智慧安全 守護(hù)城市生命線

文·圖/付 明

安徽省合肥市政府于2015年5月起，依托清華大學(xué)合肥公共安全研究院，在全國率先開展了城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施應(yīng)用。系統(tǒng)運(yùn)行以來，取得了哪些成效？

城市中的橋梁、燃?xì)?、供水、排水、電梯等城市基礎(chǔ)設(shè)施擔(dān)負(fù)著城市的信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)的功能，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是城市的生命線。城市生命線工程涉及水、電、氣、熱、交通等，公共性高、涉及面廣、相互關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，是確保城市居民生活正常運(yùn)轉(zhuǎn)、維系現(xiàn)代城市功能與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，任何環(huán)節(jié)故障或破壞都可能影響整個(gè)城市系統(tǒng)的功能，甚至導(dǎo)致整個(gè)城市癱瘓。

近年來，安徽省合肥市城市建設(shè)進(jìn)程不斷加快，城市生命線工程建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，城市承載力持續(xù)增強(qiáng)，人民群眾生活水平逐步改善。合肥市目前擁有重要橋梁224座，城市地下管線總長2.4萬余km。由于先天不足、維修保養(yǎng)不當(dāng)、環(huán)境影響等多種因素相互作用，造成城市自我保障能力不足，抗災(zāi)應(yīng)變能力脆弱，安全事故頻頻發(fā)生，給城市生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響。合肥市生命線工程基本上由各建設(shè)單位各自為政、條塊分割、多頭鋪設(shè)、各自管理，以至于各種管線重疊交錯(cuò)、雜亂無章。20多種管線，30多個(gè)職能和權(quán)屬部門，現(xiàn)狀不明、“家底”不清?！爸亟ㄔO(shè)輕維護(hù)”的管理模式，也往往令“小患”積成大禍。如2013年12月，五里墩高架A3匝道發(fā)現(xiàn)橋墩支座老化變形和梁體向曲線外側(cè)偏移、立柱向曲線外側(cè)傾斜等現(xiàn)象，存在垮塌的風(fēng)險(xiǎn)；2015年1月，合肥市馬鞍山路與太湖路交口附近發(fā)現(xiàn)一段長約20 m的路面出現(xiàn)下沉，造成路面開裂；2015年11月，淮河路步行街一條煤氣管道被挖斷導(dǎo)致泄漏引發(fā)爆炸……

為此，合肥市政府于2015年5月發(fā)布《關(guān)于成立合肥市城市生命線工程安全運(yùn)行工作領(lǐng)導(dǎo)小組的通知》，依托清華大學(xué)合肥公共安全研究院，在全國率先開展城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)施應(yīng)用，打造城市生命線公共基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行綜合支撐平臺(tái)，共同編織全方位、立體化的城市運(yùn)行安全網(wǎng)，構(gòu)建“智慧安全城市”新業(yè)態(tài)。

“城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)”是指對社會(huì)生活、生產(chǎn)有重大影響的交通橋梁、供水、排水、供電、供氣、熱力管線等進(jìn)行安全運(yùn)行監(jiān)測的工程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)精準(zhǔn)預(yù)警保障城市安全平穩(wěn)供暖、供水、供氣、供電，維持城市正常運(yùn)作，全面服務(wù)于民生工程。構(gòu)建人本化的城市安全空間、健全城市公共安全體系的需求，落實(shí)城市空間風(fēng)險(xiǎn)源頭治理、分級(jí)防控主動(dòng)保障城市的安全，通過整合政府資源，實(shí)現(xiàn)人、資源、管理、技術(shù)等要素的集約優(yōu)化，打破城市地下管網(wǎng)信息孤島局面,提升城市精細(xì)化管理水平,創(chuàng)新城市的管理模式，助推公共安全產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決城市發(fā)展的實(shí)際問題。

融合安全科技與管理

構(gòu)建城市安全理論體系

通過系統(tǒng)性研究城市安全運(yùn)行耦合風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評估方法、城市生命線工程災(zāi)害事故高風(fēng)險(xiǎn)空間識(shí)別方法，建立了燃?xì)庑孤┻M(jìn)入地下相鄰空間發(fā)生火災(zāi)爆炸、供水管網(wǎng)漏失爆管引發(fā)路面塌陷、橋梁結(jié)構(gòu)受損坍塌引發(fā)城市交通癱瘓等城市生命線工程重特大突發(fā)事件的次生衍生演化模型，揭示了城市生命線工程事故對城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響規(guī)律，形成了城市安全空間的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評估理論體系。

“全鏈條”安全防控

針對城市高風(fēng)險(xiǎn)空間致災(zāi)因子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、綜合預(yù)警防控和處置決策支持的技術(shù)需求，我們建立了風(fēng)險(xiǎn)隱患識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)感知、多網(wǎng)融合傳輸、大數(shù)據(jù)分析、專業(yè)模型預(yù)測和事故預(yù)警聯(lián)動(dòng)的“全鏈條”城市安全防控技術(shù)體系架構(gòu)，形成了燃?xì)?、供?排水、熱力、綜合管廊、道路橋梁等城市生命線工程的城市安全空間立體化監(jiān)測網(wǎng)，解決了城市生命線工程安全狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、安全風(fēng)險(xiǎn)評估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警防控、協(xié)同組織架構(gòu)等問題。

打破制度壁壘

城市生命線類別繁多，涉及不同管理部門，體制機(jī)制和權(quán)屬關(guān)系復(fù)雜，亟需新技術(shù)新方法優(yōu)化管理流程，將日常運(yùn)行和維護(hù)管理相融合，并構(gòu)建科技支撐長效機(jī)制，形成系統(tǒng)性、科學(xué)性的城市安全保障體系，實(shí)現(xiàn)城市生命線系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、有效預(yù)警預(yù)判。通過地面空間與地下管網(wǎng)的結(jié)合、建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)的耦合，為政府主管部門提供城市基礎(chǔ)設(shè)施的三維可視化、數(shù)字化展示，直觀表達(dá)供水、排水、燃?xì)?、電力、通信等地下管網(wǎng)空間分布及埋深綜合情況，以及地下管網(wǎng)與地上建筑、橋梁之間的空間關(guān)系，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析，預(yù)警預(yù)判安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，最大程度降低城市生命線的安全隱患。

攻克技術(shù)壁壘

針對城市生命線工程復(fù)雜管網(wǎng)與環(huán)境疊加帶來的整體性、系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別難題，綜合管齡、管材、維修記錄、地質(zhì)環(huán)境與人口、經(jīng)濟(jì)等承災(zāi)載體要素，攻克了城市高風(fēng)險(xiǎn)空間識(shí)別技術(shù)；發(fā)現(xiàn)了燃?xì)庠谕寥?、地面和地下空間擴(kuò)散輸運(yùn)規(guī)律，建立泄漏源與相鄰空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，攻克了跨系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移和耦合災(zāi)害分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市生命線工程風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)性識(shí)別、多指標(biāo)疊加量化和多維度空間可視化。針對不同類型生命線工程風(fēng)險(xiǎn)空間分布特征，基于氣體擴(kuò)散模型、水力學(xué)模型、橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模等方法，建立了傳感器空間優(yōu)化布設(shè)技術(shù)，解決了城市立體空間監(jiān)測的數(shù)量、位置、效能等多目標(biāo)優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)了生命線工程風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)有效監(jiān)測。其中“城市燃?xì)夤芫W(wǎng)及其相鄰空間燃爆風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究與應(yīng)用”榮獲2018年度中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)（登記證書編號(hào)：國科獎(jiǎng)社證字第0054號(hào)）。

消除流程壁壘

監(jiān)測中心建立三級(jí)預(yù)警模式，消除由于流程繁雜造成的報(bào)警響應(yīng)不及時(shí)的問題。一級(jí)預(yù)警提供給相關(guān)行業(yè)、企業(yè)，如燃?xì)夤尽⒐┧瘓F(tuán)、交通橋梁維護(hù)企業(yè)等，當(dāng)出現(xiàn)燃?xì)庑孤蛄何灰频葓?bào)警信息，系統(tǒng)第一時(shí)間給相關(guān)企業(yè)預(yù)警。如涉及相鄰空間領(lǐng)域，如雨污管線泄漏了燃?xì)膺M(jìn)去，并且接近爆炸極限，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向城市管理相關(guān)部門進(jìn)行二級(jí)預(yù)警，如交通部門、公安部門等。一級(jí)預(yù)警是向市政府安委會(huì)進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)有重大險(xiǎn)情隱患，系統(tǒng)會(huì)對市政府主要部門進(jìn)行相關(guān)預(yù)警。三級(jí)預(yù)警的模式很好地提高了危機(jī)響應(yīng)效果，企業(yè)及相關(guān)職能部門能夠更精準(zhǔn)高效地消除安全隱患，保障城市生命線的良好運(yùn)行。

系統(tǒng)運(yùn)行效果

一期試點(diǎn)項(xiàng)目（建設(shè)時(shí)間2015年12月—2016年12月）監(jiān)測范圍包括5座橋梁、2.5 km燃?xì)夤芫W(wǎng)和24.9 km供水管網(wǎng)。運(yùn)行2年來，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，平均每月有效報(bào)警91.2起，其中橋梁車輛撞擊等突發(fā)事件預(yù)警3起，超載車輛預(yù)警2 540起；燃?xì)庑孤┦录A(yù)警8起、沼氣聚集事件預(yù)警230起；監(jiān)測供水管網(wǎng)漏失預(yù)警3起，水錘預(yù)警3起，有效保障了城市生命線工程的安全運(yùn)行。

二期項(xiàng)目于2017年7月開始實(shí)施，預(yù)計(jì)于2019年底完成。重點(diǎn)選取年代久遠(yuǎn)，管線老化嚴(yán)重，地面及地下環(huán)境復(fù)雜，人口密度大等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、安全敏感區(qū)等地下管線和橋梁，包括：46座橋梁、819.5 km燃?xì)夤芫W(wǎng)、714.1 km供水管網(wǎng)、254 km排水管網(wǎng)、201.5 km熱力管網(wǎng)、14 km中水管網(wǎng)和58.51 km的地下綜合管廊。二期項(xiàng)目每天采集和分析的數(shù)據(jù)量達(dá)500億條。截至2018年底，二期項(xiàng)目部分監(jiān)測數(shù)據(jù)上線后，已成功預(yù)警燃?xì)庑孤┦录?5起，供水管網(wǎng)漏水事件20起。

圖 監(jiān)測系統(tǒng)橋梁測點(diǎn)位置示意

監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警事件1

2017年9月22日，燃?xì)獗O(jiān)測系統(tǒng)在電力井以及附近排水井內(nèi)發(fā)現(xiàn)可燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)報(bào)警并立即通知燃?xì)夤荆細(xì)夤粳F(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)一挖掘機(jī)正在燃?xì)夤艿郎戏绞┕ぷ鳂I(yè)，經(jīng)檢查測量，發(fā)現(xiàn)長約50 m的電力線纜溝充滿了甲烷，濃度爆表，現(xiàn)場充滿了刺激性氣味。初步判斷為挖掘機(jī)施工造成燃?xì)夤艿佬孤┎U(kuò)散到周邊電力井。該電力井周邊1 km范圍內(nèi)有2個(gè)加油站、7個(gè)人口密集住宅區(qū)、3所學(xué)校、2個(gè)大型購物廣場，如果發(fā)生爆炸將會(huì)引發(fā)城市重特大安全事故。燃?xì)夤緭屝揸?duì)立即制止了挖掘機(jī)的進(jìn)一步施工，并進(jìn)行人員疏散、交通疏導(dǎo)，至9月23日凌晨燃?xì)夤艿罁屝尥瓿伞?/p>

監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警事件2

2018年1月4日，合肥城區(qū)普降雨雪，安徽省氣象局針對合肥發(fā)布了暴雪橙色預(yù)警，部分地區(qū)出現(xiàn)低溫冰凍災(zāi)害。日常值守人員發(fā)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警，并顯示繁華大道橋梁的拉線位移DY2數(shù)據(jù)有較為劇烈的變化，最大波動(dòng)超過7 mm（向南側(cè)），而且數(shù)據(jù)波動(dòng)趨勢與溫度趨勢吻合（見下圖）?？紤]到該大橋日常的交通承載量和天氣的特殊性，工程人員決定立刻進(jìn)行現(xiàn)場勘查復(fù)核，發(fā)現(xiàn)拉線位移DY2（東側(cè)主橋橋墩北端支座）安裝處的支座兩側(cè)擋板與支座底座之間的間距不同，北側(cè)擋板橡膠已擠死，南側(cè)擋板與底座有約6 mm的空隙。橋梁的支撐部位產(chǎn)生微小位移，如果沒有精準(zhǔn)的儀器測量，往往不易發(fā)現(xiàn)。在有關(guān)部門的及時(shí)維修下，繁華大道跨南淝河大橋在冰雪天氣中的安全隱患被及時(shí)消除，既保障交通運(yùn)輸暢通，還節(jié)約了可能因修繕不及時(shí)造成的高額維修成本。

監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警事件3

2018年11月17日，供水監(jiān)測系統(tǒng)兩處相鄰監(jiān)測點(diǎn)位同時(shí)發(fā)生漏水報(bào)警，通過分析判定：附近供水管網(wǎng)疑似存在漏水現(xiàn)象并立即通知供水集團(tuán)，供水集團(tuán)現(xiàn)場排查復(fù)核人員發(fā)現(xiàn)報(bào)警點(diǎn)位附近主干道路上，因某施工隊(duì)不規(guī)范物探作業(yè)貫穿高壓供水管道，漏水點(diǎn)貫穿直徑約15 cm，同時(shí)在遠(yuǎn)處排水井位置可發(fā)現(xiàn)有清澈水流涌出。該管道漏水量較大，持續(xù)沖刷地下土壤，并流入附近排水井內(nèi)，道路下方極可能出現(xiàn)空洞，因該道路為主干道且車流量較大，一旦出現(xiàn)路面塌陷將會(huì)導(dǎo)致重大安全事故。供水集團(tuán)立即進(jìn)行搶修處置，并于17日晚23時(shí)完成管道維修工作。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

集約建設(shè) 提高效率降低成本

通過為合肥市政府、市建委、市交通局、市政管理處、市公路局、市排水辦、市熱電集團(tuán)、市供水集團(tuán)、市燃?xì)饧瘓F(tuán)等相關(guān)單位和部門提供跨部門、跨行業(yè)的綜合服務(wù)，從整體上提升管理效率，降低建設(shè)和運(yùn)營成本，有效提高合肥市城市生命線工程安全運(yùn)行整體監(jiān)測水平，提升城市生命線安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

降低城市安全事故造成的經(jīng)濟(jì)損失

目前，合肥地下管網(wǎng)數(shù)量龐大、新老并存、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，城市生命線各種事故時(shí)有發(fā)生，對城市的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大威脅。通過項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行，有效加強(qiáng)城市生命線的安全管理，減少災(zāi)害事故的發(fā)生，降低城市生命線及其次生衍生災(zāi)害事故造成的經(jīng)濟(jì)損失。

助力“公共安全產(chǎn)業(yè)”發(fā)展

通過城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測項(xiàng)目實(shí)施，自主研發(fā)了監(jiān)測預(yù)警前端感知設(shè)備、安全監(jiān)測系統(tǒng)等一系列核心技術(shù)和裝備，從傳感器、成套化裝備、系統(tǒng)集成應(yīng)用等方面帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，整合上中下游產(chǎn)業(yè)，在環(huán)境安全、信息安全、交通安全、城市安全、防災(zāi)減災(zāi)安全等相關(guān)突發(fā)事件監(jiān)測、預(yù)警、處置、救援的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上形成集聚優(yōu)勢，為合肥市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)，推動(dòng)我國城市安全領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化。

將科技成果和創(chuàng)新模式推向全國

項(xiàng)目成果得到國家部委和省市領(lǐng)導(dǎo)的高度認(rèn)可，將形成的工程科技與管理科學(xué)創(chuàng)新成果，總結(jié)為“清華方案·合肥模式”，推薦在全國三百多個(gè)地級(jí)市推廣實(shí)施。

目前，建設(shè)成果正在佛山、淮北、徐州、杭州、武漢、福州、烏魯木齊、大連、佛山、宜昌、濱州等十多個(gè)城市推廣應(yīng)用。以合肥為城市安全云總部基地，逐步覆蓋全國各地市的基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行監(jiān)測服務(wù)，深度挖掘城市生命線運(yùn)行規(guī)律，提升城市防災(zāi)減災(zāi)能力，推動(dòng)城市安全產(chǎn)業(yè)集聚，為建設(shè)智慧安全城市、實(shí)現(xiàn)城市精細(xì)化管理、主動(dòng)式安全保障提供科技和服務(wù)支撐。