智慧管網(wǎng)應(yīng)用與分析

■ 王海燕 胡 婷 章利光

智慧管網(wǎng)應(yīng)用與分析

■ 王海燕 胡 婷 章利光

智慧管網(wǎng)以“管線安全、城市安全”為核心，以管線的“規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)”全生命周期管理以及“普查、會診、治理、養(yǎng)護(hù)到動態(tài)監(jiān)管”等五個方面閉合安全管理為主線，進(jìn)行地下管線綜合管理建設(shè)工作，可提高城市地下管線綜合管理能力和運(yùn)行安全水平。

一、總體設(shè)計

（一）體系架構(gòu)

采用“1+N”體系架構(gòu)，即1個智慧管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)；N個專業(yè)管線智能化系統(tǒng)。

（二）數(shù)據(jù)中心

梳理各個部門之間需要協(xié)同共享的數(shù)據(jù)，形成業(yè)務(wù)主題數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，由數(shù)據(jù)中心對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)，并以服務(wù)的方式向各應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享，打破信息孤島，為地下管線綜合管理業(yè)務(wù)的協(xié)同互聯(lián)提供基礎(chǔ)支撐。另外，對各應(yīng)用系統(tǒng)中都需要的主數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，主要包括組織機(jī)構(gòu)和用戶信息、設(shè)備信息、編碼信息等基礎(chǔ)信息主數(shù)據(jù)，地理信息主數(shù)據(jù)、隱患信息主數(shù)據(jù)等，在保證各應(yīng)用系統(tǒng)主數(shù)據(jù)一致性的同時，減少各系統(tǒng)分別維護(hù)的成本，提高管理效率。

圖1 總體架構(gòu)圖

圖2 數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)圖

（三）監(jiān)控中心

實時監(jiān)控城市各類管線數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確、及時地將地下管線安全預(yù)警等信息傳遞至監(jiān)控中心，在應(yīng)急處置過程中發(fā)揮綜合指揮調(diào)度作用，能夠為監(jiān)控中心值班人員提供全面的管線運(yùn)行信息，為各級管理人員提供大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等輔助決策手段。

（四）標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系主要包括數(shù)據(jù)共享類、信息技術(shù)類、綜合管理類、工程實施類以及運(yùn)行維護(hù)類等幾大類。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系框架如圖3所示。

（五）移動應(yīng)用

面向政府行政部門應(yīng)用：服務(wù)發(fā)布、信息查詢、現(xiàn)場監(jiān)察情況上報、行政審批。

面向管線權(quán)屬單位應(yīng)用：信息查詢、巡檢信息上報、遠(yuǎn)程控制、規(guī)劃建設(shè)信息上報。

面向公眾的應(yīng)用：管線問題上報。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系構(gòu)成圖

二、智慧管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)

（一）普查

地下管線普查是對于未進(jìn)行管線普查的區(qū)域，進(jìn)行全面管線普查；對于已進(jìn)行管線普查的區(qū)域，對近年來尚未探測的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)測，通過普查可以全面掌握管線現(xiàn)狀。

航天探地雷達(dá)技術(shù)，可以實現(xiàn)金屬管線和非金屬管線的精確探測，尤其是對非金屬管線的探測，是目前最有效的方法。

（二）精確定位

電子標(biāo)簽埋設(shè)在設(shè)施導(dǎo)線點(diǎn)、拐點(diǎn)處，用于存儲埋設(shè)地點(diǎn)和地下設(shè)施的詳細(xì)資料。通過建立電子檔案，實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)共建共享，在未來30～50年最大化地發(fā)揮資源效益。

電子標(biāo)簽精確定位技術(shù)：電子標(biāo)簽埋設(shè)在設(shè)施導(dǎo)線點(diǎn)、拐點(diǎn)處，用于存儲埋設(shè)地點(diǎn)和地下設(shè)施的詳細(xì)資料。

北斗衛(wèi)星定位技術(shù)：利用北斗定位，獲取人員所在位置，通過位置與管線數(shù)據(jù)的比對，實現(xiàn)管線的精確定位。

（三）智慧管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)

建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)各類地下管線管理數(shù)據(jù)的融合，形成支撐業(yè)務(wù)協(xié)同、數(shù)據(jù)共享的智慧管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)。面向政府行政管理部門和行業(yè)監(jiān)管部門實現(xiàn)基于管線的“規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)”全生命周期管理以及“全面普查、隱患排查、安全預(yù)警、應(yīng)急處置”安全管理兩條主線，為城市地下管線“治病”“養(yǎng)護(hù)”，實現(xiàn)“動態(tài)監(jiān)管”。

（四）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理與分析

基于地理信息系統(tǒng)，整合地上地形數(shù)據(jù)和地下管線數(shù)據(jù)，通過共享地圖服務(wù)，為地下管線綜合管理提供統(tǒng)一的地理信息系統(tǒng)，形成二、三維一體化應(yīng)用；提供基礎(chǔ)管線數(shù)據(jù)的查詢與統(tǒng)計分析；提供橫斷面分析、爆管分析、碰撞分析等專業(yè)的分析能力。

（五）全生命周期管理

輔助規(guī)劃子系統(tǒng)：實現(xiàn)管線規(guī)劃的上報與審批；提供三維設(shè)計工具，實現(xiàn)管線模擬規(guī)劃設(shè)計，驗證管線規(guī)劃設(shè)計的合理性；根據(jù)管線隱患分布及嚴(yán)重程度等數(shù)據(jù)，支撐老舊管線的規(guī)劃設(shè)計。

建設(shè)管理子系統(tǒng)：實現(xiàn)建設(shè)單位與建設(shè)管理部門之間的工程計劃、建設(shè)審批、竣工管理等業(yè)務(wù)協(xié)同；根據(jù)管線隱患信息分布及嚴(yán)重程度，制定管線建設(shè)計劃，支撐老舊管線改造；共享管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有效避免了施工過程中挖斷管線事故的發(fā)生；加強(qiáng)竣工驗收環(huán)節(jié)監(jiān)管，建立管線動態(tài)更新機(jī)制，保證管線數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新：建立管線數(shù)據(jù)更新機(jī)制，確保及時將管線數(shù)據(jù)更新入庫；建立隱患數(shù)據(jù)的更新機(jī)制，完善管線健康信息庫。

檔案管理子系統(tǒng)：提供智慧管網(wǎng)文件的多種采集途徑；實現(xiàn)智慧管網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)的歸檔和集中管理；提供智慧管網(wǎng)檔案資源的安全利用。

（六）安全管理

安全監(jiān)管與預(yù)警子系統(tǒng)：對燃?xì)?、熱力、排水、供水等地下管線以及路燈、井蓋等市政設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)安全進(jìn)行監(jiān)管，對于異常情況進(jìn)行預(yù)警；融合普查、隱患排查、在線監(jiān)測、日常巡檢、熱線等各種數(shù)據(jù)來源，通過健康預(yù)測模型，采用大數(shù)據(jù)分析，預(yù)測管線的健康狀態(tài)并預(yù)警；通過對管線工程監(jiān)管，實現(xiàn)管線施工進(jìn)度和質(zhì)量的管理。

應(yīng)急處置子系統(tǒng)：全面管理地下管線事故應(yīng)急預(yù)案，實現(xiàn)事故與預(yù)案的自動關(guān)聯(lián)；統(tǒng)籌管理應(yīng)急車輛、物資、倉庫、隊伍等資源，在發(fā)生突發(fā)事件時實現(xiàn)各類物資的精確定位和調(diào)度；實現(xiàn)直觀可視化的應(yīng)急仿真，提升城市應(yīng)急事件現(xiàn)場處置的科學(xué)性。

（七）大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

“一張圖”分析應(yīng)用：主要包括地下管線一張圖、安全隱患一張圖、在線監(jiān)測一張圖、安全預(yù)警一張圖、應(yīng)急處置一張圖、設(shè)備管理一張圖、專題指標(biāo)分析。

圖4 智慧管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

健康預(yù)測模型：結(jié)合地下管線運(yùn)行環(huán)境、地下管線自身技術(shù)狀況、地下管線周邊土體不密實區(qū)域情況、土體不密實區(qū)域和管道相對關(guān)因素等基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)，形成基于腐蝕、缺陷評價、事故動態(tài)分析、預(yù)測分析的健康預(yù)測模型。

排洪模型：綜合城市降雨過程、地面徑流水文過程以及地下管道排水能力和地表積水情況，構(gòu)建排洪模型，分析城市內(nèi)澇的影響范圍、積水深度、積水量和積水時間等致災(zāi)因素。

三、專業(yè)管線智能化管理系統(tǒng)

實現(xiàn)燃?xì)?、熱力、供水、排水、電力等管線的在線監(jiān)測與智能化管理；實現(xiàn)井蓋、路燈電纜等市政設(shè)施的在線監(jiān)測與智能化管理；實現(xiàn)專業(yè)管線及市政設(shè)施的日常巡檢管理。

圖5 專業(yè)管線智能化管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（一）智慧供水

以GIS子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)水源、供水設(shè)備等監(jiān)測以及水力模型、漏損控制等應(yīng)用，從而實現(xiàn)安全供水、節(jié)能降耗和降低漏損，提高供水服務(wù)水平和業(yè)務(wù)管理水平。

（二）智慧排水

針對污水處理廠、中水廠、雨水泵站、雨水調(diào)蓄池、用戶排污口、入河排水口、內(nèi)澇點(diǎn)、雨水管道、污水管道、水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測、預(yù)警及應(yīng)急處置。

排水監(jiān)測子系統(tǒng)：將排水管網(wǎng)、泵站、污水廠以及河道監(jiān)測數(shù)據(jù)集成到一起，并與GIS平臺進(jìn)行集成，實現(xiàn)監(jiān)測信息的實時查詢與顯示、報警數(shù)據(jù)與歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲與管理，利于管理者對相關(guān)資料做全面科學(xué)的統(tǒng)計分析，為其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

排洪模型子系統(tǒng)：綜合城市降雨過程、地面徑流水文過程以及地下管道排水能力和地表積水情況，構(gòu)建排洪模型，以科學(xué)準(zhǔn)確的方式分析城市內(nèi)澇的影響范圍、積水深度、積水量和積水時間等致災(zāi)因素，從而為內(nèi)澇防治對策和應(yīng)急搶險預(yù)案的制定提供指導(dǎo)和依據(jù)。

防洪抗旱指揮子系統(tǒng)：當(dāng)發(fā)生洪水和出現(xiàn)嚴(yán)重干旱時，則通過防汛指揮子系統(tǒng)迅速采集和傳輸水情、雨情、工情、旱情和災(zāi)情信息，并對其發(fā)展趨勢作出預(yù)測和預(yù)報，經(jīng)分析制定出防洪抗旱調(diào)度方案，指揮搶險教災(zāi)，有效地運(yùn)用水利工程體系，努力縮小水旱災(zāi)害范圍，最大限度地減少災(zāi)害損失。

（三）智慧燃?xì)?/p>

燃?xì)獗O(jiān)測子系統(tǒng)：以管網(wǎng)GIS為基礎(chǔ)，對燃?xì)忾T站、輸氣管線以及調(diào)壓箱等燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)燃?xì)膺\(yùn)行的安全管理。

燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)控預(yù)警子系統(tǒng)：輔助燃?xì)馄髽I(yè)對場站、管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，同時也可實現(xiàn)對管網(wǎng)的調(diào)度、預(yù)警以及控制，提高燃?xì)馄髽I(yè)的整體管理能力，加強(qiáng)燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全系數(shù)，降低企業(yè)運(yùn)營成本。

（四）智慧熱力

熱力監(jiān)測子系統(tǒng)：以管網(wǎng)GIS為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對熱源、管網(wǎng)、換熱站及供熱參數(shù)的自動采集，集中遠(yuǎn)程監(jiān)測，根據(jù)需求負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)供熱量，為用戶熱網(wǎng)節(jié)能、安全運(yùn)行提供保障的工具。

熱力水力平衡分析子系統(tǒng)：熱力水力平衡分析系統(tǒng)，在熱網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠及時進(jìn)行計算分析，獲得在各種負(fù)荷條件下?lián)Q熱站、熱用戶等的熱量需求，了解各種負(fù)荷狀態(tài)下的壓力、流量和溫度的分布。

分戶計量控制子系統(tǒng)：通過通斷時間面積法、戶用熱量表法、溫度面積法等熱計量分?jǐn)偡椒?，實現(xiàn)分戶計量，同時系統(tǒng)通過對室內(nèi)溫度的遠(yuǎn)程干預(yù)，達(dá)到用戶自主節(jié)能和干預(yù)節(jié)能的目的。對室溫的采集、監(jiān)測，實現(xiàn)換熱站環(huán)境溫度補(bǔ)償轉(zhuǎn)變用戶室溫補(bǔ)償。杜絕違規(guī)熱用戶從回水管路放水盜熱的情況。用戶室溫情況實時監(jiān)測，變被動服務(wù)為主動服務(wù)，提高供熱服務(wù)水平，從熱源到用戶末端按需分配。

本研究通過住建部首個城市地下管線綜合管理試點(diǎn)項目實施驗證，形成了一套集成化、協(xié)同化和智能化的地下管線綜合管理平臺；開展了普查與隱患排查、物聯(lián)感知、精確定位等相關(guān)區(qū)域?qū)ｍ椆ぷ?；制定了系列?shù)據(jù)和技術(shù)類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；面向管線全生命管理和安全管理形成了“可推廣、可復(fù)制”的地下管線綜合管理模式。

（作者單位：航天海鷹機(jī)電技術(shù)研究院有限公司；北京京航計算通訊研究所；航天海鷹機(jī)電技術(shù)研究院有限公司）