淺談智慧地下管線信息系統(tǒng)建設(shè)

鐘洪德，邱 劍

(福州市勘測(cè)院，福建福州350003)

一、引 言

提到智慧城市建設(shè)，可能首先想到的就是IBM提出的“智慧地球”概念。在IBM的構(gòu)想中，“智慧地球”是指將感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、建筑、大壩、油氣管道等各種物體中，將物與物通過互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，然后通過超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將其整合，實(shí)現(xiàn)社會(huì)與物理世界的融合。

“智慧地球”的概念運(yùn)用于現(xiàn)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(shè)寬帶多媒體信息網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，整合城市信息資源、建立電子政務(wù)、電子商務(wù)、勞動(dòng)社會(huì)保險(xiǎn)等信息化社區(qū)，逐步實(shí)現(xiàn)城市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的信息化。

一般而言，“智慧城市”可劃分為4個(gè)層次，如圖1所示。

圖1

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

而智慧地下管線信息系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立地下管線信息管理分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施的精準(zhǔn)管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控和高效維護(hù)，并實(shí)施應(yīng)急處置，確保管網(wǎng)安全。

二、建設(shè)智慧地下管線信息系統(tǒng)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(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。目前，全國(guó)各地時(shí)常發(fā)生因管線引發(fā)的重大事故，如煤氣泄漏引發(fā)爆炸、管道漏水造成的地面塌陷等，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，排水管道老化形成嚴(yán)重的城市內(nèi)澇等問題。解決這些管線問題，需要城市管理者們對(duì)地下管線進(jìn)行“智慧”管理。

在地下管線信息管理的建設(shè)進(jìn)程上，經(jīng)歷了20世紀(jì)八九十年代初的市政管線權(quán)屬單位和城建部門的手工管理、紙質(zhì)資料存檔，90年代中期至21世紀(jì)初開展地下管線普查并采用機(jī)助制圖存儲(chǔ)管線空間位置信息、使用FOXPRO等數(shù)據(jù)庫(kù)存貯管線屬性信息，以及21世紀(jì)初出現(xiàn)使用GIS軟件管理系統(tǒng)一體化存儲(chǔ)管線空間信息和屬性信息。

在現(xiàn)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(duì)地下管線有關(guān)負(fù)荷運(yùn)行情況和自身健康情況信息的獲取手段，信息管理系統(tǒng)無法對(duì)管線的安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)信息，無法對(duì)城市地下管線災(zāi)害事故提供預(yù)警和應(yīng)急決策信息。

在“智慧城市”的建設(shè)進(jìn)程上，地下管線管理是智慧城市的基礎(chǔ)，應(yīng)先行夯實(shí)“地下智慧”?，F(xiàn)階段地下管線信息管理存在管線負(fù)荷運(yùn)行信息和自身健康信息缺失問題，說明了現(xiàn)有地下管線信息過于單一，需要對(duì)管線信息進(jìn)行擴(kuò)充、整合，在管線信息化建設(shè)上需要與“智慧城市”概念相匹配，實(shí)現(xiàn)管理水平的提升。

三、智慧地下管線信息系統(tǒng)的信息內(nèi)容

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

1)管線基礎(chǔ)信息:包括管線空間信息(管線空間走向、特征點(diǎn)及附屬設(shè)施的平面坐標(biāo)、管線埋深等)，管線屬性信息(包括管線規(guī)格、管線材質(zhì)、流向等屬性信息)，管線專業(yè)部件及管線構(gòu)建筑物信息(包括管線部件或構(gòu)建筑物的名稱、尺寸、形狀、材料等)。

2)管線負(fù)荷運(yùn)行信息:包括傳輸物質(zhì)類型、壓力大小、管道資源的利用情況、自身壽命、運(yùn)行時(shí)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(duì)其影響情況等，可通過在管線關(guān)鍵位置(監(jiān)測(cè)點(diǎn))上預(yù)先嵌入傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，存貯在專門數(shù)據(jù)庫(kù)中。

四、智慧地下管線信息系統(tǒng)的系統(tǒng)建設(shè)

地下管線信息化建設(shè)工作是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、感應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)、傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、管線信息管理分析平臺(tái)建設(shè)等內(nèi)容，應(yīng)本著“統(tǒng)籌規(guī)劃，分步建設(shè);標(biāo)準(zhǔn)一致，互聯(lián)互通;共建共享，分工維護(hù);集中管理，統(tǒng)一調(diào)度”的原則，建立以政府為主導(dǎo)，各部門、各行業(yè)加強(qiáng)協(xié)調(diào)、分工合作、資源共享的地下管線信息化建設(shè)和運(yùn)行機(jī)制。

1.地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

數(shù)據(jù)層是智慧城市建設(shè)中非常重要的一環(huán)，起著基礎(chǔ)、支撐的作用。在管線信息化的建設(shè)中，首要工作就是管線基礎(chǔ)信息的采集及建庫(kù)工作，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括管線空間位置信息、地下管線屬性信息、管線專業(yè)部件及管線構(gòu)建筑物信息等。

在“共建共享，分工維護(hù)”的原則下，地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)應(yīng)由多方合力建設(shè)完成。一般的做法是由管線探測(cè)單位采用管線探測(cè)技術(shù)，對(duì)城區(qū)的地下管網(wǎng)進(jìn)行拉網(wǎng)式的普查，重點(diǎn)采集管線空間位置信息、管線屬性信息;由專業(yè)管線權(quán)屬單位、管線建設(shè)單位、管線維護(hù)管理單位等提供已有的管線屬性信息、管線專業(yè)部件及管線構(gòu)建筑物信息、管線負(fù)荷運(yùn)行信息等。

這樣，經(jīng)多方共建、多種管線資源整合建成的地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，管線基礎(chǔ)信息豐富。同樣，在地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建成后，各管線部門要共同參與做好數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新工作，確保數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性。

在管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中，需要基礎(chǔ)地理信息作為背景層進(jìn)行支撐，基礎(chǔ)地理信息可包括城市大比例尺數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)、城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市熱點(diǎn)信息等。

2.感應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)

在管線感應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)中，主要工作是在管線關(guān)鍵部位(如閥門、三通、消火栓等)安裝智能傳感器。重點(diǎn)是獲取管線運(yùn)行負(fù)荷信息及管線健康狀況信，主動(dòng)或被動(dòng)提供給傳輸層設(shè)備，并與相關(guān)智能設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門等關(guān)鍵設(shè)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(xiàn)象，還可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？山M成網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)運(yùn)行需要對(duì)關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)整，完成各種動(dòng)作。例如，如果與智能電動(dòng)閥門控制器結(jié)合，在安裝了電動(dòng)閥門的管道上，則可利用物聯(lián)網(wǎng)微機(jī)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)，直接改變閥門的位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的遠(yuǎn)距離控制。

現(xiàn)階段，智能傳感器的典型應(yīng)用就是采用無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)，這種技術(shù)具有無接觸和自動(dòng)識(shí)別的優(yōu)勢(shì)。目前，RFID已經(jīng)從研究階段走向?qū)嵱没?，單?xiàng)技術(shù)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(shí)進(jìn)行，可直接使用預(yù)先嵌入傳感器的管道，或者在管線埋設(shè)的同時(shí)同步埋設(shè)智能傳感器。

3.傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等通信手段的建設(shè)，主要將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁邔哟蔚膯卧?，主要包括光纖網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、路由器、防火墻、服務(wù)器等。

4.管線信息管理分析平臺(tái)建設(shè)

建立管線信息管理分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)職能，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)設(shè)施的精準(zhǔn)管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、高效維護(hù)及工程應(yīng)用。管線信息管理分析平臺(tái)應(yīng)包括:地下管線多參數(shù)三維顯示、地下管線輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)、地下管線事故分析及應(yīng)急指揮系統(tǒng)等。

同時(shí)，平臺(tái)應(yīng)提供各種通用數(shù)據(jù)接口，可以與城市其他領(lǐng)域的管理系統(tǒng)進(jìn)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)、物業(yè)管理部門的智能樓宇系統(tǒng)等。

五、智慧地下管線信息系統(tǒng)的應(yīng)用分析

在智慧城市模式下的地下管線信息化，可實(shí)現(xiàn)管道三維可視化管理及設(shè)計(jì)、管線安全狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管線事故的應(yīng)急指揮處理，以及數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新，最大限度地提高管道安全管理水平和生產(chǎn)作業(yè)效率，保證管道的平穩(wěn)、安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智慧管理和智慧應(yīng)用。

1.管線三維可視化管理及設(shè)計(jì)

在“智慧城市”模式下，通過管線管理分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管線三維可視，城市管理部門、建設(shè)部門和管線權(quán)屬機(jī)構(gòu)等可以直觀地查看地下管線的復(fù)雜分布、目標(biāo)管線與周邊建筑物或周邊管線的相應(yīng)空間關(guān)系、管線部件樣式，快速實(shí)現(xiàn)管線縱橫斷分析、碰撞分析等功能。管線信息共享所發(fā)揮的價(jià)值及意義將更加明顯，相關(guān)部門也可更加高效地履行各自的管理職能。

而規(guī)劃設(shè)計(jì)部門，則可方便地進(jìn)行管線的三維仿真設(shè)計(jì)，即在管線三維可視環(huán)境下，設(shè)計(jì)人員可模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，分析設(shè)計(jì)管位與周邊管線、地物的空間關(guān)系，根據(jù)國(guó)家有關(guān)管線工程的安全間距規(guī)定，不斷調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計(jì)管位，方案將更加合理、科學(xué)，節(jié)約地下空間。根據(jù)這樣形成的設(shè)計(jì)方案，在管線施工過程中，將規(guī)避更多的施工安全風(fēng)險(xiǎn)，更具有可操作性。

2.實(shí)時(shí)感知管線健康狀況

通過預(yù)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(tǒng)平臺(tái)中，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取地下管線負(fù)荷運(yùn)行情況，掌握管線健康狀況，對(duì)管線運(yùn)行狀態(tài)作出判斷，做好預(yù)防性維護(hù)。如可以對(duì)燃?xì)夤艿赖雀呶９艿涝O(shè)置傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控有無漏氣、破損等情況，根據(jù)系統(tǒng)的提示，就可以清楚地知道哪條管道到了檢修的時(shí)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(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)獲取地下管線感應(yīng)器發(fā)送的管線信息，對(duì)管道進(jìn)行必要的處置。也可根據(jù)管線信息管理分析系統(tǒng)下達(dá)的處置指令，根據(jù)傳感器的定位信息，準(zhǔn)確定位，對(duì)相應(yīng)設(shè)施進(jìn)行應(yīng)對(duì)處置。

3.管線事故的應(yīng)急指揮處理

快速準(zhǔn)確地對(duì)管線運(yùn)行中的突發(fā)事故作緊急處理，城市應(yīng)對(duì)重大突發(fā)事件的響應(yīng)速度與處理能力可明顯提升。例如，一旦管線發(fā)生泄漏，平臺(tái)將啟動(dòng)應(yīng)急處置預(yù)案。在預(yù)警的同時(shí)，立即啟用事故分析功能，基于高密度的監(jiān)測(cè)傳感器，可以快速確定事故點(diǎn)和事故點(diǎn)周圍需要緊急關(guān)閉的各種閥門，對(duì)相關(guān)閥門進(jìn)行自動(dòng)關(guān)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(guān)部門進(jìn)行聯(lián)動(dòng)救援、交通管制等。

4.管線數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新

基于物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù)，將管線信息，特別是負(fù)荷運(yùn)行及管線健康狀況的變化信息，實(shí)時(shí)傳遞至系統(tǒng)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。當(dāng)管線有新增、改管或拆除時(shí)，管線變動(dòng)情況均可在數(shù)據(jù)庫(kù)中得以及時(shí)修正。

六、結(jié)束語

如何提高管道運(yùn)營(yíng)管理和安全運(yùn)行水平，已經(jīng)成為管線行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)被稱作計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用必然對(duì)未來城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理產(chǎn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用信息化手段加強(qiáng)地下管線管理，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，將提高管道運(yùn)營(yíng)管理和安全運(yùn)行水平，合理開發(fā)、利用城市地下空間資源，增強(qiáng)城市應(yīng)急和防災(zāi)減災(zāi)能力，從而推動(dòng)整體“智慧城市”的建設(shè)。

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