基于物聯網技術的地下管線智能管理系統設計構想
——以淄博市為例

李 玉，張赫然

(淄博市城建檔案和地下管線管理處，山東淄博255000)

一、引 言

近年屢屢爆出的地下管線安全事故，將地下管線的安全管理推向風口浪尖。由于地下管線管理的緊迫性，全國不少城市制定出臺了相應的規章制度，并著力進行地下管線的信息化工作;一些城市還設立了地下管線管理的專門機構。但鑒于城市地下管線長度、種類的激增，傳統的地下管線管理方式已難以滿足城市精細管理的要求。物聯網技術的發展，為地下管線的管理提供了新的契機。

本文以淄博市為例，在深入分析淄博市地下管線信息化管理現狀的基礎上，總結歸納了當前淄博市地下管線信息化管理中存在的問題，并結合物聯網技術，給出基于物聯網技術的地下管線智能管理系統的設計構想。

二、淄博市地下管線信息化工作現狀

根據最新公布的2006—2020年國家信息化發展戰略，信息化是充分利用信息技術，開發利用信息資源，促進信息交流和知識共享，提高經濟增長質量，推動經濟社會發展轉型的歷史進程。地下管線信息化是在大量獲取滿足需求的地下管線數據的基礎上，利用在數據采集、數據分析方面有突出優勢的最新信息技術，促進地下管線數據的挖掘和共享，推進地下管線管理的現代化進程。

當前我市地下管線信息管理的運轉模式為通過地下管線普查建立綜合地下管線數據庫，通過其后的竣工測量方式更新地下管線綜合數據庫，同步建立地下管線綜合管理信息系統，并對外提供地下管線信息查詢服務。

1.地下管線普查

淄博市共有4個區縣完成了地下管線普查工作，普查面積達225 km2，占淄博市規劃區面積的8%，普查管線總長度共計5380 km。2013年大部分區縣的地下管線普查工作也已列入政府工作的議事日程，預計2014年年底，全市各區縣的地下管線普查工作將全部結束。

2.地下管線普查數據的動態更新

市轄范圍的老城區和高新區地下管線數據更新工作運轉良好，采用管線排查，跟蹤測量等動態管理方式，將新建、改建的管線數據及時入庫。2007—2011年，累計調繪管線346 km。臨淄區、沂源縣早期普查工作結束后，未進行普查數據的動態更新工作，原有的綜合地下管線數據庫已不能真實地反映城市地下管線的現狀，難以對外提供利用。

3.系統建設工作

當前我市仍在沿用2005年研發的地下管線信息管理系統，原有系統僅能滿足數據顯示、數據查詢、數據統計、數據輸出等簡單功能。

三、淄博市地下管線信息化現存問題

1.地下管線數據存儲分散

除地下管線管理機構具有普查數據外，權屬單位也有地下管線數據，地下管線數據所有者按著各自需求和格式要求，進行數據的保存、管理、維護，致使全市地下管線數據難以共享和綜合利用，難以體現地下管線數據在城市建設等方面的社會服務能力。

2.地下管線數據缺失嚴重

當前淄博市已基本掌握張店區地下管線數據，但已掌握的地下管線數據只是城市市政道路方面的數據。市管范圍內次要道路和建筑小區外圍管線數據要么沒有，要么零星分散在管理者手中，現狀不詳。而其他幾個區縣沒有或是只有少量的地下管線普查數據，加上管線動態更新、城市建設步伐的不同步，僅有的地下管線普查數據也已失去時效性，次要道路和建筑小區管線數據更是嚴重缺乏。另外，在地下管線普查過程中，受探測技術的限制，非金屬類地下管線探測的準確性、數據的可用性也值得商榷。

3.地下管線數據挖掘不到位

地下管線作為城市系統的一部分，與城市地上部分、城市人口、經濟、社會等因素緊密聯系。地下管線配置的好壞，直接影響著城市規劃的進行和城市整體功能的提高。隨著地下管線種類的增多，各類地下管線形成的管網系統錯綜復雜，地下管線數據量暴增。如何在選定地理空間內，綜合各類地下管線的空間信息及屬性信息，構建地下管線規劃的可用性、運行高效性的知識庫及判定模型?如何從城市循環運行角度上，綜合地下管線數據、城市社會經濟要素，給出地下管線應急處理方案，現有信息系統鮮有涉及。

4.城市管線監管方式落后

除個別權屬單位建立實時監控系統外，當前大部分權屬單位仍沿用人力發現方式，進行管線的日常巡檢和維護。而在實際工作中，巡查工作難以建立有效監督機制，受經驗、人員變動、環境要素等主客觀因素的影響，巡查過程中常常出現路線重復，巡查點缺失，巡查力度不一等問題，且難以形成巡查過程的精細記錄。另外對于重大的危險源，傳統的人工方式難以監管，極易形成重大安全隱患。

5.城建檔案和地下管線統一信息平臺建設滯后

雖然少數區縣、權屬單位建有自己的地下管線管理系統，但各類管網信息系統的數據源與決策支持模型具有較大的局限性，大多存在管網空間基準、數據語義及數據尺度不一致等問題，難以擴展。對于政府而言，尚缺乏一個統一的信息平臺來進行城市地下管線的決策工作。

四、基于物聯網技術的地下管線智能管理系統設計構想

隨著計算機技術、網絡技術的不斷發展，應用信息化手段完全可以實現地下管線的實時監控，實現多個時段、不同地段的多類管線的數據管理、信息挖掘、數據表現，實現地下管線管理的精細管理，進而提升政府地下管線公共危機應對能力，提高城市整體競爭力。

1.物聯網技術

比爾·蓋茨在于1995年在《未來之路》一書中提及物互聯。1999年，在物品編碼，RFID技術的基礎上Auto-ID公司提出了物聯網的概念。2005年11月17日，國際電信聯盟發布《ITU互聯網報告2005:物聯網》，拓展了物聯網的定義和范圍。“物聯網”是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的網絡概念。

2.地下管線智能管理系統結構

地下管線智能管理系統區分于傳統地下管線管理系統的最大特點是:可實現地下管線檢測、數據存儲、分析、模擬、預測和調配等的自動化、智能化和實時化。

(1)地下管線職能管理系統的框架

如圖1所示，地下管線智能管理系統的構建依賴地理信息系統和物聯網技術，由地下管線管理模型、物聯網感應器、云平臺和地理信息系統4部分組成，將各種地下管線、地形、地質、人口、危險源要素和各個與地下管線信息利用有關的部門連接起來，實現地下管線數據的自動采集、自動分析計算、自動決策和自動調度，以達到地下空間可持續開發利用和環境保護的目的。

(2)地下管線管理模型

地下管線管理模型包括管線數據處理子系統、管線三維顯示子系統、管線運維監控管理子系統、管線規劃分析子系統、管線移動稽查子系統、管線應急指揮子系統。

管線數據處理子系統依賴地下管線傳感器實時獲取地下管線空間位置、屬性數據等參數，自動構建地下管線數據庫，自動形成地下管線分布圖，能夠滿足地下管線數據利用者數據查詢、數據統計、數據輸出的基本需求。

管線三維顯示子系統在地下管線數據庫、地形數據庫的基礎上，借助虛擬三維技術，實現同一空間內地面建筑與地下管線的自動化建模、三維展示、查詢統計、開挖分析、碰撞分析等功能，能夠為城市的規劃、建設與管理決策提供直觀的數據依據。

管線運維監測子系統，以傳感器獲取傳輸形成的基礎地理空間GIS數據和管線數據庫為數據層，通過設定管道實時檢測系統接口、管道泄漏和擴散模型接口、短信接口、SCADA數據接口、視頻監控接口、搶修車輛監控接口、IP電話接口、氣象數據接口、小區廣播接口等，提供數據資源調用接入及各項接口服務。一方面可為預警監控、應急管理提供數據支撐，另一方面為管道的工程建設、完整性管理提供服務。

圖1

管線規劃分析子系統能夠根據管線布設規則庫的相關規則進行管線規劃的分析功能。一方面能夠判斷、分析行業管線之間、建筑物之間的水平間距，行業管線覆土深度、行業管線垂直凈距的相關參數，輔助決策者進行方案審查，并能給出綜合地上部分和地下管線規劃方案的模擬仿真結果和評價指標;另一方面能夠綜合地質、地形及其他綜合要素，給出規劃區域內合理的地下管線設計方案，為城市規劃、審批全過程提供技術支持。

管線移動稽查子系統是集信息處理技術、移動通信技術、地理信息處理，RFID掃描等信息采集技術于一身的移動建設項目稽查系統，支持巡檢實時監控、巡檢歷史查詢、巡檢工作安排。巡檢人員利用接收系統內置的GPS和攝像頭，實時獲取現場坐標、現場圖像資料，并通過無線網絡，實時上報數據，管理中心可以對稽查員進行實時跟蹤。

管線應急指揮子系統既可集成外部資源，又可向外部系統提供服務，可實現事故管理、事故模擬、輔助決策、統計分析、災后評估、知識庫、應急預案等功能，能夠為決策層、城市應急防災部門和管線管理部門，提供安全隱患排查決策服務、應急處置決策服務、災后重建決策服務和城市應急集成決策服務等，為城市管理和安全提供輔助決策。

(3)物聯網

在地下管線智能管理系統中，物聯網主要用于兩個方面，即:智能實時監測系統和智能實時控制系統。相對于傳統的人工控制而言，物聯網技術能夠實現地下管線和地質等地下空間環境的實時自動監測、地下管線的實時自動控制。

智能實時監測系統由傳統的自動監測系統、各種類型的數據傳感器組成，實時收集管線運行中的工作狀態信息、管線的空間位置及自身屬性信息，并能通過有線網絡、無線網絡、無線射頻識別RFID等通信手段，將感知層獲得的數據由現場實時傳輸到更高層次的單元。城市在新建管線和進行老舊管線的更新改造時，應逐步推進預先嵌入傳感器管道的使用或者管線智能傳感器的同步埋設。

智能實時控制系統是由面向不同管線、不同權屬單位的各種傳感控制器和傳輸系統組成，它連接云平臺和地下管線權屬單位的地下管線調控子系統。管線權屬單位的管線調控子系統在接收到管線應急決策子系統發來的指令后，對管線相應節點的調配設施自動實現開、關、變大、變小等操作，有效降低了地下管線安全事故的發生。

(4)云平臺

在地下管線智能管理系統中，云平臺連接著地下管線管理模型的數據輸出接口和各種智能控制系統的物聯網終端，其功能是將各種不同的客戶終端與地下管線管理模型連接起來，實現各種客戶終端與地下管線管理模型之間數據和指令的實時共享。

五、構建地下管線智能管理系統需要解決的關鍵問題

1)地下管線智能管理系統的基礎是構建一個密集的、以物聯網為基礎的地下管線智能監測網絡，而目前市場上缺少適用于地下管線全方位監測的傳感器，為此要加大地下管線專用傳感器的研發和應用，積極探索現有傳感器的性能優化方式，以期實現地下管線的最好監測效能。同時當地政府應加大資金投資，優化網絡傳輸環境，為下一步實現傳感數據的自動傳輸提供硬件基礎。

2)地下管線管理模型是智能管理系統的核心功能，其中管線規劃分析子系統、管線應急決策子系統是地下管線應用的高級表現，這些子系統的構建都需要綜合地下管線、地形、地質、土質等多種要素，綜合多學科知識和行業經驗，構建準確的分析、決策知識庫，而當前全國暫無經驗可以借鑒，需要不斷實踐和積累，盡可能地還原事件運行規律。

3)地下管線智能管理系統涉及人口、經濟、城市建設等眾多社會領域，相應地也涉及環保、城建、發改委等眾多的部門。如何統一各部門的工作利益，如何實現各部門的信息共享，如何進行地下管線管理過程中的職責分工都需要進一步探討。

六、結束語

全國不少城市已開展物聯網技術在地下管線管理領域的應用探索，如太原正在積極推廣“地眼工程”的試點工程。物聯網技術的發展已成為實現地下管線精細化管理的助推劑，但必須清醒認識到物聯網技術的推進仍面臨關鍵技術、資金投入等諸多問題，應結合本地情況，從標準、技術、網絡環境和管理措施等多方面研究“地下管線智能管理系統”的可行性，依據“局部試點”、“分布實施”的原則，積極探索物聯網技術在地下管線管理過程中的優化模式，不斷推進地下管線信息化建設的進程。

［1］黃來源，李軍輝，李遠強，等.基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統［J］.智能處理與應用，2012，2(4):62-65.

［2］張之強，張勇.一種基于物聯網、云技術的水資源智能管理系統的構想［J］.內蒙古科技與經濟，2013(5):51-54.

［3］江貽芳.我國城市地下管線信息化建設工作進展［J］.測繪通報，2007(12):1-4.