（地图学与地理信息系统专业论文）基于“知识与规则”的城市管线gis数据校验研究.pdf

中文摘要随着我国城市信息化进程的加快，很多城市建立了相应的城市管线地理信息系统( 城市管线g i s ) ，使城市管线图形数据和属性数据的管理、更新、分析和应用等工作变得更加方便和安全。目前城市管线g i s 已经得到了大多数用户的认可，其应用也越来越广泛。由于实际的需要，人们对城市管线g i s 不断提出新的要求，希望其能够对城市管线数据做出及时准确的分析，这就对城市管线数据质量和精度提出了更高的要求；另外，由于城市管线数据越来越多，而传统的手工校验极其浪费时间，并且从某种程度上来说是件不可能的事。因此对城市管线数据进行计算机校验成为城市管线g i s 研究的热门课题。本文首先通过对城市管线数据的组成、特点及其布设规范的研究，描述和定义了城市管线g i s 中的知识与规则，指出了知识与规则在城市管线g i s 中的重要地位。其次，通过对城市管线行业所有设备、管线的分类编码以及空间关系的提取、分类，对城市管线g i s 中的知识进行表达，构建了知识管理系统，使得用户可以参与并灵活控制行业知识的定制；同时，在应用知识、驱动知识的基础上构建了一系列规则组件，这些组件可以最大限度地确保城市管线数据满足行业精度要求。最后，在知识与规则的基础上，设计了城市管线数据校验的模型，并以应用实例对此模型进行了验证。 关键词 ：城市管线g i s ；知识表达：规则驱动；数据校验a b s t r a c ti na c c o r d a n c e 谢t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ec i t yo fo u rc o u l l t r y ，m a n yu r b a np i p e - l i n eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ( u r b a np i p e - l i n eg i s ) h a v eb e e ns e tu pi nm a n yc i t i e s ，w h i c hr l a k em a n a g e m e n t ,i m p r o v e m e n t , a n a l y s i s ，a n da p p l i c a t i o no fu r b a ns p a t i a ld a t aa n da t t r i b u t ed a t am u c hm o l ec o n v e n i e n ta n ds a f e r a tp r e s e n t ，m o s to f t h eu r b a np i p e l i n eg i ss y s t e m sh a v eb e e na c c e p t e db yu s e r s ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa l eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e b u t ，b e c a u s eo ft h ea c t u a ld e m a n d s ，m a n yn e wr e q u l , m n e n t sa r ep u tf o r w a r dt ou r b a np i p e l i n eg i ss y s t e m ，h o p i n gi tc a nm a k et i m e l ya n da c c u r a t ea n a l y s i st ou r b a np i p e l i n ed a t a t h u s ，m u c hh i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep r o p o s e dt ot h eq u a l i t ya n dp r e c i s i o no ft h ed a t ai t s e l f b e s i d e s a st h e r ea r em o r ea n dm o r ep i p e - l i n ed a t aa n dt r a d i t i o n a lc h e c k i n gc o s t sag r e a td e a lo f t i m e ，t os o m ee x t e n t ,i tc a nn o tb ef i n i s h e d i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，c h e c k i n gb yc o m p u t e rf o rp i p e l i n ed a t ah a sb e e nam a i ns u b j e c ti nu r b a np i p e - l i n eg i sr e s e a r c h t h i sp a p e r , f i r s t l y , t h r o u g ht h er e s e a r c hi nc o n t e n t ，c h a r a c t e ra n dl a y o u ts o l n 1o f u r b a np i p e 1 i n ed a t a , d e f i n e st h ek n o w l e d g ea n dr u l eo f u r b a np i p e - l i n eg i s ，t h e np o i n t so u ti t si m p o r t a n c ei nu r b a np i p e l i n eg i ss y s t e m s s e c o n d l y ,t h r o u g ht h ea b s t r a c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nt os o r tc o d i n go fa l lf a c i l i t i e sa n dp i p e l i n e sa n ds p a t i a lr e l a t i o n si ni n d u s t r yi t s e l f , e x p r e s s e st h ek n o w l e d g eo fu r b a np i p e l i n eg i sa n dc o n s t r u c t sk n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m , s ot h a tu s e r sc a np a r t i c i p a t ei na n dc o n t r o lt h ec u s t o m i z a t i o no fi n d u s t r i a lk n o w l e d g e t h i r d l y , b a s e do nt h ek n o w l e d g e ，i tb u i l d su pas e r i e so fa p p l i c a t i o na n dd r i v i n gk n o w l e d g ec o m p o n e n t s ，t h a tc a nm a k et h ed a t at om e e tt h ed e m a n do fi n d u s t r yp r e c i s i o na tt h em a x i m u md e g r e e f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ek n o w l e d g ea n dr u l e ，t h ep a p e rd e s i g n sc h e c k i n gm o d e lf o ru r b a np i p e l i n ed a t a , m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o no f t h i sc h e c k i n gb yu s i n gm a n ys u c c e s s f u li n s t a n c e &【k e yw o r d s l ：t h eu r b a np i p e l i n eg i s ，k n o w l e d g ee x p r e s s ，r u l eu r g i n g ，d a t ac h e c k - u pi i果。学位论文独创性声明本人郑重声明：l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。作者签名：亟盎日期：塑翌：学位论文使用授权声明本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。作者签名：日期：塑生 n 。第一章绪论1 1 引言第一章绪论城市管线是城市基础设施的重要组成部分，是社会生产和城市人民生活的基本条件，它包括给水、排水、燃气、热力、电力、电信工程等几大类，被称为城市的生命线。随着城市的飞速发展，城市规模的不断加大，城市管线的类型越来越丰富，城市管线的分布日趋密集与错综复杂，各种类型的管线变更速度也在不断加快，许多部门迫切需要完整、可靠、准确的管线现状资料来指导其规划管理与施工工作。由于传统管理方式效率较低，管线管理工作相对滞后，管线管理部门掌握的管线现状资料常有缺漏与偏差，因此在工程建设中，施工损坏管线导致停水、停电、停气、通讯中断等事故时有发生，而有些道路及管线工程则无法按原设计进行施工，不得不现场修改设计方案。地理信息系统的不断发展与完善，使得城市管线管理工作中产生的问题迎刃而解。随着我国城市信息化进程的加快，很多城市建立了相应的城市管线地理信息系统( 城市管线g i s ) ，使城市管线图形数据和属性数据的管理、更新、分析和应用等工作变得更加方便和安全。城市管线g 1 s 系统由五大要素构成：数据、硬软件和网络、规范标准、技术队伍以及组织管理。在这几个主要因素中，数据是一个极为重要的因素。城市管线g i s 中主要是对城市管线普查、探测数据进行处理、编辑、入库，数据质量的优劣，直接决定着系统分析质量以及整个应用的成败。随着g i s 应用技术的不断推广和深入，用户对城市管线数据的准确性要求越来越高，而且希望能够对城市管线数据及时做出高水平的分析。由于城市管线数据越来越多，在空间数据的收集、获取、存储的过程中，出现数据差错是不可避免的，因此建立城市管线g i s数据计算机监理校验系统成为研究的主要课题，通过对城市管线数据的校验来保证城市管线g i s 应用中数据的质量和精度。在城市管线布设中存在着大量的管线行业规范，这些规范都具有明显的专家知识转化和积累特点，此外还带有很强的管线布设规则，这些规则指导着城市管线的合理布设。如果在城市管线g i s 数据校验系统建设中合理的运用这些知识，并建立起相应的规则驱动组件对城市管线数据进行校验，不但可以节省劳动，而且有利于保证质量、缩短工期、减少花费以及降低风险。本文通过对城市管线g i s 中知识的提取、表达，建立了城市管线g i s的知识库，实现知识的重用。并且构建了一系列规则组件来驱动知识，形成了规则组件库。通过城市管线g i s 中的知识库与规则库支撑起各种城市专业管线以及综合管线g i s 数据入库计算机校验软件的快速构建。1 2 选题背景城市管线地理信息系统是g i s 在市政管理方面的应用。目前，g i s 界将管线信息系统叫做自动制图和设施管理系统( a u t o m a t e d m a p p i n g ，f a c i l i t y m a n a g e m e n t ，简称a m f m ) 。国外在a 吖刚方面研究与应用起步较早。如洛杉矶的一项污水管道检修项目通过闭路电视探测主干排污管道，然后利用a r c i n f o 软件和管道数据库来确定哪些管道最有可能损坏，在此基础上制定了三年的管道检修计划。新加坡利用g i s 技术建立了地下管网管理系统，以提供电力设施部门所需的电线追踪和其它分析功能。美国、加拿大等发达国家的石油公司也都建立了石油管道信息系统。第一章绪论近年来，随着我国城市信息化进程的加快，很多城市建立了相应的城市管线地理信息系统，在建设的过程中把探查、测量和地理信息系统有机地结合起来，实现了对数据的信息化管理，完善了城市管线篪工中的规划、设计、施工及竣工的动态管理技术手段与管理制度，将信息管理方面逐步推向实用化阶段，并为城市规划建设，管线运营维护，保障城市的正常生产、生活发挥着重要作用。但是任何一个城市管线g i s 系统的建设，不管是专业管线g i s 还是综合管线g i s 的建设都是一个很复杂的过程，它涉及g i s 技术、软件开发、数据库技术、管线网行业的模型设计等，其开发难度大、周期长。针对城市管线各行业存在的诸多问题，南京市科技局立项成立了“城市管、线、网应用地理信息系统共享平台软件”的研究，以期能探索出一条适合城市管线地理信息系统综合应用的道路，并借此推动城市管线地理信息系统的发展与信息共享促进城市管线的建设和管理水平提高。本论文根据各种城市管线工程建设规范提取了城市管线g i s 中存在的知识，通过城市管线g i s 知识管理系统把这些静态的、序列化存储的行业知识以二维表的形式存储到关系数据库中，同时建立规则组件来驱动知识，这些知识与规则贯穿“城市管、线、网应用地理信息系统共享平台软件”实施的全过程。本论文提出的知识和规则。是该项目软件建立的核心之一。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室( 以下简称实验室) 在浙江丽水综合管线管理信息系统建设的过程中，采用了“外业勘测一内业成图数据校验一建立管理信息系统”完整的一体化建库模式，并将城市管线中的知识与规则运用于浙江丽水综合管线数据入库的计算机监理校验中，对城市综合管线数据入库进行监理校验，从而保证数据的质量和精度。实验室在项目的实施过程中发现测绘数字成果中存在诸多问题，如数据结构混乱、地物编码不统一、对地物的分类不统一、几何信息不完整、属性数据不规范、属性数据不完整等。传统上对测绘模拟成果一般用人工抽查方法，那是一种建立在人的经验和责任心基础上的工作；而对数字成果的检查不能用抽查方法，其工作量是可想而知的，从检查的内容而言，检查者也很难从数据资料中发现问题。所以，用软件和交互方法产生的数字化测绘成果必须先采用专门的软件检查，然后再由人工检查。目前，测绘软件种类很多，但大部分没有检查成果的功能。根据城市管线数据本身特点，许多关于数据的校验、分析等涉及地理实体之间、地理实体的各属性之间的横向关系，需在知识层面上加以解决。鉴于此，实验室在对大量的外业数据分析之后，并通过对城市工程管线建设中各种法规、标准的研究，使用“城市管、线、网应用地理信息系统共享平台软件”中提取的通用知识与规则再加上浙江丽水特有的一些知识与规则，建立了城市管线数据校验软件。通过城市管线数据校验软件可以对提交的数据进行转换，然后经过各项检查试入库，合格后再进入城市管线g i s 。i 3 国内外研究现状与进展1 - 3 i 国外研究现状与进展国外对基于知识与规则的城市管线g i s 的研究起步比较早，并积累了丰富的经验，比较有代表性的公司有美国的e s r i 、i n t e r g r a p h 和g es m a l lw o r l d 等。e s r i 公司在推出的g e o d a m b a s e 数据模型中，利用了知识与规则，提出了空间事物的规则，对对象的操作加以规则的限制。它采用面向对象技术将现实空间世界抽象为由若干个对象类组成的数据模型，每一个对象类均有其属性、行为和规则，对象类之间又有一定的联系。用户可以在已有的空间数据模型基础之上，建立符合应用需求的扩展模型。g e o d a t a b a s e 中设计了特征、特征类、关系类、网络、特征行为、特征类行为、有效规则等大量的新的对象，这些都是g i r l 知识与规则的体现。g e o d a t a b a s e 数据模型的目的就是为了2第一章绪论让用户能更容易、更自然地表示g i s 数据特征和更容易地建立特征之间的各种关系。更重要的是，g e o d a t a b a s e 允许用户通过标准的建模工具如( u m l ) ，根据实际应用的需要，建立起复杂的空间对象，允许用户把这些对象放到知识库中，然后可以从知识库中的空间对象的模板建立起各种具有复杂属性、空间操作的空间对象。g e o d a m b e 在不需要编写代码的情况下，把“知识与规则”初步运用到g i s 应用中，将行为、关系、规则引入地理要素，不仅可以充分表达空间数据之间的关系，同时也使应用中的空间数据的录入和编辑更加准确。但是对于数据模型中要素的一些特别专业化的行为操作仍需用代码编写。e s r i 公司将g e o d a m b a s e 数据模型应用到a m l n f o 中，提供了一组编辑工具，可以通过选择若干规则的组合，构成对空间数据必须满足的拓扑关系的灵活指定；同时还可以进行拓扑关系校验，帮助用户及时发现可能存在的拓扑关系错误。如g e o d a t a b a s e 定义了二十几条规则，对诸如点点重合、点线连接、线线相交、面面包含等进行限制，其从塞星墼堡拦型占室剑盈垂圭鲤笪塑望塑型：旦王望型垫堡兰竺竺梦为，在应用中有很大的局限性。本文在一定分类体系基础上用编码来标识各种地理空间概念，屏蔽底层g i s 数据模型的影响，提供了具体的知识定制界面，用户通过定制具体行业的知识，利用驱动知识的规则组件控制地理实体的行为，这比g e o d a t a b a s e 具有更灵活的知识表达和规则驱动机制，更具有智能性。在e s r j 公司和m i n e ra n dm i n e r 公司合作推出的a r c f m ，i n t e r g r a p h 公司的a c t i v ef r a m m e ，g es m a l l w o r l d 公司的g es m a l l w o r l d 等适合管线行业使用的a m f m g i s 软件平台中通常都包含一定的规则库。这些规则库提取了管线应用领域中设备设施的共性t使a m f m g i s 系统的构建更简捷、快速。规则库主要包括强制的拓扑联结：需要关联要素在拓扑上真正地连接，而不是仅仅在图形上假似连接：引用一致性：包括g i s 数据和相关关系型数据及关系数据之间；属性合法性：包括属性本身和属性间的组合。a r c f m 还包括规则库引擎( r b e ) 一种容易而又深入定制系统的数据结构。该数据库设计支持所有的应用而不专指某一数据库，这样公用事业机构可自由地定制数据库系统，恰如其分地满足实际业务需求。规则库引擎( r b e ) 是定义和管理业务需求的工具，以与技术手段无关的表格形式提供给a m f m g i s 应用。规则库引擎( r b e ) 存储了三种对象类型的定义：数据对象：实体、属性以及定义数据模型的关系。控制对象：确定拓扑要求、地图图素放置和质量保证要求的规则。界面对象：确定菜单、符号、注记、输出格式及用户界面选项的规则”。但是规则库自身也存在问题，主要表现在：规则库的创建更偏向于设备设施关系的构造，偏向于数据模型的表达，对设备设施领域中功能性需要涉及甚少，而这恰是本文提出城市管线g i s 中知识与规则中的研究重点。其次，国外g i s 厂商构造规则库的原型是按照国外的设备设施特征来的，与我国众多管线行业设备设施的特征和连接规则都不尽相同，因此国外提出的城市管线g i s 的知识与规则库不能直接适用于我国的实际需要，必须寻求符合我国城市管线行业的知识与规则。1 3 2 国内研究现状与进展与国外相比，国内对基于“知识与规则”的g i s 应用的研究较晚，还没有形成整体力量。近年来，有的学者试图对地理学中的“知识与规则”进行分类、表达，同时也有不少地学工作者试图把知识与规则引入地学领域，在g i s 支持下，利用知识库和规则库对某个领域进行研究睁1 0 l 。但总体而言，基于“知识与规则”的g i s 应用研究并不多。国内一些g i s 应用开发商为了适应需要，提出了一些基于行业知识与规则的g i s 应用，从而充分利用了行业内的知识与规则，使g i s 应用模型的构建更快速，系统可扩展性更好。从1 9 9 9 年开始，南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室在基于知识与规则的城第一章绪论市管线g i s 上也做了较深入的研究1 1 1 - 1 4 。马国春等研究了城市配电网g i s 应用数据模型，提炼和利用了该行业的部分知识与规则1 1 5 i ；龚敏霞等研究了a m f m g i s 领域模型，提出了管线行业的规则库建设理念i l ”；文斌等研究了基于知识与规则的路灯管理g i s 应用模型，提取了路灯行业的部分知识与规则i l7 1 。另外，对于城市管线数据，国内些部门意识到其在城市管线g i s 建设中的重要地位，部分g i s 应用开发商也进行了城市管线数据校验方面的开发工作，如沈阳金建公司在地下管网综合地理信息系统开发中通过数据建模机制。定义数据规则，保证了数据录入的合法性检验，及管线、管点关系的合理性；广州城市信息所研究有限公司在城市综合地下管线信息系统( u p i s ) 实现了具有一定智能水平的地下管线计算机监理查错与入库、地下管线断面生成与分析、管线辅助设计、管线工程规划综合等复杂功能。但是国内在对城市管线g i s 的研究与应用中，对城市管线g i s 中的知识表达与规则驱动并没有一个系统的框架，本文正是在此基础上，通过对大量城市管线数据、城市管线工程建设规范等的深入研究，通过对城市管线各种设备、设施、管线之间的空间关系进行分类、表达与存储，提取城市管线行业的共性知识和个性知识，构建了一系列驱动知识的规则组件，并建立城市管线g i s 知识库、规则库。在城市管线数据校验软件的开发中，对知识库与规则库中的知识与规则组件进行了验证，实现了数据校验软件的快速构建。1 4 研究方法和技术路线本论文通过对大量城市管线数据的研究，特别是对城市管线的布设规范的研究，得到了城市管线g i s 中的知识，通过城市管线g i s 知识管理系统把这些静态的、序列化存储的行业知识以二维表的形式存储到关系数据库中，同时建立规则组件来驱动知识，这些知识与规则是实现城市管线g i s 数据校验的基础和核心。在城市专业管线g i s 或者城市综合管线g i s 数据校验过程中利用知识管理系统中的知识以及规则组件管理系统中的规则组件，对城市管线数据进行约束，从而保证入库数据的质量和精度。本文的研究技术路线如图卜l 所示。阕读相关文献、赍料，收集城市譬线布设中的各种规范-上f 研究已有的g i s 系统中的知识与规则，提出城市警线g i s 中知识与规则的重要性_上管线g i s 中的知识，并构建相应的攫剥驱动组件i上实施过程中完善城市管线g i s 的知识表达与规则驱动_上g i s 数据监理技验软件的应用验证图卜i 技术路线框图4第一章绪论1 5 研究内容和论文组织论文共分六章：第一章绪论主要介绍选题背景和基于知识与规则的g i s 系统在国内外研究现状及进展，介绍了论文的内容、组织、研究技术路线和研究方法。第二章对城市管线数据的组成、特点及其布设规范进行了研究，介绍了知识与规则的概念，提出了城市管线g i s 中的知识与规则，着重指出了这些知识表达与规则驱动在城市管线g i s 中的重要地位。第三章研究了城市管线g i s 的知识表达，从城市管线g i s 中的知识表示方法、城市管线g i s 中的设备的分类与编码、城市管线g i s 中空间关系的分类、存储以及城市管线g i s的知识管理系统的实现等方面把知识表示出来并存储到计算机中。第四章研究了知识驱动下城市管线g i s 中的规则组件环境，并建立了城市管线g i s 规则组件管理系统来存储这些规则组件。第五章介绍了知识与规则在城市管线g i s 数据校验中的应用浙江省丽水市综合管线g i s 数据入库计算机监理校验。在应用中对城市管线g i s 的知识和规则进行了验证。第六章对全文的研究工作、研究成果进行了总结和归纳。并对今后的研究工作进行了展望。第二章城市管线g i s 的知识与规则第二章城市管线g i s 的知识与规则2 1 城市管线数据2 1 1 城市管线数据的组成与特点管线是城市的一类重要的基础设施，它就像人体内的“血管”和“神经”，是城市物质流、能量流、信息流输送的重要脉络，是城市赖以生存和发展的物质基础。如果无法获得管线的准确位置，则会给管线的管理、维护以及远期工程的建设增加困难，也会因旖工过程中不明确各种管线的关系，人为地破坏其它管线，而影响城市正常生产、居民正常生活，埋下不安全的隐患。因此，通过城市管线普查，达到查清管线现状，建立城市完整的、准确的、科学的管线信息系统并实现动态管理从而为城市科学的规划和管理提供准确和及时的基础数据。在管线普查的过程中对每条管线要查明其平面位置、起始埋深、起始标高、终止埋深、终止标高、材质、管径、建设年代、权属单位等诸多信息。城市管线数据库包括城市管线的管点和管线，此外还应包括道路、建筑物、注记等辅助要素层。由于管线的规划审批、施工管理都是以道路为依据的，除现状道路外还要有规划道路，尤其是规划道路红线，它是管线工程规划审批的依据i l “。图2 - l 为城市管线数据库组成。圈2 - 1 城市管线数据组成城市管线分为管道和电缆两大类。管道主要包括给水、排水、燃气、热力及工业管道。给水根据不同的用水对象而有不同的给水系统如工业给水、生活给水和消防给水，此外还按照用水水质要求不同或用户的用水水压不同而建立有分质给水系统和分压给水系统捧水管道根据排水性质可分为工业污水、生活污水和雨水。燃气管道分为煤气、液化气和天然气，其中煤气按压力大小分为低压、中压和高压：从输配系统和布设来说则分为管径规则不同的主干管和庭院管。热力和工业管道主要以其传输材料性质分，例如热力管线根据6第二章城市管线g i s 的知识与规则传输物质的不同可分为热水管线和蒸汽管线；工业管道主要包括工业用气管道、排渣管道和石油管道。电缆包括电力电缆和电信电缆。电力管线可分为供电电缆和路灯电缆：电信管线按其功能可分为市内电话、长途电话、电报、电视及其它专用电缆等。各类管线上设有不同的建筑物及其附属设旋见表2 - i 。表2 _ l 城市警线各行业建( 椅) 筑物及其附属设施类别建( 构) 筑物附属设施阀门、水表、消火栓、给水水源井、给水泵站、给水水塔、清水池、净化池捧气阔、捧泥阀、预留接口、各种窨井排水泵站、沉淀池、化粪池、净化构筑物、暗沟地面出口检查井、水封井、冲洗排水井、沉泥井、排污装置燃气、热力浓缩气、排气装置、凝成工业管线抽水井、调压房、煤气站、锅炉房、动力站、储气站、冷却塔水缸、各种窖井杆上变压器、露天地面电力变电所、配电室、电缆、检修井、各种塔杆变压器交接箱、分线箱、各种电信变换站、控制室、电缆检修井、各种塔杆、增音站、差转台窨井城市管线行业的设备设施之间通过管线连接发生物理或逻辑上的联系，不同的设备元器件组成一个有机的整体。这个整体系统有四个最突出的特点“l j ：一、行业的设备设施都可以被抽象为点、线和面三种空间几何类型，众多的管线通过设备点连接交织在一起形成了错综复杂的城市管线网系统；二、系统中设备设旖都有较为明显的空间概念，其有精确的坐标值以及埋深或标高等属性，这为市政管线行业的施工建设提供了依据，防止施工中爆管、断电、停水、停气以及通讯中断等重大事故的发生：三、行业内部的设备设施通过管线连接使整个系统处于联动的运行状态，系统设备设施内物质流和能量流的运动都带有方向性，任何一个设备设施的运行参数变化都可能导致整个系统运行状态的改变，如给水管网里阀门的开关：四、行业内部与行业之间的设备设施具有一定的空间关系，如很多小区的路灯( 路灯行业) 安装在电杆( 电力行业) 上，这两种设备在空间上就是点点重合的关系，多种管线平行铺设时存在着管线之间的水平净距。每两种管线之间存在着线线水平相离的关系。2 1 2 城市管线的布设规范城市工程管线的敷设方式分为地下敷设和地上架空敷设，地下敷设又分为直埋敷设和综合管沟敷设两种。在地下、地上建筑( 构) 物周围和道路间的有限空间各工程管线敷设时必然存在位置上的矛盾，加上各种管线所传输的物质、能量、信息的不同。在工程管线布设的过程中必颁遵循一定的建设规范，如城市工程管线综合规划规范g b5 0 2 8 9 - 9 8 、室外排水设计规范g b j1 4 8 7 、室外给水设计规范g b j1 3 8 6 、电力工程电缆设计规范g b 5 0 2 1 7 - - 9 4 、城市道路照踞设计标准c j j 4 5 - 9 i 等1 2 2 - 2 b l 。城市工程管线总体上布设方式相似，基本上遵循先主干线，再分支线，最后管线与城市千家万户相联，主干线和支线一般布设成网状或树状。它们具体的布设要求又因管线而异。一般认为，城市工程管线间的相互位置及其与建筑物的相互位置应满足下列要求；7第二章城市管线g 1 s 的知识与规则a 、保证在敷设和检修管道时互不影响；b 、管i 鸢损坏对，不致影响附近建筑物及基础：c 、管道一般沿道路中心线敷设。在城市工程管线综合规划规范g b5 0 2 8 9 - 9 8 中，通过规定城市工程管线在地下敷设时的排列顺序、位置、最小覆土深度和地下管线之间的最小水平净距、最小垂真净距，城市工程管线架空敷设时的位置、架空管线与建筑( 构) 物等的最小水平净距以及架空管线交叉时的最小垂直净距等参数来满足不同管线在城市空间中位置上的要求，以及规定了各工程管线在平面和垂直方向发生矛盾时的处理原则从而保证城市工程管线顺利施工及正常运转。根据城市工程管线建设规范，工程管线在道路下面的规划位置，应布置在人行道或非机动车道下面，其规划位置宜相对固定。从道路红线向道路中心线方向平行布置，布置次序宜为：电力电缆、电信电缆、燃气配气、给水配水、热力干线、燃气输气、给水输水、雨水排水、污水排水；工程管线在庭院内建筑线向外方向平行布置的次序，应根据工程管线的性质和埋设深度确定，其布置次序宜为：电力、电信、污水排水、燃气、给水、热力。当工程管线交叉敷设时，自地表面向下的排列顺序宜为：电力管线、热力管线、燃气管线、给水管线、雨水排水管线、污水排水管线。城市管线的地下敷设中要受到外界气候、土壤等条件的约束，严寒或寒冷地区给水、排水、燃气等工程管线应根据土壤冰冻深度确定管线覆土深度；热力、电信、电力电缆等工程管线以及严寒或寒冷地区以外的地区的工程管线应根据土壤性质和地面承受荷载的大小确定管线的覆土深度。城市工程管线的最小覆土深度见表2 - 2 。表2 - 2 工程管线的最小覆土深度( m )序号l234567电力管线电信管线热力管线燃气给水雨水捧污水排管线名称直埋管沟直埋管沟直埋管淘管线管线水管线 水管线最小覆土人行道下0 50 4o 70 40 50 20 60 60 60 6深度( m )车行道下0 70 50 80 70 70 20 8o 70 70 7注：1 0 k v 以上直埋电力电缆管线的疆土深度不应小于l _ 0 m 当各种城市工程管线平行敷设时，城市工程管线之间及其与建筑( 构) 物之间的最小水平净距见表2 - 3 。8器铽癌、一嚣弗辞蛘瘟悼骚测暮捌鲁冀_ 一崔重w嚣冒嚣立匪2逛v矧铽*媲*憔鳎捌哥扭攀到删鼎蚤脚r野脚砌轴露r叠崧到_ i 衄型垤岬舡il蒌出ll子出垡垂藿萋d。簧童扭勺薹。嚣孽q羹嚣|日wwv w三塞薹薹l薯l薹!到蒌盎蒸到捌2_ i 删制缸v蠢赵w饕弩导捌墓噬耀世目星?! 。d6d蕉嚼是塞蠡捌vv缸昂豫88蔷a赣弭| 墓v ，*出出鳔婚翘鲁趟坦是鬈q窿星壬恒璀诤鲁璺抽*贮釉缸鬟*船昱v皤如*、f，衅g厘n嚣霉v蒜戳胛诔厘n搿靴碑二悟鳟，n啭吾檠玎馨景gio2荨挪悟鬈褂播当工程管线交叉敷设时，各工程管线之间的最小垂直净距见表2 4 。表2 _ 4 工程管线交叉时的最小垂直净距( m )c 面瞥缱名称i234j6序号沁给水管线污、雨水排水管线热力管线燃气管线电信管线电力管线上面蕾缱名标、弋直埋管块直埋管沟l给水管线0 1 52污、雨水排水管线o 4o1 53热力管线o 1 50 i 50 1 54燃气管线o 1 5o 1 50 1 50 1 5直埋0 5o 50 1 50 jo2 5o 2 55电信管线管块o 1 50 1 50 1 50 1 50 2 50 2 5直埋0 1 5o ，50 5o 5o 5o 5o 50 56电力管线管沟0 150 5o 5o 1 50 50 5o ，5o 57沟渠( 基础底)o 50 50 50 5o 5o 50 5o 58涵洞( 基础底)0 1 50 1 50 1 5o 1 5o ，2o 。2 5o 5o 。59电车( 轨底)1 o o1 o o1 o olo ol0 01 o o1 o o1 o ol o铁路( 轨底)1 o o121 21 210 01 o o1o o1 0 0架空管线和建构物之间的最小水平净距、最小垂直净距要求见表2 - 5 、2 - 6 。表2 - 5 架空管线之间及其与建筑物之间的最小水平净距( m )名称建筑物( 凸出部分)道路( 路缘石)铁路( 轨道中心)热力管线l o k v 边导线2 0o 5杆高加302 o电力3 5 l c v 边导线3 00 5杆高加3 04 0l l o k v 边导线4 00 5杆高加3 04 0电信杆线2 o0 54 3 杆高】5热力管线101 53 o衰2 - 6 架空管线之f 司及其与建筑物之间的最小垂直净距( m )电信线名称建筑物( 顶端)道路( 地面)铁路( 轨项)热力管线电力线有电力线无防防雷装置雷装置电l o k v 边导线2 00 5杆高加30202 04 、0力3 5 1 1 0 k v 曲导线3 on 5杆高加304 o3 05 0电信杆线2 00 54 3 杆高1 50 60 6热力管线1 01 53 olol01 0第二章城市管线g i s 的知识与规则通过对现行室外排水设计规范g b j1 4 8 7 的研究，得到室外排水管道与其他管线( 构筑物) 的最小净距见表2 - 7 。表2 - 7 捧水管道与其他管线( g g 筑物) 的最小净距( 1 1 1 )名称水平净距( m )垂直净距( m )名称水平净距( m )睦直净距( m )建筑物见注地上柱杆1 5给水管见注0 1 5道路侧石边缘1 5排水管150 1 5铁路见注轨底1 2低压1 0电车路轨2 01 0煤气中压i 5架空管线2 o高压2 00 1 5基础油管特高压5 o1 50 2 5热力管沟l50 1 5压缩空气管1 50 1 5电力电缆100 5氧气管1 50 2 5通讯电缆1 o直接埋o5乙炔管1 50 2 5乔末见注穿管0 1 5涵洞基础底0 1 5注：( 1 ) 表列数字除注明者外，水平净距均指外壁净距垂直净距系指下面管道的外顶与上面管道基础底问净距。( 2 ) 采取充分措旌( 如结构措施) 后，表列数字可以减少。( 3 ) 与建筑物水平净距：管道埋深浅于建筑物基础时，一般不小于25 m ( 压力管不小于50 m ) ；管道埋深深于建筑物基础时，按计算确定，但不小于3 0 m 。( 4 ) 与给水管水平净距：给水管管径小于等于2 0 0 r a m 时，不小于1 5 m ；给水管管径大于2 0 0 r a m 时，不小于3 0 m 。与生活给水管道交叉时，污水管道合流管道在生活给水管道下面的垂直净距不应小于o 4 m 。当不能避免在生活给水管道上面穿越时，必须予以加固，加固长度不应小于生活给水管道的外径加4 米( 5 ) 与乔术中心距离不小于1 5 米；如遇现状高大乔木时，则不小于2 0 米。( 6 ) 穿越铁距时应尽量垂直通过沿单行铁路敷设时应距路堤坡脚或路堑坡顶不小于5 米。2 2 城市管线g i s 的知识与规则2 2 1 知识与规则概述数据、信息和知识是当今社会中广泛使用的术语，在不同的领域，站在不同的角度，人们对这些术语的内涵和外延都有着不同的认识。数据( d a t a ) 指客观事物或事件的属性、数量、位置及其相互关系等的符号描述或者记录。对于计算机而言，数据也是指可以输入到计算机并能为计算机进行处理的一切对象( 数字、文字、符号和声音等) 。地理数据地理实体的位置、属性类型与级别的符号化表达是地理数据，它是g i s操作与处理的对象。包含地理空间定位数据与属性描述数据。空间定位数据表现为在经纬度地理坐标、空间直角坐标、平面直角坐标或极坐标中，点、线、面等实体类型离散化的空间坐标( x ，y ) 或坐标序列或用地名、邮政编码等基于地理标识符来间接实现地理实体的定位。属性描述数据简称为属性数据，又称为非空间数据，是地理实体的定性或定量特征的抽象。例如水井的属性数据可抽象为井深、出水量等。同样可用土壤类型、土壤名称等定性描述，也可用土壤适宜性分级、p h 值( 等级或数量) 来表述一个土壤多边形实体的非空间特征；或者通过名字、宽度、车道数、交通流量和路面材料等定性、定量指标第二章城市管线g i s 的知识与规则来描述一条道路( 线状实体) 。根据定性描述可区分实体的类型通过定量数据可辨别同一实体不同的级别i z ”。信息( i n f o r m a t i o n ) 是客观事物在现实世界中的反应。从广义来说，信息是指数据在特定场合下的具体含义。从狭义来看，信息是指以有意义的形式加以排列和处理的、用来消除不确定性的数据。地理信息地理信息以地理数据为载体，是对地理空间数据与属性数据的语义解释。地理信息内含四个相互关联的特征：位置特征、空间关系、属性和时间特征。可表达为( x ，y ，z ，tf a l ，a 2 ，a 3 。 ) 其中，( x ，y ，z ) 表示地理实体的坐标，t 表示时间， a l ，a 2 ，a 3 ， 表示地理实体的属性集合，其含义是在三维空间基础上的动态的多专题属性。位置特征由空间定位数据来表达，并通过对空间坐标的运算得到大部分空间关系。例如实体上下、左右等顺序关系；距离、区域面积等度量关系以及相邻、连接、方向等拓扑关系等。因此g i s 中只要表示了空间位置，也就间接表示了空间关系。属性特征的一个重要方面是它规定了地理实体的本质特征与语义关系( 非空间关系) ，包括实体的类型关系、成分关系等。这种地理信息的语义内涵是地理信息中知识提取的基本依据”j 。知识( k n o w l e d g e ) 知识是人类在实践中所积累的认识和经验的总和。对于什么是知识人们还没有给出严格的定义，比较有代表性的几种定义方式有1 2 w ：f e i g e n b a u m ：知识是经过整理、解释、挑选和改造的信息。b e m s t e i n ：知识由特定领域的描述、关系和过程组成。h a y e s r o t h ：知识= 事实+ 信念+ 启发式。邸凯昌等认为知识是一个或多个信息关联在一起形成的有应用价值的信息结构，其着重强调了知识中信息的关联和知识的应用价值。这些定义从不同的角度反映了人们对知识本质的认识。知识是对数据包含的信息更抽象的描述，是对大量数据进行分析的过程( 该过程具有一定程度的智能性、自动性) ，包括数据准备、模式搜索、知识评价、以及反复的修改求精。数据、信息和知识构成了金字塔结构( 图2 - 2 ) 2 9 - 3 1 】。知识豳2 - 2 数据、信息和知识2 2 2 城市管线g i s 的知识与规则一直以来知识、规则的区别比较模糊，知识就是规则，规则又是知识。而本文将知识、规则的定义明确区分，与传统的定义有所不同。知识是指事实性知识，是一种规律性的东第二章城市管线g i s 的知识与规则西可以用平实的语言来表达：而规则是一种过程性的知识，用条件和条件下的结果可以很好的表达。知识是序列化的共性知识与隐性知识的集合，而规则是基于知识之上的行为模式的表达。知识主要是从静态的角度来表达人们对客观事物概括性的、高层次的理解，而规则是从动态角度而言，着重于行为的规范和约束的表示。城市营线g i s 中的知识是指可以序列化存储n - - 维数据表中的城市管线行业设备设施之间空间关系的信息。城市管线行业存在大量的具有空间意义的设备、线路和其它数据，同时也有许多的业务规则和规范，这些都是提取城市管线知识的基础。比如采用普通截光型路灯按平面对称式配置灯具的高杆灯时，其间距和高度之比以3 ：1 为宜，不应超过4 ：1 ，这是城市管线行业设备设施空间布局的一种知识。在电力电缆直埋敷设于非冻土地区时，电缆埋置深度应符合电缆外皮至地面深度，不得小于o 7 m ，当位于车行道或耕地下时，应适当加深，且不宜小于l m 。城市管线g i s 中通过对城市管线行业所有管线、设备的分类编码以及行业内空间关系的提取，为行业内的要素及要素之间的空间关系提供了完整、正确、规范的表达。由于管线行业运行控制的差异使得行业设备的空间关系类型多少不一，表现各异，因此必须将空间关系在各个行业的实例化信息序列化地存储在二维数据表中。由于该数据表记录了空间关系的三要素，即设备、空间关系类型以及权值范围( 最小值和最大值) ，所以称为“三值权位表”。对于设备、管线自身的的无法用“三值权位表”来表达的知识，可以采用其它方式进行存储，如对于城市工程管线地下敷设时的最小覆土深度规范可以建立最小覆土深度表来存储。城市管线g i s 中的规则是指在知识基础之上，应用知识、驱动知识的以约束行为的一系列组件。空间关系的类型、空间关系的实例化都是一些静态的、序列化存储的行业知识，而这些行业知识的驱动是依靠一系列的组件来实现的。每个组件都是基于c o m 标准( 一种与源代码无关的二进制标准) ，它具有独立的操作和明确的功能。组件集成保证了系统的安全性、可配置性、可扩展性以及规则驱动的共享。城市管线g i s 中规则组件环境如图4 一l所示。组件驱动知识表现为，当移动设备时，与之相连的线路一起移动；当连接设备