降低隐患变成事故的概率。针对即将超期服役的管线、曾经发生过泄露或爆管的管线、防腐层腐蚀的管线、管线之间安全间距不足等暂时无法处置的隐患进行持续监管，及时关注隐患变化状况，当隐患可能演变成事故时，及时采取有效措施，减少隐患变成事故的概率，并为地下管线的更新改造提供支撑。（2）对于可以在短时间内整改的隐患进行闭环管理，监管隐患处置的有效性。针对阀门失效、违规占压、检查井可燃气体浓度超标、排水管线淤积堵塞等可以在短时间整改的隐患，为政府监管部门提供对消隐方案、消隐过程、消隐结果等隐患闭环管理，监管隐患处置的有效性。2.3 地下市政基础设施巡检情况和巡检制度落实监管通过巡检管理，重点提供及时发现违规施工、加强对运营企业巡检制度落实情况监管等应用，便于地下管60软 件第 44 卷 第 8 期SOFTWARE线运营企业的巡检人员。将违规施工及时上报政府监管部门，同时辅助政府监管部门掌握地下市政基础设施运营企业的巡检任务、巡检计划、巡检完成情况等，监督运营企业对巡检制度的落实情况，并对运营企业落实巡检制度的情况进行综合评价，加大监督管理的力度。2.4 地下市政基础设施运行监测和预测预警通过供水、燃气等传感器监测数据的综合分析和应用，实现报警事件确认、供水管线爆管预测预警、燃气管线泄漏预测预警等应用。（1）对报警事件的真实性进行确认，对于真实报警监督处置过程和结果。当地下市政基础设施运行出现异常报警时，如管线压力超出阈值、甲烷气体浓度超标等，快速定位报警位置，并形成报警记录，政府监管部门联系相应企业联系人，前往现场确认是真实报警还是误报，对于真实报警形成应急事件，并监督处置过程和处置结果。（2）通过供水管线传感器监测数据分析，实现供水管线爆管预测预警。通过积累供水管线压力、流量等监测数据，结合供水管线材质、使用年限等数据，对供水管线可能发生的爆管情况进行预测预警，分析漏点位置进行精确定位，以便采取有效预防措施。（3）通过燃气管线传感器监测数据分析，实现燃气管线泄漏预测预警。通过积累燃气管线压力、流量等监测数据，结合燃气管线材质、使用年限等数据，对燃气管线可能发生的微小泄漏情况进行预测预警，分析漏点位置进行精确定位，以便采取有效预防措施。2.5 地下市政基础设施应急管理通过应急管理，主要提供应急事件的调度和处置管理、严重事故应急联动、平战结合应急仿真推演等应用。当城市发生燃气管线爆炸、热力管线爆管等严重事故时，平台能够接入城市级应急管理相关系统，提供预案、资源、现场情况、已采取应急措施等数据，实现行业级应急管理系统与城市级应急管理系统的联系，实现多维度应急信息获取，提升应急处置效率。当发生重大应急事故时，通过仿真应急推演找到救援和事故处置的最佳路径和方案；平时通过对应急预案的仿真推演，实现应急演练，为预案的修改完善提供支撑。2.6 地下市政基础设施安全运行态势适应政府监管部门监控中心大屏应用，提供城市地下市政基础设施总体运行态势全景图，直观清晰地展现隐患分布及处置情况、巡检任务完成情况、安全预警及处置情况、传感器布设情况等，实现“一图观全局”。3 平台关键技术应用（1）利用探地雷达和遥感技术开展管线占压分析，实现管线占压危险区域分析。利用高精度遥感影像与地下管线数据进行叠加，提取建筑物及道路信息，按照城市工程管线综合规划规范要求的不同类管线与建筑物之间的最小距离判断，形成管线占压集，最后利用探地雷达进行外业符合，最终确定占压的真实性。（2）建立了燃气泄漏传感器智能选点模型，支撑特定条件下最大覆盖范围监测。通过燃气泄漏传感器智能选点算法研究，构建了智能选点模型，支撑 3 类应用场景：1）评估现有燃气泄漏传感器监测覆盖率；2）在经费预算一定的情况下，综合考虑医院、学校、商场等重点防护目标，达到最大监测覆盖率的传感器布设点位；3）在设定燃气泄漏传感器覆盖情况下，综合考虑医院、学校、商场等重点防护目标，实现经济投入最小化的传感器布设点位。（3）建立了管线健康分析模型，支撑多因素作用下地下管线安全状态评估。通过地下管线健康分析算法研究，构建了管线健康分析模型，综合考虑地下管线基础数据、运行数据、维修维护数据、土壤环境数据等多个因素，对地下管线的健康状态进行等级划分，评估地下管线爆管、泄漏等运行风险及老化程度，为地下管线的规划、建设及安全管理提供决策支撑。4 结语城市地下市政基础设施综合管理及安全监管平台，以多类型设施数据资源综合管理、安全风险全面监管为核心，通过整合分散资源，强化地下市政基础设施综合管理和数据应用，支持多种方式的地下市政基础设施监测数据接入，提升监测数据及时有效。通过结合遥感应用、人工智能算法、数据分析应用等技术，提供管线占压分析、健康分析等主动发现隐患手段，提升政府监管部门对地下市政基础设施安全风险的识别效率和监管能力，强化应急事件处置全过程管理，提升应急管理效率和精细化程度。参考文献1 肖建华,何伟,彭清山,等.城市地下市政基础设施调查与信息化建设思考J.城市勘测,2021(6):5-8.2 陈敬.城市地下市政基础设施信息化建设的探索与研究以淄博市为例J.未来城市设计与运营,2022(7):43-45.3 郝宏杰,林子涵.我国“智慧市政”建设研究J.合作经济与科技,2021(13):165-167.4 布穷.智慧市政管理系统平台支持下的市政设施管养新模式探索J.中阿科技论坛(中英文),2022(5):93-96.5 中国城市燃气协会信息工作委员会暨中国土木工程学会燃气分会信息化专业学组.中国城镇燃气企业信息化指引(2021)R.中国城市燃气协会信息工作委员会,2021-10.