郭興根 劉 帥 趙 威

河北天元地理信息科技工程有限公司河北省市政管網(wǎng)智能監(jiān)控技術(shù)創(chuàng)新中心 河北 廊坊 065201

市政是規(guī)劃和管理重要組成部分，隨著市政建設(shè)不斷發(fā)展，市政建設(shè)中出現(xiàn)越來越多信息，這就要求市政地下管網(wǎng)建設(shè)中大數(shù)據(jù)和安全控制。同時(shí)，要對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行更新改造，提高維護(hù)效率，降低失效概率，減少間接傷害，對(duì)市政發(fā)展有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，地下管網(wǎng)鋪裝量也在不斷增加，各個(gè)市政發(fā)展進(jìn)程中，在市政道路和建筑周圍，會(huì)出現(xiàn)大量地下管網(wǎng)，增加地下管網(wǎng)的挖掘和維修困難，并且由于支護(hù)困難，可能造成周圍土壤沉降開裂，路面圍護(hù)占用路面，影響交通流量，造成重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實(shí)際情況，提出一種基于大數(shù)據(jù)的市政地下管網(wǎng)預(yù)處理技術(shù)方法。

1 市政地下管網(wǎng)概述

作為現(xiàn)代化市政基本設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，地下管網(wǎng)包括給水、排水、燃?xì)?、熱力等多種類型，具有種類繁多、分布廣泛周期長等特點(diǎn)，而且隨著市政規(guī)劃和建設(shè)發(fā)展，數(shù)量也在增加，而且還在持續(xù)地進(jìn)行著升級(jí)。在市政建設(shè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、決策等方面，市政地下管網(wǎng)是市政建設(shè)和管理基本依據(jù)。由于對(duì)地下管網(wǎng)了解程度較低。因此，對(duì)其進(jìn)行全面、準(zhǔn)確監(jiān)測不僅會(huì)對(duì)市政生活產(chǎn)生諸多影響，而且還會(huì)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響。而市政地下管網(wǎng)又是人類身體中的“血管”與“神經(jīng)”，隨時(shí)承擔(dān)著與之有關(guān)信息與能源傳輸任務(wù)，是一個(gè)城市長久存在與高速發(fā)展重要物質(zhì)支撐，也是其“生命線”。所以，對(duì)市政地下管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字信息管理，就成為對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)和管理一個(gè)關(guān)鍵步驟。另外，在我國市政快速發(fā)展、人口高度集中背景下，我國城市快速發(fā)展，負(fù)荷日益加重，對(duì)地下管網(wǎng)依賴與日俱增。市政危害越來越明顯，特別是在快速擴(kuò)張和發(fā)展的市政，其自然災(zāi)害、環(huán)境災(zāi)害和人類活動(dòng)災(zāi)害都非常嚴(yán)重。一座現(xiàn)代城市要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要具備安全保障，尤其是在遇到緊急情況和災(zāi)難時(shí)，可以迅速作出正確決定，并進(jìn)行高效救助。因此，站在城市發(fā)展戰(zhàn)略高度，對(duì)地下管網(wǎng)在市政規(guī)劃、建設(shè)和管理中的角色與地位進(jìn)行全面理解。

2 地下管網(wǎng)的特點(diǎn)

市政地下管網(wǎng)主要是在地表之下的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，形成一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜、非?；靵y網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它具有4個(gè)最重要特征：不可見，因市政綜合網(wǎng)絡(luò)基本都是布置在地下的，所以一個(gè)顯著特征就是看不見的，這使得人們很難得到精確空間定位和有關(guān)屬性信息；復(fù)雜多樣，因市政地下管網(wǎng)在地下分布極為復(fù)雜，并且彼此交叉，類型繁多，雜亂無章；整體統(tǒng)一，因市政地下管網(wǎng)在其功能上是一個(gè)體系的，是一個(gè)完整的，相同管網(wǎng)、不同區(qū)段可以互相連接起來，共同發(fā)揮各自功能與效果；狀態(tài)變化，隨著現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展，每一座大、中型市政規(guī)模都在發(fā)生著改變，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生很大改變[1]。

3 地下管網(wǎng)的分類

對(duì)于地下管網(wǎng)，可以有多種類型：根據(jù)使用對(duì)象，可以分為給水、燃?xì)?、雨水、污水、?qiáng)電、弱電等；按照其服務(wù)范圍，還可以將其劃分為：市政公用地下管網(wǎng)、小區(qū)地下管網(wǎng)、施工場地地下管網(wǎng)、專業(yè)地下管網(wǎng)等。我國市政地下管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中，以市政地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)為主，滿足市政地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)需要。與此同時(shí)，也可以便利政府各職能部門之間監(jiān)督和高效管理。數(shù)字地下管網(wǎng)是為專門地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、施工和管理服務(wù)，而在地下管網(wǎng)部分運(yùn)行則是為了在地下管網(wǎng)的一些特性很難被詳細(xì)展示出來，通過將這些特性進(jìn)行部分放大處理，這樣就能更好展示出與當(dāng)?shù)氐叵鹿芫W(wǎng)有關(guān)信息。

4 市政地下管網(wǎng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)概述

4.1 技術(shù)背景

伴隨著市政進(jìn)程的持續(xù)加速，當(dāng)前，市政綜合地下管網(wǎng)建造品質(zhì)持續(xù)提高，各類市政管線覆蓋程度提高，不僅保障社會(huì)發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)。然而，在運(yùn)行幾年之后，地下管網(wǎng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些故障，比如地下管網(wǎng)磨損，這時(shí)又要面臨頻繁維修，交通管理，造成資金壓力一年比一年大。其中，“先地上后地下”的市政規(guī)劃方式會(huì)造成地下管網(wǎng)無序運(yùn)行，從而加大地下管網(wǎng)運(yùn)營費(fèi)用，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成極大阻礙。本項(xiàng)目研究成果將為新市政和新城區(qū)的發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，為市政道路和建筑等地區(qū)地下管網(wǎng)提供智慧運(yùn)行管理平臺(tái)，不僅能夠從某種角度上緩解市政地下管網(wǎng)過密問題，還能夠提高市政地下管網(wǎng)運(yùn)行效率，緩解道路的擁堵狀況，從而推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步。

4.2 技術(shù)定義

市政地下管網(wǎng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)屬于一種在大數(shù)據(jù)背景下所產(chǎn)生的安全控制技術(shù)，它可以很好地滿足地下管線、道路橋梁安全運(yùn)營實(shí)際情況。一般而言，市政基礎(chǔ)建設(shè)、安全生產(chǎn)等多個(gè)方面的數(shù)據(jù)處理技術(shù)都是由多個(gè)方面管線信息進(jìn)行匯總和分析，從而能夠建立一個(gè)更加完備智能化服務(wù)平臺(tái)。

4.3 技術(shù)內(nèi)涵

市政地下管網(wǎng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)在現(xiàn)代發(fā)展中有著廣泛應(yīng)用，是建立智慧市政不可或缺的一部分。在對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤和監(jiān)控過程中，可以對(duì)地下管網(wǎng)的復(fù)雜性和特點(diǎn)有更深一層認(rèn)識(shí)，在此過程中，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些難度分析和總體調(diào)整。同時(shí)，利用二階差對(duì)彩色圖象進(jìn)行實(shí)時(shí)可逆向遮蔽，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障定位擴(kuò)展，從而滿足對(duì)現(xiàn)場分析和檢測需要。同時(shí)，在本次研究中，主要通過分段差值擴(kuò)展技術(shù)與非線性誤差技術(shù)來進(jìn)行技術(shù)處理，可以在成本可控情況下，達(dá)到可逆數(shù)據(jù)隱藏和彩色圖像擴(kuò)展管理目的，從而進(jìn)一步提高智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)效率，同時(shí)也符合技術(shù)發(fā)展客觀需求。

5 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

5.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

GIS與 ORACLE之間聯(lián)系是利用空間數(shù)據(jù)庫引擎 ArcSDE來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模式都是以 GeoDatabase模式為基礎(chǔ)的，同時(shí)還可以根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)做合適擴(kuò)充。其中，地理信息系統(tǒng)以元素類、關(guān)聯(lián)類、柵格目錄、Terrain、屬性表等為基礎(chǔ)，以地理信息系統(tǒng)中地理信息系統(tǒng)（GeometryNetwork）、規(guī)則（Rule）、子類（子類）、域（Domain）等為基礎(chǔ)進(jìn)行地理信息系統(tǒng)擴(kuò)充。

5.2 系統(tǒng)功能介紹

系統(tǒng)在查詢統(tǒng)計(jì)、決策分析等功能上有很大優(yōu)點(diǎn)：視圖顯示，為了便于對(duì)系統(tǒng)中地圖展示區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)還提供放大、縮小、前后視圖和漫游等功能，以便于對(duì)系統(tǒng)地圖視野進(jìn)行調(diào)整；查詢功能，為了便于對(duì)地下管網(wǎng)信息進(jìn)行查詢，該系統(tǒng)還提供一個(gè)查詢功能，可以采用兩種方法進(jìn)行查詢，第一種方法是利用管線圖形信息來對(duì)屬性信息進(jìn)行查詢，第二種方法是利用屬性信息來對(duì)管線進(jìn)行查詢，也就是一種方法是以管線圖形為依據(jù)，對(duì)地下管網(wǎng)特定起始點(diǎn)號(hào)、終止點(diǎn)號(hào)、埋深等進(jìn)行查詢。第三種可以按照諸如材料、管徑等所設(shè)定管道屬性信息，將地下管網(wǎng)特定位置定位到所設(shè)定位置；定位功能，利用諸如地名、道路、圖幅等指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以迅速發(fā)現(xiàn)所要查找管道，還可以根據(jù)所需坐標(biāo)來確定地下管網(wǎng)位置；輔助工具，利用標(biāo)尺測量儀器可以測量距離、角度、面積等，并可以用標(biāo)記法把地下管網(wǎng)特性信息標(biāo)記在地圖上；決策分析，通過橫剖面和縱剖面分析，為工程規(guī)劃和建設(shè)提供依據(jù)。同時(shí)，通過橫向和縱向凈距和覆蓋深度計(jì)算，檢查地下管網(wǎng)布置情況，確保地下管網(wǎng)的布置與國家標(biāo)準(zhǔn)的一致，并通過火災(zāi)救援等功能，為人民的生產(chǎn)生活服務(wù)，盡量降低經(jīng)濟(jì)損失[2]。

6 非線性DELTA誤差技術(shù)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)壓縮算法

6.1 管線監(jiān)控類數(shù)據(jù)字典

為了加快地下管網(wǎng)采集速度，監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)字典，采用變量壓縮比處理方法，對(duì)地下管網(wǎng)的監(jiān)測資料。同時(shí)，在預(yù)警線下的數(shù)據(jù)上。在預(yù)警線下的數(shù)據(jù)變化較小、數(shù)據(jù)量大、壓縮率高。其中，超過預(yù)警值數(shù)據(jù)超過預(yù)警值是監(jiān)測重要數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)量小、用無損壓縮，可以減少數(shù)據(jù)冗余，從而提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)率。

6.2 實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)壓縮描述

在對(duì)地下管網(wǎng)資料進(jìn)行監(jiān)視時(shí)，因地下管網(wǎng)資料變動(dòng)幅度很小，因此可以說，地下管網(wǎng)情況比較平穩(wěn)，而一旦數(shù)值變動(dòng)很大，說明有意外情況出現(xiàn)。因此，在監(jiān)視時(shí)，大部分資料都是變動(dòng)幅度很小資料，應(yīng)著重對(duì)其進(jìn)行壓制。其中，一些數(shù)據(jù)是在最大與最小之間數(shù)據(jù)，它們占很大比重，因此在對(duì)它們進(jìn)行壓縮同時(shí)，也要對(duì)它們進(jìn)行無損壓縮。另外，在項(xiàng)目中，非報(bào)警值數(shù)據(jù)屬于第一類數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)是比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)間差異很少。因此，對(duì)于這種數(shù)據(jù)處理，只有當(dāng)前后數(shù)據(jù)的 Delta差值超過某一條預(yù)警線Φ1時(shí)，才會(huì)將這種數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中。此資料為目前資料尺寸與之前資料尺寸之對(duì)比，若二資料間之錯(cuò)誤超過 phi;時(shí)，將該數(shù)據(jù)記入數(shù)據(jù)庫。

7 面向市政地下管網(wǎng)運(yùn)維的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

如果能夠正確運(yùn)用市政地下管網(wǎng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，能夠很好地解決地下管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)不科學(xué)問題，在降低后期運(yùn)營成本，提高運(yùn)營效率方面都有著無可取代的影響，現(xiàn)就技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行討論，具體內(nèi)容如下。

7.1 樹立專業(yè)人才全員參與意識(shí)

在大數(shù)據(jù)下，以工程項(xiàng)目為主傳統(tǒng)監(jiān)理方式走向以信息化為主的新型監(jiān)理方式，其首要任務(wù)是加強(qiáng)對(duì)施工項(xiàng)目監(jiān)理人員培訓(xùn)。借助全國指導(dǎo)方針，加強(qiáng)對(duì)當(dāng)前監(jiān)管工作宣傳與交流，從觀念到行動(dòng)，全方位提高管理工作信息化水平與行動(dòng)意識(shí)；引入技術(shù)性人才，并逐漸降低監(jiān)理人員選聘與考評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，不僅要有較強(qiáng)工程知識(shí)，還要有較強(qiáng)信息技術(shù)應(yīng)用能力；提升管理標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)相關(guān)工程、企業(yè)及管理者積極地提供相關(guān)信息，鼓勵(lì)企業(yè)采用以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)協(xié)同作業(yè)、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)等信息化管理手段，為未來大規(guī)模信息互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，新時(shí)期市政行業(yè)監(jiān)管部門，要建立起讓所有人都能夠參加觀念。工程技術(shù)專業(yè)人員也應(yīng)要學(xué)會(huì)和掌握現(xiàn)代化信息技術(shù)，在觀念上要逐步擺脫傳統(tǒng)監(jiān)管方式，在技術(shù)上要對(duì)科技設(shè)備和軟件系統(tǒng)操作技巧進(jìn)行提升。

7.2 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)互聯(lián)互通

由于市政基礎(chǔ)設(shè)施參與主體眾多，基礎(chǔ)信息重復(fù)率高，信息采集、傳遞和共享困難，而在施工階段，信息變化快，精度低，使管理部門難以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在傳統(tǒng)監(jiān)督管理方式下，對(duì)已有問題進(jìn)行現(xiàn)場檢查和糾正，往往要耗費(fèi)大量資源和精力，從而導(dǎo)致巨大浪費(fèi)。同時(shí)，構(gòu)建數(shù)字監(jiān)管系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目從報(bào)監(jiān)到竣工驗(yàn)收、備案全過程質(zhì)量、安全進(jìn)行精細(xì)化、差別化監(jiān)督，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。其中，要保證信息互動(dòng)便利，市政監(jiān)管系統(tǒng)是管理中建筑產(chǎn)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，僅僅依靠單位本身?xiàng)l件所獲得數(shù)據(jù)總是不夠全面，工程體系相互聯(lián)系，且體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較強(qiáng)專業(yè)性，較高重復(fù)頻率，快速變化和較高證據(jù)要求。因此，要想在保障信息安全，使數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，最有效、最快速的方法就是利用一個(gè)國家統(tǒng)一數(shù)據(jù)大平臺(tái)來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

7.3 非線性誤差技術(shù)地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)壓縮算法

在全覆蓋地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控中，平臺(tái)需要不間斷的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，期間會(huì)生成大量的時(shí)間序列，不僅能夠反映出運(yùn)營期內(nèi)地下管網(wǎng)領(lǐng)域工作狀態(tài)和工作量變化，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更深層次挖掘，提高數(shù)據(jù)密度，幫助決策者實(shí)現(xiàn)精確決策。在進(jìn)行分析過程中，會(huì)牽扯到很多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸問題。在不損失重要有效數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，還要對(duì)信息合理性、科學(xué)性進(jìn)行更多考量。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類型資料，對(duì)資料進(jìn)行不同類型觀測，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)分析。另外，管線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集合。管線監(jiān)測數(shù)據(jù)集合存在能夠提高管線信息獲得速度，并與可變壓縮率情況相聯(lián)系，對(duì)預(yù)警線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將那些數(shù)據(jù)量較少但起到預(yù)警作用信息，都要納入到分析序列中。如果超出警報(bào)范圍，必須對(duì)該區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行特別監(jiān)測。其中，對(duì)于非線性誤差壓縮算法實(shí)現(xiàn)過程。非線性誤差壓縮算法是一種從傳統(tǒng)壓縮算法中衍生出來一種先進(jìn)算法，它種類很多，包括一級(jí)預(yù)警、多級(jí)預(yù)警等。在對(duì)算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析的時(shí)候，要將報(bào)警的上下限設(shè)定等內(nèi)容納入其中，將地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測過程和數(shù)值范圍當(dāng)作分布條件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤和監(jiān)測，以達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)壓縮。有些資料是介于安全與警告性之間資料，必須加以調(diào)整，以達(dá)到科學(xué)化目的。

7.4 基于分段差值法地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)解壓縮算法

在實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)同時(shí)，利用分段差值法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓也有著諸多優(yōu)點(diǎn)。因這種技術(shù)可以將學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘問題結(jié)合起來，將數(shù)據(jù)處理效率最大化，減少多余數(shù)據(jù)比重，因此，可以很好地適用于地下管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，從而可以避免數(shù)據(jù)短缺和填補(bǔ)不夠情況。同時(shí)，在市政中，為了處理工程具體問題，對(duì)資料進(jìn)行研究大多都是使用分段差值法。因此，對(duì)測點(diǎn)資料進(jìn)行6S一次采集，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)儲(chǔ)存，在必要間隔序列中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[3]。

8 結(jié)束語

總而言之，在未來市政地下管網(wǎng)建設(shè)和智慧城市規(guī)劃管理中，市政地下管網(wǎng)運(yùn)維大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)有著非常重要意義。運(yùn)用數(shù)據(jù)解壓縮，數(shù)據(jù)偏差計(jì)算，數(shù)據(jù)挖掘存儲(chǔ)等方法，使地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行更加有效。因此，地下管網(wǎng)信息平臺(tái)需要更加穩(wěn)定、可靠數(shù)據(jù)，從而滿足大規(guī)模市政管道數(shù)據(jù)需求，提升地下管網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析能力，保證其總體工作效率。