城市生命線安全運行監測系統設計

萬力， 鄭駒

（合肥工業大學建筑設計院（集團）有限公司）

1 城市生命線安全運行監測系統建設背景

隨著經濟的發展，我國城市生命線建設和運行面臨著多方面的挑戰。首先，城市化進程帶來的快速人口增長使得城市的用水、用電、用地等資源供需矛盾日益突出，供應能力有限，而需求不斷增加，這給城市生命線的穩定性和可持續性帶來了巨大壓力。其次，基礎設施老化和缺乏更新也成為城市生命線建設的難題，許多城市的基礎設施設備因年久失修、技術滯后而出現頻繁故障，無法滿足日益增長的需求。此外，氣候變化帶來的極端天氣事件，如洪澇、干旱、風暴等，對城市生命線的影響也不容忽視。

目前全國多個城市均已開展城市生命線安全運行監測系統的建設工作，各地圍繞本地城市生命線特征，開展了具有地方特點的設計工作。本文將圍繞城市生命線監測系統設計為主題，以天長市城市生命線工程（一期）供水安全監測項目為例，介紹如何開展對監測數據進行分析、預警等設計工作，并達到風險管控的目的。

2 城市生命線安全監測系統總體架構

2.1 項目概況

本文以天長市城市生命線工程（一期）供水安全監測項目為例，對系統設計進行全面解析。項目設計依據安徽省委辦公廳、省政府辦公廳印發《關于推廣城市生命線安全工程“合肥模式”的意見》（皖辦發〔2021〕22 號）文件[2]要求統籌推進城市生命線安全工程建設的要求。按照統籌規劃、頂層設計、資源共享、集約建設的總體建設原則，“點、線、面”相結合方式進行成果應用擴展，打造城市生命線工程公共基礎設施安全運行綜合支撐平臺，創新管理模式，以全面提升城市生命線的安全運行水平。

本項目覆蓋天長市主城區，在充分利用現有城市生命線信息感知載體的前提下，采用了1 個監測中心、1 個監測感知網、3 個基礎支撐和N 項智慧應用的設計模式（見圖1）。

圖1 系統總體架構圖

2.2 總體架構

系統整體架構設計如上圖所示，系統按照 “感、傳、知、用”四個層級面向應用場景進行設計。

“感”主要指監測城市生命線各專線運行狀態以及致災因子和隱患特征等感知層數據采集。燃氣管網及設施的監測內容主要包括燃氣管道運行的壓力、流量，相鄰地下空間內的可燃氣體濃度，腐蝕速率等；供水管網及設施的監測內容主要包括供水管道運行的壓力、流量、水質以及漏失的特征聲波；排水管網及設施的監測內容主要包括管道運行的液位、流量、水質，雨量，地面水位等；熱力管網及設施的監測內容主要包括管道的流量、壓力、溫度和運行聲波等；橋梁及設施的監測內容包括振動、應力、撓度、位移、沉降等；路燈的監測內容主要包括電流、電壓等。

“傳”是指網絡傳輸，根據項目具體的需求，可以選擇NB-IoT、5G和專線等網絡通信方式。

“知”主要是對匯聚的監測數據進行整理、清洗、入庫，并提供大數據模型算法以及物聯網接入等基礎能力支撐。

“用”是指應用平臺和各類應用系統，包括綜合應用系統、燃氣安全專項應用系統、供水安全專項應用系統、排水安全專項應用系統、熱力安全專項應用系統、橋梁安全專項應用系統等。

以上架構涵蓋了城市生命線的排水管網、供水管網、燃氣管網、綜合管廊、供熱管網、鐵路橋梁、隧道、城區湖泊、超高層建筑等各類應用場景的安全監測，本次天長市城市生命線工程（一期）是以供水安全監測為主要內容，可以根據城市生命線監測管理需求擴展至其他應用場景監測。

3 城市生命線安全運行監測系統設計

3.1 供水監測點位分布設計

天長市供水監測感知網絡的監測范圍根據《城市生命線工程安全運行監測技術標準》制定[3]，結合供水管網建設年代、交通地位、人員密集場所、敏感區域、疊加耦合風險等因素綜合考慮，并與供水主管部門進行交流以及現場調研，選定天長市內建設年代久遠、交通繁忙、風險隱患較高的供水管道進行安全監測，實現對供水管道與環境響應進行實時監測。結合已獲取的管網數據及天長市供水安全管理現狀，天長市供水安全運行監測物聯網，選擇天長市城區72km供水管網及配套設施和50個消防栓作為核心監測范圍。具體范圍如圖2。

圖2 天長市城區供水監測點位分布

3.2 供水管網拓撲仿真設計

基于供水管網拓撲結構并根據關閥搜索算法，實現管網上任何一點與前后閥門進行關聯[4]，在發生爆管時，迅速給出關閥方案。結合關閥后的管網仿真模擬，分析爆管影響的管線和用戶范圍，為應急處置提供決策支撐。首先，分析管網平面圖、管網拓撲系統圖等管網數據的完整性、正確性，處理孤立管點、管線，處理水源與用戶數據，連接獨立管網系統，形成完整的地下管線系統。其次，對爆管點進行管道拓撲路徑遍歷，查找路徑上閥門形成拓撲封閉區域。最后，分析封閉區域內管網所服務的居民、商場用戶等用戶分布情況，計算爆管發生時所影響的管線和用戶范圍。

3.3 供水監測傳感器選型設計

單獨供水監測傳感器主要包括流量計、壓力計、漏失監測儀、智慧消火栓等監測設備。

1）流量壓力監測設備

結合天長市供水管網現狀及規劃情況，充分復用自來水公司已有的流量點位5 個，普通壓力點位34 個，后續流量壓力點位布設重點為5 個流量計監測點。

該設計布置的10處流量計，分別布設在DN150口徑1處，DN200口徑2處，DN300口徑3處，DN400口徑1 處，DN600 口徑1 處，DN800 口徑2 處。布置的10處壓力計，分別布設在DN150口徑1處，DN200口徑2處，DN300口徑3處，DN400口徑1處，DN600口徑1處，DN800口徑2處。布點方案詳見圖3。

圖3 天長市城區供水專項流量計及壓力計布設示意圖

2）漏失監測設備

城市供水管網總數龐雜，支管細管較多，管網爆管導致的次生衍生災害的危害和管徑的大小正相關。結合天長市供水管網現狀及規劃情況，從大管徑管網爆管導致后果的嚴重性出發，特對天長市DN150 及以上的主要供水管道進行漏失監測，后續根據重點監測目標狀況增加機動監測點。

設備主要布設到管道沿線的各類檢查井內。在全市布設漏失監測70個，具體布點方案詳見圖4。

圖4 天長市城區供水專項漏失監測儀布設示意圖

3）消火栓監測

根據天長市政消火栓管理現狀及規劃情況，在充分考慮風險評估結果，結合全市要害部門周邊消火栓點位分布情況，在全市布設50個消火栓監測點位，詳見圖5。

圖5 天長市城區供水專項智慧消火栓布設示意圖

3.4 信息傳輸網絡

現場設備由前端采集設備和終端處理設備兩部分構成，前端采集設備由前端各種傳感器信號采集設備組成，主要包括以下設備：外夾式超聲波流量計、高頻壓力計、漏失監測儀、消火栓監測儀。終端處理設備由后端信號接收、處理、轉發、存儲設備組成，主要包括以下設備：智能網關、傳感器接入模塊、二次配電箱等，其中智能網關設備安裝在主機柜內，傳感器的輸出信號類型將決定采集模塊的類型，各類傳感器的數量將決定采集模塊的數量。

4 城市生命線安全運行監測系統展望

城市生命線安全運行監測系統可以為城市生命線構建實時的安全屏障，但系統設計中采用的技術手段仍然只停留在物聯網、傳感器等信息化和工業自動化技術水平，所以在如何精準監測、態勢監測和雙向管理等技術能力方面略顯不足。隨著大數據、人工智能以及基于序列數據的大模型等最新技術手段的深度運用，將結合數據采集監測、分類處理并用于監測平臺自動態勢研判分析，實現城市生命線運行監測系統高度的自治目標。