城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)及可視化平臺(tái)

林 潔，葉子銘，杜 顏

（深圳市水務(wù)工程檢測有限公司，廣東 深圳 518100）

0 引言

全國現(xiàn)有的供水、排水、燃?xì)狻崃Α⒐I(yè)等多類別的復(fù)雜管網(wǎng)中管線長度已超172 萬公里，每年仍以10 萬公里的速度遞增。錯(cuò)綜復(fù)雜的城市管網(wǎng)系統(tǒng)存在的安全隱患不容忽視。城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)作為智慧管網(wǎng)建設(shè)的重要部分，能夠?qū)⒊鞘泄芫W(wǎng)檢測、狀態(tài)評估、清淤疏通、缺陷修復(fù)、施工改造等全流程信息有機(jī)整合，可以對城市管網(wǎng)的水質(zhì)、水文、風(fēng)險(xiǎn)因子等進(jìn)行在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，可以預(yù)警城市內(nèi)澇、監(jiān)測污水偷排，對城市管網(wǎng)的高效管理、正常運(yùn)營、日常維護(hù)、安全保障都起到非常積極的作用[1-3]。

許多學(xué)者針對城市管網(wǎng)的監(jiān)測和管理問題都提出了解決方案。例如，李劍[4]設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于ImaGIS 技術(shù)的城市三維管網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下管線的全過程周期化管理。葉遠(yuǎn)智等人[5]采用ArcGIS 平臺(tái)分以下兩種情況進(jìn)行管線建模，并將其應(yīng)用于舟山市管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，可視化效果較好。李仁剛[6]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了城市地下管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以初步實(shí)現(xiàn)終端狀態(tài)的可視化管理。舒強(qiáng)等人[7]采用微電極檢測技術(shù)，建立了數(shù)據(jù)信號傳輸及信號抗干擾方法，開發(fā)的城市供水管網(wǎng)水質(zhì)安全監(jiān)測系統(tǒng)有效解決了國外傳感器要求環(huán)境精度高的難題。劉子恒等人[8]研發(fā)了基于SuperMap 的管網(wǎng)三維建模技術(shù)，解決了管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ椭械募俟?jié)點(diǎn)、流向等問題。王子成等人[9]設(shè)計(jì)的城市地下管網(wǎng)水質(zhì)可視化預(yù)警系統(tǒng)提供了一個(gè)直觀交互式的信息可視化管理平臺(tái)及監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)。王國牛[10]提出了一種城市三維管網(wǎng)實(shí)時(shí)建模方法，可以實(shí)現(xiàn)地上地下一體化的三維效果。本文為了進(jìn)一步保障城市管網(wǎng)的安全運(yùn)行和全壽命周期智能化管理，基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和隱患事故預(yù)警等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)及可視化管理平臺(tái)。

1 城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)

傳統(tǒng)意義上的城市管網(wǎng)檢測一般指采用各種檢測技術(shù)在管道內(nèi)進(jìn)行管道缺陷、內(nèi)部淤積、水位等檢測。城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)不僅涵蓋傳統(tǒng)功能，還可實(shí)現(xiàn)對管網(wǎng)淤積、排水不暢、管網(wǎng)液位、上窨井井蓋狀態(tài)、管網(wǎng)流量、管網(wǎng)有害氣體、管網(wǎng)水質(zhì)、管內(nèi)環(huán)境、管道腐蝕速率等影響城市管網(wǎng)運(yùn)維的各種風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，為城市管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度、養(yǎng)護(hù)管理、快速響應(yīng)、缺陷修復(fù)提供有效的數(shù)據(jù)支持，以便于管理者掌握管內(nèi)實(shí)際狀況及緊急情況下正確地部署應(yīng)急措施，提高城市管網(wǎng)的運(yùn)行管理水平。

城市排水在線監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和GIS 技術(shù)，通過埋設(shè)智能傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)及相關(guān)視頻，與可視化平臺(tái)整合后形成“城市排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)一張圖”。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)由設(shè)備鏈、服務(wù)鏈、數(shù)據(jù)鏈等構(gòu)成，具體如下：

（1）設(shè)備鏈：集管網(wǎng)檢測、疏浚、修復(fù)等業(yè)務(wù)而開發(fā)設(shè)計(jì)的專業(yè)化先進(jìn)設(shè)備于一體。

（2）服務(wù)鏈：管網(wǎng)工程服務(wù)。對管網(wǎng)進(jìn)行專業(yè)化、高效化的檢測、疏浚及修復(fù)服務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)鏈：管網(wǎng)云平臺(tái)。集云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能于一體的管網(wǎng)生態(tài)。

城市管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、分析層和應(yīng)用層。具體組件情況如下：

（1）精準(zhǔn)排水模型建立組件

根據(jù)實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)的雨量信息、下墊面和排水管網(wǎng)屬性，對產(chǎn)匯流及排水進(jìn)行模擬，為城市管理部門提供應(yīng)急決策支持，將損失降到最小。

（2）信息化數(shù)據(jù)分析組件

針對城市管網(wǎng)碎片化排查成果，應(yīng)用GIS 技術(shù)手段，對管網(wǎng)排查和管網(wǎng)感知監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)空間管線分析，為管網(wǎng)狀態(tài)評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（3）管網(wǎng)狀態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評估組件

分類管網(wǎng)拓?fù)鋯栴}，評估管網(wǎng)健康度及排水能力，為城市管網(wǎng)改擴(kuò)建、維修維護(hù)和運(yùn)營、應(yīng)急防汛工作提供決策依據(jù)。城市管網(wǎng)相關(guān)各部門通過終端上位機(jī)等設(shè)備對分析層數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析和評估，并迅速做出響應(yīng)。

2 城市管網(wǎng)可視化平臺(tái)

城市管網(wǎng)可視化平臺(tái)可直觀展現(xiàn)管道地理位置信息、管道結(jié)構(gòu)信息、管道監(jiān)測信息等，如圖2所示。

圖2 可視化平臺(tái)——全局察看

（1）管道地理位置信息

在地理信息系統(tǒng)中能直接讀取管道全線位置，量測與周邊道路、房屋等的相對位置關(guān)系，顯示出管道上游來源和下游出處，如圖3所示。

圖3 管道位置信息在GIS 層級上的展示情況

（2）管道結(jié)構(gòu)信息

可視化平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示如圖4所示，其中包括管道長度、結(jié)構(gòu)尺寸、管道型式、結(jié)構(gòu)材質(zhì)、材質(zhì)等級（混凝土強(qiáng)度、鋼筋等級間距）、覆土厚度、底板高度、井口位置、井口尺寸、井口類型等信息。

圖4 可視化平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示

（3）管道監(jiān)測信息

可視化平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測信息顯示如圖5所示。采用三維漫游，能總體顯示隱患點(diǎn)、排口以及監(jiān)測傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊點(diǎn)位可進(jìn)入到管道內(nèi)部，通過彈框查看到具體的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，能將隱患點(diǎn)、排口信息以及傳感器歷次監(jiān)測信息進(jìn)行對比展示，明確隱患位置、隱患級別。

圖5 可視化平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測信息顯示

3 結(jié)語

本文為了更好地展示管網(wǎng)狀態(tài)，運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D 模型，在管網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成可視化展示平臺(tái)，明確管網(wǎng)系統(tǒng)與周邊地理信息的聯(lián)系，進(jìn)一步提高對管網(wǎng)的全局把控力與洞察力。通過在智慧排水防澇中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、GIS 等技術(shù)，為城市排水防澇提供全方位技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)城市排水?dāng)?shù)據(jù)管理、運(yùn)行服務(wù)、監(jiān)測預(yù)警、綜合監(jiān)管、應(yīng)急決策一體化的管理，構(gòu)建排水行業(yè)監(jiān)管的新模式，提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力和安全保障水平。