李志剛，趙艷珍，董紹環(huán)，劉寶華

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

城市地下綜合管廊就像建在地下的房子一樣，是城市地下管線之家。一般是在城市地下建造，將電力、通信、供水、熱力等管線根據(jù)規(guī)劃要求集中敷設(shè)在同一構(gòu)筑物內(nèi)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理的市政公用隧道空間。我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時(shí)期，地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后。因此，改變現(xiàn)有管線的管理方式迫在眉睫[1]。為統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設(shè)和管理，解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題，目前我國(guó)正大力引導(dǎo)和推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)。

城市地下綜合管廊投入使用后，為確保其正常和穩(wěn)定運(yùn)行，需要重點(diǎn)考慮其管理和維護(hù)等問題。國(guó)內(nèi)目前在城市地表以上和地下管線三維可視化管理方面研究得比較多，如毛健、蘇笛對(duì)地理場(chǎng)景三維可視化系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析探討[2]，王春青、竇偉通等針對(duì)三維可視化地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析與研究[3]；盧丹丹、譚仁春等針對(duì)地下管線三維建模的高精度自動(dòng)化、局部更新快速化和地上地下一體化等關(guān)鍵技術(shù)提出了一些新的方法與思路[4]。目前，在城市地下綜合管廊信息化管理方面的研究偏少，這與我國(guó)在城市地下綜合管廊建設(shè)方面起步晚有很大關(guān)系。本文著眼于下一步城市地下綜合管廊全面建設(shè)且投入使用后，必須借助信息化管理技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)其科學(xué)化、可視化與智慧化管理，重點(diǎn)研究三維可視化技術(shù)如何應(yīng)用于城市地下綜合管廊運(yùn)行管理工作。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

目前，在城市地下綜合管廊數(shù)據(jù)采集、處理、建庫(kù)及信息系統(tǒng)建設(shè)等方面尚未有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)。與其他市政管線比較，地下綜合管廊具有綜合性、長(zhǎng)效性、可維護(hù)性、高科技性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，除了綜合管廊本體及其附屬設(shè)施之外，其內(nèi)部還布設(shè)了多種管線，通過制定一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)及信息系統(tǒng)開發(fā)，從而為綜合管廊管理工作提供科學(xué)高效的可視化管理手段顯得十分必要。借鑒鄭持輝、陳良超針對(duì)城市三維仿真模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究中提出的在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)因素，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、模型組織和數(shù)學(xué)精度等幾方面[5]，本文以面向城市地下綜合管廊三維可視化管理為目標(biāo)，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、紋理材質(zhì)信息采集、三維模型制作、信息系統(tǒng)建設(shè)等方面展開研究。其中，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集方面，規(guī)定除了需獲取管廊本體的三維空間坐標(biāo)之外，還要對(duì)出入口、逃生口、吊裝口、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、管線分支口、設(shè)備銘牌、變配電間、監(jiān)控中心等附屬設(shè)施采集其坐標(biāo)及高程信息，必要時(shí)還要采集其形狀及口徑大小等基礎(chǔ)信息，便于對(duì)其進(jìn)行真實(shí)地三維展現(xiàn)；在紋理材質(zhì)信息采集方面，規(guī)定了應(yīng)采集城市地下綜合管廊三維模型制作所需的地表、地物頂面和立面等信息，同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)采集管廊艙室內(nèi)部宣傳欄、設(shè)備銘牌、警示牌、里程與方向標(biāo)識(shí)牌、傳感器、攝像頭、照明設(shè)施等紋理信息；在三維模型制作方面，規(guī)定了管廊艙室和附屬設(shè)施三維模型宜采用人工方式構(gòu)建，并應(yīng)準(zhǔn)確表達(dá)其形狀、位置、結(jié)構(gòu)、尺寸、紋理等特征，模型應(yīng)按類別統(tǒng)一制定命名規(guī)則；管廊內(nèi)部管線三維模型宜采用軟件自動(dòng)化構(gòu)建，并應(yīng)與管廊艙室、管線支架等三維模型的位置相匹配，同時(shí)與管廊外部其他管線的三維模型無縫銜接；在信息系統(tǒng)建設(shè)方面，提出采用三維仿真與可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下綜合管廊在三維基礎(chǔ)地理空間下的可視化渲染與表達(dá)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、信息檢索與查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、運(yùn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警等功能，用于輔助日常城市地下綜合管廊的運(yùn)行管理與應(yīng)急決策等工作。

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理

一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)城市地下綜合管廊三維可視化管理的關(guān)鍵所在。因此，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與處理方面，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)與研究，本文提出了通過開展城市地下綜合管廊覆土前竣工測(cè)量工作，可準(zhǔn)確獲取其本體的三維空間信息；在此基礎(chǔ)上，通過采用投點(diǎn)法，使用鋼尺來量測(cè)內(nèi)部管線與管廊本體的相對(duì)位置，從而獲得其平面位置及高程信息。具體作業(yè)過程如圖1所示，說明如下：

(1)使用投點(diǎn)尺將檢修孔的中心位置投到管廊內(nèi)底，利用T型尺標(biāo)定所投點(diǎn)位的位置，并量取管點(diǎn)到管廊內(nèi)壁的距離A1和管線到管廊內(nèi)底的距離C；

(2)以T型尺為基準(zhǔn)，依次量取各個(gè)管點(diǎn)到所投點(diǎn)的距離B1、B2，并通過與相鄰檢修孔的距離進(jìn)行檢核；

(3)管點(diǎn)1的平面位置為管廊內(nèi)壁平移距離A1后與所投點(diǎn)作管廊內(nèi)壁的垂線且平移距離B1后的交點(diǎn)；管點(diǎn)1的高程H=h+C，h為管廊內(nèi)底高程；管點(diǎn)2的平面位置與高程參照管點(diǎn)1的方法獲取并處理；

(4)對(duì)位于地下綜合管廊轉(zhuǎn)折點(diǎn)、變坡點(diǎn)位置處的管點(diǎn)位置，可以參考該特征點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)并獲取。

圖1 地下綜合管廊內(nèi)部管線測(cè)量示意圖

除了采用上述方法之外，還可采用三維激光掃描儀獲取地下綜合管廊艙室及其內(nèi)部管線和附屬設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步獲取特征點(diǎn)、線的三維空間幾何信息，作為三維模型制作及信息系統(tǒng)建設(shè)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 三維模型制作與加工

三維空間數(shù)據(jù)模型是城市地下空間信息基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)，空間數(shù)據(jù)模型問題已成為城市地下空間信息基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建過程中首先要解決的關(guān)鍵問題[6]。因此，本文在研究建設(shè)城市地下綜合管廊信息系統(tǒng)之前，首先針對(duì)其三維模型制作與加工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與研究。

在獲取地下綜合管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之后，依據(jù)其三維模型表達(dá)要求，分別針對(duì)綜合管廊本體及其附屬設(shè)施、入廊管線等進(jìn)行三維模型制作與加工。借鑒朱合華、李曉軍提出的實(shí)體建模方法[7]，針對(duì)綜合管廊本體以及內(nèi)壁、支架及通風(fēng)口等附屬設(shè)施，可通過使用3ds Max、Revit等建模軟件進(jìn)行人工建模；入廊管線及其附屬設(shè)施則采用軟件構(gòu)建的方法進(jìn)行自動(dòng)建模；對(duì)于管線間相連接的附屬物，如檢修井、閥門等，則需要制作樣本模型，用于建模工具自動(dòng)調(diào)用。通過上述技術(shù)路線，成功對(duì)青島市已建成的地下綜合管廊進(jìn)行了三維模型建設(shè)，取得了較好的效果，如圖2所示。

圖2 地下綜合管廊及其附屬設(shè)施和廊內(nèi)管線三維模型效果圖

5 信息系統(tǒng)建設(shè)

隨著城市地下空間的廣泛開發(fā)和利用，對(duì)實(shí)現(xiàn)信息化管理的需求也日益緊迫。目前，國(guó)內(nèi)有很多專家和學(xué)者對(duì)城市地下空間信息化進(jìn)行了相關(guān)研究與探索[8～10]。本文在三維模型建設(shè)基礎(chǔ)上，提出了實(shí)現(xiàn)地下綜合管廊三維可視化管理的關(guān)鍵技術(shù)體系。系統(tǒng)建設(shè)主要包括兩方面內(nèi)容，其一是為地下綜合管廊的三維可視化管理提供地上及地下周邊環(huán)境的三維場(chǎng)景，作為系統(tǒng)功能正常運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐；其二是根據(jù)各方面需求，面向應(yīng)用層開發(fā)有關(guān)功能，以滿足城市地下綜合管廊在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、集成控制、資產(chǎn)管理、巡檢維護(hù)、應(yīng)急處置、大數(shù)據(jù)智能分析與預(yù)警等方面的要求。此外，還應(yīng)配套建設(shè)各種軟硬件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以滿足系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行的要求，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)、三維GIS平臺(tái)、各類感知設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、專用網(wǎng)絡(luò)等。

此外，本文針對(duì)地下綜合管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)研究與實(shí)現(xiàn)。其中，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理方面，提出將管廊本體及附屬設(shè)施、內(nèi)部管線等模型進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)和管理，并對(duì)附屬設(shè)施如：檢修井及井蓋和內(nèi)部閥門等做了單體化管理，便于在實(shí)際工作中隨時(shí)打開井蓋查看其內(nèi)部閥門，這樣也可為爆管分析功能提出的關(guān)閥方案進(jìn)行直觀展示與表達(dá)，體現(xiàn)了精細(xì)化管理的特點(diǎn)；在系統(tǒng)建設(shè)方面，主要采用的關(guān)鍵技術(shù)包括：地上與地下一體化以及二三維一體化管理技術(shù)、入廊管線三維模型自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)、多源數(shù)據(jù)集成表達(dá)與管理技術(shù)、地上地下與室內(nèi)室外三維場(chǎng)景漫游瀏覽技術(shù)等。如圖3所示，系統(tǒng)針對(duì)綜合管廊各組成部分實(shí)現(xiàn)了單體化方式的管理，并且實(shí)現(xiàn)了各配套設(shè)施相關(guān)屬性信息的查詢與統(tǒng)計(jì)等功能。

在實(shí)現(xiàn)地下綜合管廊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，可對(duì)數(shù)據(jù)與功能進(jìn)行擴(kuò)展，將視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境與狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)、日常管理與維護(hù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行整合與統(tǒng)一管理，采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管廊及配套設(shè)施的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)與智能化管理、安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與報(bào)警等功能，從而全面提升城市地下綜合管廊“管、控、營(yíng)”一體化的智能管理水平。

圖3地下綜合管廊數(shù)據(jù)單體化管理及信息查詢功能實(shí)現(xiàn)效果圖

6 結(jié) 語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)正在大力推進(jìn)城市地下綜合管廊規(guī)劃建設(shè)工作。隨著進(jìn)程的加快，將來會(huì)有越來越多的地下綜合管廊投入使用。本文主要提出采用三維可視化的技術(shù)手段輔助其日常管理工作，并且成功應(yīng)用于青島市紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)地下綜合管廊日常運(yùn)維管理。一方面為綜合管廊管理提供了一種實(shí)用、先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，大大提高了工作效率，收到了很好的應(yīng)用效果；另一方面為智慧管廊建設(shè)提供了基礎(chǔ)保障。借助物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感等先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)時(shí)獲取地下綜合管廊內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境及其配套設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)等信息，并對(duì)其進(jìn)行分析和預(yù)警，從而提高管理工作效率與智能化水平，確保城市地下綜合管廊的安全運(yùn)行。