淺談智慧地下管線信息系統建設

鐘洪德，邱 劍

(福州市勘測院，福建福州350003)

一、引 言

提到智慧城市建設，可能首先想到的就是IBM提出的“智慧地球”概念。在IBM的構想中，“智慧地球”是指將感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、建筑、大壩、油氣管道等各種物體中，將物與物通過互聯網相聯，然后通過超級計算機和云計算將其整合，實現社會與物理世界的融合。

“智慧地球”的概念運用于現代城市就是“智慧城市”，而在廣義上講，“智慧城市”指城市信息化，即通過建設寬帶多媒體信息網絡、地理信息系統等基礎設施平臺，整合城市信息資源、建立電子政務、電子商務、勞動社會保險等信息化社區，逐步實現城市國民經濟和社會的信息化。

一般而言，“智慧城市”可劃分為4個層次，如圖1所示。

圖1

“智慧城市”建設，包括“智慧建筑”、“智慧政務”、“智慧醫療”、“智慧交通”和“智慧物流”等多方面的內容，這些都屬于“地上智慧”。而地下部分的“地下智慧”，其核心內容就是“智慧管線”。

而智慧地下管線信息系統代表著真正意義上的管線信息化，包括整合各方面地下管線信息，通過物聯網技術，建立地下管線信息管理分析系統，實現信息共享，實現對城市基礎設施的精準管理、動態監控和高效維護，并實施應急處置，確保管網安全。

二、建設智慧地下管線信息系統的必要性

作為城市生命線的地下管線，是城市賴以生存和發展的物質基礎之一。目前，全國各地時常發生因管線引發的重大事故，如煤氣泄漏引發爆炸、管道漏水造成的地面塌陷等，造成人員傷亡和財產損失，排水管道老化形成嚴重的城市內澇等問題。解決這些管線問題，需要城市管理者們對地下管線進行“智慧”管理。

在地下管線信息管理的建設進程上，經歷了20世紀八九十年代初的市政管線權屬單位和城建部門的手工管理、紙質資料存檔，90年代中期至21世紀初開展地下管線普查并采用機助制圖存儲管線空間位置信息、使用FOXPRO等數據庫存貯管線屬性信息，以及21世紀初出現使用GIS軟件管理系統一體化存儲管線空間信息和屬性信息。

在現階段，地下管線信息管理工作仍然存在以下突出問題:由于缺乏對地下管線有關負荷運行情況和自身健康情況信息的獲取手段，信息管理系統無法對管線的安全運行提供基礎信息，無法對城市地下管線災害事故提供預警和應急決策信息。

在“智慧城市”的建設進程上，地下管線管理是智慧城市的基礎，應先行夯實“地下智慧”。現階段地下管線信息管理存在管線負荷運行信息和自身健康信息缺失問題，說明了現有地下管線信息過于單一，需要對管線信息進行擴充、整合，在管線信息化建設上需要與“智慧城市”概念相匹配，實現管理水平的提升。

三、智慧地下管線信息系統的信息內容

在“智慧城市”模式下的地下管線信息化建設，需要整合給水、排水、燃氣、電力、通信、熱力等各種地下管線信息，整合內容包括:

1)管線基礎信息:包括管線空間信息(管線空間走向、特征點及附屬設施的平面坐標、管線埋深等)，管線屬性信息(包括管線規格、管線材質、流向等屬性信息)，管線專業部件及管線構建筑物信息(包括管線部件或構建筑物的名稱、尺寸、形狀、材料等)。

2)管線負荷運行信息:包括傳輸物質類型、壓力大小、管道資源的利用情況、自身壽命、運行時間等信息。

3)管線健康狀況信息:包括管線腐蝕或破損情況、泄漏情況、外界對其影響情況等，可通過在管線關鍵位置(監測點)上預先嵌入傳感器，通過物聯網技術，存貯在專門數據庫中。

四、智慧地下管線信息系統的系統建設

地下管線信息化建設工作是一個系統工程，涉及地下管線基礎數據庫建設、感應系統建設、傳輸網絡建設、管線信息管理分析平臺建設等內容，應本著“統籌規劃，分步建設;標準一致，互聯互通;共建共享，分工維護;集中管理，統一調度”的原則，建立以政府為主導，各部門、各行業加強協調、分工合作、資源共享的地下管線信息化建設和運行機制。

1.地下管線基礎數據庫建設

數據層是智慧城市建設中非常重要的一環，起著基礎、支撐的作用。在管線信息化的建設中，首要工作就是管線基礎信息的采集及建庫工作，數據內容包括管線空間位置信息、地下管線屬性信息、管線專業部件及管線構建筑物信息等。

在“共建共享，分工維護”的原則下，地下管線數據庫建設應由多方合力建設完成。一般的做法是由管線探測單位采用管線探測技術，對城區的地下管網進行拉網式的普查，重點采集管線空間位置信息、管線屬性信息;由專業管線權屬單位、管線建設單位、管線維護管理單位等提供已有的管線屬性信息、管線專業部件及管線構建筑物信息、管線負荷運行信息等。

這樣，經多方共建、多種管線資源整合建成的地下管線基礎數據庫，管線基礎信息豐富。同樣，在地下管線基礎數據庫建成后，各管線部門要共同參與做好數據動態更新工作，確保數據的現勢性。

在管線基礎數據庫建設中，需要基礎地理信息作為背景層進行支撐，基礎地理信息可包括城市大比例尺數字地形圖數據或影像數據、城市路網數據、城市熱點信息等。

2.感應系統建設

在管線感應系統建設中，主要工作是在管線關鍵部位(如閥門、三通、消火栓等)安裝智能傳感器。重點是獲取管線運行負荷信息及管線健康狀況信，主動或被動提供給傳輸層設備，并與相關智能設備相結合，實現對閥門等關鍵設施的控制。

智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有采集、處理、交換信息的能力，即除感知各種現象，還可以實現人機對話。可組成網絡，根據運行需要對關鍵設施進行參數的遠程調整，完成各種動作。例如，如果與智能電動閥門控制器結合，在安裝了電動閥門的管道上，則可利用物聯網微機技術和現場通信技術，直接改變閥門的位移，實現對閥門的遠距離控制。

現階段，智能傳感器的典型應用就是采用無線射頻識別技術(RFID)，這種技術具有無接觸和自動識別的優勢。目前，RFID已經從研究階段走向實用化，單項技術已趨于成熟。

此工作宜在管線新建或老舊管線的更新改造時進行，可直接使用預先嵌入傳感器的管道，或者在管線埋設的同時同步埋設智能傳感器。

3.傳輸網絡建設

包括有線網絡、無線網絡等通信手段的建設，主要將感知層獲得的數據由現場實時傳輸到更高層次的單元，主要包括光纖網絡、網絡交換設備、光電轉換設備、路由器、防火墻、服務器等。

4.管線信息管理分析平臺建設

建立管線信息管理分析平臺，實現公共服務職能，實現對管網設施的精準管理、動態監控、高效維護及工程應用。管線信息管理分析平臺應包括:地下管線多參數三維顯示、地下管線輔助規劃設計、地下管線事故分析及應急指揮系統等。

同時，平臺應提供各種通用數據接口，可以與城市其他領域的管理系統進行無縫銜接，如地質部門的城市地質信息可視化系統、交通管理部門的城市交通信息管理系統、物業管理部門的智能樓宇系統等。

五、智慧地下管線信息系統的應用分析

在智慧城市模式下的地下管線信息化，可實現管道三維可視化管理及設計、管線安全狀況實時監測、管線事故的應急指揮處理，以及數據庫的動態實時更新，最大限度地提高管道安全管理水平和生產作業效率，保證管道的平穩、安全運行，實現智慧管理和智慧應用。

1.管線三維可視化管理及設計

在“智慧城市”模式下，通過管線管理分析系統實現管線三維可視，城市管理部門、建設部門和管線權屬機構等可以直觀地查看地下管線的復雜分布、目標管線與周邊建筑物或周邊管線的相應空間關系、管線部件樣式，快速實現管線縱橫斷分析、碰撞分析等功能。管線信息共享所發揮的價值及意義將更加明顯，相關部門也可更加高效地履行各自的管理職能。

而規劃設計部門，則可方便地進行管線的三維仿真設計，即在管線三維可視環境下，設計人員可模擬現場環境，分析設計管位與周邊管線、地物的空間關系，根據國家有關管線工程的安全間距規定，不斷調整、優化設計管位，方案將更加合理、科學，節約地下空間。根據這樣形成的設計方案，在管線施工過程中，將規避更多的施工安全風險，更具有可操作性。

2.實時感知管線健康狀況

通過預埋于管線上的各類傳感器，可以讓管理人員在管理分析系統平臺中，通過系統實時獲取地下管線負荷運行情況，掌握管線健康狀況，對管線運行狀態作出判斷，做好預防性維護。如可以對燃氣管道等高危管道設置傳感器，實時監控有無漏氣、破損等情況，根據系統的提示，就可以清楚地知道哪條管道到了檢修的時間，哪條管道需要更換泄漏的閥門。

同樣，在管線日常巡檢中，巡視人員可以使用PDA設備，現場獲取地下管線感應器發送的管線信息，對管道進行必要的處置。也可根據管線信息管理分析系統下達的處置指令，根據傳感器的定位信息，準確定位，對相應設施進行應對處置。

3.管線事故的應急指揮處理

快速準確地對管線運行中的突發事故作緊急處理，城市應對重大突發事件的響應速度與處理能力可明顯提升。例如，一旦管線發生泄漏，平臺將啟動應急處置預案。在預警的同時，立即啟用事故分析功能，基于高密度的監測傳感器，可以快速確定事故點和事故點周圍需要緊急關閉的各種閥門，對相關閥門進行自動關閉，以便將事故損失降到最低。在事故分析和解決的過程中，將通知相關部門進行聯動救援、交通管制等。

4.管線數據動態更新

基于物聯網及傳感器技術，將管線信息，特別是負荷運行及管線健康狀況的變化信息，實時傳遞至系統平臺，在數據庫中進行實時動態更新。當管線有新增、改管或拆除時，管線變動情況均可在數據庫中得以及時修正。

六、結束語

如何提高管道運營管理和安全運行水平，已經成為管線行業面臨的重大挑戰。物聯網被稱作計算機、互聯網之后，世界信息技術產業的第三次浪潮，物聯網技術的廣泛應用必然對未來城市的規劃、建設、管理產生深刻的影響。

在地下管線的智慧管理中，需要整合地下管線信息，使用傳感器手段和物聯網技術，運用信息化手段加強地下管線管理，實現信息資源共享，將提高管道運營管理和安全運行水平，合理開發、利用城市地下空間資源，增強城市應急和防災減災能力，從而推動整體“智慧城市”的建設。

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