基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線智能管理系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想
——以淄博市為例

李 玉，張赫然

(淄博市城建檔案和地下管線管理處，山東淄博255000)

一、引 言

近年屢屢爆出的地下管線安全事故，將地下管線的安全管理推向風(fēng)口浪尖。由于地下管線管理的緊迫性，全國不少城市制定出臺了相應(yīng)的規(guī)章制度，并著力進行地下管線的信息化工作;一些城市還設(shè)立了地下管線管理的專門機構(gòu)。但鑒于城市地下管線長度、種類的激增，傳統(tǒng)的地下管線管理方式已難以滿足城市精細管理的要求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為地下管線的管理提供了新的契機。

本文以淄博市為例，在深入分析淄博市地下管線信息化管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了當前淄博市地下管線信息化管理中存在的問題，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，給出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線智能管理系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)想。

二、淄博市地下管線信息化工作現(xiàn)狀

根據(jù)最新公布的2006—2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略，信息化是充分利用信息技術(shù)，開發(fā)利用信息資源，促進信息交流和知識共享，提高經(jīng)濟增長質(zhì)量，推動經(jīng)濟社會發(fā)展轉(zhuǎn)型的歷史進程。地下管線信息化是在大量獲取滿足需求的地下管線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析方面有突出優(yōu)勢的最新信息技術(shù)，促進地下管線數(shù)據(jù)的挖掘和共享，推進地下管線管理的現(xiàn)代化進程。

當前我市地下管線信息管理的運轉(zhuǎn)模式為通過地下管線普查建立綜合地下管線數(shù)據(jù)庫，通過其后的竣工測量方式更新地下管線綜合數(shù)據(jù)庫，同步建立地下管線綜合管理信息系統(tǒng)，并對外提供地下管線信息查詢服務(wù)。

1.地下管線普查

淄博市共有4個區(qū)縣完成了地下管線普查工作，普查面積達225 km2，占淄博市規(guī)劃區(qū)面積的8%，普查管線總長度共計5380 km。2013年大部分區(qū)縣的地下管線普查工作也已列入政府工作的議事日程，預(yù)計2014年年底，全市各區(qū)縣的地下管線普查工作將全部結(jié)束。

2.地下管線普查數(shù)據(jù)的動態(tài)更新

市轄范圍的老城區(qū)和高新區(qū)地下管線數(shù)據(jù)更新工作運轉(zhuǎn)良好，采用管線排查，跟蹤測量等動態(tài)管理方式，將新建、改建的管線數(shù)據(jù)及時入庫。2007—2011年，累計調(diào)繪管線346 km。臨淄區(qū)、沂源縣早期普查工作結(jié)束后，未進行普查數(shù)據(jù)的動態(tài)更新工作，原有的綜合地下管線數(shù)據(jù)庫已不能真實地反映城市地下管線的現(xiàn)狀，難以對外提供利用。

3.系統(tǒng)建設(shè)工作

當前我市仍在沿用2005年研發(fā)的地下管線信息管理系統(tǒng)，原有系統(tǒng)僅能滿足數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)輸出等簡單功能。

三、淄博市地下管線信息化現(xiàn)存問題

1.地下管線數(shù)據(jù)存儲分散

除地下管線管理機構(gòu)具有普查數(shù)據(jù)外，權(quán)屬單位也有地下管線數(shù)據(jù)，地下管線數(shù)據(jù)所有者按著各自需求和格式要求，進行數(shù)據(jù)的保存、管理、維護，致使全市地下管線數(shù)據(jù)難以共享和綜合利用，難以體現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)在城市建設(shè)等方面的社會服務(wù)能力。

2.地下管線數(shù)據(jù)缺失嚴重

當前淄博市已基本掌握張店區(qū)地下管線數(shù)據(jù)，但已掌握的地下管線數(shù)據(jù)只是城市市政道路方面的數(shù)據(jù)。市管范圍內(nèi)次要道路和建筑小區(qū)外圍管線數(shù)據(jù)要么沒有，要么零星分散在管理者手中，現(xiàn)狀不詳。而其他幾個區(qū)縣沒有或是只有少量的地下管線普查數(shù)據(jù)，加上管線動態(tài)更新、城市建設(shè)步伐的不同步，僅有的地下管線普查數(shù)據(jù)也已失去時效性，次要道路和建筑小區(qū)管線數(shù)據(jù)更是嚴重缺乏。另外，在地下管線普查過程中，受探測技術(shù)的限制，非金屬類地下管線探測的準確性、數(shù)據(jù)的可用性也值得商榷。

3.地下管線數(shù)據(jù)挖掘不到位

地下管線作為城市系統(tǒng)的一部分，與城市地上部分、城市人口、經(jīng)濟、社會等因素緊密聯(lián)系。地下管線配置的好壞，直接影響著城市規(guī)劃的進行和城市整體功能的提高。隨著地下管線種類的增多，各類地下管線形成的管網(wǎng)系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，地下管線數(shù)據(jù)量暴增。如何在選定地理空間內(nèi)，綜合各類地下管線的空間信息及屬性信息，構(gòu)建地下管線規(guī)劃的可用性、運行高效性的知識庫及判定模型?如何從城市循環(huán)運行角度上，綜合地下管線數(shù)據(jù)、城市社會經(jīng)濟要素，給出地下管線應(yīng)急處理方案，現(xiàn)有信息系統(tǒng)鮮有涉及。

4.城市管線監(jiān)管方式落后

除個別權(quán)屬單位建立實時監(jiān)控系統(tǒng)外，當前大部分權(quán)屬單位仍沿用人力發(fā)現(xiàn)方式，進行管線的日常巡檢和維護。而在實際工作中，巡查工作難以建立有效監(jiān)督機制，受經(jīng)驗、人員變動、環(huán)境要素等主客觀因素的影響，巡查過程中常常出現(xiàn)路線重復(fù)，巡查點缺失，巡查力度不一等問題，且難以形成巡查過程的精細記錄。另外對于重大的危險源，傳統(tǒng)的人工方式難以監(jiān)管，極易形成重大安全隱患。

5.城建檔案和地下管線統(tǒng)一信息平臺建設(shè)滯后

雖然少數(shù)區(qū)縣、權(quán)屬單位建有自己的地下管線管理系統(tǒng)，但各類管網(wǎng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源與決策支持模型具有較大的局限性，大多存在管網(wǎng)空間基準、數(shù)據(jù)語義及數(shù)據(jù)尺度不一致等問題，難以擴展。對于政府而言，尚缺乏一個統(tǒng)一的信息平臺來進行城市地下管線的決策工作。

四、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線智能管理系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用信息化手段完全可以實現(xiàn)地下管線的實時監(jiān)控，實現(xiàn)多個時段、不同地段的多類管線的數(shù)據(jù)管理、信息挖掘、數(shù)據(jù)表現(xiàn)，實現(xiàn)地下管線管理的精細管理，進而提升政府地下管線公共危機應(yīng)對能力，提高城市整體競爭力。

1.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

比爾·蓋茨在于1995年在《未來之路》一書中提及物互聯(lián)。1999年，在物品編碼，RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上Auto-ID公司提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。2005年11月17日，國際電信聯(lián)盟發(fā)布《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》，拓展了物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍?！拔锫?lián)網(wǎng)”是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)概念。

2.地下管線智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地下管線智能管理系統(tǒng)區(qū)分于傳統(tǒng)地下管線管理系統(tǒng)的最大特點是:可實現(xiàn)地下管線檢測、數(shù)據(jù)存儲、分析、模擬、預(yù)測和調(diào)配等的自動化、智能化和實時化。

(1)地下管線職能管理系統(tǒng)的框架

如圖1所示，地下管線智能管理系統(tǒng)的構(gòu)建依賴地理信息系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由地下管線管理模型、物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)器、云平臺和地理信息系統(tǒng)4部分組成，將各種地下管線、地形、地質(zhì)、人口、危險源要素和各個與地下管線信息利用有關(guān)的部門連接起來，實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)的自動采集、自動分析計算、自動決策和自動調(diào)度，以達到地下空間可持續(xù)開發(fā)利用和環(huán)境保護的目的。

(2)地下管線管理模型

地下管線管理模型包括管線數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、管線三維顯示子系統(tǒng)、管線運維監(jiān)控管理子系統(tǒng)、管線規(guī)劃分析子系統(tǒng)、管線移動稽查子系統(tǒng)、管線應(yīng)急指揮子系統(tǒng)。

管線數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)依賴地下管線傳感器實時獲取地下管線空間位置、屬性數(shù)據(jù)等參數(shù)，自動構(gòu)建地下管線數(shù)據(jù)庫，自動形成地下管線分布圖，能夠滿足地下管線數(shù)據(jù)利用者數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)輸出的基本需求。

管線三維顯示子系統(tǒng)在地下管線數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，借助虛擬三維技術(shù)，實現(xiàn)同一空間內(nèi)地面建筑與地下管線的自動化建模、三維展示、查詢統(tǒng)計、開挖分析、碰撞分析等功能，能夠為城市的規(guī)劃、建設(shè)與管理決策提供直觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。

管線運維監(jiān)測子系統(tǒng)，以傳感器獲取傳輸形成的基礎(chǔ)地理空間GIS數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)層，通過設(shè)定管道實時檢測系統(tǒng)接口、管道泄漏和擴散模型接口、短信接口、SCADA數(shù)據(jù)接口、視頻監(jiān)控接口、搶修車輛監(jiān)控接口、IP電話接口、氣象數(shù)據(jù)接口、小區(qū)廣播接口等，提供數(shù)據(jù)資源調(diào)用接入及各項接口服務(wù)。一方面可為預(yù)警監(jiān)控、應(yīng)急管理提供數(shù)據(jù)支撐，另一方面為管道的工程建設(shè)、完整性管理提供服務(wù)。

圖1

管線規(guī)劃分析子系統(tǒng)能夠根據(jù)管線布設(shè)規(guī)則庫的相關(guān)規(guī)則進行管線規(guī)劃的分析功能。一方面能夠判斷、分析行業(yè)管線之間、建筑物之間的水平間距，行業(yè)管線覆土深度、行業(yè)管線垂直凈距的相關(guān)參數(shù)，輔助決策者進行方案審查，并能給出綜合地上部分和地下管線規(guī)劃方案的模擬仿真結(jié)果和評價指標;另一方面能夠綜合地質(zhì)、地形及其他綜合要素，給出規(guī)劃區(qū)域內(nèi)合理的地下管線設(shè)計方案，為城市規(guī)劃、審批全過程提供技術(shù)支持。

管線移動稽查子系統(tǒng)是集信息處理技術(shù)、移動通信技術(shù)、地理信息處理，RFID掃描等信息采集技術(shù)于一身的移動建設(shè)項目稽查系統(tǒng)，支持巡檢實時監(jiān)控、巡檢歷史查詢、巡檢工作安排。巡檢人員利用接收系統(tǒng)內(nèi)置的GPS和攝像頭，實時獲取現(xiàn)場坐標、現(xiàn)場圖像資料，并通過無線網(wǎng)絡(luò)，實時上報數(shù)據(jù)，管理中心可以對稽查員進行實時跟蹤。

管線應(yīng)急指揮子系統(tǒng)既可集成外部資源，又可向外部系統(tǒng)提供服務(wù)，可實現(xiàn)事故管理、事故模擬、輔助決策、統(tǒng)計分析、災(zāi)后評估、知識庫、應(yīng)急預(yù)案等功能，能夠為決策層、城市應(yīng)急防災(zāi)部門和管線管理部門，提供安全隱患排查決策服務(wù)、應(yīng)急處置決策服務(wù)、災(zāi)后重建決策服務(wù)和城市應(yīng)急集成決策服務(wù)等，為城市管理和安全提供輔助決策。

(3)物聯(lián)網(wǎng)

在地下管線智能管理系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)主要用于兩個方面，即:智能實時監(jiān)測系統(tǒng)和智能實時控制系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的人工控制而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)地下管線和地質(zhì)等地下空間環(huán)境的實時自動監(jiān)測、地下管線的實時自動控制。

智能實時監(jiān)測系統(tǒng)由傳統(tǒng)的自動監(jiān)測系統(tǒng)、各種類型的數(shù)據(jù)傳感器組成，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，并能通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別RFID等通信手段，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３鞘性谛陆ü芫€和進行老舊管線的更新改造時，應(yīng)逐步推進預(yù)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(shè)。

智能實時控制系統(tǒng)是由面向不同管線、不同權(quán)屬單位的各種傳感控制器和傳輸系統(tǒng)組成，它連接云平臺和地下管線權(quán)屬單位的地下管線調(diào)控子系統(tǒng)。管線權(quán)屬單位的管線調(diào)控子系統(tǒng)在接收到管線應(yīng)急決策子系統(tǒng)發(fā)來的指令后，對管線相應(yīng)節(jié)點的調(diào)配設(shè)施自動實現(xiàn)開、關(guān)、變大、變小等操作，有效降低了地下管線安全事故的發(fā)生。

(4)云平臺

在地下管線智能管理系統(tǒng)中，云平臺連接著地下管線管理模型的數(shù)據(jù)輸出接口和各種智能控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端，其功能是將各種不同的客戶終端與地下管線管理模型連接起來，實現(xiàn)各種客戶終端與地下管線管理模型之間數(shù)據(jù)和指令的實時共享。

五、構(gòu)建地下管線智能管理系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題

1)地下管線智能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)是構(gòu)建一個密集的、以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的地下管線智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，而目前市場上缺少適用于地下管線全方位監(jiān)測的傳感器，為此要加大地下管線專用傳感器的研發(fā)和應(yīng)用，積極探索現(xiàn)有傳感器的性能優(yōu)化方式，以期實現(xiàn)地下管線的最好監(jiān)測效能。同時當?shù)卣畱?yīng)加大資金投資，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，為下一步實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的自動傳輸提供硬件基礎(chǔ)。

2)地下管線管理模型是智能管理系統(tǒng)的核心功能，其中管線規(guī)劃分析子系統(tǒng)、管線應(yīng)急決策子系統(tǒng)是地下管線應(yīng)用的高級表現(xiàn)，這些子系統(tǒng)的構(gòu)建都需要綜合地下管線、地形、地質(zhì)、土質(zhì)等多種要素，綜合多學(xué)科知識和行業(yè)經(jīng)驗，構(gòu)建準確的分析、決策知識庫，而當前全國暫無經(jīng)驗可以借鑒，需要不斷實踐和積累，盡可能地還原事件運行規(guī)律。

3)地下管線智能管理系統(tǒng)涉及人口、經(jīng)濟、城市建設(shè)等眾多社會領(lǐng)域，相應(yīng)地也涉及環(huán)保、城建、發(fā)改委等眾多的部門。如何統(tǒng)一各部門的工作利益，如何實現(xiàn)各部門的信息共享，如何進行地下管線管理過程中的職責(zé)分工都需要進一步探討。

六、結(jié)束語

全國不少城市已開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下管線管理領(lǐng)域的應(yīng)用探索，如太原正在積極推廣“地眼工程”的試點工程。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已成為實現(xiàn)地下管線精細化管理的助推劑，但必須清醒認識到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推進仍面臨關(guān)鍵技術(shù)、資金投入等諸多問題，應(yīng)結(jié)合本地情況，從標準、技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和管理措施等多方面研究“地下管線智能管理系統(tǒng)”的可行性，依據(jù)“局部試點”、“分布實施”的原則，積極探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下管線管理過程中的優(yōu)化模式，不斷推進地下管線信息化建設(shè)的進程。

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