基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的地下電力管線病害探測研究

王磊

（北京京電電力工程設(shè)計有限公司, 北京 100070）

1 引言

2019年，國網(wǎng)公司提出了全面建設(shè)泛在物聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)目標(biāo)，在智慧北京的基礎(chǔ)規(guī)劃中，地理空間基礎(chǔ)設(shè)施和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施是緩解“大城市病”，實現(xiàn)城市綜合體智慧管理的基石。利用地理信息技術(shù)獲取地下電力管線病害數(shù)據(jù)，對空間信息的探測定位和基于傳感器的智能探測是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵，也是保障城市安全運(yùn)行，預(yù)防地下管線事故及道路事故科學(xué)有效的手段。

2 地下電力管線病害

地下電力管線病害泛指城市地面下的多種危險因素威脅地下電力管線內(nèi)部及周邊的各種不良體。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)側(cè)重電力需求供給側(cè)[1]，為提升供電可靠性，大城市供配電線路主要為地下電力管線。以北京為例，市中心城區(qū)已基本實現(xiàn)了地下電纜供電。基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的地下電力管線病害數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)可劃分為空間要素、屬性要素和外部環(huán)境要素。

1）空間要素。空間數(shù)據(jù)是工程性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用地理信息技術(shù)和地球物理方法探測地下電力管線病害體的平面位置、高程、埋深、管偏距等。

2）屬性要素。包括前期地下電力管線資料的調(diào)繪和實地的調(diào)查。而應(yīng)查明的地下電力管線屬性數(shù)據(jù)包含敷設(shè)類別、電壓等級、材質(zhì)、規(guī)格、電纜根數(shù)、建設(shè)年代、權(quán)屬單位、電力附屬物等。

3）外部環(huán)境要素。影響地下電力管線病害的外部環(huán)境數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)內(nèi)又包含有不同類別的不良體。土體的疏松、空洞、脫空等，常規(guī)密閉空間內(nèi)有毒有害氣體的積聚，相鄰管線易造成的高溫、高濕、富水等，這些危害數(shù)據(jù)的信息采集和運(yùn)行監(jiān)測是基礎(chǔ)感知層的重點。

3 病害的探測感知

不良體空間信息的獲取首先選擇常規(guī)的測量方法。對于地下電力管線基礎(chǔ)設(shè)施中的檢查井、設(shè)備、接頭、人孔、夾層等管線點的平面位置、高程、埋深宜采用 BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）直接施測或布設(shè)首級控制網(wǎng)。如果現(xiàn)場不具備 BDS 直接測量的空視環(huán)境，宜采用靜態(tài)或 RTK（實時動態(tài)差分）技術(shù)布設(shè)首級控制網(wǎng)，聯(lián)合全站儀、水準(zhǔn)儀對管線點在地面的投影位置進(jìn)行平面坐標(biāo)和高程的聯(lián)測。平面坐標(biāo)可采用 RTK 法、導(dǎo)線法或極坐標(biāo)法，數(shù)據(jù)采集至毫米，精確到厘米。高程測量可采用水準(zhǔn)法或三角高程聯(lián)測。所得數(shù)據(jù)除應(yīng)滿足城市測量的規(guī)定外，也應(yīng)在精度、誤差、報表、統(tǒng)計輸出的層面滿足泛在物聯(lián)網(wǎng)的接入標(biāo)準(zhǔn)。

隱蔽的地下電力管線點可采用地質(zhì)雷達(dá)法或電磁感應(yīng)法。根據(jù)傅立葉級數(shù)的變換，埋地電纜的阻抗在一定范圍內(nèi)具有恒定的特性[2]，所以電磁法探測成為最佳方案。發(fā)射機(jī)直接將電信號加載在特定目標(biāo)上連續(xù)的追蹤、探測、定位的方法稱為直連法；選用中等頻率（8kHz 或 33kHz）感應(yīng)深度小于 1.8m埋地電纜的方法叫作電磁法；對于具有明顯暴露點的地下電纜，通過施加等效厄流圈原理加載信號探測定位叫作夾鉗法。

地下電力管線的各屬性數(shù)據(jù)可調(diào)閱相關(guān)資料。如管線的規(guī)格、材質(zhì)、建設(shè)年代、權(quán)屬單位等可查閱市規(guī)委相關(guān)的竣工資料；電力管線的電壓等級、材質(zhì)、規(guī)格、電纜根數(shù)、電力附屬物等可調(diào)繪各屬地電力公司基礎(chǔ)設(shè)施的報規(guī)資料和 GIS 數(shù)據(jù)。

地下電力管線病害的外部環(huán)境影響因素可利用基于多傳感器的智能探測感知系統(tǒng)。經(jīng)過實地的調(diào)查，匹配與病害體相應(yīng)的智能傳感器，將具有多功能平臺模塊（如水位模塊、氣體模塊、地震波形模塊等）獲取的數(shù)據(jù)從 RTU 數(shù)據(jù)回傳通道傳送到BIM 物聯(lián)網(wǎng)平臺。再根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)的深度圖形算法和臨域擬合分析方法快速構(gòu)造基礎(chǔ)圖形，自動生成報表。針對有限空間內(nèi)有毒有害氣體的探測感知宜采用多合一的氣體傳感器。

4 風(fēng)險分析與預(yù)警

城市地下電力管線病害的風(fēng)險要素可以概括為系統(tǒng)自身的危險因素及外部環(huán)境風(fēng)險因素2個方面。系統(tǒng)自身因素對病害體的影響最大，權(quán)重相對較高；外部環(huán)境因素主要影響病害體未來的發(fā)展，權(quán)重相對較低。針對可造成各種疊加危害的因素，可采用疊加加權(quán)算法兼顧多種情景。綜合考量病害體自身屬性以及環(huán)境因素，土體病害對地下管線影響的嚴(yán)重程度可劃分為 A、B、C、D 4個級別，分別對應(yīng)嚴(yán)重影響、較大影響、一定影響、影響較小 4類風(fēng)險。富水影響因素依據(jù)病害程度，加權(quán)評估分為 1.2＜S＜1.6 為一般富水異常，S≥1.6 為嚴(yán)重富水異常。有毒有害氣體及燃爆危害因素，依據(jù) DB11/852.1—2012《地下有限空間作業(yè)安全技術(shù)規(guī)范》應(yīng)設(shè)定預(yù)警和報警2級檢測。常見危險因素的預(yù)警值與報警值總結(jié)如表1所示。

表1 常見危險因素的預(yù)警值與報警值

5 系統(tǒng)可靠性

物聯(lián)網(wǎng)的核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)。基于地下電力管線病害的全面感知，實現(xiàn)完全信息的決策、運(yùn)行、監(jiān)控、反饋，消除孤島，融合數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全要素互聯(lián)互通，通過云共享平臺打造城市綜合體的可靠物聯(lián)網(wǎng)新生態(tài)。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，應(yīng)堅持以下原則：

1）規(guī)范統(tǒng)一性原則。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)定位應(yīng)采用 BDS 和全站儀相結(jié)合的方法，精確測定電力管線及其附屬物周圍土體病害的范圍，采用統(tǒng)一的 CGCS2000空間坐標(biāo)系統(tǒng)，應(yīng)使探測所得數(shù)據(jù)的類型、編碼、圖示、符號等諸多屬性符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。

2）數(shù)據(jù)共享原則。國家電網(wǎng)各屬地公司獲取及存儲地下電力管線信息的方式不同。這要求系統(tǒng)在將各種數(shù)據(jù)資料收集后，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS 技術(shù)、云計算技術(shù)、通信技術(shù)，整合成城市地下電力管線病害的共享數(shù)據(jù)庫和共享平臺，實現(xiàn)與城市綜合體各要素的互聯(lián)互通和信息共享，打破信息利用的壁壘，促進(jìn)地下電力管線病害信息的高效利用。

3）三維可視化原則。在計算機(jī)軟硬件、大數(shù)據(jù)、VR等條件的支持下，三維可視化技術(shù)可以實現(xiàn)地下電力管線及其附屬物的直觀顯示。對空間和屬性數(shù)據(jù)的輸入、編輯、查詢、統(tǒng)計、 分析和輸出進(jìn)行精細(xì)化的系統(tǒng)管理，將很難用形象表達(dá)的地 下電力管線的病害數(shù)據(jù)有效集成，實現(xiàn)二維、三維數(shù)據(jù)的一體化，便于城市綜合體的運(yùn)行與決策。

6 結(jié)語

綜合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基本原則，本文中地下電力病害數(shù)據(jù)采用的是層次數(shù)據(jù)模型，將空間、屬性、外部環(huán)境 3種要素一體化分層存儲，便于數(shù)據(jù)的編輯與動態(tài)更新。在數(shù)據(jù)的風(fēng)險分析中，僅列舉了容易在電力有限空間集聚的幾種常見不良體，其他可能存在影響的物質(zhì)本文末過多探討。