城市地下管網三維管理與應急應用研究

任東風，尹超范，石 巖，賈慧彬

（1. 遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000；2. 北京瀚博林遙感測圖信息工程研究院，北京 100080；3. 95937部隊，遼寧 阜新 123000）

0 引言

地下管網是城市社會經濟活動的動脈，高效、迅捷的地下管網系統是城市社會經濟發展的有力保障[1]。中國城市地下管線種類繁多，管理體制和權屬復雜，數據共享性差，敷設在地下的各種管線重疊交錯，自來水管道爆裂、城市積水內澇、石油管道爆炸、燃氣管道泄露等事故頻發[2]，加之基礎設施容量的不斷擴大，使得城市管線精細化管理的需求越來越高[3]。

現有的城市管網信息管理系統多為缺乏立體感的抽象二維系統，或是只具備簡單查詢統計功能的三維系統，在突發情況和緊急事故發生時很難發揮作用[4]。國內城市管理部門對城市地下管線的爆管關閥分析，主要是根據城市建設施工的平面圖紙，查找爆管位置上游的閥門，人工判斷各閥門是否需關閉，效率低且準確性差[5]。許多學者對管線安全隱患及相應的空間算法進行了研究。范海林等[6]根據地下管線事故發生的原因，首次提出地下管網安全隱患分類，建立二維地下管線應急處理管理系統。韓李濤等[7]提出一種沿公垂線方向投影的城市地下管線精準碰撞檢測算法，通過判斷管段中心線之間的夾角和距離，計算三維空間管線碰撞檢測結果。陳義等[8]利用正向廣度優先搜索、緩沖區分析及跨管種混接點搜索提出一種基于有向圖的流向分析算法，實現在步進搜索過程中自動獲取超標水體所流經的管線。以上研究未從地上地下一體化的管網模型設計、數據結構、隱患分析等方面對管線數據進行系統研究。

為了直觀展示地下管網與地上建筑的空間關系，定位爆管位置，確定影響范圍與關閥點群，分析管線安全距離，本文以Skyline為基礎平臺，管線普查數據為支撐，整合高精度數字正射影像圖（DOM）和數字高程模型（DEM）數據及無人機航拍得到城市三維模型，利用.net開發技術，開展管線連通性、爆管、關閥、安全距離分析研究，以期達到較高的GIS專業空間分析功能，為地下管線管理提供決策支持。

1 地下管網模型設計

1.1 管線模型設計

城市地下管網中包含燃氣、熱力、給水、排水、電力、路燈、通訊等各類管線，為使三維管網的地下可視化更加逼真，需要各類管線的外觀設計更貼合實際，例如各類管線的管道尺寸、使用材質、埋設方式等，管線模型設計見表1。

表1 管線模型設計Tab.1 pipeline model design

1.2 管點模型設計

管點是連接管線之間的樞紐，其分類與所屬管線類別聯系緊密，管點類型根據可見類型可細分為普通節點、連接點、設備點以及管井，各類管點信息對應的管點內容見表2。

表2 管點模型設計Tab.2 pipepoint model design

2 地下管網數據結構設計

地下管網數據編碼優先采用國家標準編碼，其次采用行業（部門）編碼，沒有國家標準編碼和行業（部門）編碼，則按照規范格式自定義編碼[9]。為方便管網分析處理，以線段表示管線，不出現折線，管線兩端的端點數據與管點數據一一對應，管線與管點的屬性結構見表3、表4。

表3 管點屬性結構Tab.3 pipe point property structure

表4 管線屬性結構Tab.4 pipelines property structure

3 算法設計

3.1 連通性分析算法設計

連通性分析采用回溯算法，通過管點與管線之間建立的管網關系查找管點之間連通的路徑。指定管點A為起點，管點B為終點，判斷A、B之間的連通性，通過管線表查找以管點A為端點的管線，獲取管線另一端的管點A1記錄到數組array1中，若管點A1與管點B不相同，A1記為A做遞歸處理，直到管點A1與管點B相同為止。同樣，對管點B進行上述處理得到array2數組，將管點A、B記錄的數組數據array1和array2進行比對，得到相同的管點信息組array3，根據管點記錄的順序查找對應管線并高亮顯示。算法流程見圖1。

圖1 連通性分析流程Fig.1 flow for connectivity analysis

3.2 爆管分析算法設計

爆管分析采用優化廣度優先遍歷算法[10]，由爆管位置起，結合連通性分析采用的遞歸算法，找到上游待關閥門點群，并對待關閥門點群中的每個閥門點查找下游是否存在待關閥門點群中的閥門點，在待關閥門點群中如果存在關閉一個閥門點能影響2個或2個以上待關閥門點，該點即為必須關閉的閥門點，將此類閥門點單獨留下即可找到關閥點群。算法流程見圖2。

圖2 爆管分析流程Fig.2 flow of explosive tube analysis

3.3 關閥分析算法設計

關閥分析采用回溯算法，由關閥點作為起點，向下游追溯，找到第一批管點，由該批管點為起點，再向下游追溯，不斷迭代，直到下一管點沒有多余通往下游的管線連接為止。

3.4 安全距離分析算法設計

安全距離分析是為了判斷管線在地下的空間位置是否滿足管線規范標準，管線之間存在的空間關系包括平行、共線、相交和異面[11]。

假設管線L1的起點坐標為（x1,y1,z1），終點坐標為（x3,y3,z3）；管線L2的起點坐標為（x2,y2,z2），終點坐標為（x4,y4,z4），L2上任意一點坐標為（x,y,z）。

若L1與L2平行或共線，則

L1與L2之間的距離為

若管線L1與L2相交或異面，則L1與L2之間的距離為

4 算法實現

4.1 地上地下一體化

隨著無人機技術的發展以及三維建模軟件的逐步成熟，以無人機傾斜攝影技術對城市管線涉及地區采取高精度數據采集，可基本實現全自動生成三維實景模型[12]。系統采用無人機航拍、精細化建模技術，借助Skyline的CityBuilder軟件將處理好的實景模型進行加載，真實再現城市地面場景，借助Skyline的TerraExplorer Pro軟件，將項目區DOM和DEM處理成地形數據集，結合管線設計原則將采集到的管線管點數據的空間信息與屬性信息建立拓撲結構，生成地下管線三維模型，直觀展示地上建筑與地下管線之間的空間關系，見圖3。

圖3 地上地下一體化Fig.3 ground and underground integration

4.2 連通性分析

連通性分析是針對管網單層管線數據是否連通進行仿真模擬，主要目的是為了結合實際查找管線故障位置。若管點之間連通就高亮顯示經過的管線。若選擇的是給水管線，需要在管線的適當位置標注給水流向。

為直觀表示地上地物與地下管線之間的空間關系，在Skyline平臺下將地上三維模型下降至漏出管線為止，以給水管線為例，效果見圖4。

圖4 連通性分析Fig.4 connectivity analysis

4.3 爆管分析

爆管分析為事故處理提供直觀的解決方案。通過定位爆管位置，推算出需要關閉的閥門，再從需要關閉的閥門組中剔除關閉其中某個閥門所影響到的閥門，剩下的是待關閉閥門，在圖中用紅色標注必須關閉的閥門，爆管分析效果見圖5。

圖5 爆管分析Fig.5 explosive tube analysis

在三維場景中進行決斷時，地表只顯示待關閉閥門位置，若要觀察閥門與爆管位置的空間關系，利用skyline平臺的隱藏地上模式功能，只顯示該類管線即可，見圖6。

圖6 爆管位置與閥門位置的路徑顯示Fig.6 path display of tube location and valve location

4.4 關閥分析

關閥分析是為查找關閉閥門后的影響范圍，輔助管線管理人員查看影響區域并及時發布消息，減少周圍居民的相關損失。采用連通性分析的處理辦法，將地上三維模型下降至漏出管線為止，影響效果見圖7。

圖7 關閥分析Fig.7 closing valve analysis

4.5 安全距離分析

城市地下管網具有隱蔽性、復雜性的特點，敷設在地下的各種管線重疊交錯、雜亂無章[13]，在三維場景中還原管線位置并不能直接判斷管線之間是否符合規范。安全距離分析能通過選中的管線之間的空間最短距離判斷是否符合管線規范，便于管理部門進行整改。

將得到的距離與數據庫中保存的管線規范距離比對，判斷是否在安全距離范圍內，見圖8。

圖8 安全距離分析Fig.8 safety distance analysis

5 結論

本文針對城市地下管網存在的問題，從管網模型設計、結構設計入手，借助Skyline平臺建立了地上地下一體化的城市三維模型，設計了管線的連通性分析、爆管分析、關閥分析、安全距離分析算法，實現了三維場景中爆管位置查找、爆管位置定位、待關閥門確定，關閥影響范圍查看以及管線安全距離分析功能。

今后城市地下管網的研究將側重于建設還原度更高的地下模式，結合地形信息與周邊環境，對于管線突發事故或者地下管線管理進行模擬演示，解決城市內澇問題，為城市地下管網應急處理提供更全面的解決方案。