基于泛在物聯(lián)網(wǎng)的地下電力管線病害探測(cè)研究

王磊

（北京京電電力工程設(shè)計(jì)有限公司, 北京 100070）

1 引言

2019年，國(guó)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(shí)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(duì)空間信息的探測(cè)定位和基于傳感器的智能探測(cè)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(xiǎn)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(shí)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?？臻g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(cè)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(shí)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(jí)、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(cè)是基礎(chǔ)感知層的重點(diǎn)。

3 病害的探測(cè)感知

不良體空間信息的獲取首先選擇常規(guī)的測(cè)量方法。對(duì)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(diǎn)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(cè)或布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)。如果現(xiàn)場(chǎng)不具備 BDS 直接測(cè)量的空視環(huán)境，宜采用靜態(tài)或 RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分）技術(shù)布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)，聯(lián)合全站儀、水準(zhǔn)儀對(duì)管線點(diǎn)在地面的投影位置進(jìn)行平面坐標(biāo)和高程的聯(lián)測(cè)。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(cè)量可采用水準(zhǔn)法或三角高程聯(lián)測(cè)。所得數(shù)據(jù)除應(yīng)滿足城市測(cè)量的規(guī)定外，也應(yīng)在精度、誤差、報(bào)表、統(tǒng)計(jì)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(diǎn)可采用地質(zhì)雷達(dá)法或電磁感應(yīng)法。根據(jù)傅立葉級(jí)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(cè)成為最佳方案。發(fā)射機(jī)直接將電信號(hào)加載在特定目標(biāo)上連續(xù)的追蹤、探測(cè)、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(duì)于具有明顯暴露點(diǎn)的地下電纜，通過施加等效厄流圈原理加載信號(hào)探測(cè)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(jí)、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(bào)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(cè)感知系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)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(tái)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(tái)。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(dòng)生成報(bào)表。針對(duì)有限空間內(nèi)有毒有害氣體的探測(cè)感知宜采用多合一的氣體傳感器。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)警

城市地下電力管線病害的風(fēng)險(xiǎn)要素可以概括為系統(tǒng)自身的危險(xiǎn)因素及外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素2個(gè)方面。系統(tǒng)自身因素對(duì)病害體的影響最大，權(quán)重相對(duì)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(duì)較低。針對(duì)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(duì)地下管線影響的嚴(yán)重程度可劃分為 A、B、C、D 4個(gè)級(jí)別，分別對(duì)應(yīng)嚴(yán)重影響、較大影響、一定影響、影響較小 4類風(fēng)險(xiǎn)。富水影響因素依據(jù)病害程度，加權(quán)評(píng)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(bào)警2級(jí)檢測(cè)。常見危險(xiǎn)因素的預(yù)警值與報(bào)警值總結(jié)如表1所示。

表1 常見危險(xiǎn)因素的預(yù)警值與報(bào)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)?；诘叵码娏芫€病害的全面感知，實(shí)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(shí)現(xiàn)全要素互聯(lián)互通，通過云共享平臺(tái)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(jiān)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(cè)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(cè)所得數(shù)據(jù)的類型、編碼、圖示、符號(hào)等諸多屬性符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。

2）數(shù)據(jù)共享原則。國(guó)家電網(wǎng)各屬地公司獲取及存儲(chǔ)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(jì)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(kù)和共享平臺(tái)，實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)地下電力管線及其附屬物的直觀顯示。對(duì)空間和屬性數(shù)據(jù)的輸入、編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)、 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(shí)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(chǔ)，便于數(shù)據(jù)的編輯與動(dòng)態(tài)更新。在數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)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。