基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市地下管線智能管理系統(tǒng)

摘要：城市地下管線就像一個人身體上的血管，是城市的“生命線”，擔負著城市中各種資源和信息的傳輸任務，城市的正常運轉(zhuǎn)需要周身的血管合理布局，統(tǒng)籌兼顧。我國的城市化進程開始較晚，地下管線規(guī)劃和管理缺位，形成了地下管線權屬單位分散，地下管線運行監(jiān)測體系不完善等很多問題，在城市建設中經(jīng)常出現(xiàn)挖損管線、管線老化泄露等情況，造成停水、停電、停氣、交通中斷、通訊中斷等事故，影響城市運行質(zhì)量和效率。城市管理者迫切需要通過一種手段，將城市中所有地下管網(wǎng)管理起來，通過智能管理體系，對地下管網(wǎng)的空間位置、管線自身壽命、管線負荷運行情況、外界對其影響情況等信息進行數(shù)據(jù)采集，存儲于專門數(shù)據(jù)庫中，運用專業(yè)分析軟件進行分析，得出及時合理的處理維護措施。文中給出了通過物聯(lián)網(wǎng)技術使地下管線智能管理體系得以實現(xiàn)，并通過在監(jiān)測目標上預先嵌入傳感器，來使管理系統(tǒng)輕松獲得有關地下管線自身及運行情況的關鍵參數(shù)，從而解決城市地下管線智能管理體系中的關鍵技術問題的實現(xiàn)方法。

關鍵詞：地下管線；智能管理系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市。

0 引言

城市地下管線是城市的“生命線”，就像一個人身體上的血管，擔負著城市中各種資源和信息的傳輸任務，城市的正常運轉(zhuǎn)需要周身的“血管”合理布局，統(tǒng)籌兼顧。

由于我國的城市化進程開始較晚，在城市的快速發(fā)展中，地下管線規(guī)劃和管理缺位，形成了地下管線權屬單位分散，地下管線運行監(jiān)測體系不完善、地下管線資料不全和位置誤差較大的局面。在城市建設中，經(jīng)常出現(xiàn)挖損管線、管線老化泄露等情況，造成停水、停電、停氣、交通中斷、通訊中斷等事故，影響城市運行質(zhì)量和效率。

城市管理者迫切需要通過一種手段，將城市中所有地下管網(wǎng)管理起來，通過智能管理體系，對地下管網(wǎng)的空間位置、管線自身壽命、管線負荷運行情況、外界對其影響情況等信息進行數(shù)據(jù)采集，然后存儲于專門的數(shù)據(jù)庫中，再運用專業(yè)分析軟件進行分析，以得出及時合理的處理維護措施，將城市地下管網(wǎng)事故消滅在萌芽階段，防患于未然。

由于城市主要管網(wǎng)位于地下，管線的空間位置信息可以通過施工資料獲得，但管線自身壽命、負荷運行情況、外界對其影響的情況等以及與地下管線健康運行有關的其他關鍵信息如何獲得?這在以前直是一個比較難以解決的問題，而物聯(lián)網(wǎng)則可通過在監(jiān)測目標上預先嵌入RFID射頻反射傳感器，使其輕松獲得有關地下管線自身及運行情況的關鍵參數(shù)，從而解決城市地下管線智能管理體系中的一個個關鍵技術問題?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的城市地下管線智能管理體系的日趨完善，可以把城市管理中樞和城市各功能模塊有機地結合起來，從而提高城市管理的水平，滿足城市規(guī)劃、建設和管理的需要，實現(xiàn)城市讓人類生活更美好的目標。

1 城市地下管線的建設和管理現(xiàn)狀

城市地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，是現(xiàn)代化城市高質(zhì)量，高效率運轉(zhuǎn)的基本保證，被稱為城市的“生命線”。城市地下管線現(xiàn)狀的資料是城市規(guī)劃設計、建設和管理的重要基礎資料。

由于我國城市發(fā)展起步較晚，城市化進程在改革開放之后才開始加速，城市整體時間上和空間上規(guī)劃缺位等歷史原因，我國許多城市在規(guī)劃中對地下管線缺乏統(tǒng)一的、具有前瞻性的規(guī)劃，因而不得不經(jīng)常在城市中心區(qū)“開膛破肚”、交通干線上“拉拉鎖”；而城市地下管線施工中也缺乏標準的施工工藝和規(guī)范，管線鋪設質(zhì)量較低，達不到設計服務年限；城市地下管線施工完成后，管線資料殘缺不全，有的資料精度不高或與現(xiàn)狀不符等問題，都給后續(xù)城市建設工作帶來不便；再有就是各種管線權屬單位分散，各自為政，對本單位管線以外的其它管線分布、類型和權屬等情況一知半解，從而影響地下管線規(guī)劃建設的科學性、整體性；另外，在工程建設過程中，挖斷、挖穿地下管線的事故時有發(fā)生，造成供水、供電、供氣、通訊等中斷，進而影響交通的正常運行和城市居民的正常生活。

隨著城市化進程的加速發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用越來越普遍。尤其是近年來，地下軌道交通設施的建設，使得地下空間的利用矛盾越來越突出，城市地下管網(wǎng)探測任務也越來越多，探測隊伍和探測人員不斷增多，采用的探測方法、技術要求和所提交的成果各不相同，給資料使用部門帶來很多不便，迫切需要建立一套城市地下管網(wǎng)的綜合智能管理體系。

2 城市地下管線建設和管理中的問題

2．1 對城市地下管線建設和管理的認識不足

由于城市化進程起步較晚，我國不少城建相關部門對地下管線作為城市“生命線”的重要作用和地位認識不足，沒有深刻認識到地下管線鋪設、維護或者被損毀后所需要的時間成本、空間成本和經(jīng)濟成本。城市建設過程中經(jīng)常會出現(xiàn)管線改移、管線被挖損等事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。

2．2 缺乏必要的法律依據(jù)

近幾年來，國家主管部門相繼通過了《城市地下管線探測技術規(guī)程》、建設部通過了《城市地下管線工程檔案管理辦法》，各個地方也都出臺了適合地方的地下管線管理辦法，對地下管線的規(guī)劃、建設和管理起到了積極的指導和規(guī)范作用，但全國性關于地下管線從規(guī)劃、建設、竣工、檔案管理及綜合性管理系統(tǒng)的法規(guī)還沒有出臺，地下管線的規(guī)劃、建設作為城市規(guī)劃、建設系統(tǒng)中的先行性、基礎性工作的地位還沒有在法律層面確立。

2．3 建設前缺乏統(tǒng)籌安排

由于我國城市化進程起步晚，對城市總體規(guī)劃尤其是地下管線的規(guī)劃重視不夠，可借鑒的經(jīng)驗較少，存在重地上、輕地下，重審批、輕監(jiān)管，重建設、輕養(yǎng)護的傾向，管線施工過程中經(jīng)常打架，臨時變更設計，新老管線疊加，存在很多潛在事故隱患。地下管線缺乏統(tǒng)一管理，管線種類繁多，產(chǎn)權投資分屬管理，規(guī)劃建設與資金投入不同期，各部門缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，造成重復開挖，經(jīng)常在道路上“拉拉鎖”，既影響道路使用壽命，又嚴重影響城市交通和居民的日常生活。

2．4 建設施工和養(yǎng)護技術不規(guī)范

地下管線建設中，施工技術的特殊性和竣工后管線的隱蔽性可能造成管線施工質(zhì)量低，建成后維護困難。另外，我國城市地下管線由于管道自身損壞、腐蝕，漏水、漏氣現(xiàn)象嚴重。據(jù)統(tǒng)計，我國城市單位管長、單位時間的漏水量為2．7 m3／(h·km)，是瑞典的11倍，法國的8倍，美國的2．7倍。據(jù)2002年相關部門統(tǒng)計，我國的無效供水量達2536萬m3，我國熱力和燃氣管道腐蝕率達30％，因此，我國急需針對城市地下管線建設施工和養(yǎng)護技術進行規(guī)范，以加強地下管線的建設和維護工作。

2．5 信息化管理水平有待提高

我國城市地下管線管理系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過了以下幾個發(fā)展階段：

首先是上個世紀七八十年代，市政管線的權屬部門和城建部門通過自己的檔案室，負責保管管線的竣工資料。隨著城市的發(fā)展，這種手工管理方式和紙質(zhì)管線資料已經(jīng)開始難以適應城市發(fā)展的需求，矛盾日益尖銳。

其次是上世紀80年代末至90年代初，城市改擴建工程大規(guī)模實施，為摸清城市地下管線情況，我國大部分城市開展了地下管線普查，并使用計算機輔助制圖技術(CAD)繪制管線分布圖，存儲地下管線的空間位置信息；使用FOXPRO等數(shù)據(jù)庫來存儲管理管線的功能、材質(zhì)等屬性信息。但是，這些管線的空間信息和自身屬性信息存儲于不同的介質(zhì)和平臺，統(tǒng)一利用和管理不便，管線信息的更新也不能在同一平臺完成。

之后，在90年代初到中期，地理信息系統(tǒng)軟件引入國內(nèi)，并在一些行業(yè)廣泛應用，在地下管線管理領域開始出現(xiàn)基于GIS軟件的管理系統(tǒng)用于管線空間信息和屬性信息的管理。相關單位也開始使用國外的GIS軟件(Mapinfo、Arcinfo)來探索開發(fā)管線信息管理系統(tǒng)。同時，國產(chǎn)GIS軟件(如MAPGIS)開始出現(xiàn)，基于國產(chǎn)GIS軟件的地下管線信息管理系統(tǒng)也開發(fā)成功，城市地下管線信息管理系統(tǒng)的發(fā)展隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展步入一個快速發(fā)展階段。

我國城市現(xiàn)階段的地下管線信息管理系統(tǒng)主要有以下幾個特點：

第一是傳統(tǒng)意義的地下管線信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是對地下管線的空間位置、自身材噴、規(guī)格尺寸、運輸物質(zhì)等信息進行存儲，以供主管單位或城建單位查閱。

第二是對管線空間位置的獲得，主要依賴于竣工資料，竣工資料缺失的，則采取管線普查的方式。由于探測技術的局限性，許多老舊管線的探測還有難度，如竣工資料已缺失的老舊污水、雨水管道、各種專用的塑料管道實際探測難度大，而且探測成果精度低。由于基礎數(shù)據(jù)的質(zhì)量較低，也降低了信息管理系統(tǒng)在城市建設的指導作用。

第三是由于缺乏對地下管道、管線有關負荷運行情況和自身健康情況信息的獲得手段，傳統(tǒng)的地下管線信息管理系統(tǒng)無法對管線的維護保養(yǎng)提供基礎信息，因而無法對城市地下管線災害事故提供預警和應急決策信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市地下管線智能管理系統(tǒng)構想

3．1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市地下管線智能管理系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是近幾年來社會廣泛關注的熱點技術。物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年提出的，英文名稱叫“The Intetnet of things(物物相連的互聯(lián)網(wǎng))”，物聯(lián)網(wǎng)是指在互聯(lián)網(wǎng)基礎上整合傳感、通信和信息處理等技術，按約定的協(xié)議，把相關物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術中的一個典型應用就是無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，這是一種先進的非接觸式自動識別技術。目前，RFID已經(jīng)從研究階段走向?qū)嵱没鋯雾椉夹g已經(jīng)趨于成熟。由于RFID具有無接觸和自動識別的強大技術優(yōu)勢，因而已經(jīng)被廣泛應用于倉儲物流管理、資產(chǎn)跟蹤、生產(chǎn)過程控制、移動車輛的自動識別、身份認證、智能交通、網(wǎng)絡家電控制等領域，并且應用領域仍在不斷擴大。

通過地下管線智能管理系統(tǒng)可以將埋于地下的各種處于地下的管線相關信息集中到一個綜合信息管理分析平臺上，為城市的規(guī)劃建設和管理決策、應急處置提供信息服務。

物聯(lián)網(wǎng)技術的核心是物物相聯(lián)，智能化相關、合作，利用物聯(lián)網(wǎng)技術的特點完全可以實現(xiàn)城市地下管線信息由獲取、傳輸?shù)椒治?、綜合應用的整個過程，這一過程的實現(xiàn)其實就是城市地下管線智能管理系統(tǒng)的實現(xiàn)。

3．2 智能管理系統(tǒng)的總體結構

城市地下管線智能管理系統(tǒng)主要由三個層次組成，分為為感知層、傳輸層、應用層。圖1所示是城市地下管線智能管理系統(tǒng)的結構示意圖。

感知層由各種類型的傳感器組成，可實時獲得地下管線的各種相關信息，包括空間位置、尺寸規(guī)格、材質(zhì)、傳輸物質(zhì)、傳輸狀態(tài)、腐蝕情況、泄露點位置、大小等管線自身健康情況信息。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。管線智能傳感器的主要功能應能實時收集管線運行中的工作狀態(tài)信息、管線的空間位置及自身屬性信息，并應能夠主動或被動提供給傳輸層設備。

傳輸層則主要通過有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、無線射頻識別RFID等通訊手段，將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場實時傳輸?shù)礁邔哟蔚膯卧?。傳輸層主要包括光纖網(wǎng)絡、網(wǎng)絡交換設備、光電轉(zhuǎn)換設備、路由器、防火墻、服務器等。

應用層是城市地下管線智能管理系統(tǒng)功能的集中體現(xiàn)，包含地下管線多參數(shù)三維顯示系統(tǒng)、地下管線輔助規(guī)劃設計CAD系統(tǒng)、地下管線事故應急指揮系統(tǒng)等。

其中，地下管線多參數(shù)三維顯示系統(tǒng)可以將城市地下空間的管線直觀地展現(xiàn)在電腦屏幕上，并具備縱橫斷面的自動生成分析功能，可提供任意地點的橫斷面，確定管線在地下的空間位置，標示出管線的斷面尺寸、材料、高程、管線間的間距等屬性，正確反映管線與建筑物之間、管線與管線之間的空間關系；對一條管線，指定縱斷面作圖范圍，便可自動生成管線沿走向?qū)τ诼访嫦鄬ξ恢玫目v斷面圖，并表示出沿線各管線點的位置與該管線點的橫斷面。同時，自動產(chǎn)生該管線縱斷面對應的屬性數(shù)據(jù)和線上各管線點的屬性數(shù)據(jù)?？v斷面分析也可用作管線施工監(jiān)理中的一項數(shù)據(jù)檢查工具，用以檢查在地下管線走向與坡度的耦合性。

利用地下管線輔助規(guī)劃設計CAD系統(tǒng)，可以根據(jù)國家有關管線工程的最小覆土深度、管線最小水平凈距、管線交叉時的最小垂直凈距等規(guī)定，在基礎地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)的基礎上，實現(xiàn)管線設計計算、分析、繪圖以及方案的比選優(yōu)化，包括地下管線緩沖區(qū)分析，地下管線垂直凈距設計分析，管線線路輔助設計，管線節(jié)點的輔助設計等。

在地下管線事故分析及應急指揮系統(tǒng)中，事故分析是管線智能管理系統(tǒng)中經(jīng)常用到而且較為復雜的功能。當管線在某一位置發(fā)生事故時，系統(tǒng)應能基于高密度的監(jiān)刪傳感器，啟動網(wǎng)絡強大的搜索和分析能力，快速確定事故點和事故點周周需要緊急關閉的各種閥門，提供合理的處理方案，以便將事故損失降到最低。存事故分析和事故解決的過程中．系統(tǒng)應能提供輔助的交通管制等應急指揮功能。

應用層軟件主要提供各種通用的數(shù)據(jù)接口，在此之上，應當可以與城市其他領域的管理系統(tǒng)進行無縫銜接，如地質(zhì)部門的城市地質(zhì)信息可視化系統(tǒng)、交通管理部門的城市交通信息管理系統(tǒng)、智能樓宇系統(tǒng)等，最終作為“智慧城市”的一個重要了系統(tǒng)，為城市的規(guī)劃建設、突發(fā)事故應急決策提供服務。

3. 3 地下管線智能管理系統(tǒng)的優(yōu)勢

在地下管線智能管理系統(tǒng)中，感知層通過預埋于管線自身或附近的各類傳感器，可實現(xiàn)對地下管線多維參數(shù)的獲取，同時，管線本身具備信息接收和傳達、反饋等智能要素。

地下管線智能管理系統(tǒng)具備強大的空間數(shù)據(jù)庫功能，可以將一個城市的基礎地理信息、各種管線空間信息、負荷運行信息及自身健康狀況信息等復雜的屬性信息一體化存儲，并實觀信息實時動態(tài)更新。

通過地下管線智能管理系統(tǒng)的三維顯示功能和網(wǎng)絡功能，可以使一個城市的建設部門和管線權屬機構充分實現(xiàn)管線信息的共享，并進行各自的管理；相關部門也町以直觀地查看地下管線的復雜分布和相應的空間關系。

通過系統(tǒng)強大的空間分析能力、對地下管線多參數(shù)監(jiān)測分析功能和其它各種應用分析功能，可以及時對管線中所傳輸物質(zhì)的運行狀態(tài)作出判斷；快速準確地對管線運行中的突發(fā)事故作出緊急處理；也可以輔助城市規(guī)劃部門科學地進行地下管線的規(guī)劃和設計；同時可以指導市政管理部門對管線進行預防性維護和科學管理，最終實現(xiàn)對城市地下管線的智能化管理。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的地下管線管理應用

日本東京工業(yè)大學的Professor Akira Todoroki等在2004年通過試驗室試驗在地下污水管線中預置由玻璃纖維和碳黑／環(huán)氧樹脂復合材料制成的斷裂傳感器，然后通過互聯(lián)網(wǎng)與傳感器的結合監(jiān)測地下污水管道在地震后的破損位置，試驗取得了預期效果。當時的試驗主要是為了證明復合材料傳感器的可行性和有效性，但同時也證明了，通過網(wǎng)絡結合傳感器的這種對地下管線自身健康狀況的監(jiān)測手段是可行的。

圖2所示為地下污水管道破損監(jiān)測示意圖。

德國威斯特伐利亞區(qū)瓦倫多夫市現(xiàn)在已經(jīng)使用大約5 500個RFID標簽來跟蹤該市205 km長的地下污水管道的維修狀況。德國威斯特伐利亞區(qū)瓦倫多夫市同時還將RFID系統(tǒng)應用在一家污水處理廠，用于監(jiān)測該廠1 500個閥門的檢修情況。

另外，在臺灣臺北市忠孝東路的施工改造過程中，地下管線也將加埋無線電射頻標識系統(tǒng)(RFID)，以便在日后管線管理維護中，施工人員可以用雷達探測來獲取管線基本信息。

5 結語

物聯(lián)網(wǎng)被稱作是計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息技術產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用，必然對未來的城市規(guī)劃、建設、管理產(chǎn)生深刻的影響，對于建設“人文北京、科技北京、綠色北京”有著重要意義。

《北京市政府部門物聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展初步規(guī)劃》中已明確提出，要通過物聯(lián)網(wǎng)技術對城市運行管理領域的應用場景為城市水、電、燃氣、熱力等重點設施和地下管線實施監(jiān)控?？梢灶A見，根據(jù)城市化發(fā)展對地下管線信息管理的需求，以及城市信息化、數(shù)字化發(fā)展的趨勢，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市地下管線智能管理系統(tǒng)的建設勢在必行。

綜上所述，基十物聯(lián)網(wǎng)技術的城市地下管線智能管理系統(tǒng)是解決現(xiàn)階段城市地下管線規(guī)劃、建設、管理、維護等較為可行和極有發(fā)展前景的綜合性技術手段。