地下综合管网管理与分析平台

系统设计背景与意义

       地下管线是城市基础设施建设的重要组成部分，是城市的“生命线”和“血脉”，水、电、燃气、热量、信息都在通过各种管线一刻不停地流向城市的每一个角落，在我们看不见的城市地下世界里，这些管线埋得有多深？各自通向哪里？管线运行维护、城市规划设计、工程施工管理等，如何获取完整、准确、现势性强的地下信息是值得深思的问题。智慧城市建设的新要求、新模式，驱动着数据带动城市治理的新趋势，各级政府出台的办法和条例都明确了建设城市管线专业信息平台的需求，GIS技术的发展也推动着地下管线管理从二维平面向三维立体迈进。

       统计数据显示，截至2020年底，中国市政地下管线长度已超过308万千米，是2000年地下管线总长的4.7倍。城市建成区地下管线密度为每平方千米51.2千米，是十年前的2.79倍，地下管线相关事故发生概率随之增加，2021年共收集到地下管线相关事故1723起，2019年、2020年、2021年，近三年收集到的地下管线相关事故年平均增长率为87.90%，因此，建立一个专业的地下管网管理与分析系统就显得尤为重要。

       地下管网管理与分析平台面向的是数据管理部门，可以为应急响应和决策提供数据支持和重要参考。在数据安全和信息安全愈发重要的今天，许多优秀的国产化软件在平台搭建的过程中获得了广阔的应用空间。

       综上所述，本项目全面运用SuperMap软件平台，针对当前国产化地下管网管理与分析平台存在的不足，提供了一套“一翼两端”的综合解决方案，即实现了从规范数据到场景重现、管理分析、结果呈现的全链路模式，实现了算法的优化和功能的针对性设计，并面向不同应用场景，搭建了桌面端和Web端平台。

系统架构

      系统实现了从测绘成果数据到二三维可视化，再到二三维空间分析，整个设计到实现的过程均站在用户的角度，为管理部门提供决策依据。在后端应用层通过SuperMap iObjects.NET的接口，基于C#和Windows API封装成功能类库，即可直接服务于桌面端请求，也可通过Web API包装成Web服务，Web平台后端基于SuperMap iServer和ASP.NET WebAPI搭建服务，并使用IIS服务调取后端管线分析实现代码；前端基于SuperMap iServer服务器提供对应的三维场景服务,Web前端通过SuperMap iClient3D for Cesium实现了三维场景可视化浏览、交互操作等，快速实现浏览器上美观、流畅的地图呈现与空间分析，系统架构如下：

本系统在用户需求分析，系统功能实现分析及数据分析的基础上，以基于国产软件自主开发，满足国内实际问题需求为理念，确定最终的技术方案，本系统所用技术如下图所示：

系统作品展示

1. 三维模型构建

        三维模型构建作为系统的最大亮点，实现了从基础测绘数据直接形成可支持各类二三维空间分析的拓扑网络，在三维可视化方面，完全解放了三维数据建模的工作，一键全自动生成三维模型，整个过程包括数据预检、数据处理、二维转三维、三维拓扑网络构建、自动符号化。在自动化建模过程中，解决了许多问题，主要归纳为三类，首先是数据质量问题，包括数据不完整、格式不规范、拓扑关系难以建立等，通过建立数据检查流程，找出所有问题数据反馈修改或直接筛掉，然后根据地下市政基础设施数据库建设规范，梳理数万条数据，从要素分类代码等多个维度构建了管网类型、符号化规则、以及管井等特殊管点的拉伸规则，确保地下管点模型与地面景观模型的精准叠加。其次是计算效率问题，由于超图基础类库的封装集成度较高，简化了开发的同时增加了个性化定制的难度，通过自建索引挂接管线数据记录的方式优化了生成速度，使整个过程效率提升约80%。最后是地下管网模型三维可视化问题，例如地下雨水篦三维符号的上表面如何与地面贴合，通过计算拓扑邻接管线数据、DEM数据、三维符号模型优化等方法将管井自然延伸，与地面精准叠加，从而实现了模型三维可视化完全无需人工干预，从基础测绘数据出发生成具有良好可视化效果并可供各类专业管网分析的地下管网三维模型。

2. 剖面切分

      超图组件提供的接口在功能上集成度很高，可快速搭建可视化效果较好的三维场景，但个性化定制比较困难。剖面切分作为亮点之二，自主设计算法实现了剖面结果分析及剖面元素展示，剖面切分功能包括横断面切分和纵断面切分，在无需实地开挖管道的条件下，系统可根据用户所绘制的任意剖面线，实现“一张图”“一根线”纵览地下空间横纵分布形态，包括管线类型、埋深、高程、管径、管线间距等，对于分析结果，还可通过埋深选择进行二次分析、图表导出、放大镜、动态坐标轴、与地图联动等功能。

3. 爆管模拟

城市压力管线发生爆管现象是一个时常发生的灾害性事故，如若处理不及时或出现过失时，将会给城市带来重大经济损失和给社会造成极大的负面影响。爆管模拟作为系统亮点之三，支持场景选取和文件导入两种方法自定义爆管点，根据不同的管线类型使用不同的粒子效果模拟爆管场景，火花、烟雾、喷泉、信号分别对应于电力、燃气、给水/排水、通信管线，利用管线拓扑信息，根据爆管点的位置，分析并显示出受影响的管段和关键控制设施，既符合地下市政数据库建设规范，又给用户带来真实直观的三维体验，提高了政府保障公共安全和处置突发公共事件的能力。突发应急事故发生后，政府可在第一时间了解灾害发生地周边管线分布情况，高效调用相关资源，迅速完成应急处置，使产生的危害降到最低程度。

4. 连通分析

       基于三维管网模型的拓扑分析，完全摆脱了对二维管网数据的依赖，直接在三维管网模型上进行拓扑分析，彻底解决三维数据模型无法进行拓扑分析的技术难题，同样支持场景选取和文件导入两种方式自定义目标管点，将用户输入的任意多个管点（可以是不同管线类型）各自的连通结果分组输出，并在三维场景里高亮可视化。

5、统计

在统计功能上，系统可对数据库中的地下市政数据情况进行总量统计，以及分类统计和分段统计。总量统计可供用户查看数据库中所存放的管线数据基本情况，包括管线总长、管线总数量等，分类统计包括按管线类型统计、管线材质统计、管线所在位置统计等，分段统计可统计不同管线长度范围内的管线数量，统计功能全面考虑了管线的实际应用情况，全面满足用户不同的统计需求。

系统亮点

1. 系统集成性好，Web平台/桌面系统双管齐下

采用C/S+B/S的架构，构建以管理服务为中心，快速提供真实直观的综合管网信息，实现了地上地下一体化展示，将地表DEM模型、三维景观模型和地下三维管网模型集成显示，维护城市生命线稳定运行。

2. 管网数据快速三维化，实现管网自动化、数字化、多元化管理

从二维测绘数据一键式驱动三维建模，直接实现三维可视化，全面支持测绘局和各省市的地下管线数据标准，直观映射地下管线敷设现状，实时感知城市地下“生命线”，支持管网的查询统计、空间分析等功能。

3. 多维感知地下管网，行业应用价值大

管网核心功能全面，剖面分析打破复杂空间的局限性，表达地下空间横纵向管线分布，爆管分析实现故障快速追踪定位，辅助规划建设、优化资源配置、规避事故风险，能解决实际的行业需求，具有可推广价值。

4. 全面基于超图平台开发，系统国产化程度高

桌面端和Web端平台基于使用SuperMap iObjects .NET 10i和SuperMap iClient3D for Cesium、SuperMap iServer 实现，充分发挥超图软件平台稳定性好、功能多元等优势，有效保障了开发过程中的信息安全。

5. 融合多元技术，打造用户友好的交互操作系统

系统架构设计良好，完全站在用户角度，设计界面友好美观、操作简便，符合用户使用习惯。

小结

地下综合管网管理与分析系统，基于国产软件平台，从测绘数据一键式驱动实现二三维可视化，在此基础上实现了二三维的空间分析，从数据到各个核心功能的实现，严格按照各省市的管线规范文件完成，能充分满足行业需求，结合国产软件和GIS技术为数字城市赋能，为地下空间可持续发展绘制“蓝图”。

指导老师点评

该作品选题新颖且具有较大的行业应用价值，充分结合了GIS技术，创新性较强，功能设计齐全。在充分调研实际的行业需求基础上，充分站在用户的角度，设计了操作简单，界面友好美观，符合用户使用习惯的功能系统。系统架构设计良好，代码结构清晰，遵循编程规范。从数据组织到功能实现的过程中，充分考察了行业需求，数据完整且规范，能够以二维和三维的形式展示并且进行分析，尤其是在部分功能设计中，流程完整且一步步优化，在效率和可视化效果上不断提升，最终呈现了完整的效果。该作品完成度较高，在智慧城市建设中地下市政的三维化管理和分析方面有着较高的应用潜力。

团队成员合影

从左到右依次为： 周泽睿，李燚，胡海（指导老师），孙铭泽，卢玉祥